一種分時三路圖像采集裝置及其標(biāo)定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種分時三路圖像采集裝置及其標(biāo)定方法。該裝置包括鏡頭、三分棱鏡、第一圖像傳感器、第二圖像傳感器、第三圖像傳感器和控制器；三分棱鏡位于鏡頭的輸出光路上，用于將入射光束分成三個光強相等的子光束，第一圖像傳感器、第二圖像傳感器和第三圖像傳感器分別位于三子光束的輸出光路上，控制器分別連接第一圖像傳感器、第二圖像傳感器和第三圖像傳感器，用于控制三個圖像傳感器依次分時觸發(fā)曝光，以獲得不同時刻的物體圖像，達(dá)到單個圖像傳感器三倍的圖像采集幀率。其標(biāo)定方法至少包括幾何標(biāo)定和亮度標(biāo)定其中之一。本發(fā)明能大幅提高采圖頻率，同時保證了采圖的準(zhǔn)確性，且裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本大幅降低。
【專利說明】一種分時三路圖像采集裝置及其標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于圖像采集【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種分時三路圖像采集裝置及其標(biāo)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002]高速攝影是指相機采圖頻率大于128幅/秒，可連續(xù)獲得3幅以上的攝影，而要實現(xiàn)高速攝影的必備儀器是高速攝像機，高速攝像機在科研及其他諸多領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，常被用作記錄分析物體的運動變化，甚至生物器官、微生物、分子的運動，例如在粒子圖像測速領(lǐng)域，高速攝像機已經(jīng)成為不可缺少的工具。
[0003]粒子圖像測速技術(shù)是圖象分析技術(shù)的一種，采用兩個時間間隔很短的脈沖激光光源照亮所需要測量的流場，利用高速攝像機將所照明的流場中的示蹤粒子記錄下來，利用計算機進行圖象處理得到示蹤粒子的速度場的信息，從而反映流體速度場的一種技術(shù)。
[0004]現(xiàn)代高速相機的圖像傳感器一般為CXD或CMOS器件，單一圖像傳感器芯片要達(dá)到納秒級別時間間隔的采圖頻率價格極其昂貴，從而大大限制了高速相機的使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種分時三路圖像采集裝置及其標(biāo)定方法，能有效解決現(xiàn)有技術(shù)中單一圖像傳感器芯片要達(dá)到超高速納秒級別時間間隔的采圖頻率，價格極其昂貴的技術(shù)問題，使采圖頻率大幅提高，同時保證了采圖的準(zhǔn)確性，且裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本大幅降低。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種分時三路圖像采集裝置，其特征在于，包括鏡頭、三分棱鏡、第一圖像傳感器、第二圖像傳感器、第三圖像傳感器和控制器；所述三分棱鏡位于所述鏡頭的輸出光路上，用于將入射光束分成三個光強相等的子光束，所述第一圖像傳感器、所述第二圖像傳感器和所述第三圖像傳感器分別位于三子光束的輸出光路上，所述控制器分別連接所述第一圖像傳感器、所述第二圖像傳感器和所述第三圖像傳感器，用于控制所述第一圖像傳感器、所述第二圖像傳感器和所述第三圖像傳感器依次分時觸發(fā)曝光，以獲得不同時刻的物體圖像，達(dá)到單個圖像傳感器三倍的圖像采集幀率。
[0007]優(yōu)選地,所述三分棱鏡包括第一棱鏡和第二棱鏡，所述第一棱鏡的棱A和棱B以及所述第二棱鏡的棱C和棱D依次位于所述鏡頭I的輸出光路上；所述棱B用于將入射光部分反射得到反射光R1,部分透射得到透射光T1，所述棱A用于將反射光R1全反射得到第一子光束，所述棱D用于將透射光T1部分反射得到反射光R2,部分透射得到第二子光束，所述棱C用于將反射光R2全反射得到第三子光束。
