专利名称：一种多相机系统的取像同步控制设备及其方法
技术领域：
本发明属于光电技术领域，更具体地，涉及一种用于多相机系统的取像同步控制设备及其方法。
背景技术：
多相机系统广泛应用于立体视觉、三维成像、多点取像的空间位置测量以及大视野并行取像等场合，并具备广阔的发展前景。在这些采用多相机系统来执行测量和监控的应用中，往往要求多相机的图像采集是同步的，由此使得多个相机的投影中心相重合，并便于后期的图像处理。现有技术中实现多相机同步采集图像的方法主要包括:采用外部脉冲同步触发多个相机各自的快门并控制其曝光时间长度，以此方式来使多相机实现同步取像。例如，非专利文献“高速摄影摄影测量系统中双相机同步技术的实现”(测绘科学技术学报，2009年第26卷第I期，第76-78页)公开了一种多相机同步取像系统，其中双相机采用了与采集卡内同步的模式，并且采集卡的时钟发生器用来产生同步源信号和相机的像素时钟信号和HD/VD信号，从而保证了双相机的同步精度。又如，CN200610075401.9中公开了一种多相机系统及其控制方法，其中通过使用具备复位相位发送单元的控制器，将与帧的位置相对应的复位相位信息发送到多个图像拾取设备中的每一个，然后图像拾取设备根据从控制器发送的同步基准信号，输出所拍摄的图像拾取帧；这种相机系统中通过控制器发送的同步基准信号来保证多相机的取像同步性。然而，对于某些同步性要求极高的多相机系统而言，譬如光学准直测量装置，由于它需要通过测量准直光束的漂移来修正光学准直定位的测量结果，而光束的漂移是随时间变化的，在此情况下要想实现对光束漂移的高精度探测，就必须更好地控制探测用相机的同步性，而且同步性的精度越闻，光束漂移探测的闻精度保障也就越闻。此外，由于多相机系统中各个相机外触发的响应时间、包括外触发同步和曝光时间的快门时间长度(也即取像的采集时间)也会有少许的不一致，特别是当相机型号不同时外触发响应时间的差别会更大，并导致高速曝光时影响曝光效果。考虑到以上情况，现有技术的同步控制方式将无法满足更高精度的同步要求。相应地，在相关领域中存在着对多相机系统的取像同步控制过程作出进一步改进的技术需求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷和技术需求，本发明的目的在于提供一种多相机系统的取像同步控制设备及其方法，其通过对脉冲信号的前沿后移和后沿前移处理及其配套操作，可以使得光束发生器在所有相机均处于稳定曝光状态后发生光束，并在所有相机开始结束曝光状态之前结束对光束的发射，由此实现对所有相机的取像完全同步控制，并尤其适用于光学准直测量等同步性要求极高的多相机系统。按照本发明的一个方面，提供了一种多相机系统的取像同步控制设备，该取像同步控制设备包括同步脉冲发生器、第一脉冲可调模块、第二脉冲可调模块、光束发生器、以及分光镜组件，其特征在于:所述同步脉冲发生器用于按照所设定的脉冲周期和脉冲宽度，对多相机系统中的所有相机以及所述第一脉冲可调模块同步发出脉冲信号并作用于各个相机使其开始曝光，由此将各个相机的取像周期均控制为同步脉冲发生器所产生脉冲的周期，其中该脉冲宽度被确定为小于或等于所有相机所统一设定的曝光时间Tw，所述曝光时间Tw小于或等于各个相机所允许的最长曝光时间中的最小值，该脉冲周期被确定为大于或等于各个相机在Tw曝光时间下自由连续取像时的最长取像周期；所述第一脉冲可调模块用于对所接收的脉冲信号执行前沿后移处理，然后将其发送至第二脉冲可调模块；所述第二脉冲可调模块用于对所接收的脉冲信号执行后沿前移处理，然后将其发送至光束发生器；所述光束发生器按照所接收的脉冲信号发出准直光束或无衍射光束，并经由分光镜组件分光后同步到达分别设置在分光镜反射方向和透射方向上的各个相机，各个相机由此实现多相机系统中多个相机对同一光束的取像同步控制过程。作为进一步优选地，所述分光镜组件的数量为2个以上且其分布在同一光轴上，其中在各个分光镜组件的反射方向上分别对应设置有一个相机，同时在所有分光镜组件相同的透射方向上设置有一个相机。作为进一步优选地，所述第一脉冲可调模块为手动式可调模块；所述第二脉冲可调模块为电控式可调模块，并在控制信号源的驱动下执行脉冲调节。