CN204559731U - 自适应调节相机曝光时间的装置及无人飞行器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自适应调节相机曝光时间的装置及无人飞行器，其中装置包括：光流检测处理系统，连接相机，接收相机拍摄的图像数据并发出调高或调低曝光时间梯档的指令；调节控制模块，连接所述光流检测处理系统及相机，接收所述光流检测处理系统发出的调高或调低曝光时间梯档的调控指令，调控相机的曝光时间；存储模块，连接所述光流检测处理系统及调节控制模块，所述存储模块存储有预设的曝光时间梯档序列值，通过本实用新型的方案使相机在随无人飞行器高速移动的过程中，能够实时适应性的调节相机曝光时间，保证拍摄图像的数量和质量。

Description

自适应调节相机曝光时间的装置及无人飞行器

技术领域

本实用新型涉及无人飞行器图像拍摄装置的曝光调节技术领域，特别是涉及一种自适应调节相机曝光时间的装置及无人飞行器。

背景技术

随着科技的发展，无人机飞行设备开始进入人们的视野，逐渐深入人们的生活，并改善着人们的生活。无人机飞行器的应用范围越来越广，例如在航拍、测量、灾害控制以及实时监测等专业领域都有着广泛的应用。

同时，对飞行器在高速飞行过程中画面的抓拍数量和质量也提出了更高的要求，特别是对于光流测量精度来说，这与相机在单位时间内的曝光次数以及单次曝光时间密切相关，单次曝光时间的长短会影响到单位时间内曝光的次数，单次曝光时间越长，单位时间内曝光的次数越少，抓拍到的图像数量越少，但由于单次曝光时间长，所以图像质量较高；反之，单次曝光时间越短，单位时间内曝光的次数越多，抓拍到的图像数量越多，但由于单次曝光时间短，所以图像质量较低。为了拍到满意的图像，图像的质量和数量都应达到较为理想的状态，需要在曝光时间和曝光次数之间取一个平衡点，也就是说，需要将曝光时间调节到一个最合适的值。

目前相机曝光时间的调节有机械调节和电子调节两种方式，但无论哪种方式都需要人为手工操作，并且需要多次的尝试和反复调试才能够调整到最佳的相机曝光时间。在飞行器高速飞行的过程中，相机的运动速度很快，不能进行手工调节，并且，在高速运动的过程中，随着速度的不断变化，需要实时适应性的改变曝光时间，否则并不能真正实现拍摄图像数量和质量均达到理想水平的目的。

鉴于上述情况，本设计人借其多年相关领域的技术经验以及丰富的专业知识，不断研发改进，并经大量的实践验证，提出了本实用新型自适应调节相机曝光时间的装置及无人飞行器的技术方案。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种自适应调节相机曝光时间的装置，在相机随无人飞行器高速移动的过程中，能够实时适应性的调节相机曝光时间，保证拍摄图像的数量和质量。

本实用新型的另一目的在于提供一种无人飞行器，设有本发明的自适应调节相机曝光时间的装置，在相机随无人飞行器高速移动的过程中，能够实时适应性的调节相机曝光时间，保证拍摄图像的数量和质量。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种自适应调节相机曝光时间的装置，包括：光流检测处理系统，连接相机，接收相机拍摄的图像数据并发出调高或调低曝光时间梯档的指令；调节控制模块，连接所述光流检测处理系统及相机，接收所述光流检测处理系统发出的调高或调低曝光时间梯档的调控指令，调控相机的曝光时间；存储模块，连接所述光流检测处理系统及调节控制模块，所述存储模块存储有预设的曝光时间梯档序列值。

进一步的，上述的自适应调节相机曝光时间的装置，其中，所述光流检测处理系统包括：高度检测器，用于检测相机高度；光流处理模块，连接相机、所述高度检测器及调节控制模块。

