基于主被动照明的高速摄影系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了基于主被动照明的高速摄影系统及方法，包括高速相机和照明补光分系统，照明补光分系统用于为高速相机照明补光；高速相机包括光学镜头组件和电子学组件，光学镜头组件包括主镜头、分光棱镜和N个物镜组，外界光线通过主镜头进入高速相机，在分光棱镜处光线进行反射，然后光线分别进入N个物镜组，所述电子学组件包含N个子相机模块和1个主控模块，N个子相机模块在所述主控模块的控制调度下工作，其中，N个物镜组与N个子相机模块一一对应。本发明专利技术采用高精度时序控制方法，实现对N个子相机模块的调度，从而控制N个子相机模块进行拍摄，进而实现高速摄影，时序控制精度在ns量级，且能够避免因CMOS传感器自身帧频低的问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
基于主被动照明的高速摄影系统及方法


[0001]本专利技术属于高速摄影成像
，具体来说是一种基于主被动照明的高速摄影系统及方法。

技术介绍

[0002]高速摄影主要用于拍摄高速运动的物体的瞬间画面，呈现出人眼看不到的时刻瞬间的画面。国内高速相机的研发还处在初步阶段，商用的高性能高速相机主要以国外公司生产的为主。目前，国内CMOS图像传感器的研制和生产方兴未艾，研制出一款不受探测器自身性能限制的国产高速相机及其补光照明设备，实现高速相机研制全面国产化，提高我国自主研制的高速相机和高速摄影系统在国际上的竞争力，以及我国高速相机的自主化发展具有重要意义。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种制造成本低的基于主被动照明的高速摄影系统及方法，能够避免因CMOS传感器自身帧频低的问题。
[0004]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0005]一种基于主被动照明的高速摄影系统，包括高速相机和照明补光分系统，所述照明补光分系统用于为高速相机照明补光；
[0006]所述高速相机包括光学镜头组件和电子学组件，所述光学镜头组件包括主镜头、分光棱镜和N个物镜组，外界光线通过主镜头进入高速相机，在分光棱镜处光线进行反射，然后光线分别进入N个物镜组，
[0007]所述电子学组件包含N个子相机模块和1个主控模块，N个子相机模块在所述主控模块的控制调度下工作，其中，N个物镜组与N个子相机模块一一对应，
[0008]每个所述子相机模块包括1路CMOS图像探测器、1路探测器配置电路、1路第一LVDS接口、1路第一RS422接口、1个第一FPGA芯片、第一FPGA芯片内部的1个CMOS图像探测器控制逻辑电路以及1个DDR3数据缓存模块，光线在每个所述物镜组内进过折射和透射后，最后汇聚到N个子相机模块的CMOS图像探测器上形成清晰的图像，N≥2。
[0009]进一步地，所述主控模块包括第二FPGA芯片、第二LVDS接口、第三LVDS接口、第二RS422接口、第三RS422接口、脉冲触发接口、启动拍摄接口、外触发接口，所述主控模块通过第三RS422接口接收外部触发信号和指令信号，同时将各个子相机模块内部的状态参数发送出去，主控模块通过第二LVDS接口接收来自N个子相机模块的图像数据，同时将接收到的N个子相机模块的图像数据通过第三LVDS接口发送出去，固定频率的脉冲触发接口用来控制子相机模块的拍摄帧频，主控模块的外触发接口用于启动高速相机最后时刻的拍摄并进行最后时间段的图像数据存储。
[0010]进一步地，所述照明补光分系统包含主动聚光照明和被动散射照明，主动聚光照明采用LED灯阵列将光线能量汇聚在成像区域，被动散射照明利用漫反射的原理，将光线能
量柔和的发散开。
