線陣相機(jī)曝光時(shí)間的控制方法及其系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種線陣相機(jī)曝光時(shí)間的控制方法及其系統(tǒng)，包括一FPGA和一接觸式圖像傳感器；FPGA用于接收外部觸發(fā)信號，在接收到外部觸發(fā)信號后，該FPGA產(chǎn)生一個(gè)只用于曝光，不接收一接觸式圖像傳感器輸出數(shù)據(jù)的第一信號；以及該FPGA還產(chǎn)生一個(gè)不進(jìn)行曝光，只用于控制接收該一接觸式圖像傳感器輸出數(shù)據(jù)的第二信號。在觸發(fā)行頻改變的情況下，使用本方法及其系統(tǒng)可以得到灰度值均勻、高質(zhì)量的掃描圖像，對于提高機(jī)器視覺檢測行業(yè)的圖像成像質(zhì)量具有非常重要的意義。
【專利說明】線陣相機(jī)曝光時(shí)間的控制方法及其系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圖像成像【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種線陣相機(jī)曝光時(shí)間的控制方法及其系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]接觸式圖像傳感器CIS (contact image sensor)具有結(jié)構(gòu)簡單,體積小,成本低，使用方便等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用在便攜式掃描、票據(jù)識別、工業(yè)檢測等領(lǐng)域。曝光時(shí)間作為一個(gè)重要的參量直接影響圖像的質(zhì)量，而圖像質(zhì)量的好壞直接決定掃描設(shè)備的性能，因此曝光時(shí)間的控制成為掃描設(shè)備設(shè)計(jì)重點(diǎn)、難點(diǎn)。一般工業(yè)檢測中使用的外觸發(fā)CIS線陣相機(jī)因其采集背景相對固定，觸發(fā)頻率也是固定的，通常采用恒定的曝光時(shí)間即可獲得均勻的圖像。然而，在某些應(yīng)用場合，需要改變觸發(fā)頻率配合機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)速度來獲得高質(zhì)量圖像時(shí)，觸發(fā)頻率一旦發(fā)生改變，采用常見的一次觸發(fā)控制方法會導(dǎo)致掃描圖像存在嚴(yán)重的灰度值不均勻問題。
[0003]圖像質(zhì)量作為評價(jià)整個(gè)相機(jī)的重要指標(biāo)之一，直接影響著后續(xù)圖像處理與分析的結(jié)果，國內(nèi)外許多學(xué)者對此進(jìn)行過大量的研究。Sato S等人對RGB三種顏色像素采用不同的曝光時(shí)間，并且使用圖像重建算法處理數(shù)據(jù)，在高分辨率、高密度的小型成像設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了較高的靈敏度；Schleicher D C H考慮光圈數(shù)和相機(jī)增益兩個(gè)因素，提出了曝光時(shí)間的計(jì)算方法；Pillman B等人提出了曝光參數(shù)對數(shù)字圖像質(zhì)量的影響模型，并根據(jù)這個(gè)模型提出了一種計(jì)算曝光參數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)公式。這些方法涉及的算法復(fù)雜，為保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，需使用大量的硬件資源，不適合在低成本的領(lǐng)域中使用。除了上述研究外，很多學(xué)者通過校正的方法提高圖像質(zhì)量。朱均超等人采用分段校正的方法對原始圖像校正；Kwan A L C等人提出了新的平場校正技術(shù)；Kim J等人對圖像的色彩失真和非線性做了校正，這類方法是針對有問題的圖像進(jìn)行還原，還原效果很大程度上依賴于采用的校正方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種一種線陣相機(jī)曝光時(shí)間的控制系統(tǒng)及其方法，用于解決線陣相機(jī)由于外觸發(fā)信號的頻率變化，可能導(dǎo)致圖像的灰度值不均勻的技術(shù)問題。
[0005]考慮到現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，根據(jù)本發(fā)明公開的一個(gè)方面，本發(fā)明采用以下技術(shù)
方案:
[0006]—種線陣相機(jī)曝光時(shí)間的控制系統(tǒng),包括一 FPGA和一接觸式圖像傳感器；
[0007]一 FPGA，用于接收外部觸發(fā)信號，在接收到外部觸發(fā)信號后，該一 FPGA產(chǎn)生一個(gè)只用于曝光，不接收
