一种精确定位相机采集图像时刻的系统和方法与流程

本发明属于采集图像技术领域，具体涉及一种精确定位相机采集图像时刻的系统和方法。

背景技术：

相机是工业生产以及科学研究等领域常用的图像采集设备，常被用来拍摄物体动态过程，通过对所采集的图像进行分析，获取某些定性或定量的测量结果。在光测力学实验中，常结合图像处理算法对工业相机采集的图像进行定量分析，以获取被测物的应力、应变、位移等力学量。

在很多应用中，需要两台或多台相机联合工作以实现物体在三维空间的动态测量或实现大视场范围的拼接测量。在这些应用中，为了得到准确的实验分析结果，须保证采集到的图像数据在时间轴上一一对应，这就需要获取实验过程中相机采集每幅图像的时刻。

目前确定图像采集时刻的方式是使用图像序号推算出对应的采集时刻，即相机采集第1幅图像的时刻记为0点，假定相机按照设定的帧率m匀速采集每幅图像，则第n幅图像的采集时刻为(n-1)/m。例如，相机的采集帧率为10000fps/s，采集1000幅图像，则每幅图像的时刻分别为：0，100μs，200μs，300μs……99900μs。

以上确定图像采集时刻的方法基于两个假设：

(1)相机的启动延时为零，即相机接收到触发信号后立即开始采集图像；

(2)图像连续采集过程中采集的时间间隔是均匀的。

但是，已有研究表明，相机从接收到触发信号到采集第一张图像，存在一个短暂的响应时间。即上述假设(1)不成立。对于独立工作的单台相机来说，因其只需获取图像的相对时间，这个延时绝大多数情况下不影响测量结果的准确性。然而当两台或多台相机联合工作时，由于相机对触发信号的响应时间不同，导致每台相机采集图像的零点不一致，出现相机间的启动时差。该启动时差在高速、高精度的测量和分析应用中，会给实验带来严重的测量和分析错误。例如，在岩石结构粘滑动态过程的实验研究中，岩石断层破坏的瞬态过程为十微秒量级，而两台高速相机间百微秒量级的启动时差使得两台相机采集每幅图像的时刻在时间轴上“错位”，致使最后的测量结果失真。

此外，在整个图像采集过程中，两幅相邻图像的时间间隔并不严格均匀，在此称之为“走时误差”，即上述假设(2)不严格成立。例如，软件触发方式控制下的低速相机，由于触发信号精度和稳定性较低，采集到的图像会出现走时误差。

因此，提供一种精确定位相机采集图像时刻的系统和方法，能够精确定位相机采集图像的时刻，是本技术领域亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

为了解决背景技术中相机定位时刻不准确的问题，本发明提供了一种精确定位相机采集图像时刻的系统和方法，能够对相机拍摄图像的时刻进行精确的测量与定位。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种精确定位相机采集图像时刻的系统，包括：

系统时间总控模块，提供基准时间，并将所述基准时间同步发送给第一光逻辑控制子模块和触发模块；

光源矩阵控制模块，包括：

所述第一逻辑控制子模块，分别与第一电参数子模块、第一光源矩阵子模块相耦接，接收所述基准时间，并基于所述基准时间，向所述第一电参数子模块发送第一电参数控制信号，同时向所述第一光源矩阵子模块发送第一周期控制信号；

所述第一电参数子模块，与所述第一光源矩阵子模块相耦接，接收所述第一电参数控制信号，并根据所述第一电参数控制信号向所述第一光源矩阵子模块输出第一恒定电参数，以驱动所述第一光源矩阵子模块，所述第一恒定电参数包括恒定电压或恒定电流；

所述第一光源矩阵子模块，包括：至少一个第一光源，所述第一电源在所述第一周期控制信号和所述第一恒定电参数的控制下亮暗闪烁，其中，所述第一周期信号控制所述第一光源亮暗闪烁的周期；

触发模块，与相机相耦接，接收所述基准时间，产生触发信号并将所述触发信号发送至所述相机，所述触发信号为单次触发信号或连续触发信号；

所述相机，被所述触发信号触发，对被测物及光源矩阵进行图像采集以获得第一图像，所述第一图像包括所述被测物的图像信息和所述光源矩阵的灰度信息，其中，所述光源矩阵包括所述第一光源；

图像处理模块，与所述相机相耦接，接收所述第一图像，将所述光源矩阵的灰度信息转换为所述相机采集图像的时刻信息，以生成第二图像，所述第二图像为标定所述时刻信息的所述第一图像。

为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种精确定位相机采集图像时刻的方法，包括：

根据试验需求，设置被测物、第一光源矩阵子模块及相机的相对位置，并调节所述相机的光圈和焦距，以使所述被测物和所述光源矩阵清晰且不过曝；

设置光源矩阵控制模块，包括：

设置所述第一光源矩阵子模块，所述第一光源矩阵子模块包括第一个光源，设置所述第一光源的、大小、光强及排列方式；

设置第一逻辑控制子模块，设置第一电参数控制信号及第一周期控制信号的周期的参数；

设置第一电参数模块输出的第一恒定电参数的值，所述第一恒定电参数包括恒定电压或恒定电流；

设置所述相机的帧率及曝光时间；

图像采集和图像处理，包括：

启动系统时间总控模块，所述系统时间总控模块提供基准时间，并将所述基准时间同步发送给所述第一光源矩阵子模块和触发模块，

第一逻辑控制子模块接收所述基准时间，并基于所述基准时间，向所述第一电参数子模块发送所述第一电参数控制信号，同时向所述第一光源矩阵子模块发送所述第一周期控制信号；

所述第一电参数子模块接收所述第一电参数控制信号，并根据所述第一电参数控制信号向所述第一光源矩阵子模块输出所述第一恒定电参数，以驱动所述第一光源矩阵子模块；

所述光源矩阵子模块接收所述第一周期控制信号和所述第一恒定电参数，所述第一电源在所述第一周期控制信号和所述第一恒定电参数的控制下亮暗闪烁，其中，所述第一周期信号控制所述第一光源亮暗闪烁的周期；

