一种基于标校灯的相机曝光时间偏差检测方法与流程

1.本发明涉及相机参数分析技术领域，具体涉及一种检测相机曝光时间 偏差的方法。


背景技术：

2.相机曝光时间是为了将光投射到照相感光材料的感光面上，快门所要 打开的时间。对于光测设备来讲，曝光时间是决定各型目标成像质量的重 要基础因素。
3.相机曝光时间偏差是指多台相机(两台及以上)对相同目标进行拍摄 时曝光时间的偏差，包括曝光起始偏差、目标中心时间偏差。其中，曝光 起始偏差指各相机开始曝光的时间点之间的差值；目标中心时间偏差指各 相机曝光时间中心点之间的差值。对于光测设备来讲，曝光时间偏差是决 定各型目标在不同相机曝光图像中运动位置差异的重要基础因素。实际相 机的曝光时间偏差与设定值有一定偏差，对于测量设备来讲，需要较为精 确的检测相机的曝光时间偏差以开展相关的测试测量工作。
4.中心曝光、前沿曝光模式下不同设备相机曝光时间偏差如图1所示。 现有技术中主要采用角反射体测量法、相机外同步测量法进行测量。
5.角反射体测量法：利用角反射体的同向反射的特点，模拟多台光测设 备的合作目标，以频闪灯的起始闪烁时间作为各站点光测设备的外同步触 发时间，测量不同站点多台光测设备的时间同步性。(李艳红、杨立保.光 学测量设备时统取齐方法的研究，计算机光盘软件与应用，2014，80 (21)：130
‑
131)。
6.相机外同步测量法：相机工作时序要依靠相机外同步，相机外同步工 作流程如图2所示。以光电经纬仪为例，设备时统为分系统提供基础同步 信号作为系统外同步信号，在此基础上生成相机外同步信号，通过测量不 同设备的系统外信号的时间偏差，并且测量各设备系统外同步信号与相机 外同步信号的时间偏差，在上述测量基础上确定不同设备相机的曝光时间 偏差。
7.上述测量方法的缺陷如下，角反射体测量法需要对角反射体进行机载 悬挂，设计和实验的成本比较高；该方法中角反射体需要时统终端进行控 制，需要准备高精度时统设备，成本较高；该方法测量光测设备的时间同 步性，对应是否能够进行目标中心时间偏差测量并不明晰；测量精度为 1/1000秒，在较高精度测量领域并不适用(如光电经纬仪典型曝光时间 1ms，其要求测量精度要远高于1ms)；该方法要求光电设备具有红外设备， 并能进行稳定跟踪，同时机载红外合作目标，这些要求对测量设备和实验 方案的设计要求均较高。
8.而相机外同步测量法是一种间接测量方法，相机曝光工作流程如图3 所示。相机外同步信号触发后，相机进行曝光，该曝光时刻会有一定的延 时；对于不同的设备，器件的响应存在差异，其曝光延迟也不相同。基于 上述原因，通过相机外同步测量法测量的不同设备曝光起始偏差误差较大； 同时，该方法难以测量目标中心时间偏差。


技术实现要素：

9.本发明的目的是提供一种基于标校灯的相机曝光时间偏差检测方法， 解决现有曝光时间偏差检测方法存在测量精度不高、实验方法复杂、检测 代价较为昂贵及目标中心时间偏差难以测量的技术问题。
10.本发明的技术方案包括如下三个步骤：标校灯测量标准设定、曝光时 间偏差模糊度、曝光时间偏差测量。下面对这三个步骤进行详细的解释和 说明。
11.步骤1、标校灯测量标准设定
12.在标校装置上布置一排led灯，利用电脉冲驱动led灯，实现流水 灯的效果；使用光电经纬仪拍摄led流水灯，依次点亮led灯，保证流 水灯中至少有一个灯处于点亮状态，此状态保证流水灯随着时间推进不断 将后续的led点亮，标校灯由多排led流水灯组成，各排流水灯亮灯的 时间可分级设置和同级设置；
13.分级设置时，低级的流水灯运行一个周期后，上级流水灯点亮一个 (进位)，以此类推，上下级灯点亮时间关系如下式所示：
14.δt
i
＝δt
i+1
·
l
i+1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
15.其中，δt
i
为i级灯亮灯时间，δt
i+1
为i+1级灯亮灯时间，l
i+1
为i+1 级灯的数量；
16.同级设置时，各排流水灯统一运行，逐个点亮，各灯亮灯时间一致， 全部亮完为一周期；
17.拍照后，依据光电经纬仪照片上led灯具体的亮灯情况并结合每个 灯亮的时间即可确定标校装置显示的相对测量时间；led亮灯时间相同情 况下，分级设置方式可显示的曝光时间较长，同时，同级设置可以提高标 校装置的时间表示精度。
18.步骤2、曝光时间偏差模糊度测量
19.曝光时间偏差模糊度测量指测量大致的曝光时间偏差，该偏差检测需 要先测量曝光模糊度时刻即大致的曝光时刻；标校灯的各排流水灯亮灯时 间采用分级设置；led标校灯排列共n级，1到n
