一种分时并行图像采集装置及其标定方法
【专利摘要】本发明公开了一种分时并行图像采集装置及其标定方法；分时并行图像采集装置，包括镜头、棱镜组、图像传感器阵列和控制器；入射光线经过镜头入射至棱镜组，棱镜组将入射光线分成N路光强各不相同的子光束，N路子光束分别聚焦在与入射光线垂直的图像传感器阵列中N个图像传感器上，控制器分别控制各个图像传感器依次分时触发曝光，获得不同时刻物体的图像，达到了N倍的图像采集帧率，实现了图像的高速采集。本发明能够显著提高高速图像采集的频率，能够使得拍摄两幅图像的时间间隔更短；通过控制单一图像传感器芯片的采图顺序，使后者在前一个图像传感器的曝光间隔内采图，这样就可在相同的时间周期内的采图次数增多，从而提高整个装置的采图频率。
【专利说明】一种分时并行图像采集装置及其标定方法
【技术领域】
[0001]本发明属于图像采集【技术领域】，更具体地，涉及一种分时并行图像采集装置及其标定方法。
【背景技术】[0002]高速摄影是指相机采图频率大于128幅/秒，可连续获得3幅以上的摄影，而要实现高速摄影的必备仪器是高速摄像机，高速摄像机在科研及其他诸多领域应用非常广泛，常被用作记录分析物体的运动变化，甚至生物器官、微生物、分子的运动，例如在粒子图像测速领域，高速摄像机已经成为不可缺少的工具。
[0003]粒子图像测速技术是图象分析技术的一种，采用两个时间间隔很短的脉冲激光光源照亮所需要测量的流场，利用高速摄像机将所照明的流场中的示踪粒子记录下来，利用计算机进行图象处理得到示踪粒子的速度场的信息，从而反映流体速度场的一种技术。
[0004]现代高速相机的感光器件一般为CXD或CMOS器件，单一图像传感器芯片要达到超高速纳秒级别时间间隔的采图频率价格极其昂贵，从而大大限制了高速相机的使用。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种分时并行图像采集装置，其目的在于提高图像采集帧率并实现图像的高速采集；由此解决现有技术中单一图像传感器芯片要达到超高速纳秒级别时间间隔的采图频率，价格极其昂贵的技术问题。
[0006]本发明提供的分时并行图像采集装置，包括镜头、棱镜组、高速图像传感器阵列和控制器；工作时，入射光线经过所述镜头入射至所述棱镜组，所述棱镜组将入射光线分成N个光强各不相同的子光束，N个子光束分别聚焦在与所述入射光线垂直的高速图像传感器阵列中N个图像传感器上，控制器分别控制各个图像传感器依次分时触发曝光，获得不同时刻物体的图像，达到了 N倍的图像采集帧率，实现了图像的高速采集；N为大于等于3的整数。
[0007]更进一步地，所述棱镜组包括(N+1)个半透棱镜，所述(N+1)个半透棱镜分为相互垂直设置的两组，每一组均包括多个平行布置的半透棱镜；入射光线经水平方向布置的半透棱镜后的透射光定义为第一光束，入射光线经水平方向布置的半透棱镜后的反射光定义为第二光束，入射光线经垂直方向布置的半透棱镜后的反射光定义为第三光束，入射光线经垂直方向布置的半透棱镜后的透射光定义为第四光束；所述第一光束与所述第三光束平行，所述第二光束与所述第四光束平行。
[0008]更进一步地，高速图像传感器阵列包括N个图像传感器，依次设置在N个半透棱镜的反射光路上。
[0009]更进一步地，控制器的控制时序包括N个周期性方波，后一个方波与前一个方波
的时序间隔依次为ΛΤ1、ΛΤ2、......Λ TN ;其中T= (Λ Tl+Λ Τ2+…Λ TN) ;Τ为单个图像传
感器两次曝光时间间隔Ti为第i个图像传感器和第i+Ι个图像传感器曝光的时间间隔。
[0010]本发明还提供了一种如上述的分时并行图像采集装置的标定方法，其特征在于，包括下述步骤:
[0011](I)几何标定:在镜头前放置方格或点阵标定板，通过控制器控制N个图像传感器进行曝光采集，对每个图像传感器采集的图像进行去镜头畸变处理以及坐标变换后实现了多个相机拍摄位置完全相同的标定；
[0012](2)亮度标定:控制器控制N个图像传感器同时曝光，同一时刻拍摄到同一物体的N张图像，以其中一张为标准，对亮度大于该图像的其他图像进行亮度减弱处理，对亮度小于该图像的其他图像进行亮度增强处理，然后根据灰度直方图精细调整，以便使所有图像
亮度一致。
[0013]更进一步地，亮度减弱或增强的具体数值根据公式Ti =#蕴含的倍数关系快速