进一步的，上述的自适应调节相机曝光时间的装置，其中，所述相机包括相机镜片和感光元件，二者间距为焦距。

进一步的，上述的自适应调节相机曝光时间的装置，其中，所述高度检测器为测量所述相机镜片到地面的高度的超声波测距仪。

进一步的，上述的自适应调节相机曝光时间的装置，其中，所述高度检测器为激光测距仪。

进一步的，上述的自适应调节相机曝光时间的装置，其中，所述光流处理模块为光流传感处理芯片。

为了实现上述目的，本实用新型还提供了一种无人飞行器，设有上述的本发明自适应调节相机曝光时间的装置。

本实用新型的自适应调节自适应调节相机曝光时间的装置及无人飞行器至少具有以下优点及特点：

1、本实用新型的自适应调节相机曝光时间的装置及无人飞行器在相机随飞行器高速移动的过程中，随着速度的变化能够实时适应性的调节相机曝光时间，使曝光时间达到一个最合适的值，从而保证拍摄图像的数量和质量满足要求，提升飞行拍摄的品质水平。

2、本实用新型的自适应调节相机曝光时间的装置及无人飞行器能够在相机的飞行拍摄过程中，实现曝光时间的全自动智能调节，不需要现有技术中的人为手动调节，可快速做出反应并进行自动调节，相比现有技术，本实用新型可简化相机曝光时间的调节操作，缩短调节时间，随时保持航拍图像的数量和质量均处于理想状态，从而保证拍摄品质，提高飞行器在测量或其他应用领域的技术精度。

3、本实用新型的自适应调节相机曝光时间的装置将存储模块、光流处理模块以及相机等部件进行整合，各个模块技术成熟、分工明确，使得曝光自动调节信赖度高，整体装置运行稳定性高。

4、本实用新型的自适应调节相机曝光时间的装置结构简单，成本低，本实用新型的自适应调节相机曝光时间的方法可实施性强，应用范围广。

附图说明

图1为本实用新型自适应调节相机曝光时间的装置的模块示意图；

图2为本实用新型自适应调节相机曝光时间的装置的工作原理步骤示意图；

图3为本实用新型自适应调节相机曝光时间的装置的工作流程示意图；

图4为本实用新型中光流检测处理系统测算速率的原理示意图。

主要元件标号说明：

10  飞行器

11  相机

111 相机镜片

112 感光元件

1   光流检测处理系统

12  高度检测器

13  光流处理模块

2   调节控制模块

3   存储模块

F   焦距

H   高度

S   像素移动距离

T   单位时间

t   曝光时间

V   速率

X   位移

O   物体

M   单位时间抓拍图像数量

Q   像素搜索范围

u   运算系数

y   速度测量范围

a   速度上线系数

b   速度下线系数

ya  速度测量范围上线值

yb  速度测量范围下线值

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对具体实施例进行详细描述。

请参考图1，为本实用新型自适应调节相机曝光时间的装置的模块示意图，如图所示，本实用新型自适应调节相机曝光时间的装置主要包括：光流检测处理系统1，连接相机11，接收相机11拍摄的图像数据并进行数据处理，测得相机移动速率(即飞行速度)增大或减小，并发出调高或调低曝光时间梯档的指令；调节控制模块2，连接光流检测处理系统1及相机11，接收光流检测处理系统1发出的调高或调低曝光时间梯档的指令，并调控相机11的曝光时间；存储模块3，连接调节控制模块2，存储模块3存储有预设的曝光时间梯档序列值(t1、t2…tn，其中t为每一次曝光时间长度)，调节控制模块2根据曝光时间梯档序列值来调控相机曝光时间的具体长度。

其中，存储模块3与光流检测处理系统1相连，存储模块3中存储的相机曝光时间梯档序列值t1、t2…tn为人为预设的，根据实际环境和需要，该梯档序列值可相应调整，本实施例中，预设的曝光时间梯度值为t1＝0.64us、t2＝0.96us，并以此类推，每增加一个梯度，曝光时间增加0.32us，也就是说相邻梯度的曝光时间相差0.32us。