‑
1级每级l个灯，第n级 2*l个灯；第1级周期最长，以后周期逐级递减，第n级2*l个灯是考虑将 最低级的精度尽量提高一些，这里n代表得级数，l代表列数，通过上述 设置测量单个设备的曝光模糊度时刻，即大致的曝光时刻；
20.同时通过调整各级的周期来改变曝光模糊度时刻和精度；第1级到第 n级对应的亮灯时间分别为δt1、δt2、δt3、δt4...δt
n
，亮灯位置分别为 n1、n2、n3、n4...n
n
。
21.实际操作注意下级灯全亮后上级灯进位点亮
22.实际操作时，由于下级灯全亮后进位，上级灯点亮一个，同时相机曝 光特点会对已亮的led都进行曝光，则会产生某级灯亮≥2个，而下一灯 全亮的曝光效果；为了能够计算曝光模糊度时刻t
时刻模糊
，则找到亮灯≥2 个的某级，若亮n
亮
个灯则将该级亮灯时间乘以n
亮
，对应调整上下各级的 亮灯时间；调整后实现1至n
‑
2级亮灯数量为1，n级亮灯数量＜2*l，n
‑
1 级亮灯数量为1或2。
23.由于测量曝光起始偏差，所以设n
n
为n级首灯的位置，且n
‑
1级亮灯 数量为1或2，其首灯与n级曝光起始对应，则n
n
‑1为n
‑
1级首灯的位置， 其余各级为末灯位置，则曝光模糊度时刻t
时刻模糊
为：
24.t
时刻模糊
＝δt1·
(n1‑
1)+δt2·
(n2‑
1)+δt3·
(n3‑
1)+δt4·
(n4‑
1)+...+δt
n
·
(n
n
‑
1)
ꢀꢀꢀ
(2)
25.采用下式计算曝光模糊度时间t
模糊
，指某设备大致的曝光时间，n
n总数 为n级的亮灯数：
26.t
模糊
＝δt
n
·
n
n总数
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
27.对于n
设备
台设备，n
设备
≥2，根据设备照片的时标确定“同时刻”(理 论值)拍摄的n
设备
张标校灯照片即每台设备对应一张照片，跟据公式(2) 分别计算各个设备的曝光模糊度时间t
时刻模糊1
、t
时刻模糊2
、...、t
时刻模糊n
，按照 前文描述对标校灯设定进行调整，使n
设备
台设备拍摄效果均达到测量要求； 以第i台设备为测量基准，则曝光时间偏差模糊度t
偏差粗值1
、...、t
偏差粗值n
‑1为：
[0028][0029]
步骤3、曝光时间偏差测量
[0030]
曝光时间偏差测量包括曝光起始偏差、目标中心时间偏差两个内容。 曝光起始偏差测量不同设备相机曝光起始时间的偏差；目标中心时间偏差 测量不同设备相机曝光中心时刻的偏差，该测量值主要解决设备观测运动 目标时，通常设定曝光过程中图像运动中心为目标位置，该偏差测量值反 映不同设备相机对运动中心拍摄的时间偏差。
[0031]
在曝光时间偏差测量中，将全部led标校灯调整为一级(同级设置) 并依次点亮。点亮时间根据步骤2所得的相机曝光模糊度时间、曝光时间 偏差模糊度来设定。
[0032]
取n
设备
‑
1个|t
偏差粗值
|的最大值max(|t
偏差粗值1
|...|t
偏差粗值n
‑1|)，将该值同曝 光模糊度时间中最大值max(t
模糊1
...t
模糊n
)进行比较，取两者中较大值 作为t
偏差测量
，可根据测量结果适当调整t
偏差测量
取值直至满足需求为止；将 led灯的点亮时间设置为t
偏差测量
/n
led
左右，即δt
曝光
要略大于t
偏差测量
/n
led
，n
led
为led灯的总数量，如此，相机曝光时间偏差的测量精度可以达到 δt
曝光
；
[0033]
根据不同设备照片的首灯位置计算曝光起始偏差，选取第i
设备
台设备 作为测量基准，则第j
设备
台设备与第i
设备
台设备的曝光起始偏差按照如下 方法计算：第j
设备
台设备照片首灯为i1行j1列，第i
设备
台设备照片首灯为i2行j2列；
[0034]
若t
偏差模糊
<0，且(i1‑
1)
·
l+j1＜(i2‑
1)
·
l+j2或者t
偏差模糊
>0，且 (i1‑
1)
·
l+j1＞(i2‑
1)
·
l+j2时，
[0035]
t
起始偏差
＝((i1‑
1)
·
l+j1‑
(i2‑
1)
·
l
‑
j2)
·
δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0036]
若t
偏差模糊
<0，且(i1‑
1)
·
l+j1＞(i2‑
1)
·
l+j2时，
[0037]
t
起始偏差
＝((i1‑