作为进一步优选地，所述光束发生器的光束发射及停止发射的频率响应高于IMHz0作为进一步优选地，所述多相机系统中的相机为全帧相机或者逐行相机。作为进一步优选地，所述多相机系统中相机的所有像素均在同一时间曝光，并且是一次性整块输出。作为进一步优选地，所述多相机系统中的相机均具备允许外触发的电子快门，由此允许由同步脉冲发生器产生的脉冲信号控制其取像周期。按照本发明的另一方面，还提供了相应的取像同步控制方法，其特征在于，该方法包括下列步骤:(a)对多相机系统中的多个相机设定统一的曝光时间Tw，所述曝光时间Tw被确定为小于或等于所有相机各自所允许的最长曝光时间中的最小值；(b)对同步脉冲发生器设定其脉冲周期和脉冲宽度，该脉冲宽度小于或等于所有相机所统一设定的曝光时间Tw，该脉冲周期大于或等于各个相机在曝光时间Tw下自由连续取像时的最长取像周期；(c)在完成上述设定之后，同步脉冲发生器相应发出脉冲信号同步作用于多个相机并使其开始曝光，并将各个相机的取像周期均控制为同步脉冲发生器所产生脉冲的周期；与此同时，该脉冲信号依次经过前沿后移和后沿前移处理，然后作用于光束发生器并使其按照经过处理的脉冲信号发射光束，所述光束经由分光镜的分光后同步到达各个相机，由此实现了同一光束在多相机系统中的取像同步控制。
按照本发明的又一方面，还提供了上述方法在光学准直测量领域或无衍射光束的应用。总体而言，按照本发明的取像同步控制设备及其方法与现有技术相比，主要具备以下的技术优点:1、由于在采用脉冲信号使得多个相机执行曝光的同时，对该脉冲信号依次执行前沿后移和后沿前移处理后再作用于光束发生器，可以使得光束发生器在所有相机均处于稳定曝光状态后发生光束，并在所有相机开始结束曝光状态之前结束对光束的发射，由此可实现对所有相机的取像完全同步控制；2、本发明的同步控制设备能够满足多相机系统中多个相机对同一光束取像的高度同步性，并可方便地进行扩充，增加更多的相机对光束进行取像，只需沿着光轴增加分光镜组件及其对应的相机即可；3、按照本发明的同步控制方法便于操作，并可获得与现有技术相比更高的同步性效果，因此尤其适用于为光束漂移的探测精度提供保障；4、本发明中通过电控模块调节脉冲信号的后沿，控制脉冲的宽度，进而控制光束发生器光束发射的时间，由此可达到精确控制采样时间的目的。
图1是按照本发明一个优选实施例的取像同步控制设备的整体结构示意图；图2是按照本发明另一优选实施例的取像同步控制设备的整体结构示意图；图3是用于显示多相机系统中多个全帧相机的自由连续取像的时序示意图；图4是按照本发明设定统一的曝光时间Tw后的多个全帧相机的连续取像时序示意图；图5是用于显示按照本发明对光束发生器和多个全帧相机分别予以控制的时序示意图。在所有附图中中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中:1-光束发生器2-同步脉冲发生器3-第一脉冲可调模块4-第二脉冲可调模块5-控制信号源6-相机7-相机8-相机9-分光镜组件10-分光镜组件11-相机12-分光镜组件
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。图1是按照本发明一个优选实施例的取像同步控制系统的整体结构示意图。如图1中所示，按照本发明的取像同步控制设备主要包括光束发生器1、同步脉冲发生器2、第一脉冲可调模块3、第二脉冲可调模块4、以及分光镜组件9和10。同步脉冲发生器2用于按照所设定的脉冲周期和脉冲宽度，对多相机系统中的所有相机6、7和8以及第一脉冲可调模块3同步发出脉冲信号，并作用于各个相机使其开始曝光，并将各个相机的取像周期均控制为同步脉冲发生器所产生脉冲的周期。该脉冲宽度被确定为小于或等于所有相机所统一设定的曝光时间Tw，所述曝光时间Tw小于或等于各个相机所允许的最长曝光时间中的最小值，该脉冲周期被确定为大于或等于各个相机在Tw曝光时间下自由连续取像时的最长取像周期。