专利名称：一种卡口摄像机的制作方法
技术领域：
本发明涉及安防技术，尤其涉及一种能够简单高效进行工频同步的卡口摄像机。
背景技术：
交通卡口通常采用先进的光电、计算机、图像处理、模式识别、远程数据访问等技术，对监控路段的机动车道、非机动车道进行全天候实时监控并记录相关图像数据。前端处理系统对所拍摄的图像进行分析，从中自动获取车辆的通过时间、地点、行驶方向、号牌号码、号牌颜色、车身颜色等数据。并将获取到的信息通过计算机网络传输到卡口系统控制中心的数据库中进行数据存储、查询、比对等处理，当发现肇事逃逸、违规或可疑车辆时，系统会自动向拦截系统及相关人员发出告警信号。现在卡口摄像机在智能交通领域逐步得到了推广。卡口摄像机通常架设在道路、建筑物等出入口，对车辆进行过往记录、流量统计、车速测量、闯红灯取证等。 交通卡口摄像机在拍摄红绿灯时，需要考虑“工频同步”问题。请参考图1，我国市电电压表示为U=UmSin(2 Ji ft+ψ)。其中U为瞬时电压，Um为峰值电压，2 π f为角频率，φ为初相。角频率2Jif反映交流电随时间变化的快慢，其中f称为工频，我国市电的工频为50Hz,即瞬时电压的变化周期为20ms。请参考图2，在使用市电的情况下，红绿灯光能量可以表示为P= I PmSin (2 Jift+ψ) |，其中P为红绿灯光瞬时能量，Pm为红绿灯光能量峰值，瞬时能量的变化周期为IOms,图I以及图2仅仅是一个原理性示例,其中未有示出了初相因素。假设快门时间保持不变，卡口摄像机采样红绿灯信号画面时，如果曝光时间点落在信号能量峰值Pm附近，则采集到的图像中红绿灯较亮；然而如果曝光时间点落在能量波谷附近，图片中红绿灯较暗，甚至无法辨识。在实际工程中，如果卡口摄像机的曝光时间点不加以控制，很容易导致连续图片红绿灯忽明忽暗，并且容易导致抓拍取证时误认为红绿灯不亮。所谓曝光工频同步其原理是控制卡口摄像机曝光时间点，使得该时间点能够跟随红绿灯光能量变化，以使每次曝光时间点都能落在高能量值附近，最好落在能量峰值附近，使得连续图像中红绿灯最亮，并且闪烁最小。请参考图3，其中展示了几种工频同步情况。现有技术中工频同步装置主要包括交流电源输入模块、电源过零检测电路、锁相环倍频模块、相位检测和信号输出功能模块。请参考图4的工频同步过程。交流电源输入模块和电源过零检测电路模块的主要作用是将50Hz的交流工频信号转换成IOOHz (或者50Hz)的方波信号，使该方波信号能够被锁相环倍频模块识别，相当于一个使正弦信号变方波信号、使高振幅信号变低振幅信号的整形电路。锁相环倍频模块将整形得到的方波信号倍频360倍，这样在控制前文所说的曝光时间点时，调整曝光时间点步长精度可以控制在(10/360)ms (以IOOHz的方波为例)。相位检测电路在逻辑器件内部实现，它对倍频后的方波进行计数，计数到设定相位所对应的计数值时，输出抓拍控制信号。如此一来，摄像机抓拍控制信号与交流电之间可以固定在某个相位差上，实现相机抓拍工频同步，并可以通过调整相位差实现抓拍红绿灯的明暗。现有技术中的锁相环倍频模块对后期的相位的检测起着非常关键的作用，其设计意图也显而易见，然而引入锁相环倍频模块存在一些不足DlOOHz作为锁相环的输入，通常会考虑模拟方案，因此需要在电路板上增加了额外的模拟锁相环电路，这就会相应增加电路板的复杂度和成本。即使可以采用数字锁相环方案(通常很难找到数字方案)，仍然是对硬件资源的额外开销。2)锁相环将工频方波倍频360倍后，曝光时间点调整步长值占整个红绿灯能量周期的1/360，时间上数量级为us级(1/360X 10ms)，另外锁相环的倍频数通常受到一定限制，故曝光时间点调整步长值变更受到一定限制。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种卡口摄像机，包括整流单元、同步控制单元以及感光控制单兀；其中， 整流单元，用于根据市电交流电生成工频方波；同步控制单元，用于在需要产生同步控制信号的工频方波周期产生同步控制信号，其中同步控制信号的上升沿晚于本工频方波周期内的上升沿一个预设的时间差；感光控制单元，用于根据同步控制单元输出的同步控制信号生成感光器件时序控制信号，并输出到感光器件。相较于现有技术来说，本方案避开了锁相环倍频电路，在FPGA内部实现“工频交流时钟域”与“卡口直流时钟域”的尽可能同步，单板电路设计简单；曝光时间点调整步长更为精细，其数量级可以达到ns级。