1)*l+j1‑
(i2‑
1)*l
‑
j2‑
n
·
l)
·
δt
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0038]
若t
偏差模糊
>0，且(i1‑
1)
·
l+j1＜(i2‑
1)
·
l+j2时，t
起始偏差
为
[0039]
t
起始偏差
＝((i1‑
1)*l+j1‑
(i2‑
1)*l
‑
j2+n
·
l)
·
δt
ꢀꢀꢀ
(7)
[0040]
其余n
设备
‑
2台设备按照相同方法计算t
起始偏差
。
[0041]
目标中心时间偏差需要在曝光起始偏差测量基础上结合相机曝光时间 的测量，曝光时间测量方式如下：标校灯中亮灯时间为δt
曝光
，各行亮灯 数量分别为n1、n2、n3、n4、n5...n
n+1
，则设备的曝光时间为：
[0042]
t
曝光
＝δt
曝光
·
n1+δt
曝光
·
n2+δt
曝光
·
n3+δt
曝光
·
n4+...+δt
曝光
·
n
n+1
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)；
[0043]
目标中心时间取相机曝光时间中点处，结合曝光起始偏差解算目标中 心时间偏
差如下：
[0044]
t
目标中心时间偏差
＝t
起始偏差
+t
曝光j
/2
‑
t
曝光i
/2
ꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0045]
其中，t
曝光j
为第j
设备
台设备的曝光时间，t
曝光i
为第i
设备
台设备的曝光时间， 其余n
设备
‑
2台设备按照相同方法计算t
目标中心时间偏差
即可。
[0046]
本发明相对现有技术的有效收益
[0047]
1、本发明提出的标校灯测量方法，采用led作为光源，直接用待测 相机对标校灯进行拍摄，避免了相机外同步测量法这种间接测量的方法误 差较大的问题。
[0048]
2、本发明提出的标校灯测量原理，采用led作为光源，利用标校灯 架对光源进行安装，采用fpga对光源进行控制，该测量设备结构容易实 现，在地面条件下能够方便进行实验，避免角反射体测量法进行机载悬挂， 设计和实验的成本比较高的情况。
[0049]
3、本发明提出的标校灯测量原理，直接将设备相机对标校灯进行拍 照，根据图像效果进行测量数据分析，不需要为标校灯购置时统设备，避 免角反射体测量法需要为光源配置时统设备，以及时统信号与光电设备需 要建立精确的时间同步基准情况。
[0050]
4、本发明采用的曝光时间偏差检测方式利用整个标校灯的led作为 一级灯(同级设置)，这种方式可以有效提高检测的精度，同时避免多级 灯重复闪烁，灯运行位置不易确定的问题。
[0051]
5、本发明方法运用于实际的曝光时间偏差检测工作中，检测精度高。 在具体实施例子中，检测精度为80us，针对具体待测设备，可以调整检测 精度，达到10us的检测精度。
附图说明
[0052]
图1是中心曝光和前沿曝光时间偏差分析示意图；
[0053]
图2是相机外同步工作流程示意图；
[0054]
图3是相机曝光工作流程示意图；
[0055]
图4是本发明led标校灯测量基本原理示意图；
[0056]
图5是本发明多级led灯流水灯装置示意图；
[0057]
图6是本发明五级时钟闪烁法示意图
[0058]
图7是本发明五级灯测量数据示意图；
[0059]
图8是本发明一级灯测量数据示意图；
[0060]
图9是本发明一级灯测量数据分析；
[0061]
图10是本发明检测方法流程示意图。
具体实施方式
[0062]
下面结合附图对本发明进行详细的阐述和说明。
[0063]
本发明的检测方法流程如图10所示。设定程序对led标校灯进行电 脉冲控制，led标校灯对应曝光时间偏差模糊度测量、曝光时间偏差测量 运行两种工作模式。
[0064]
本发明采用曝光时间偏差模糊度、曝光时间偏差两种标校灯运行模式 来确定相机的曝光时间偏差。
[0065]
曝光时间偏差模糊度通过多级灯检测多台设备(2台及以上)相机大 致的偏差，该偏差用于确立各设备曝光时间的先后，其偏差值用于后续高 精度测量偏差值时，标校灯亮
灯设置的依据。
[0066]
曝光时间偏差采用一级灯检测多台设备(2台及以上)相机的曝光起 始偏差、目标中心时间偏差。利用曝光时间偏差模糊度检测结果设置一级 灯的亮灯时间；在实验数据中检测计算各设备的曝光起始偏差，在此基础 上结合各设备的曝光时间，计算出目标中心时间偏差。