触发模块接收所述基准时间，产生触发信号并将所述触发信号发送至所述相机，所述触发信号为单次触发信号或连续触发信号；

所述相机被所述触发信号触发，对被测物及光源矩阵进行图像采集以获得第一图像，所述第一图像包括所述被测物的图像信息和所述光源矩阵的灰度信息，其中，所述光源矩阵包括所述第一光源；

图像处理模块接收所述第一图像，将所述光源矩阵的灰度信息转换为所述相机采集图像的时刻信息，以生成第二图像，所述第二图像为标定所述时刻信息的所述第一图像。

与现有技术相比，本申请所述的精确定位相机采集图像时刻的系统和方法，达到了如下效果：

(1)本发明提供的精确定位相机采集图像时刻的系统，采用光源编码的方式表示相机的采集时刻，实现了对相机图像采集时刻的精确测量和定位；

(2)本发明提供的精确定位相机采集图像时刻的系统，对被测物体无损伤，测量精度高；

(3)可根据实际应用要求，组装或拆卸光源矩阵子模块的设计，实现形状、尺寸、数量可调节的光源矩阵；

(4)可根据实际应用要求，调节光源的亮度、大小、个数、周期，实现不同光强、不同精度、不同采集时长下时间的定位；

(5)用多个光源的亮暗表示时间的方法及设计，通过灰度识别与统计算法分析多个点光源在图像中的位置、亮暗时间和次数等信息的方法以及基于此信息确定相机采集图像绝对/相对时间的方法；基于光强与灰度成线性关系的特征假设，通过灰度二值化法和灰度线性插值法实现图像采集时间的精准定位。

当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明中的一种精确定位相机采集图像时刻的系统图；

图2为本发明中另一种精确定位相机采集图像时刻的系统图；

图3为本发明中一种光源矩阵控制从模块的结构示意图；

图4为本发明中另一种光源矩阵控制从模块的结构示意图；

图5为本发明中又一种光源矩阵控制从模块的结构示意图；

图6为本发明中的一种精确定位相机采集图像时刻的方法的流程图；

图7为本发明的精确测量相机启动时差的流程图；

图8为本发明精确测量相机启动时差的系统图；

图9为本发明精确测量相机启动时差所采用的光源矩阵的示意图；

图10为本发明精确测量相机启动时差的原理图；

图11为本发明中的灰度识别原理图；

图12为本发明所测得的相机的启动时差的统计图；

图13为本发明的精确测量相机走时误差的流程图；

图14为本发明精确测量相机走时误差的系统图；

图15为本发明精确测量相机走时误差所采用的光源矩阵的示意图；

图16为本发明精确测量相机走时误差的原理图；

图17为本发明重复测量的走时误差的统计图。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。此外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电性耦接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电性耦接于所述第二装置，或通过其他装置或耦接手段间接地电性耦接至所述第二装置。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

另外，本说明书并没有将权利要求书公开的构件和方法步骤限定于实施方式的构件和方法步骤。特别是，在实施方式中记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其结构顺序和邻接顺序以及制造方法等只要没有具体的限定，就仅作为说明例，而不是将本发明的范围限定于此。附图中所示的结构部件的大小和位置关系是为了清楚地进行说明而放大示出。

以下结合附图对本申请作进一步详细说明，但不作为对本申请的限定。

实施例1

图1为本发明中的一种精确定位相机采集图像时刻的系统图，请参见图1，本实施例提供了一种精确定位相机采集图像时刻的系统，该系统包括：

系统时间总控模块1，提供基准时间，并将基准时间同步发送给第一逻辑控制子模块201和触发模块3；

光源矩阵控制模块2，包括：

第一逻辑控制子模块201，分别与第一电参数子模块202、第一光源矩阵子模块203相耦接，接收基准时间，并基于基准时间，向第一电参数子模块202发送第一电参数控制信号，同时向第一光源矩阵子模块203发送第一周期控制信号；

第一电参数子模块202，与第一光源矩阵子模块203相耦接，接收第一电参数控制信号，并根据第一电参数控制信号向第一光源矩阵子模块203输出第一恒定电参数，以驱动第一光源矩阵子模块203，第一恒定电参数包括恒定电压或恒定电流；

第一光源矩阵子模块203，包括：至少一个第一光源，第一电源在第一周期控制信号和第一恒定电参数的控制下亮暗闪烁，其中，第一周期信号控制第一光源亮暗闪烁的周期；

触发模块3，与相机4相耦接，接收基准时间，产生触发信号并将触发信号发送至相机，触发信号为单次触发信号或连续触发信号；

相机4，被触发信号触发，对被测物及光源矩阵进行图像采集以获得第一图像，第一图像包括被测物的图像信息和光源矩阵的灰度信息，其中，光源矩阵包括第一光源；

图像处理模块5，与相机4相耦接，接收第一图像，将光源矩阵的灰度信息转换为相机采集图像的时刻信息，以生成第二图像，第二图像为标定时刻信息的第一图像。

需要说明的是，系统时间总控模块1可以设置相对时间作为基准时间，例如：将本系统开始工作的时刻设为0，并以此相对时间作为基准时间；系统时间总控模块1也可以接收外部绝对时间输入，例如：在2017年6月9日13点30分整开启本系统进行工作，并以此外部绝对时间作为基准时间。