结合参考图4，为本实用新型中光流检测处理系统测算速率的原理示意图，光流检测处理系统1进一步包括：高度检测器12和光流处理模块13，光流处理模块13连接相机11，高度检测器12连接于光流处理模块13。其中：相机11设于飞行器10上，能够连续拍摄地面图像，其型号不限，飞行器10例如可为无人机。相机11具有相机镜片111和感光元件112(结合参考图4)，相机镜片111和感光元件112的间距也就是焦距为F，地面物体光线通过相机镜片111而在感光元件112上成像；高度检测器12设于飞行器10上，用于检测飞行器高度H(相机高度)，具体的说是相机镜片111到地面的高度H，高度检测装置12可为超声波测距仪或激光测距仪等，此类仪器种类较多且为常规技术，并不做具体限定，能测量飞行高度者均应属于本实用新型的保护范围；光流处理模块13连接相机11，同时连接高度检测器12，接收二者的信号并进行数据处理，具体的说，光流处理模块13接收相机11的图像数据并进行图像处理，得到相隔单位时间T的两幅图像中相同物体的像素移动距离S，具体的图像处理方法及过程为现有技术，不再具体说明。同时光流处理模块13接收高度检测器12测得的高度H，再结合焦距F和单位时间T的值，通过S/F＝X/H可运算得到飞行器10在单位时间T内移动的位移X和飞行速率V。光流处理模块13可为光流传感处理芯片。值得说明的是，所测算得出的该飞行速率V，可以是按照上述实施例记载的方法直接测算得出整个单位时间T内的速率值；也可以是将单位时间T分成若干小时间段，测算得出每个小时间段的速率值后再取平均值，本实施例中所记载的方式为前者，以下内容中所提到的单位时间T的速率V均为通过该方式测算获得。

调节控制模块2，连接光流检测处理系统1(光流处理模块)及相机11，其主要是用来调控相机11的曝光时间，接收光流检测处理系统1(光流处理模块)发出的调高或调低曝光时间梯档的指令，根据指令调控相机11的曝光时间。调节控制模块2较为常见，不再做详细说明。

以上为本实用新型自适应调节相机曝光时间的装置的结构组成，下面结合附图来说明本实用新型装置的工作原理及流程，请结合参考图2及图3，其中图2为本实用新型自适应调节相机曝光时间的装置的工作原理步骤示意图，图3为本实用新型自适应调节相机曝光时间的装置的工作流程示意图，如图所示，工作原理步骤主要包括以下步骤：S1预设曝光时间梯档序列值(t1、t2…tn，其中t为每一次相机曝光时间的长度)及单位时间T，曝光时间梯档序列值存储于存储模块中；S2通过光流检测处理系统1对相机拍摄的图像进行检测及数据处理，并判断得出需调高曝光时间梯档、调低曝光时间梯档或维持曝光时间不变；S3光流检测处理系统1发出的调高或调低曝光时间梯档的指令，调节控制模块2接收指令并据其调控相机11的曝光时间。

在步骤S1中，预设曝光时间梯档序列值t1、t2…tn，其中t为每一次相机曝光时间的具体长度，曝光时间序列具体值的设置可根据相机参数和具体工作环境设定，本实施例中tn>…>t2>t1，t1可设定为0.64us，t2可设定为0.96us，t3可设定为1.28us，以此类推，相邻梯度的曝光时间相差0.32us，曝光时间梯档序列值设定之后，可存储于存储模块3中。单位时间T也是根据实际工况和需求进行设定，并不做具体要求，一般来说单位时间T选择设定为小于等于1秒，本实施例中，为便于说明和理解，单位时间T选择设定为1秒。

步骤S2光流检测处理系统进行数据处理和判定的步骤进一步包括：S21通过光流检测处理系统1对相机拍摄的图像进行数据检测处理，得到相邻两个或多个单位时间T的相机移动速率V及光流检测处理系统1的速度测量范围y；S22光流检测处理系统1比较相邻两个或多个单位时间T的相机移动速率数据，判断相机移动速率升高或降低；S23根据步骤S22的判断结果，进一步比较相机移动速率与光流检测处理系统速度测量范围上、下线值，判断调高曝光时间梯档、调低曝光时间梯档或无需调整曝光时间梯档。