调整，其中Itl为总光强；Ni为光线到达第i个传感器时经过的棱镜数目山为经过分光棱镜后第i个图像传感器得到的光线强度。
[0014]本发明通过该装置可以获得单一高速图像传感器芯片多倍的采图频率；通过控制单一图像传感器芯片的采图顺序，使后者在前一个图像传感器的曝光间隔内采图，这样就可在相同的时间周期内的采图次数增多，从而提高整个装置的采图频率。通过相应的标定算法，保证了采图的准确性。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明实施例提供的分时并行图像采集装置结构示意图；
[0016]图2是本发明实施例提供的分时并行图像采集装置中控制器的时序控制图。
【具体实施方式】
[0017]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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0018]本发明提供的分时并行图像采集装置包括:一组用于将入射光线分成N路的光学棱镜组，经过分光后的光线照射在由N个数字图像传感器芯片组成的感光阵列上，图像采集控制器精确控制N个数字图像传感器芯片依次分时触发曝光，以获得不同时刻物体的图像，从而达到原高速图像传感器芯片N倍的图像采集帧率，实现图像的高速及超高速采集。
[0019]本发明提供的分时并行图像采集装置采用多传感器芯片并行采集方式，在时序电路控制下顺序触发，理论采图频率可以达到并行传感器个数乘以单个传感器的采图频率，从而具有结构简单，控制简单，采图频率高的特点，对于同样的高采样频率，多芯片结构比单芯片结构的造价要低很多，可实现图像的高速及超高速采集的作用。
[0020]本发明的积极效果是:(I)通过该装置可以获得单一高速图像传感器芯片多倍的采图频率；(2)通过控制单一图像传感器芯片的采图顺序，使后者在前一个图像传感器的曝光间隔内采图，这样就可在相同的时间周期内的采图次数增多，从而提高整个装置的采图频率。(3)通过相应的标定算法，保证了采图的准确性。
[0021]以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案:整体架构如图1所示，入射光线经过镜头I射入棱镜组2，棱镜组2将入射光线分成N个光强各不相同的子光束后，N个子光束分别聚焦在与入射光线垂直的高速图像传感器阵列3中的每个图像传感器上，图像采集与传输控制器4控制每个高速图像传感器按照如图2所示的时序依次曝光和依次输出图
像。
[0022]在本发明实施例中，棱镜组2包括(N+1)个半透棱镜，(N+1)个半透棱镜分为相互垂直设置的两组，每一组均包括多个平行布置的半透棱镜；入射光线经水平方向布置的半透棱镜后的透射光定义为第一光束，入射光线经水平方向布置的半透棱镜后的反射光定义为第二光束，入射光线经垂直方向布置的半透棱镜后的反射光定义为第三光束，入射光线经垂直方向布置的半透棱镜后的透射光定义为第四光束；所述第一光束与所述第三光束平行，所述第二光束与所述第四光束平行。
[0023]光学棱镜(半透镜)组排列如图1所示，排列形状按/ ”分为两支(组)，同一支的棱镜互相平行，两组棱镜互相之间相互垂直。N个棱镜在两支数目大致均等(N为偶数则两支数目各半，N为奇数则“ \ ”组多I个棱镜)避免一支过长而引起最后的传感器感光不足。
[0024]在本发明实施例中，高速图像传感器阵列3包括N个图像传感器，依次设置在N个半透棱镜的反射光路上。
[0025]控制器4的控制时序包括N个周期性方波，后一个方波与前一个方波的时序间隔依次为ΛΤ1、ΛΤ2、……Λ TN;其中T= ( Λ Tl+Λ Τ2+…Λ TN) ;Τ为单个图像传感器两次曝光时间间隔Ti为第i个图像传感器和第i+Ι个图像传感器曝光的时间间隔。
[0026]如图2所示，C1、C2.....CN分别为第一、第二.....第N片高速图像传感器芯片