本发明中的第一恒定电参数可以根据被测物及检测环境进行调节，在被测物及环境都较暗的条件下，可以设定较低的恒定电压或恒定电流，以免发生采集到的图像中光源过曝而被测物因较暗而不清晰的情况；同理，环境及被测物较亮的条件下，可以设定较高的恒定电压或恒定电流。

本发明中的各第一光源的亮暗的周期不同，相机的曝光时间与亮暗周期最小的第一光源的半周期相同，因此，在相机的曝光时间内，各第一光源呈现亮的状态的时长不同，则相机采集的图像中的第一光源的灰度不同，第一光源在相机的曝光时间内呈现亮的状态的时长越长，则该第一光源在图像中的灰度越大。

本发明中的相机4可以是高速相机或者低速相机，由于高速相机自带触发装置，因此触发模块4只需向高速相机提供单次触发信号，高速相机就可以按照其自身内部时钟源连续触发，实现对图像的连续采集；而低速相机通常不能独立地产生触发信号，因此，需要触发模块3提供连续的触发信号，并在该连续触发信号的触发下实现对图像的连续采集。

本实施例提供的精确定位相机采集图像时刻的系统，采用光源编码的方式表示相机的采集时刻，实现了对相机图像采集时刻的精确测量和定位；本系统对被测物体无损伤，且测量精度高，能够满足多种条件下对多种被测物体的测量。

图2为本发明中另一种精确定位相机采集图像时刻的系统图。请参见图2，可选地，本发明提供的精确定位相机采集图像时刻的系统，还可以包括光源矩阵控制从模块6，光源矩阵控制从模块6与光源矩阵控制模块2相耦接；光源矩阵控制从模块6至少包括第二光源矩阵子模块603，第二光源矩阵子模块603包括第二光源。光源矩阵包括第一光源和第二光源。当光源矩阵控制从模块6只包括第二光源矩阵子模块603时，光源矩阵控制从模块6与光源矩阵控制模块2相耦接，实质是实现了第二光源矩阵子模块603分别与第一逻辑控制子模块201、第一电参数子模块202的耦接，此时，第一逻辑控制子模块201也向第二光源矩阵子模块603发送第一周期控制信号，第一电参数子模块202也向第二光源矩阵子模块603发送第一恒定电参数，从而使第二光源按照预设的周期亮暗闪烁。通过增加光源矩阵控制从模块，可以增加光源矩阵中的光源数量，从而提高系统的时间定位精度。

图3为本发明中一种光源矩阵控制从模块的结构示意图，图4为本发明中另一种光源矩阵控制从模块的结构示意图，图5为本发明中又一种光源矩阵控制从模块的结构示意图。请参见图3-5，本发明中的光源矩阵控制从模块6，除包括第二光源矩阵子模块603外，还包括第二逻辑控制子模块601和/或第二电参数子模块602。其中，第二电参数子模块602为第二光源矩阵子模块603提供第二恒定电参数，第二逻辑控制子模块601为第二光源矩阵子模块603提供第二周期控制信号。在本发明中，第二恒定电参数可以与第一恒定电参数相同，也可以不同；第二周期控制信号的基准时间与第一周期控制信号的基准时间相同。

若第一逻辑控制子模块同时控制过多光源的周期，则第一逻辑控制子模块的复杂程度较大，因此，为了降低其复杂度，在光源矩阵控制从模块中设置第二逻辑控制子模块。第一电参数子模块能提供的功率是有限的，因此，为了避免过载，在光源矩阵控制从模块可以增加第二电参数子模块。

可选地，本发明中的图像处理模块，利用灰度二值化法或灰度线性插值法将光源矩阵的灰度信息转换为相机采集图像的时刻信息。灰度二值化法及灰度线性插值法将在与本系统对应的方法中进行详细说明，在此不再赘述。

可选地，本发明中的光源(包括第一光源和第二光源)为点光源，尤其是led点光源，能够适应不同的非主要信息区域的形状，而且具有亮度大，能耗低的优点。光源的位置根据被测物的具体情况确定，以不侵占被测物的主要信息为原则，一般图像的中央区域显示主要信息，因此，光源放置在被测物的主要信息区域的周围，且使得光源的亮暗情况能够被相机采集到。

需要说明的是，本发明中每个光源亮暗各一次的时间为其所对应的周期，每个光源亮一次或暗一次的时间为其所对应的半周期。所述光源的周期可调，且每个所述光源的周期均不相同。由于每个光源的亮暗周期不同，在不同时刻，所述光源矩阵的整体亮暗情况不同，因此，以这种光源编码的形式，能够精确测量相机采集图像的时刻。

实施例2

利用本发明提供的精确定位相机采集图像时刻的系统，本实施例提供了一种精确相机采集图像时刻的方法，图6给出了精确测量相机采集图像时刻的方法的流程图，请参见图6，该方法包括：