在步骤S21中，测算相机移动速率V是光流检测处理系统1根据相机拍摄到的图像数据来进行，具体的说，请结合参考图1、图4以及上述实施例记载的本实用新型的自适应调节相机曝光时间的装置内容，光流检测处理系统1连接于相机11，其包括高度检测器12和光流处理模块13，相机11包括相机镜片111和感光元件112，相机镜片111和感光元件112的间距为焦距为F，通过高度检测器12检测得到相机镜片111到地面的高度H；相机11连续曝光拍摄地面图像，光流模块处理器13接收相机11连续拍摄的图像数据，进行图像数据处理，得出相隔单位时间T的两幅图像中相同物体的像素移动距离S，具体的图像处理方法及运算过程为现有技术，不再具体说明，然后通过S/F＝X/H运算得出X数值，其中X为相机在单位时间T内的位移，再通过V＝X/T运算得出单位时间T内的相机移动速率V，如图4所示，在一个单位时间T内，相机11(随飞行器10)从位置A飞行到位置B，在位置A处，地面上的物体O其光线通过相机镜片111在感光元件112上成像，成像位置为A1；当相机11飞行到位置B处，地面上的物体O其光线通过相机镜片111在感光元件112上成像，成像位置为B1，此时位置A和位置B之间的距离即为相机位移X，成像位置A1和成像位置B1之间的距离即为像素移动距离S，根据几何关系可知S/F＝X/H，在其余数据可知的前提下，能计算出相机位移X。以此类推，随着相机的不断移动，可得出一系列单位时间T1、T2…Tn内的相机位移X1、X2到Xn，除以单位时间T，进而可得到一系列单位时间T1、T2…Tn内的相机速率V1、V2到Vn。

另外，在步骤S21中光流检测处理系统1还要处理得出相对于当前相机曝光时间t的光流检测处理系统速度测量范围y，其中t可为t1、t2…tn中的任一值，具体测算方法是，通过光流检测处理系统(光流处理模块13)处理，当前相机曝光时间为t，在单位时间T内，相机抓拍的图像数量为M＝T/t，得到单位时间抓拍图像数量M后，通过公式y＝M*Q*u运算得到光流检测处理系统的速度测量范围y，其中Q为光流检测处理系统的像素搜索范围，u为运算系数，光流检测处理系统的像素搜索范围Q及上述的运算系数u理论上都是可根据实际工况和需要进行调整的，但进入工作状态正常运作时，像素搜索范围Q及运算系数u可视为定值，所以，所得到的速度测量范围y直接受单位时间抓拍图像数量M的影响，而M的值又与曝光时间t密切相关，也就是说，处理得到的光流检测处理系统速度测量范围y直接受当前相机曝光时间t影响。

在步骤S22中，光流检测处理系统(光流处理模块13)对步骤S21中处理得到的数据(单位时间T的速率V)进行比较判定处理，在本实施例中，光流检测处理系统1直接比较相邻两个单位时间Tn和Tn+1的速率Vn和Vn+1，若Vn+1大于Vn，则判定相机移动速度升高；若Vn+1小于Vn，则判定相机移动速度降低。在另一实施例中，光流检测处理系统1比较判定相邻多个单位时间T的相机移动速率数据，从而判定判断相机移动速率升高或降低，以减少误差，具体的说，步骤S21中处理得到相邻单位时间Tn、Tn+1和Tn+2的速率Vn、Vn+1和Vn+2，为方便说明，称相邻单位时间Tn、Tn+1和Tn+2为第一单位时间、第二单位时间和第三单位时间，相应的各单位时间的速率为第一速率、第二速率和第三速率，计算得到第二速率和第三速率的平均值，再将该平均速率与第一速率比较，若平均速率大于第一速率，则判定相机移动速度升高；若平均速率小于第一速率，则判定相机移动速度降低。此种方式由于取了多个时间段的速率平均值进行比较，从而可有效减少由于速率突变引起的误差，提高准确度。值得说明的是，该实施例的方案并不限于取第二速率和第三速率两个速率的平均值，其可以推广开来，可取在第一单位时间之后的多个相邻单位时间段的速率值的平均速率，再与第一单位时间段的第一速率进行比较，并进行判断，所取的多个相邻单位时间段可为三个、四个、五个乃至更多个单位时间段，视实际工况和需求确定。