[0008]一接觸式圖像傳感器輸出數(shù)據(jù)的第一信號；以及該一 FPGA還產(chǎn)生一個(gè)不進(jìn)行曝光，只用于控制接收該一接觸式圖像傳感器輸出數(shù)據(jù)的第二信號。
[0009]為了更好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，進(jìn)一步的技術(shù)方案是:[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述一 FPGA包括用于檢測外觸發(fā)信號變化的檢測模塊。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述檢測模塊檢測到外觸發(fā)信號有效時(shí)，所述一FPGA產(chǎn)生兩個(gè)開始脈沖觸發(fā)信號觸發(fā)接觸式圖像傳感器掃描。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述一 FPGA包括計(jì)時(shí)模塊，所述一 FPGA通過計(jì)時(shí)模塊定時(shí)產(chǎn)生觸發(fā)接觸式圖像傳感器掃描的兩個(gè)開始脈沖觸發(fā)信號。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述計(jì)時(shí)模塊為計(jì)數(shù)器。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述第二信號包括開始觸發(fā)脈沖信號和計(jì)時(shí)模塊產(chǎn)生的時(shí)鐘信號，通過所述時(shí)鐘信號和開始觸發(fā)脈沖信號控制一接觸式圖像傳感器輸出模擬信號。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，還包括曝光模塊和A/D轉(zhuǎn)換電路,在第一信號的情況下，只用于曝光模塊的曝光，不用于A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)；在第二信號的情況下，控制曝光模塊不進(jìn)行曝光，而控制A/D轉(zhuǎn)換電路將一接觸式圖像傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)化為
數(shù)字信號。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述曝光模塊包括光源控制芯片和LED光源，所述一 FPGA接收到外部觸發(fā)信號后通過光源控制芯片驅(qū)動LED光源工作，使一接觸式圖像傳感器處于曝光狀態(tài)。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，所述A/D轉(zhuǎn)換電路將一接觸式圖像傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，F(xiàn)PGA中包括接收該數(shù)字信號進(jìn)行存儲的一存儲裝置、進(jìn)行處理的一數(shù)據(jù)接收處理模塊和進(jìn)行發(fā)送的發(fā)送模塊。
[0018]本發(fā)明還可以是:
[0019]一種實(shí)現(xiàn)上述線陣相機(jī)曝光時(shí)間的控制系統(tǒng)的方法，包括:
[0020]在接收到外部觸發(fā)信號后，通過FPGA產(chǎn)生的一個(gè)只用于曝光，不接收接觸式圖像傳感器輸出數(shù)據(jù)的第一信號；
[0021]以及在接收到外部觸發(fā)信號后，通過FPGA還產(chǎn)生的另一個(gè)不進(jìn)行曝光，只用于控制接收接觸式圖像傳感器輸出數(shù)據(jù)的第二信號。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果之一是:
[0023]本發(fā)明的線陣相機(jī)曝光時(shí)間的控制方法及其系統(tǒng)，在外觸發(fā)CIS線陣相機(jī)的實(shí)際使用中，由于外觸發(fā)信號的頻率變化，可能導(dǎo)致圖像的灰度值不均勻；本文針對這個(gè)問題提出了一種新的曝光控制方法一二次觸發(fā)法以及線陣相機(jī)曝光時(shí)間的控制系統(tǒng)，將一個(gè)外觸發(fā)信號轉(zhuǎn)變?yōu)閮纱斡|發(fā)信號，第一次觸發(fā)信號用于控制曝光，第二次觸發(fā)信號用于控制CIS輸出數(shù)據(jù)；該方法使Cis曝光時(shí)間(本文指曝光時(shí)間長度)恒定，從而使圖像灰度均勻，以此為基礎(chǔ)制作了一臺1.6米長線陣零畸變CIS相機(jī)；理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在觸發(fā)行頻改變的情況下，使用本方法及其系統(tǒng)可以得到灰度值均勻、高質(zhì)量的掃描圖像，對于提高機(jī)器視覺檢測行業(yè)的圖像成像質(zhì)量具有非常重要的意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]為了更清楚的說明本申請文件實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)的描述中所需要使用的附圖作簡單的介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅是對本申請文件中一些實(shí)施例的參考，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的情況下，還可以根據(jù)這些附圖得到其它的附圖。