步骤s101：根据试验需求，设置被测物、第一光源矩阵子模块及相机的相对位置，并调节相机的光圈和焦距，以使被测物和所述光源矩阵清晰且不过曝。

步骤s102：设置光源矩阵控制模块，包括：

(1)设置第一光源矩阵子模块，第一光源矩阵子模块包括第一个光源，设置第一光源的、大小、光强及排列方式；

(2)设置第一逻辑控制子模块，设置第一电参数控制信号及第一周期控制信号的周期的参数；

(3)设置第一电参数模块输出的第一恒定电参数的值，第一恒定电参数包括恒定电压或恒定电流。

步骤s103：设置所述相机的帧率及曝光时间。

步骤s104：图像采集及图像处理，包括：

(1)启动系统时间总控模块，系统时间总控模块提供基准时间，并将基准时间同步发送给第一光源矩阵子模块和触发模块。

(2)第一逻辑控制子模块接收基准时间，并基于基准时间，向第一电参数子模块发送第一电参数控制信号，同时向第一光源矩阵子模块发送第一周期控制信号；触发模块接收基准时间，产生触发信号并将触发信号发送至相机，触发信号为单次触发信号或连续触发信号。

(3)第一电参数子模块接收第一电参数控制信号，并根据第一电参数控制信号向第一光源矩阵子模块输出第一恒定电参数，以驱动第一光源矩阵子模块；光源矩阵子模块接收第一周期控制信号和第一恒定电参数，第一电源在第一周期控制信号和第一恒定电参数的控制下亮暗闪烁，其中，第一周期信号控制第一光源亮暗闪烁的周期；相机被触发信号触发，对被测物及光源矩阵进行图像采集以获得第一图像，第一图像包括被测物的图像信息和光源矩阵的灰度信息，其中，光源矩阵包括第一光源。

(4)图像处理模块接收第一图像，将光源矩阵的灰度信息转换为相机采集图像的时刻信息，以生成第二图像，第二图像为标定时刻信息的第一图像。

需要说明的是，相机的触发和光源矩阵中的光源的开始闪烁是同时实现的，都是基于基准时间。

本发明中的精确定位相机采集图像时刻的方法，也可以包括对光源矩阵控制从模块的设置，光源矩阵可以包括第一光源和第二光源。对此请参照实施例1，在此不做赘述。

本实施例提供的精确定位相机采集图像时刻的方法，采用光源编码的方式表示相机采集时刻的绝对时间或相对时间，实现了对相机图像采集时间的精确测量与定位；对被测物体无损伤，测量精度高，能够满足多种条件下对多种被测物体的测量。

为了便于对光源编码的说明，仅以光源矩阵包括第一光源为例进行说明：设置第一周期控制信号的周期的参数，进一步为：对第一光源进行编号，并按照公式(i)设置每个第一光源的亮暗周期，

公式(i)中，xn(t)表示所述光源矩阵第n个所述第一光源t时刻的亮暗，xn(t)＝1表示所述第一光源为亮，xn(t)＝0表示所述第一光源为暗；n表示所述第一光源的编号，n为正整数且n≧1；α表示相邻编号的所述第一光源的亮暗周期的倍率，1<α≦2；t0为n个所述第一光源中，亮暗频率最快的所述第一光源的亮暗周期；τn表示编号为n的所述第一光源的延时时间；k为所述光源矩阵中各所述第一光源当前的周期数，n为自然数集，α^n-1t0表示所述光源矩阵所表达的最大不重复时间。

α和τn取不同的值时，编码效果不同，以下针对不同的α和τn取值进行说明。

在一些可选的实施方式中，α＝2且τn＝0。此时，相邻编号的第一光源的亮暗周期的倍率为2，且各光源没有延时，编码为标准的二进制码，该方法使用方式简单，可直接将所得编码直接转换为时间。

在一些可选的实施方式中，1<α<2且τn＝0，此时，相邻编号的第一光源的亮暗周期的倍率大于1且小于2，且各光源没有延时。该编码方法较为简单，且表示时间的第一光源在某一时刻不会全部跳变或部分跳变，进而避免第一光源在图像之间的混叠，无法辨认各第一光源的编号的情况。

在一些可选的实施方式中，α＝2，τn＝2^n-3t0，且所述光源矩阵所表达的最大不重复时间为α^n-2t0。此时，相邻编号的第一光源的亮暗周期的倍率为2，各光源的延时时间为τn＝2^n-3t0，也就是各第一光源的1/4周期，该方法可以有效的解决表示时间的第一光源在某一时刻全部跳变或部分跳变所造成的点光源图像之间的混叠问题，而且编码转换较简单。

由于光源(包括第一光源、第二光源)在相机的曝光时间内呈现亮的状态的时长不同，则相机采集的图像中的光源的灰度不同，光源在相机的曝光时间内呈现亮的状态的时长越长，则该光源在图像中的灰度越大；图像处理模块识别图像中的每个光源的位置和灰度信息，根据设置的阈值，采用灰度二值化法或线性插值法转换为相机采集图像的时刻信息，生成第二图像，第二图像为标定时刻信息的第一图像。

灰度二值化法，将光源的灰度信息分为亮、暗两种状态，光源的灰度小于该光源的阈值，判定该光源为暗，并以0表示，光源的灰度大于该光源的阈值，判定该光源为亮，并以1表示，将依次编号的光源的亮暗情况形成一组由0和1组成的数值，并根据光源矩阵的每个光源的亮暗周期和亮暗次数，将该组由0和1组成的数值转换为采集此图的时刻，阈值为该光源的最大灰度值的一半。