的曝光时序图，C为等效的单个相机的曝光时序图，时序控制流程如下:图像采集与传输控制器4控制第一片高速图像传感器芯片进行曝光，第一片高速图像传感器芯片经过时间Atl(其中Atl由高速图像传感器设置来确定)完成曝光采集图像后，经过时间ΛΤ1，图像采集与传输控制器4控制第二片高速图像传感器芯片曝光，第二片高速图像传感器芯片经过时间Λ t2完成曝光采集图像后，经过Λ Τ2时间，控制第三片高速图像传感器芯片曝光，依次控制第N个高速图像传感器芯片曝光，摄像机阵列完成时间序列上图像采集，从而实现将采图频率提高到单一高速图像传感器芯片频率N倍的效果，实现图像的超高速采集，其中T= ( Λ Tl+Λ Τ2+...Λ TN) ;Τ为单个图像传感器两次曝光时间间隔；Λ Ti为第i个图像传感器和第i+Ι个图像传感器曝光的时间间隔等于1、2……N。
[0027]由于光线到达每个图像传感器芯片经过的棱镜的个数不同，光强度的损失也不同，因此每个图像传感器芯片拍摄到的图像的亮度不同，同时由于多个棱镜和图像传感器芯片安装的位置不同，从而造成拍摄到的同一幅图像存在平移、旋转和缩放变换，因此事先需要对该装置进行标定，根据需要我们提出一次曝光标定方法，同时实现N个相机图片位置对应(几何标定)和N个相机的图片亮度相同(亮度标定)。
[0028]几何标定:在镜头前放置高精度的方格或点阵标定板，控制所有芯片进行曝光采图，对每个图像传感器芯片采集到的图像进行常规的去镜头畸变和将世界坐标转换成像素坐标的变换，将每个图像传感器芯片对应的转换关系存入计算机，即得到如下关系式:[0029]对标定板上某一点j坐标为[xwj，ywJ, zwJ, 1]τ，对应在第i个相机平面的像素坐标为[Uij, Vij, I]τ，存在下面的关系:
【权利要求】
1.一种分时并行图像采集装置，其特征在于，包括镜头(I)、棱镜组(2)、高速图像传感器阵列⑶和控制器⑷； 工作时，入射光线经过所述镜头(I)入射至所述棱镜组(2)，所述棱镜组(2)将入射光线分成N个光强各不相同的子光束，N个子光束分别聚焦在与所述入射光线垂直的高速图像传感器阵列(3)中N个图像传感器上，控制器(4)分别控制各个图像传感器依次分时触发曝光，获得不同时刻物体的图像，达到了 N倍的图像采集帧率，实现了图像的高速采集；N为大于等于3的整数。
2.如权利要求1所述的分时并行图像采集装置，其特征在于，所述棱镜组(2)包括(N+1)个半透棱镜，所述(N+1)个半透棱镜分为相互垂直设置的两组，每一组均包括多个平行布置的半透棱镜； 入射光线经水平方向布置的半透棱镜后的透射光定义为第一光束，入射光线经水平方向布置的半透棱镜后的反射光定义为第二光束，入射光线经垂直方向布置的半透棱镜后的反射光定义为第三光束，入射光线经垂直方向布置的半透棱镜后的透射光定义为第四光束；所述第一光束与所述第三光束平行，所述第二光束与所述第四光束平行。
3.如权利要求2所述的分时并行图像采集装置，其特征在于，所述高速图像传感器阵列(3)包括N个图像传感器，依次设置在N个半透棱镜的反射光路上。
4.如权利要求1所述的分时并行图像采集装置，其特征在于，所述控制器(4)的控制时序包括N个周期性方波，后一个方波与前一个方波的时序间隔依次为Λ Τ1、Λ Τ2、……ΛTN;其中了=(厶1'1+厶了2+夂厶了吣；Τ为单个图像传感器两次曝光时间间隔；ATi为第i个图像传感器和第i+Ι个图像传感器曝光的时间间隔。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的分时并行图像采集装置的标定方法，其特征在于，包括下述步骤: (1)几何标定:在镜头前放置方格或点阵标定板，通过控制器控制N个图像传感器进行曝光采集，对每个图像传感器采集的图像进行去镜头畸变处理以及坐标变换后实现了多个相机拍摄位置完全相同的标定； (2)亮度标定:控制器控制N个图像传感器同时曝光，同一时刻拍摄到同一物体的N张图像，以其中一张为标准，对亮度大于该图像的其他图像进行亮度减弱处理，对亮度小于该图像的其他图像进行亮度增强处理，然后根据灰度直方图精细调整，以便使所有图像亮度—致。
6.如权利要求5所述的标定方法，其特征在于，亮度减弱或增强的具体数值根据公式Ii 蕴含的倍数关系快速i周整，其中I。为总光强；Ni为光线到达第i个传感器时经过的棱镜数目为经过分光棱镜后第i个图像传感器得到的光线强度。
【文档编号】H04N7/18GK103581625SQ201310514510
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年10月28日 优先权日:2013年10月28日
【发明者】杨华, 张步阳, 尹周平, 熊有伦, 张冰, 李勇, 梅爽 申请人:华中科技大学