[0008]優(yōu)選地，所述控制器具體通過如下方式控制所述第一圖像傳感器、所述第二圖像傳感器和所述第三圖像傳感器依次分時觸發(fā)曝光:控制所述第一圖像傳感器曝光，經(jīng)過時間Λ Tl，控制所述第二圖像傳感器曝光，再經(jīng)過時間Λ T2，控制所述第三圖像傳感器曝光，再經(jīng)過時間Λ T3，控制所述第一圖像傳感器再次曝光，如此重復(fù)以上過程，其中，所述第一圖像傳感器單次曝光采集圖像的時間為Atl，所述第二圖像傳感器單次曝光采集圖像的時間為Λ t2，所述第三圖像傳感器單次曝光采集圖像的時間為Λ t3，Δ tl< Δ TKTc1- Δ t2- Δ t3，0〈 Δ t2<Tcl- Δ tl- Δ t3, Δ t2< Δ T2<TC1- Δ Tl- Δ t3,0〈 Δ t3<Tcl- Δ Tl- Δ t2，Tci為所述第一圖像傳感器采集圖像的周期。
[0009]優(yōu)選地，所述第一圖像傳感器、所述第二圖像傳感器和所述第三圖像傳感器為數(shù)字圖像傳感器芯片組成的感光陣列。
[0010]按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種分時三路圖像采集裝置的標(biāo)定方法，其特征在于，至少包括幾何標(biāo)定和亮度標(biāo)定其中之一；所述幾何標(biāo)定具體為:在鏡頭前放置方格或點陣標(biāo)定板，控制三個圖像傳感器進行曝光采圖，對每個圖像傳感器采集的圖像進行去鏡頭畸變處理及坐標(biāo)變換，使同一物體出現(xiàn)在所有傳感器的同一位置；所述亮度標(biāo)定具體為:控制三個圖像傳感器同時曝光，同一時刻拍攝到同一物體的三張圖像，以其中一張為標(biāo)準(zhǔn)，對亮度大于該圖像的其他圖像進行亮度減弱處理，對亮度小于該圖像的其他圖像進行亮度增強處理，然后根據(jù)灰度直方圖精細(xì)調(diào)整，使所有圖像亮度一致。
[0011]優(yōu)選地，所述幾何標(biāo)定進一步通過如下方式實現(xiàn):以其中一個圖像傳感器為標(biāo)準(zhǔn)，
將另兩個圖像傳感器的傳感面的像素坐標(biāo)分別左乘)和(M3Mf)，從
而使同一物體出現(xiàn)在所有傳感器的同一位置，其中，M1為標(biāo)定板與作為標(biāo)準(zhǔn)的圖像傳感器的位置關(guān)系，M2和M3為標(biāo)定板分別與另兩個圖像傳感器的位置關(guān)系。
[0012]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:
[0013]1、采用三個圖像傳感器并行采集的方式，通過控制圖像傳感器的采圖順序，使三個圖像傳感器芯片交替曝光，使相同時間周期內(nèi)的采圖次數(shù)增多，采圖頻率為單一圖像傳感器的三倍，可實現(xiàn)圖像的高速及超高速采集。
[0014]2、通過幾何標(biāo)定和亮度標(biāo)定，同時實現(xiàn)三張采圖圖片位置對應(yīng)和亮度相同，保證了采圖的準(zhǔn)確性。
[0015]3、裝置結(jié)構(gòu)簡單，用三個傳感器芯片結(jié)構(gòu)代替單傳感器芯片結(jié)構(gòu)實現(xiàn)同樣高的采樣頻率，成本大幅降低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明實施例的分時三路圖像采集裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2是本發(fā)明實施例的分時三路圖像采集裝置中控制器的控制時序圖。
[0018]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:1_鏡頭，2-第一棱鏡，3-第一圖像傳感器，4-第二棱鏡，5-控制器，6-第二圖像傳感器，7-第三圖像傳感器。