通过灰度二值化能够精确定位图像采集的时刻，测量精度为最小周期的半周期，本发明的最小周期是指亮、暗的时间间隔最小的光源的周期。

灰度线性插值法，将光源的亮暗情况分为亮、暗和灰三种状态，光源的灰度小于或等于该光源阈值下限，判定该光源为暗，用0表示；光源的灰度大于或等于该光源的阈值上限，判定该光源为亮，用1表示；光源的灰度位于该光源的阈值上限和阈值下限之间，判断该光源为灰，通过线性插值计算，该光源的亮暗情况用大于0且小于1的实数表示；将光源的亮暗情况形成一组由0～1的实数组成的数值，并根据光源矩阵的每个光源的周期和亮暗次数，将该组由0～1的实数组成的数值转换为采集此图的时刻。

确定第i号光源的阈值上限和阈值下限的方法是：实验开始前，依次对第i号光源的灰度阈值上限、下限进行标定。保持相机的采集帧率、曝光时间等参数不变，设置i号光源持续亮的状态，拍摄多张图像，并对图像中光源的灰度值进行统计，取最小值作为阈值上限；设置i号光源持续暗的状态，拍摄多张图像，并对图像中光源的灰度值进行统计，取最大值作为阈值下限。

经过线性插值法，能够提高相机采集图像时刻的精度，能够更为精确的定位相机采集图像的时刻，避免出现图像“错位”的情况，进而提高对被测物的测量精度。

本实施例提供的精确定位相机采集图像时刻的方法，采用光源编码的方式表示相机采集时刻的绝对时间或相对时间，实现了对相机图像采集时间的精确测量与定位；对被测物体无损伤，测量精度高，能够满足多种条件下对多种被测物体的测量。

实施例3

利用本发明提供的精确定位相机采集图像时刻的系统，并在本发明提供的精确定位相机采集图像时刻的方法的基础上，本实施例提供了一种精确测量两台或多台相机之间启动时差的方法，图7给出了精确定位相机启动时差的流程图，请参见图7，该方法包括：

步骤s201：设置光源矩阵控制模块

该步骤包括：设置光源矩阵子模块、设置逻辑控制子模块和设置电参数子模块。设置光源矩阵子模块：图9给出了精确测量相机启动时差所采用的光源矩阵的示意图，将8个第一光源横向排列构成光源矩阵，按照图9中从左至右的顺序将第一光源依次编号为1～8号，1～8号第一光源构成了光源矩阵，为了便于说明，在本实施例的后续说明中，第一光源均简写为光源。

需要说明的是，由于本实施例只使用了8个光源，光源矩阵控制模块中的光源矩阵子模块完全能够满足，因此，无需对光源矩阵控制从模块进行设置。本实施例提供光源矩阵仅是示例性说明，光源矩阵的光源的个数、大小、排列方式及周期根据待测量的相机的具体情况进行调整。

设置逻辑控制子模块：所述逻辑控制子模块向所述电参数子模块发送电参数控制信号为5v的恒定电压，向所述光源矩阵子模块发送周期控制信号如下：

光源的周期随着编号的增加以2ⁿ的形式递增，在第8号光源的一个周期内：第1号光源以亮暗各10μs为一个周期，闪烁128次；第2号光源以亮暗各20μs为一个周期，闪烁64次；第3号光源以亮暗各40μs为一个周期，闪烁32次…….第8号光源以亮暗各1.28ms为一个周期，闪烁1次；光源矩阵按照上述亮暗方式进行循环。将光源亮一次或暗一次的时间半周期设为t，光源的周期则为2t，即：

2t1＝20μs，闪烁128次；

2t2＝40μs，闪烁64次；

2t3＝80μs，闪烁32次；

2t4＝160μs，闪烁16次；

2t5＝320μs，闪烁8次；

2t6＝640μs，闪烁4次；

2t7＝1.28ms，闪烁2次；

2t8＝2.56ms，闪烁1次。

需要说明的是，本实施例中光源的闪烁时长并不限于随着光源编号的增大以2ⁿ的形式递增，此时，α＝2且τn＝0，当然，还可以按照公式(i)中其他的α和τn的值进行设置。本实施例对此不作限制。

由于周期的变化规律可调，因此，能够根据具体的情况采用不同的周期的变化规律，以提高时间定位精度。

步骤s202：调整相机与光源矩阵子模块的相对位置

具体地，图8给出了精确定位相机启动时差的系统图，将两台相机，即第一相机41和第二相机42与触发模块3进行连接，并将第一相机41和第二相机42设置在被测光源矩阵的正前方。

需要说明的是，本实施例中的第一相机41和第二相机42为高速相机，高速相机通常可以按照其自身内部时钟源连续触发，因此，所述触发模块4只需提供给所述第一相机41和第二相机42一个单次触发信号，所述第一相机41和第二相机42即可进行后续的连续触发，实现对图像的连续采集；同时相机的台数不限于两台，本实施例提供的方法也能够实现对多于两的台相机之间的启动时差的测量，本实施例对相机的数量不做具体限制。

步骤s203：开启相机并调节相机的焦距

具体地，调节第一相机41和第二相机42的焦距直至光源成像清晰为止。

步骤s204：设置相机的帧率及曝光时间

具体地，将第一相机41和第二相机42的帧率设置为10000fps/s，曝光时间设置为10μs。

步骤s205：启动光源矩阵控制模块及触发相机

具体地，对精确定位相机采集图像时刻的系统通电，按下该系统的启动按键，则光源矩阵控制模块被启动，光源矩阵中的光源按照步骤s201中设定的方式进行亮暗，同时触发所述第一相机41和所述第二相机42对光源矩阵中所有光源进行拍摄，获得光源矩阵的图像信息。