在步骤S23中，光流检测处理系统1根据步骤22中得出的速率判定结果，进一步比较判断当前相机移动速度与光流检测处理系统速度测量范围上、下线值，具体的说，与上述S22步骤的两个实施例对应的，在本实施例中，当光流检测处理系统1比较完相邻两个单位时间Tn和Tn+1的速率Vn和Vn+1，若步骤S22中判定相机移动速率升高，则进一步将当前相机移动速率(也就是第二单位时间的第二速率)与光流检测处理系统的速度测量范围上线值ya进行比较，其中速度测量范围上线值ya＝a*y，a为速度上线系数，该系数可根据实际工况和需求预设，本实施例中a选择预设为0.8。比较的结果，若当前相机移动速率(也就是第二单位时间的第二速率)大于速度测量范围上线值ya，则判断需调低曝光时间梯档，即缩短相机曝光时间，若当前相机移动速率小于速度测量范围上线值ya，则判断无需调整曝光时间梯档，即维持当前曝光时间不变；若步骤22中判定相机移动速率降低，则进一步将当前相机移动速率(也就是第二单位时间的第二速率)与光流检测处理系统的速度测量范围下线值yb进行比较，其中速度测量范围下线值yb＝b*y，b为速度下线系数，该系数同样可根据实际工况和需求预设，本实施例中b选择预设为0.4。比较的结果，若当前相机移动速率(也就是第二单位时间的第二速率)大于速度测量范围下线值yb，则判断无需调整曝光时间梯档，即维持当前曝光时间不变，若当前相机移动速率小于速度测量范围下线值yb，则判断需调高曝光时间梯档，即加长相机曝光时间。

而在另一实施例中，与步骤S22中所记载的另一实施例相应的，若步骤22中判定相机移动速率升高，则进一步将第一单位时间之后的多个相邻单位时间速率的平均值与光流检测处理系统的速度测量范围上线值ya进行比较，比较的结果，若所述速率平均值大于速度测量范围上线值ya，则判断需调低曝光时间梯档，即缩短相机曝光时间以满足拍摄要求，若所述速率平均值小于速度测量范围上线值ya，则判断无需调整曝光时间梯档，即维持当前曝光时间不变；若步骤22中判定相机移动速率降低，则进一步将第一单位时间之后的多个相邻单位时间速率的平均值与光流检测处理系统的速度测量范围下线值yb进行比较，比较的结果，若所述速率平均值小于速度测量范围下线值yb，则判断需调高曝光时间梯档，即加长相机曝光时间以满足拍摄要求，若所述速率平均值大于速度测量范围下线值yb，则判断无需调整曝光时间梯档，即维持当前曝光时间不变。此实施例的方式可减少误差影响。

进行完上述的比较判定步骤，光流检测处理系统1已经得出需调高曝光时间梯档或调低曝光时间梯档结果，之后便进行步骤S3，根据步骤S2的比较判定结果，光流检测处理系统1发出的调高或调低曝光时间梯档的指令，调节控制模块2接收指令并据其调控相机11的曝光时间，从而最终实现相机曝光时间的自适应调节，以满足拍摄需求。

另外，本实用新型还提出了一种无人飞行器，设有上述的本实用新型的自适应调节相机曝光时间的装置，实现相机曝光时间的实时准确调节，其中自适应调节相机曝光时间的装置的结构及原理与上述实施例记载相同，不再重复说明。

通过本实用新型的自适应调节相机曝光时间的装置及无人飞行器，在相机高速移动的过程中，随着速度的变化能够实时适应性的调节相机曝光时间，使曝光时间达到一个最合适的值，从而保证拍摄图像的数量和质量满足要求。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术实质及原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种自适应调节相机曝光时间的装置，其特征在于，包括：

光流检测处理系统，连接相机，接收相机拍摄的图像数据并发出调高或调低曝光时间梯档的指令；

调节控制模块，连接所述光流检测处理系统及相机，接收所述光流检测处理系统发出的调高或调低曝光时间梯档的调控指令，调控相机的曝光时间；

存储模块，连接所述光流检测处理系统及调节控制模块，所述存储模块存储有预设的曝光时间梯档序列值。

2.根据权利要求1所述的自适应调节相机曝光时间的装置，其特征在于，所述光流检测处理系统包括：

高度检测器，用于检测相机高度；

光流处理模块，连接相机、所述高度检测器及调节控制模块。

3.根据权利要求2所述的自适应调节相机曝光时间的装置，其特征在于，所述相机包括相机镜片和感光元件，二者间距为焦距。

4.根据权利要求3所述的自适应调节相机曝光时间的装置，其特征在于，所述高度检测器为测量所述相机镜片到地面的高度的超声波测距仪。

5.根据权利要求3所述的自适应调节相机曝光时间的装置，其特征在于，所述高度检测器为激光测距仪。

6.根据权利要求2所述的自适应调节相机曝光时间的装置，其特征在于，所述光流处理模块为光流传感处理芯片。

7.一种无人飞行器，其特征在于，所述无人飞行器设置有权利要求1至6任一项所述的自适应调节相机曝光时间的装置。