第一脉冲可调模块3譬如为手动式可调模块，它对从同步脉冲发生器2所发出的脉冲信号执行前沿后移处理，然后将其发送至第二脉冲可调模块4 ;第二脉冲可调模块譬如为电控式可调模块，并在计算机或电压的控制信号源5的驱动下，对从第一脉冲可调模块发出的脉冲信号执行后沿前移处理，然后将其发送至光束发生器I。在上述过程中，通过第一脉冲可调模块3的前沿后移处理，可以使得光束发生器I在所有相机均处于稳定曝光状态后发射光束，而通过第二脉冲可调模块4的后沿前移处理，可以使得光束发生器I在所有相机开始结束曝光状态的时刻之前停止光束的发射，由此实现了各个相机采集图像的时间高度一致，并且实现完全同步。光束发生器I用于按照所接收的脉冲信号发出准直光或无衍射光束等定向性高的光束，并依次经由分光镜组件9、10分光后同步到达分别设置在这些分光镜反射方向和透射方向上的各个相机，具体而言，一部分光到达分别设置在分光镜反射方向上的相机7和8,另一部分光到达设置在分光镜同一透射方向上的相机6,由此实现多相机系统中多个相机对同一光束的取像同步控制过程。此外，还可以对相机7、8各自所探测出的光束图像进行同步比较处理，即可探测光束偏移对光束的影响误差。该影响误差用于修正相机6所采集图像的处理结果，即可实现利用光束漂移的探测结果对相机6所采集图像的处理结果的修正过程。图2是按照本发明另一优选实施例的取像同步控制设备的整体结构示意图。其与图1中所示结构相比，主要的区别在于在分光镜组件的同一光轴上增加了一个分光镜组件12，并相应在该分光镜12的反射方向上设置有相机11。该实施例表明本发明可以适用于各类多相机系统对同一光束采样的完全同步控制。如果想对本设备进行扩充，增加多个相机，则只需增设分光镜组件及其对应的相机，并按照图2中所示的光路进行扩充即可。下面将参照图3-图5来具体解释按照本发明的取像同步控制过程。这里以3个相机为例进行说明，由于3个相机的型号可能不同，则3个相机的最长曝光时间也不同，设3个相机的最长曝光时间分别为Twl，Tw2, Tw3，3个相机的自由连续取像周期分别为T1(l，T2(l，T30,即可得到这3个相机的自由连续取像的时序图，具体如图3中所示。图4是按照本发明设定统一的曝光时间Tw后的多个全帧相机的连续取像时序示意图。这里结合图1所示的三相机系统进行说明，将3个相机的单个取像周期内的曝光时间Twl，Tw2, Tw3统一设定为Tw，Tw应小于或等于所有的相机中各自允许的最长曝光时间中的最小值，例如图3中所示，即取与相机3的曝光时间相等或更小的时间作为共同的曝光时间Tw，此时3个相机自由连续取像周期分别变为图4所示的Tl，T2，T3，其中Tl最长，相机曝光譬如由外触发信号的上升沿触发。然后，同步脉冲发生器发出一个脉冲宽度为W，脉冲周期为T的脉冲信号，脉冲宽度W被确定为小于或等于所有相机所统一设定的曝光时间Tw，该脉冲周期被确定为大于或等于各个相机在Tw曝光时间下自由连续取像时的最长取像周期。例如图4中所示，即T=T1，W=Tw。同步脉冲发生器的脉冲前沿为TR，同步脉冲发生器的脉冲后沿为TD，经过此脉冲的上升沿触发，相机开始曝光，并且控制各个相机的取像周期均为此脉冲的周期也即所设定的脉冲周期。图5是用于显示按照本发明对光束发生器和多个全帧相机分别予以控制的时序示意图。这里同样结合图1所示的三相机系统进行说明。首先由图4所确定的同步脉冲触发信号对3个相机进行外触发，使3个相机6、7和8均处于曝光状态；与此同时，该同步脉冲触发信号通过一个脉冲前沿的手动可调模块3，后沿TD不变且使其前沿后移，由TR变为TTR，后移的时间由所有相机响应同步脉冲发生器的脉冲前沿TR的最长响应时间决定，其目的在于使所有相机均处于稳定曝光状态后才使高频响的光束发生器I开始发射光束。第一脉冲可调模块3输出的控制信号通过一个脉冲后沿的第二脉冲可调模块4，前沿TTR不变且使其后沿前移，由TD变为TTD，以此来控制高频响的光束发生器I发射光束的结束时刻，并使高频响的光束发生器在所有相机开始结束曝光状态的时刻之前结束光束的发射。综合以上操作，由此实现对所有相机获取光束取样的完全同步。