步骤s206：重复步骤s205，重复次数为100次。

需要说明的是，重复测量的第1次，两台相机至少分别拍摄并保存时长为2t8的图像，这些图像用于统计每个光源的灰度，其余的99次实验，只需要保存相机拍摄的第一张图像即可。

步骤s207：数据导出及数据处理

具体地，定位图像采集时刻的原理如图10所示，假设第一相机41和第二相机42采集到的第1个图像都处于8号光源的同一个周期内，由于不同时刻光源矩阵的亮暗情况不同，因此，能够根据拍摄到图像的亮暗情况，测量第一相机41和第二相机42的启动时差。判断光源灰度信息的原理如图11所示，即曝光时间内光源的亮的时间越长，灰度值越大。将所述相机所采集的所述光源矩阵的图像信息导入到所述图像处理模，利用灰度二值化法或灰度线性插值法将所述光源矩阵的灰度信息转换为所述相机采集图像的时刻。

首先，对第1次测量的所有图像的灰度进行统计，并将所有图像的按照灰度从小到大的顺序进行排列。

所述灰度二值化法，根据设定的阈值，将所述光源的灰度信息分为亮、暗两种状态，所述光源的灰度小于该光源的阈值，判定该光源为暗，并以0表示，所述光源的灰度大于该光源的阈值，判定该光源为亮，并以1表示，将所述光源的亮暗情况形成一组由0和1组成的数值，并根据所述光源矩阵的每个所述光源的周期和亮暗次数，将该组由0和1组成的数值转换为采集此图的时刻。则第一相机41和第二相机42的启动时差为：

δt启动＝t41-t42

＝(at8+m1t1+m2t2+m3t3+m4t4+m5t5+m6t6+m7t7+m8t8)-(at8+m1′t1+m2′t2+m3′t3+m4′t4+m5′t5+m6′t6+m7′t7+m8′t8)

＝∑(mi-mi′)ti

其中，δt为第一相机41和第二相机62的启动时差；t41和t42分别为第一相机41和第二相机42拍摄第1个图像的时间；a为第8号光源(周期最大的光源)已经过的完整周期数，mi为第一相机41拍摄的图像中编号为i的光源的亮暗情况，mi′为第二相机42拍摄的图像中编号为i的光源的亮暗情况，且光源亮时m的值为1，光源暗时m的值为0。

在本实施例中，i为1～8的整数。

例如，以某次两台相机采集到的第1个图像中的1-8号光源的亮暗情况分别为：

亮暗暗亮暗暗暗暗；暗暗暗亮暗暗暗暗。

对应的由0和1组成的数值为：

10010000；00010000。则δt启动＝(1-0)t1＝t1

那么，这两台相机的启动时差为第1号光源的半周期，即t1＝10μs。

通过灰度二值化能够精确定位图像采集的时刻，测量精度为最小周期的半周期，本发明所述的最小周期是指亮、暗的时间间隔最小的光源的周期。

所述灰度线性插值法，根据设定的阈值上限和阈值下限，将光源的亮暗情况分为亮、暗和灰三种状态，所述光源的灰度小于或等于该光源阈值下限，判定该光源为暗，用0表示；所述光源的灰度大于或等于该光源的阈值上限，判定该光源为亮，用1表示；所述光源的灰度位于该光源的所述阈值上限和所述阈值下限之间，判断该光源为灰，通过线性插值计算，该光源的亮暗情况用大于0且小于1的实数表示；将所述光源的亮暗情况形成一组由0～1的实数组成的数值，并根据所述光源矩阵的每个所述光源的周期和亮暗次数，将该组由0～1的实数组成的数值转换为采集此图的时刻。

确定第i号光源的阈值上限和阈值下限的方法是：实验开始前，依次对第i号光源的灰度阈值上限、下限进行标定。保持相机的采集帧率、曝光时间等参数不变，设置i号光源持续亮的状态，拍摄多张图像，并对图像中光源的灰度值进行统计，取最小值作为阈值上限；设置i号光源持续暗的状态，拍摄多张图像，并对图像中光源的灰度值进行统计，取最大值作为阈值下限。

以第一相机41拍摄的第y次重复实验的启动时刻拍摄的图像为例，该图像为8号光源的第1个周期内的图像，拍摄的图片的光源的亮暗为：

灰灰灰暗暗暗暗暗，

第1-3号光源处于灰态，假设第1、2、3号光源的阈值上限分别为210、205、200，阈值下限分别是10、5、0，此图像中第1-3号光源的灰度为60、55、150则拍摄该图像的时间为：

t61＝m3t3+m2t2+m1t1

＝(150-0)/(200-0)*40+(55-5)/(205-5)*20+(60-10)/(210-10)*10

＝37.5μs

即：第一相机41第y次重复实验的启动时刻所拍摄的图像的时刻为第37.5μs，求得两台相机的启动时刻，对这两台相机的启动时刻求差，即得到这两台相机的启动时差。

需要说明的是，采用灰度线性插值法进行计算，当光源的图像为灰时，mi(第i号光源的亮暗情况)的值为线性插值的计算结果。

通过灰度线性插值法，能够更为精确的定位相机采集图像的时刻，也能够更为精确的判断两台相机之间的启动时差，精度值小于最小周期的半周期。

为了更准确的测量相机的启动时差，将100次重复测量的结果进行统计，统计结果如图12所示：

图12的横坐标是启动时差，此处的启动时差为第一相机41启动时间减去第二相机42的启动时间；纵坐标为各启动时差在100次重复测量的结果中所占的比例，由图12可以看出，两台相机的启动时差集中分布在0-200μs的范围内。