【具體實施方式】
[0019]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0020]如圖1所示，本發(fā)明實施例的分時三路圖像采集裝置包括鏡頭1、三分棱鏡、第一圖像傳感器3、第二圖像傳感器6、第三圖像傳感器7和控制器5。三分棱鏡位于鏡頭I的輸出光路上，用于將入射光束分成三個光強相等的子光束，第一圖像傳感器3、第二圖像傳感器6和第三圖像傳感器7分別位于三子光束的輸出光路上，控制器5分別連接第一圖像傳感器3、第二圖像傳感器6和第三圖像傳感器7，用于控制三個圖像傳感器依次分時觸發(fā)曝光，以獲得不同時刻物體的圖像，從而達(dá)到單個圖像傳感器三倍的圖像采集幀率，實現(xiàn)圖像的聞速及超聞速米集。
[0021]具體地,三分棱鏡進一步包括第一棱鏡2和第二棱鏡4，第一棱鏡2的棱A和棱B以及第二棱鏡4的棱C和棱D依次位于鏡頭I的輸出光路上。棱B用于將入射光部分反射得到反射光R1，部分透射得到透射光T1，棱A用于將反射光R1全反射得到第一子光束，棱D用于將透射光T1部分反射得到反射光R2，部分透射得到第二子光束，棱C用于將反射光R2全反射得到第三子光束。
[0022]具體地，第一圖像傳感器3、第二圖像傳感器6和第三圖像傳感器7為數(shù)字圖像傳感器芯片組成的感光陣列。
[0023]控制器的控制時序圖如圖2所示，Cl、C2和C3分別為第一圖像傳感器3、第二圖像傳感器6和第三圖像傳感器7的曝光時序圖，C為等效的單個圖像傳感器的曝光時序圖。時序控制流程如下:控制器5控制第一圖像傳感器3曝光，經(jīng)過時間Λ Tl，控制器5控制第二圖像傳感器6曝光，再經(jīng)過時間Λ Τ2，控制器5控制第三圖像傳感器7曝光，再經(jīng)過時間Δ Τ3，控制器5控制第一圖像傳感器3再次曝光，如此重復(fù)以上過程，從而將采圖頻率提高到單一圖像傳感器的三倍，實現(xiàn)圖像的倍頻采集。其中，第一圖像傳感器3單次曝光采集圖像的時間為Atl，第二圖像傳感器6單次曝光采集圖像的時間為Λ t2，第三圖像傳感器7單次曝光采集圖像的時間為Λ t3，Λ tl〈 Λ TKTc1- Δ t2- Λ t3，0〈 Λ t2〈Tcl- Λ tl- Λ t3，Δ t2< Δ T2〈TC1- Δ Tl- Δ t3，0〈 Δ t3〈Tcl- Δ Tl- Δ t2, Tci 為第一圖像傳感器 3 采集圖像的周期。
[0024]由于三個圖像傳感器拍攝到的圖像的亮度不可能完全相同，同時由于圖像傳感器和棱鏡安裝存在機械誤差，從而造成拍攝到的同一幅圖像存在微小的平移、旋轉(zhuǎn)和縮放變換，因此事先需要對該裝置進行標(biāo)定，根據(jù)需要我們提出一次曝光標(biāo)定方法，同時實現(xiàn)三張采圖圖片位置對應(yīng)(幾何標(biāo)定)和3張采圖圖片亮度相同(亮度標(biāo)定)。
[0025]幾何標(biāo)定:在鏡頭前放置高精度的方格或點陣標(biāo)定板，控制三個圖像傳感器進行曝光采圖，對每個圖像傳感器采集到的圖像進行常規(guī)的去鏡頭畸變和將世界坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成像素坐標(biāo)的變換，將每個圖像傳感器對應(yīng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系存入計算機，下次采圖時進行同樣的幾何變換即可保證同一物體出現(xiàn)在所有相機的同一位置。
[0026]具體通過如下方式實現(xiàn):
[0027]對標(biāo)定板上某一點j坐標(biāo)為[xwj，yWJ, zWJ, 1]t，對應(yīng)在第i個圖像傳感器傳感面的像素坐標(biāo)為[Uij, Vij, 1]τ，存在下面的關(guān)系:
【權(quán)利要求】