图I是市电电压变化曲线示意图。图2是红绿灯光能量变化曲线示意图。图3是二种曝光工频同步情况不意图。图4是现有技术中实现工频同步的处理流程图。图5是本发明一种实施方式中卡口摄像机的逻辑结构图。图6是本发明一种实施方式中时序示意图。图7是本发明一种实施方式中产生VD的状态图。图8是本发明一种实施方式中各种信号在时序上的对比图。
具体实施例方式在卡口摄像机设计中，通常采用CXD感光器件，相对于CMOS感光器件而言，CXD具有低照效果好，且支持全局曝光等优势，在抓拍快速行驶车辆时，车辆成像不易变形；当然CMOS感光器件在部分场合也有不错的应用。以下以解决CCD卡口曝光工频同步为例进行阐述，本发明解决现有技术问题的方案同样适用于采用CMOS感光器件方案的卡口摄像机。请参考图5，在一种实施方式中，本发明提供一种卡口摄像机，用于采集包括红绿灯的预定区域的图像信号，其中该装置包括整流单元、感光控制单元以及同步控制单元；在优选的实施方式中，同步控制单元是采用逻辑器件(比如FPGA实现)，而感光控制单元可以是CCD的AFE器件。在快门时间保持不变的前提下，要保证使用CCD感光器件的卡口摄像机不严重闪烁，则需要恰当控制卡口曝光时间点，使得该时间点依赖于红绿灯光能量变化，使每次曝光时间点都能落在固定能量值附近。如前所述，红绿灯能量变化遵循公式P= I PmSin (2 31 ft+ψ)，f = 50Hz，即P的变化周期是10ms，那么，控制相邻曝光时间点相差IOms的整数倍(如20ms、30ms、40ms、50ms等)，则每次曝光时间对应的P是基本一致的，如此便能够保证连续图像不发生严重闪烁。卡口摄像机通常有自身直流时钟域，负责图像采集图像的CXD以及周边器件通常工作在直流电源下，该直流系统内部有自身的时钟域，CCD曝光时间点受制于该直流时钟域，CCD曝光时间依照直流时钟域每隔IOms的整数倍”曝光一次。而工频交流时钟域红绿灯工作电源为工频50Hz的交流电源，可以看成一个交流时钟域，红绿灯光能量变化受制于该交流时钟域，能量变化周期为10ms。
由于卡口直流时钟域下的IOms的整数倍与工频交流时钟域下的IOms之间存在频偏，随着时间的推移，两个时钟域随着时间的推移时间将产生偏差。红绿灯光能量变化完全与交流电压变化同步，故交流电压的变化频率可以作为“标准参考时钟”，CCD内部工作时钟需向标准参考时钟进行同步。以下介绍本发明是如何实现这一同步过程的。步骤10，整流单元通过自身的整流电路将红绿灯的交流电压转换为周期为IOms的工频方波。步骤11，同步控制单元采集工频方波，并执行曝光同步操作；步骤12，同步控制单元将曝光同步控制信号输出到感光控制单元；步骤13，感光控制单元接收同步后的同步控制信号，产生对应的感光器件工作时序信号；步骤14，感光器件接收到包含工频同步信息的工作时序信号后，根据配置完成曝光。在本实施方式中，同步控制单元采用FPGA来实现。所述工频方波可以理解为“可用于提取工频同步信息的方波”，即将交流正弦信号转化成周期为本身1/2的方波。此时，工频方波完全与红绿灯光能量变化同步，并且在本实施方式中，要求该工频方波的电平标准符合FPGA管脚电平标准，即可被FPGA采集。在描述FPGA生成曝光同步控制信号之前，先介绍一下感光控制单元(本实施方式中为AFE器件)以及AFE器件输出的垂直驱动信号(VD信号)以及水平驱动信号(HD信号)。