本实施例提供的精确测量两台或多台相机启动时差的方法，采用光源编码的方式表示相机采集时刻的绝对时间或相对时间，能够测量两台高速相机之间的启动时差，并对启动时差进行校准，避免了两台相机采集每幅图像的时刻在时间轴上错位从而引起的测量结果失真的问题；对被测物体的影响小，测量精度高，能够满足多种条件下对多种被测物体的测量。

实施例4

利用本发明提供的精确定位相机采集图像时刻的系统，并在本发明提供的精确定位相机采集图像时刻的方法的基础上，本实施例提供了一种精确测量相机走时误差的方法，图13给出了精确定位相机走时误差的流程图，请参见图13，该方法包括：

步骤s301：设置光源矩阵控制模块

该步骤包括：设置光源矩阵子模块、设置逻辑控制子模块和设置电参数子模块。设置光源矩阵子模块：图15给出了精确测量相机启动时差所采用的光源矩阵的示意图，将8个第一光源排成两行四列的光源矩阵，按照图15中从左至右的顺序将第一行的第一光源依次编号为1～4号，将第二行的第一光源依次编号为5～8号，1～8号光源构成了光源矩阵，为了便于说明，本实施例中的后续的第一光源简写为光源。

需要说明的是，由于本实施例只使用了8个光源，光源矩阵控制模块中的光源矩阵子模块完全能够满足，因此，无需对光源矩阵控制从模块进行设置。本实施例提供光源矩阵仅是示例性说明，光源矩阵的光源的个数、大小、排列方式及周期根据待测量的相机的具体情况进行调整。

设置逻辑控制子模块：所述逻辑控制子模块向所述电参数子模块发送电参数控制信号为8v的恒定电压，向所述光源矩阵子模块发送周期控制信号如下：

光源的周期随着编号的增加以2ⁿ的形式递增，在第8号光源的一个周期内：第1号光源以亮暗各600μs为一个周期，闪烁128次；第2号光源以亮暗各1.2ms为一个周期，闪烁64次；第3号光源以亮暗各2.4ms为一个周期，闪烁32次…….第8号光源以亮暗各76.8ms为一个周期，闪烁1次，即灯的亮暗周期随着灯号的增长以2ⁿ的形式递增，光源矩阵按照上述亮暗方式进行循环。将光源亮一次或暗一次的时间半周期设为t，光源的周期则为2t，即：

2t1＝1.2ms，闪烁128次；

2t2＝2.4ms，闪烁64次；

2t3＝4.8ms，闪烁32次；

2t4＝9.6ms，闪烁16次；

2t5＝19.2ms，闪烁8次；

2t6＝38.4ms，闪烁4次；

2t7＝76.8ms，闪烁2次；

2t8＝153.6ms，闪烁1次。

需要说明的是，本实施例中光源的闪烁时长并不限于随着光源编号的增大以2ⁿ的形式递增，此时，α＝2且τn＝0，当然，还可以按照公式(i)中其他的α和τn的值进行设置。本实施例对此不作限制。

步骤s302：调整相机与光源矩阵的相对位置

具体地，图14给出了精确定位相机走时误差的系统图，将相机4与触发模块3进行连接，并将相机4设置在被测光源矩阵的正前方。

需要说明的是，本实施例中的相机4为低速相机，低速相机相邻两次拍摄之间可能存在走时误差，走时误差对低速相机的测量结果影响较大；而高速相机相邻两次拍摄之间的时间间隔本就很小，高速相机的走时精度也更高，通常不存在走时误差或走时误差过小可视为走时准确，因此，本实施例以低速相机的走时误差为例进行说明。

步骤s303：开启相机并调节相机的焦距

具体地，调节相机的焦距直至光源成像清晰为止。

步骤s304：设置相机的帧率及曝光时间

具体地，将相机4的帧率设置为10fps/s，曝光时间设置为600μs。

步骤s305：启动光源矩阵控制模块及触发相机

具体地，对精确定位相机采集图像时刻的系统通电，按下该系统的启动按键，则光源矩阵控制模块被启动，光源矩阵子模块上的光源按照步骤s101中设定的方式进行亮暗，同时触发相机对光源矩阵子模块上所有光源组成的光源矩阵进行拍摄，获得光源矩阵的图像信息，此步骤中共拍摄1000张图像。

步骤s306：数据导出及数据处理

具体地，定位图像采集时刻的原理如图16所示，由于不同时刻光源矩阵的亮暗情况不同，因此，能够根据拍摄到图像的亮暗情况，测量相机4的走时误差。判断光源灰度信息的原理如图11所示，即曝光时间内光源的亮的时间越长，灰度值越大。将相机所采集的所述光源矩阵的图像信息导入到所述图像处理模，利用灰度二值化法或灰度线性插值法将所述光源矩阵的灰度信息转换为所述相机采集图像的时刻。