1.一種分時三路圖像采集裝置，其特征在于，包括鏡頭、三分棱鏡、第一圖像傳感器、第二圖像傳感器、第三圖像傳感器和控制器； 所述三分棱鏡位于所述鏡頭的輸出光路上，用于將入射光束分成三個光強相等的子光束，所述第一圖像傳感器、所述第二圖像傳感器和所述第三圖像傳感器分別位于三子光束的輸出光路上，所述控制器分別連接所述第一圖像傳感器、所述第二圖像傳感器和所述第三圖像傳感器，用于控制所述第一圖像傳感器、所述第二圖像傳感器和所述第三圖像傳感器依次分時觸發(fā)曝光，以獲得不同時刻的物體圖像，達(dá)到單個圖像傳感器三倍的圖像采集幀率。
2.如權(quán)利要求1所述的分時三路圖像采集裝置，其特征在于，所述三分棱鏡包括第一棱鏡和第二棱鏡，所述第一棱鏡的棱A和棱B以及所述第二棱鏡的棱C和棱D依次位于所述鏡頭I的輸出光路上； 所述棱B用于將入射光部分反射得到反射光R1，部分透射得到透射光T1，所述棱A用于將反射光R1全反射得到第一子光束，所述棱D用于將透射光T1部分反射得到反射光R2，部分透射得到第二子光束，所述棱C用于將反射光R2全反射得到第三子光束。
3.如權(quán)利要求1或2所述的分時三路圖像采集裝置，其特征在于，所述控制器具體通過如下方式控制所述第一圖像傳感器、所述第二圖像傳感器和所述第三圖像傳感器依次分時觸發(fā)曝光:控制所述第一圖像傳感器曝光，經(jīng)過時間Λ Tl，控制所述第二圖像傳感器曝光，再經(jīng)過時間Λ Τ2，控制所述第三圖像傳感器曝光，再經(jīng)過時間Λ Τ3，控制所述第一圖像傳感器再次曝光，如此重復(fù)以上過程，其中，所述第一圖像傳感器單次曝光采集圖像的時間為Λ tl，所述第二圖像傳感器單次曝光采集圖像的時間為Λ t2，所述第三圖像傳感器單次曝光采集圖像的時間為Λ t3, Δ tl< Δ TKTc1- Δ t2- Δ t3，0〈 Δ t2<Tcl- Δ tl- Δ t3,Δ t2< Δ T2〈TC1- Δ Tl- Δ t3，0〈 Δ t3〈Tcl- Δ Tl- Δ t2，Tci 為所述第一圖像傳感器采集圖像的周期。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項所述的分時三路圖像采集裝置，其特征在于，所述第一圖像傳感器、所述第二圖像傳感器和所述第三圖像傳感器為數(shù)字圖像傳感器芯片組成的感光陣列。
5.一種分時三路圖像采集裝置的標(biāo)定方法，其特征在于，至少包括幾何標(biāo)定和亮度標(biāo)定其中之一； 所述幾何標(biāo)定具體為:在鏡頭前放置方格或點陣標(biāo)定板，控制三個圖像傳感器進行曝光采圖，對每個圖像傳感器采集的圖像進行去鏡頭畸變處理及坐標(biāo)變換，使同一物體出現(xiàn)在所有傳感器的同一位置； 所述亮度標(biāo)定具體為:控制三個圖像傳感器同時曝光，同一時刻拍攝到同一物體的三張圖像，以其中一張為標(biāo)準(zhǔn)，對亮度大于該圖像的其他圖像進行亮度減弱處理，對亮度小于該圖像的其他圖像進行亮度增強處理，然后根據(jù)灰度直方圖精細(xì)調(diào)整，使所有圖像亮度一致。
6.如權(quán)利要求5所述的分時三路圖像采集裝置的標(biāo)定方法，其特征在于，所述幾何標(biāo)定進一步通過如下方式實現(xiàn):以其中一個圖像傳感器為標(biāo)準(zhǔn)，將另兩個圖像傳感器的傳感面的像素坐標(biāo)分別左乘M1M^(M2A^2MPM1Mf(M3Mf)，從而使同一物體出現(xiàn)在所有傳感器的同一位置，其中,M1為標(biāo)定板與作為標(biāo)準(zhǔn)的圖像傳感器的位置關(guān)系，M2和M3S標(biāo)定板分別與另兩個圖像傳 感器的位置關(guān)系。
【文檔編號】G06T7/00GK103747186SQ201310747181
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月30日
【發(fā)明者】楊華, 尹周平, 熊有倫, 張步陽, 張冰, 馮佳樂 申請人:華中科技大學(xué)