[0025]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的CIS線陣相機(jī)的工作流程示意圖；
[0026]圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的FPGA的系統(tǒng)框圖；
[0027]圖3a示出了一次觸發(fā)法灰度曲線示意圖；
[0028]圖3b示出了二次觸發(fā)法灰度曲線示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0030]本實(shí)施例深入分析了可變行頻情況下外觸發(fā)信號影響CIS線陣相機(jī)圖像質(zhì)量的原因，提出了一種全新的CIS曝光控制方法一二次觸發(fā)法。該方法無需復(fù)雜的算法，無需后續(xù)的圖像處理，通過控制時(shí)序的改進(jìn)，就可以使線陣CIS每行的曝光時(shí)間恒定，從而消除變化的行頻對圖像質(zhì)量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在外觸發(fā)頻率變化的情況下，二次觸發(fā)法采集圖像的灰度值波動范圍比一次觸發(fā)法縮小了 75%，并制作了幅寬1.6米的長線陣相機(jī)。
[0031]CIS是由光源系統(tǒng)和感光系統(tǒng)單件構(gòu)成的集成模塊，包括LED光源陣列、光電二極管、模擬存儲電路。輸入信號包括開始觸發(fā)脈沖信號SP、時(shí)鐘信號CLK、LED輸入電流。輸出信號為光信號轉(zhuǎn)換而成的模擬輸出電壓信號V0UT。對于外觸發(fā)式的CIS線陣相機(jī)，整個(gè)相機(jī)系統(tǒng)有一個(gè)外部觸發(fā)輸入信號，該信號每次有效后，CIS線陣相機(jī)將產(chǎn)生一行的有效像素輸出。
[0032]在需要用到外部觸發(fā)的實(shí)際工程應(yīng)用中，觸發(fā)信號的頻率是與電機(jī)的轉(zhuǎn)動以及被掃描物體的運(yùn)動保持一致的。但是，電機(jī)在啟動和停止的過程中是非勻速的，并且使用者可能根據(jù)實(shí)際情況停止掃描一段時(shí)間后再啟動掃描。這樣就造成了外部觸發(fā)信號的頻率往往是可變的，甚至信號會在停止不確定長度的時(shí)間后繼續(xù)有效。
[0033]在一實(shí)驗(yàn)中，通過外部觸發(fā)信號頻率發(fā)生變化時(shí)采集到的圖像，上半部分的外部觸發(fā)頻率為1kHz，下半部分的外部觸發(fā)頻率為200Hz，明顯地，前后兩部分圖像的灰度值不一致。掃描中途停止2S后繼續(xù)掃描的圖像，明顯地，圖像中有一條明顯的亮線，這是掃描重新啟動后采集到的第一行圖像。
[0034]針對上述問題，下文分析行頻的變化對CIS采集圖像灰度值影響的原因。CIS內(nèi)部的感光單元為光電二極管，在反向電壓的作用下工作。在沒有光照射的情況下，流過微弱的反向電流，稱為暗電流Id。當(dāng)有光照射到光電二極管的PN結(jié)上，反向電流迅速增大，稱為光電流，光電流會使光電二極管上積累電荷，CIS的模擬電壓信號輸出與電荷的積累量成比例，又因?yàn)镃IS的輸出電壓直接影響最終的圖像灰度值，所以采集圖像的灰度值與CIS內(nèi)部感光單元積累的電荷量成比例。
[0035]在時(shí)間為O的時(shí)刻，外部觸發(fā)信號有效，F(xiàn)PGA控制SP信號產(chǎn)生脈沖，同時(shí)控制LED曝光時(shí)間為h，曝光結(jié)束后又經(jīng)過t2時(shí)間后下一個(gè)外部觸發(fā)信號有效。在h時(shí)間內(nèi)，光電二極管上的總電流主要由LED光源照射掃描原稿的反射光轉(zhuǎn)換而成，這部分光電流記作Ipl，此外還有系統(tǒng)以外的光照射到光電二極管產(chǎn)生的光電流Ip2和暗電流Id。在t2時(shí)間內(nèi)，ΙΡι為零，但是Ip2和Id仍然存在。若外部觸發(fā)信號的周期為T，則可以得到在下一次外部觸發(fā)信號有效時(shí)光電二極管上的電荷量Q為:[0036]
【權(quán)利要求】