首先，对测量的所有图像的灰度进行统计，并将所有图像的按照灰度从小到大的顺序进行排列。

所述灰度二值化法，根据设定的阈值，将所述光源的灰度信息分为亮、暗两种状态，所述光源的灰度小于该光源的阈值，判定该光源为暗，并以0表示，所述光源的灰度大于该光源的阈值，判定该光源为亮，并以1表示，将所述光源的亮暗情况形成一组由0和1组成的数值，并根据所述光源矩阵的每个所述光源的周期和亮暗次数，将该组由0和1组成的数值转换为采集此图的时刻。则相机4的走时误差为：

δt走时误差＝t测量-t标准

其中，δt走时误差是走时误差，t测量是相邻两个图像的后一个图像的拍摄时间减去前一个图像的拍摄时间的实际时间差，t标准是相邻两个图像之间的标准时间差。

在本实施例中，相机的帧率设置为10fps/s，所以t标准为100ms，而t测量通过图像中光源的亮暗读出。例如，某两个相邻的图像中的光源的亮暗情况为：

暗亮暗暗暗暗暗暗；暗暗暗亮暗亮暗亮；

对应的由0和1组成的数值为：

10000000；00010101；

则t测量＝t4+t6+t8-t2＝99.6ms。

此时，δt走时误差＝t测量-t标准＝99.6ms-100ms＝-0.4ms

因此，采用灰度二值化法，能够在一定程度上测量相机的走时误差。

所述灰度线性插值法，根据设定的阈值上限和阈值下限，将光源的亮暗情况分为亮、暗和灰三种状态，所述光源的灰度小于或等于该光源阈值下限，判定该光源为暗，用0表示；所述光源的灰度大于或等于该光源的阈值上限，判定该光源为亮，用1表示；所述光源的灰度位于该光源的所述阈值上限和所述阈值下限之间，判断该光源为灰，通过线性插值计算，该光源的亮暗情况用大于0且小于1的实数表示；将所述光源的亮暗情况形成一组由0～1的实数组成的数值，并根据所述光源矩阵的每个所述光源的周期和亮暗次数，将该组由0～1的实数组成的数值转换为采集此图的时刻。

确定第i号光源的阈值上限和阈值下限的方法是：实验开始前，依次对第i号光源的灰度阈值上限、下限进行标定。保持相机的采集帧率、曝光时间等参数不变，设置i号光源持续亮的状态，拍摄多张图像，并对图像中光源的灰度值进行统计，取最小值作为阈值上限；设置i号光源持续暗的状态，拍摄多张图像，并对图像中光源的灰度值进行统计，取最大值作为阈值下限。

例如，在某两个相邻图像中的光源的灰度信息为：

灰灰暗暗暗暗暗暗；暗暗暗亮暗亮暗亮；

通过统计计算，第1、2号光源的阈值上限分别200、205，阈值下限分别是0、5，此处识别的1、2号光源的灰度分别为100、105，则拍摄该图像的时间为

则t测量

＝(m8t8+m6t6+m4t4)-(m2t2+m1t1)

＝76.8+19.2+4.8-[(105-5)/(205-5)*1.2+(100-0)/(200-0)*0.6]

＝99.9ms。

此时，δt走时＝t测量-t标准＝99.9ms-100ms＝-0.1ms

需要说明的是，采用灰度线性插值法进行计算，当光源的图像为灰时，mi(第i号光源的亮暗情况)的值为线性插值的计算结果。

采用灰度线性插值法进行计算，能够将走时误差的测量精度显著提高，精度值小于最小周期的半周期。

需要说明的是，本实施例中的灰度二值化法和灰度线性插值法的计算例仅为示例性列举，相机的拍摄的图片的实际亮暗情况取决于相机本身的走时情况。

为了更准确的测量相机的走时差，将一次拍摄的1000张图像的走时误差进行统计(1000张图像共包括999次测量的走时误差)，统计结果如图17所示：

图17的横坐标是走时误差值，纵坐标为各走时误差值在999次重复测量的走时误差中所占的比例，由图17可以看出，该相机的走时误差集中在-0.1ms到+0.1ms之间，符合相机的走时精度；而出现几次走时误差在-1ms左右，此时走时出现明显的误差。

本实施例提供的精确测量相机走时误差的方法，采用光源编码的方式表示相机采集时刻的绝对时间或相对时间，能够测量相机的走时误差，并对走时误差进行校准，避免了由于走时误差引起的测量精度较低的问题。

与现有技术相比，本申请所述的精确定位相机采集图像时刻的系统和方法，达到了如下效果：

(1)本发明提供的精确定位相机采集图像时刻的系统，采用光源编码的方式表示相机的采集时刻，实现了对相机图像采集时刻的精确测量和定位；

(2)本发明提供的精确定位相机采集图像时刻的系统，对被测物体无损伤，测量精度高；

(3)可根据实际应用要求，组装或拆卸光源矩阵子模块的设计，实现形状、尺寸、数量可调节的光源矩阵；

(4)可根据实际应用要求，调节光源的亮度、大小、个数、周期，实现不同光强、不同精度、不同采集时长下时间的定位；

(5)用多个光源的亮暗表示时间的方法及设计，通过灰度识别与统计算法分析多个点光源在图像中的位置、亮暗时间和次数等信息的方法以及基于此信息确定相机采集图像绝对/相对时间的方法；基于光强与灰度成线性关系的特征假设，通过灰度二值化法和灰度线性插值法实现图像采集时间的精准定位。

当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

由于方法部分已经对本申请实施例进行了详细描述，这里对实施例中涉及的结构与方法对应部分的展开描述省略，不再赘述。对于结构中具体内容的描述可参考方法实施例的内容，这里不再具体限定。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。