每一款CCD感光器件通常都会配套一款AFE器件，AFE器件是用来产生CCD工作时序信号的，CCD何时曝光受CCD工作时序信号控制，而CCD工作时序信号又受到VD和HD信号控制；其中CCD曝光时间点主要受VD信号(也就是前述同步控制信号)控制；本发明中并不涉及HD信号的特殊处理，这部分可以参考现有技术实现。AFE器件一般有两种工作模式主模式以及从模式。当AFE工作在主模式下时，VD和HD信号是由AFE内部产生；当AFE工作在从模式下时，VD和HD信号可由外部输入。本发明中，AFE被配置在从模式下工作，并和FPGA同在一个参考时钟下(也可以理解为同一个时钟域内)，在优选的实施方式中，FPGA的工作时钟CLK可由AFE随路时钟(如图6中的晶振)。
请进一步参考图8，C⑶在VD上升沿产生之后，通常会经过一个固定长度的曝光延时(假设为时间b)开始曝光，曝光持续时间假设为时间C，其中时间b以及时间c通常为配置好的时间长度，在配置没有改变之前二者皆为固定值；因此确定曝光输出时间点(也就是产生VD上升沿的时间点)是控制的关键所在，假设工频方波上升沿到VD上升沿的时间为时间a，FPGA的主要工作就是如何管理好时间a来使得曝光同步且在符合预期的能量位置。请参考图8，由于时间b和时间c是可固定配置的，因此要保证曝光区间相对于工频方波不发生偏移，只要满足每次曝光时，时间a不变即可。请参考图7，本发明中，FPGA中内置有一个计时器A_cnt，A_cnt将对FPGA时钟周期进行计数，计数规则如下在每个CLK上升沿，A_cnt将作“加I”或者“清零”操作；在0^上升沿时，若没有检测到工频方波上升沿，A_cnt作“加I”操作；若检测到工频方波上升沿，A_cnt作“清零”操作(也就是复位)；清零操作目的是消除“工频交流时钟域”与“卡口直流时钟域”的偏差累积，因为如果没有清零操作，一旦每个工频方波周期内发生少量偏差，若干周期之后这些偏差累积会导致曝光开始时间点严重偏移，出现图像闪烁的问题。在优选的实施方式中，A_cnt的计数值表示一个时间长度，每次计数增加代表的时间步长可以是一个FPGA参考时钟的周期，也就是CLK的周期长度。由于在设置“时间a”时，其时间步长为 一个FPGA时钟周期，即卡口摄像机曝光开始时间点调整的时间步长为一个FPGA时钟周期。如前所述FPGA的时钟由AFE提供，该时钟频率一般在IOMHz IOOMHz之间，因此曝光时间点调整步长一般在IOns IOOns之间，调整的灵活度很高。如前所述在CLK上升沿时，若没有检测到工频方波上升沿，A_cnt作“加I”操作，A_cnt计时到“时间a”时，FPGA还需要判断本工频方波周期内是否要产生VD脉冲；如果该方波周期内需要曝光，那么生成一个VD脉冲，如果该方波周期内不需要曝光，那么不需要生成VD脉冲。是否需要曝光的依据主要是参考场同步信号，或者参考当前的帧率，比如说帧率为25，那么每个40毫秒才需要曝光一次，因此不是每个工频方波周期内都需要进行曝光的，FPGA可以根据两者的倍数关系来确定当前的工频方波周期内是否需要产生VD信号。无论是否需要产生VD信号，A_cnt都可以在每个工频方波周期内执行上述的“清零”操作，请同时参考图6以及图8，由于每个工频方波周期内的清零操作，这就使得卡口摄像机直流时钟域与工频交流时钟域在每个工频方波周期内可能产生的偏差就不会累积，也就是说，每次VD上升沿与工频方波上升沿之间的时间差(也就是时间a)都是固定的，所以拍摄到的红绿灯不会发生明显的闪烁。而由于FPGA可以通过设定“时间a”预置值，比如N个CLK的长度，调整时间a的数值可以使曝光的开始到结束(也就是时间c)坐落于红绿灯光能量很大的区域，比如覆盖到红绿灯能量的峰值，这样使拍摄的红绿灯非常明亮，不会暗淡。假设FPGA没有进行上述工频同步的处理，如果卡口摄像机每“ IOms整数倍”曝光一次，那么FPGA每“ IOms整数倍”产生一个VD脉冲，该VD脉冲以FPGA内部时钟CLK为参考，若FPGA内部时钟在Ims内比工频方波包含的时钟信息慢1ns，那么Is后，VD相对于工频方波偏移1ms，IOs后，偏移10ms。由于红绿灯光能量变化周期为10ms，故IOs内必定会出现一幅红绿灯很暗的图片，从而造成连续图像闪烁。实际FPGA内部时钟CLK与工频方波包含的时钟信息偏差不到1ns，但是通过上述分析可知，其仍然不能保证卡口摄像机长时间拍摄红绿灯不闪烁。同样道理，如果抓拍单幅图片，也不能保证抓拍图片中红绿灯一定是明売的ο