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种多相机系统的取像同步控制设备，该取像同步控制设备包括同步脉冲发生器、第一脉冲可调模块、第二脉冲可调模块、光束发生器、以及分光镜组件，其特征在于: 所述同步脉冲发生器用于按照所设定的脉冲周期和脉冲宽度，对多相机系统中的所有相机以及所述第一脉冲可调模块同步发出脉冲信号，并作用于各个相机使其开始曝光，其中该脉冲宽度被确定为小于或等于所有相机所统一设定的曝光时间Tw，所述曝光时间Tw小于或等于各个相机所允许的最长曝光时间中的最小值，该脉冲周期被确定为大于或等于各个相机在曝光时间Tw下自由连续取像时的最长取像周期； 所述第一脉冲可调模块用于对所接收的脉冲信号执行前沿后移处理，然后将其发送至第二脉冲可调模块； 所述第二脉冲可调模块用于对所接收的脉冲信号执行后沿前移处理，然后将其发送至光束发生器； 所述光束发生器按照所接收的脉冲信号发出准直光束或无衍射光束，并经由分光镜组件分光后同步到达分别设置在分光镜反射方向和透射方向上的各个相机，各个相机由此实现多相机系统中多个相机对同一光束的取像同步控制过程。
2.如权利要求1所述的取像同步控制设备，其特征在于，所述分光镜组件的数量为2个以上且其分布在同一光轴上，其中在各个分光镜组件的反射方向上分别对应设置有一个相机，同时在所有分光镜组件相同的透射方向上设置有一个相机。
3.如权利要求1或2所述的取像同步控制设备，其特征在于，所述第一脉冲可调模块为手动式可调模块；所述第二脉冲可调模块为电控式可调模块，并在控制信号源的驱动下执行脉冲调节。
4.如权利要求1-3任意一项所述的取像同步控制设备，其特征在于，所述光束发生器的光束发射及停止发射的频率响应譬如高于IMHz。
5.如权利要求1-4任意一项所述的取像同步控制设备，其特征在于，所述多相机系统中的相机为全帧相机或者逐行相机，这些相机的所有像素均在同一时间曝光，并且是一次性整块输出。
6.如权利要求5所述的取像同步控制设备，其特征在于，所述多相机系统中的相机均具备允许外触发的电子快门，由此允许由同步脉冲发生器产生的脉冲信号控制其取像周期。
7.—种通过如权利要求1-6任意一项所述的设备实现取像同步控制的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤: (a)对多相机系统中的多个相机设定统一的曝光时间Tw，所述曝光时间Tw被确定为小于或等于所有相机各自所允许的最长曝光时间中的最小值； (b)对同步脉冲发生器设定其脉冲周期和脉冲宽度，其中该脉冲周期大于或等于各个相机在Tw曝光时间下自由连续取像时的最长取像周期，该脉冲宽度小于或等于所有相机所统一设定的曝光时间Tw ； (c)在完成上述设定之后，同步脉冲发生器相应发出脉冲信号同步作用于多个相机并使其开始曝光，并将各个相机的取像周期均控制为同步脉冲发生器所产生脉冲的周期；与此同时，该脉冲信号依次经过前沿后移和后沿前移处理，然后作用于光束发生器并使其按照经过处理的脉冲信号发射光束，所述光束经由分光镜的分光后同步到达各个相机，由此实现了同一光束在多相机系统中的取像同步控制。
8.如权利要求7所 述的取像同步控制方法在光学准直测量领域或无衍射光束的应用。
全文摘要
本发明公开了一种多相机系统的取像同步控制设备，包括同步脉冲发生器、第一和第二脉冲可调模块、光束发生器和分光镜组件，其中同步脉冲发生器用于按照所设定的脉冲周期和宽度，对所有相机和第一脉冲可调模块同步发出脉冲信号；第一、第二脉冲可调模块分别用于对脉冲信号执行前沿后移和后沿前移处理，并发送至光束发生器；光束发生器按照脉冲信号发出准直光束或无衍射光束，并经由分光镜分光后同步到达各个相机，由此实现对同一光束的取像同步控制过程。本发明还公开了相应的取像同步控制方法及其应用。通过本发明，能够以结构紧凑、便于操作的方式实现对多个相机的取像完全同步控制，并尤其适用于光学准直测量等同步性要求极高的场合。
文档编号H04N5/232GK103108125SQ201310004509
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月7日 优先权日2013年1月7日
发明者张新宝, 聂博强 申请人:华中科技大学