1.一種線陣相機(jī)曝光時(shí)間的控制系統(tǒng)，其特征在于，包括一 FPGA和一接觸式圖像傳感器； 一 FPGA，用于接收外部觸發(fā)信號，在接收到外部觸發(fā)信號后，該一 FPGA產(chǎn)生一個(gè)只用于曝光，不接收 一接觸式圖像傳感器輸出數(shù)據(jù)的第一信號；以及該一 FPGA還產(chǎn)生一個(gè)不進(jìn)行曝光，只用于控制接收該一接觸式圖像傳感器輸出數(shù)據(jù)的第二信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線陣相機(jī)曝光時(shí)間的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述一FPGA包括用于檢測外觸發(fā)信號變化的檢測模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的線陣相機(jī)曝光時(shí)間的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述檢測模塊檢測到外觸發(fā)信號有效時(shí)，所述一 FPGA產(chǎn)生兩個(gè)開始脈沖觸發(fā)信號觸發(fā)接觸式圖像傳感器掃描。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的線陣相機(jī)曝光時(shí)間的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述一FPGA包括計(jì)時(shí)模塊，所述一 FPGA通過計(jì)時(shí)模塊定時(shí)產(chǎn)生觸發(fā)接觸式圖像傳感器掃描的兩個(gè)開始脈沖觸發(fā)信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的線陣相機(jī)曝光時(shí)間的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì)時(shí)模塊為計(jì)數(shù)器。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的線陣相機(jī)曝光時(shí)間的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述第二信號包括開始觸發(fā)脈沖信號和計(jì)時(shí)模塊產(chǎn)生的時(shí)鐘信號，通過所述時(shí)鐘信號和開始觸發(fā)脈沖信號控制一接觸式圖像傳感器輸出模擬信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任意一項(xiàng)所述的線陣相機(jī)曝光時(shí)間的控制系統(tǒng)，其特征在于，還包括曝光模塊和A/D轉(zhuǎn)換電路,在產(chǎn)生第一信號的情況下，只用于曝光模塊的曝光，不用于A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)；在產(chǎn)生第二信號的情況下，控制曝光模塊不進(jìn)行曝光，而控制A/D轉(zhuǎn)換電路將一接觸式圖像傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的線陣相機(jī)曝光時(shí)間的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述曝光模塊包括光源控制芯片和LED光源，所述一 FPGA接收到外部觸發(fā)信號后通過光源控制芯片驅(qū)動LED光源工作，使一接觸式圖像傳感器處于曝光狀態(tài)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的線陣相機(jī)曝光時(shí)間的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述A/D轉(zhuǎn)換電路將一接觸式圖像傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，F(xiàn)PGA中包括接收該數(shù)字信號進(jìn)行存儲的一存儲裝置、進(jìn)行處理的一數(shù)據(jù)接收處理模塊和進(jìn)行發(fā)送的一發(fā)送模塊。
10.一種實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1所述線陣相機(jī)曝光時(shí)間的控制系統(tǒng)的方法，其特征在于，包括: 在接收到外部觸發(fā)信號后，通過FPGA產(chǎn)生的一個(gè)只用于曝光，不接收接觸式圖像傳感器輸出數(shù)據(jù)的第一信號； 以及在接收到外部觸發(fā)信號后，通過FPGA還產(chǎn)生的另一個(gè)不進(jìn)行曝光，只用于控制接收接觸式圖像傳感器輸出數(shù)據(jù)的第二信號。
【文檔編號】H04N5/202GK103458158SQ201310407168
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月9日
【發(fā)明者】劉霖, 倪光明, 黃炳權(quán), 唐雪松, 宋昀岑, 劉娟秀, 楊先明, 陳鎮(zhèn)龍, 羅穎 申請人:電子科技大學(xué)