本发明可以确保保证卡口摄像机对红绿灯等工频照明设备连续拍摄时，照明设备成像不严重闪烁；其次对于抓拍单幅图片，或者几幅图片，可以确保避开红绿灯光能量波谷附近区域，尽量靠近红绿灯光的能量波峰区，这样就可以减少闯红灯漏判。相较于现有技术来说，本方案避开了锁相环倍频电路，在FPGA内部实现“工频交流时钟域”与“卡口直流时钟域”的尽可能同步，单板电路设计简单 ；曝光时间点调整步长更为精细，其数量级可以达到ns级。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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
权利要求
1.一种卡口摄像机，包括整流单元、同步控制单元以及感光控制单元；其特征在于， 整流单元，用于根据市电交流电生成工频方波； 同步控制单元，用于在需要产生同步控制信号的工频方波周期产生同步控制信号，其中同步控制信号的上升沿晚于本工频方波周期内的上升沿一个预设的时间差； 感光控制单元，用于根据同步控制单元输出的同步控制信号生成感光器件时序控制信号，并输出到感光器件。
2.如权利要求I所述的卡口摄像机，其特征在于，其中该预设的时间差为预设时间步长的N倍；所述同步控制单元进一步用于在每个工频方波周期的上升沿到达时将预设计数器清零，然后每隔一个时间步长对计数值加1，当计数器的计数值到达N时，判断当前工频方波周期内是否需要产生同步控制信号，如果是则产生同步控制信号。
3.如权利要求2所述的卡口摄像机，其特征在于，所述同步控制单元使用感光控制单元的参考时钟作为自身的参考时钟。
4.如权利要求3所述的卡口摄像机，其特征在于，所述时间步长为所述参考时钟周期。
5.如权利要求2所述的卡口摄像机，其特征在于，所述同步控制信号的周期为工频方波周期的正整数倍，所述同步控制单元进一步用于根据同步控制信号周期与工频方波周期之间的倍数关系确定当前工频方波周期是否需要产生同步控制信号。
6.如权利要求I所述的卡口摄像机，其特征在于，其中所述感光控制单元包括主模式以及从模式两种工作模式，其中感光控制单元被配置为从模式以接收外部输入的同步控制信号。
7.如权利要求I所述的卡口摄像机，其特征在于，所述工频方波的周期为10毫秒。
8.如权利要求I所述的卡口摄像机，其特征在于，其中所述同步控制单元为FPGA器件。
9.如权利要求I所述的卡口摄像机，其特征在于，所述感光控制单元为AFE器件，所述感光器件为CXD器件。
全文摘要
本发明提供一种卡口摄像机，包括整流单元、同步控制单元以及感光控制单元；其中整流单元，用于根据市电交流电生成工频方波；同步控制单元，用于在需要产生同步控制信号的工频方波周期产生同步控制信号，其中同步控制信号的上升沿晚于本工频方波周期内的上升沿一个预设的时间差；感光控制单元，用于根据同步控制单元输出的同步控制信号生成感光器件时序控制信号，并输出到感光器件。相较于现有技术来说，本方案避开了锁相环倍频电路，在FPGA内部实现“工频交流时钟域”与“卡口直流时钟域”的尽可能同步，单板电路设计简单；曝光时间点调整步长更为精细，其数量级可以达到ns级。
文档编号H04N5/232GK102801921SQ201210292059
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月16日 优先权日2012年8月16日
发明者刘强, 羊海龙, 陈成 申请人:浙江宇视科技有限公司