[0067]
实施例1
[0068]
步骤1、标校灯测量标准设定
[0069]
在标校装置上布置一排led灯，利用电脉冲驱动led灯，实现流水 灯的效果，如图4所示。让光电经纬仪拍摄led流水灯，拍得的照片中至 少有一个灯亮，从光电经纬仪照片上led亮的情况(第几个灯亮了)结 合每个灯亮的时间就能确定标校装置显示的相对测量时间。
[0070]
可以通过多级led灯流水装置提高标校装置的时间表示精度，如图5 所示。
[0071]
步骤2、曝光时间偏差模糊度测量
[0072]
这里的曝光时间偏差模糊度测量指测量大致的曝光时间偏差时间。
[0073]
led排列如图6所示，共5级，1到4级每级5个灯，第5级10个灯。 每一级的周期如图1所示，按照此设计，测量时间模糊度为2000ms，时间 精度为320μs。
[0074]
另外，可以通过调整各级的周期来改变时间模糊度和精度。以图6为 例，第1级到第5级对应的亮灯周期分别为δt1、δt2、δt3、δt4、δt5， 亮灯位置分别为n1、n2、n3、n4、n5，则设备的标校灯时间为：
[0075]
τ＝δt1·
(n1‑
1)+δt2·
(n2‑
1)+δt3·
(n3‑
1)+δt4·
(n4‑
1)+δt5·
(n5‑
1)(10)
[0076]
图7为设备五级灯拍摄效果图，分别为两个设备的拍摄图像数据。
[0077]
图7中的左边示意图显示，灯组的前4行对应第1～4级，5、6行对应 第5级。根据公式
[0078]
t
时刻模糊
＝δt1·
(n1‑
1)+δt2·
(n2‑
1)+δt3·
(n3‑
1)+δt4·
(n4‑
1)+...+δt
n
·
(n
n
‑
1)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0079]
且n5为5级首灯的位置，n4为4级首灯的位置，计算得设备1(1号车) 曝光时刻为1924160us，设备2(6号车)曝光时刻为1923200us，曝光时 间偏差模糊度t
偏差模糊
为0.96ms(960us)，如表1所示。
[0080]
表1五级灯测量数据计算
[0081][0082]
采用下式计算曝光模糊度时间t
模糊1
与t
模糊2
，n
n总数
为n级的亮灯数：
[0083]
t
模糊
＝δt
n
·
n
n总数
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0084]
计算得t
模糊1
为2560us、t
模糊2
为2560us。
[0085]
步骤3、曝光时间偏差测量
[0086]
t
模糊1
较t
偏差模糊
(960us)大，以t
模糊1
为基础选择t
偏差测量
，这里 δt
曝光
设置为80us，将标校灯30个led调整为一级，t
偏差测量
设置为2400us。
[0087]
图8为两台设备(1、6号车)一级灯拍摄效果图；灯组各行列设定亮 灯时间相同；一
级灯主要用于曝光时间检测和时间偏差检测，由于整个灯 组作为基础检测单元，不分时间级，其检测精度较高。
[0088]
由于t
偏差模糊
大于0，且起始灯1号车大于6号车，故采用公式
[0089]
t
起始偏差
＝((i1‑
1)
·
l+j1‑
(i2‑
1)
·
l
‑
j2)
·
δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0090]
计算曝光起始偏差t
偏差模糊
为960us。
[0091]
设备的曝光时间按照下式：
[0092]
t
曝光
＝δt
曝光
·
n1+δt
曝光
·
n2+δt
曝光
·
n3+δt
曝光
·
n4+...+δt
曝光
·
n
n+1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0093]
数据如表2所示，数据分析图如图9所示，可以看到在该检测精度条 件下，两车曝光时间均为2080us，6号车曝光时间较1号车提前960us。
[0094]
表2一级灯测量数据计算
[0095][0096]
目标中心时间取相机曝光时间中点处，结合曝光起始偏差解算目标中 心时间偏差按照下式：
[0097]
t
目标中心时间偏差
＝t
起始偏差
+t
曝光1
/2
‑
t
曝光2
/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(15)
[0098]
目标中心时间偏差t
目标中心时间偏差
为960us，值与曝光起始偏差相同。