[0011]进一步地，对于主动聚光照明，LED灯阵列采用恒流驱动芯片，采用恒流驱动的方式，保证LED灯亮度均匀且长时间保持亮度恒定。
[0012]进一步地，对于被动散射照明，采用漫反射板，在漫反射板上喷涂漫反射材料KS白漆，形成一层漫反射膜，当主动照明的光线照过来时，会产生漫反射，将光亮整理完毕。
[0013]根据上述的基于主被动照明的高速摄影系统的高速摄影方法，主控模块第二FPGA芯片给N个子相机模块发送高精度的时序控制信号，所述控制信号精度在ns级别；N个子相机模块在高精度时序控制信号的控制下，从而实现帧频为fps＝N*M帧/秒的高速拍摄，其中，子相机模块的最高帧频M帧/秒，
[0014]主控模块通过时序控制信号控制N个子相机模块在短时间内完成轮流曝光，主控模块T1时刻向第一个子相机模块发送时序控制信号后，第一个子相机模块开始曝光，待第一个子相机模块曝光未完成或者数据读出未完成的时刻，主控模块在T2时刻向第二个子相机模块发送时序控制信号，启动第二个子相机模块曝光，依次到第N个子相机模块。
[0015]本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：
[0016]本专利技术采用一片大规模FPGA芯片作为主控模块的核心芯片，采用高精度时序控制方法，实现对N个子相机模块的调度，从而控制N个子相机模块进行拍摄，进而实现高速摄影，时序控制精度在ns量级，且能够避免因CMOS传感器自身帧频低的问题。
附图说明
[0017]图1是高速相机
‑
光学镜头部分的分光光路设计示意图。
[0018]图2是高速相机主控模块和子相机模块互联示意图。
[0019]图3是高精度时序控制逻辑电路模块工作时序示意图。
[0020]图4是高速相机DDR3数据缓存模块工作流程图。
[0021]图5是主动聚光照明模块恒流源驱动电路设计示意图。
[0022]图6是高速相机在暗光背景下实施主动照明和被动照明的示意图。
具体实施方式
[0023]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0024]一种基于主被动照明的高速摄影系统，包括高速相机和照明补光分系统，所述照明补光分系统用于为高速相机照明补光；
[0025]所述高速相机包括光学镜头组件和电子学组件，所述光学镜头组件包括主镜头、分光棱镜和N个物镜组，外界光线通过主镜头进入高速相机，在分光棱镜处光线进行反射，然后光线分别进入N个物镜组，
[0026]所述电子学组件包含N个子相机模块和1个主控模块，N个子相机模块在所述主控模块的控制调度下工作，其中，N个物镜组与N个子相机模块一一对应，
[0027]每个所述子相机模块包括1路CMOS图像探测器、1路探测器配置电路、1路第一LVDS接口、1路第一RS422接口、1个第一FPGA芯片、第一FPGA芯片内部的1个CMOS图像探测器控制
逻辑电路以及1个DDR3数据缓存模块，光线在每个所述物镜组内进过折射和透射后，最后汇聚到N个子相机模块的CMOS图像探测器上形成清晰的图像，N≥2。
[0028]参见图1，以4路分光光路为例。光线经过光学镜头之后，进入相机镜头内部，分光棱镜1作为主分光棱镜，经过分光棱镜1之后的光线分为两路，一路经过分光棱镜3之后光线汇聚到CMOS图像探测器1和CMOS图像探测器2的表面；另外一路经过分光棱镜2之后光线汇聚到CMOS图像探测器3和CMOS图像探测器4的表面。
[0029]N个子相机模块相互独立工作，所述主控模块通过RS422接口接收外部触发信号和指令信号，同时将高速相机各个子相机模块内部的状态参数发送出去。主控模块通过LVDS接口接收来自N个子相机模块的图像数据，同时将接收到的N个子相机模块的图像数据通过LVDS接口发送出去。如附图2所示。
[0030]主控模块每秒给每个子相机模块发出固定频率的脉冲，每秒M个脉冲，但是脉冲相位不一致。每个子相机模块，在主控模块发出的每秒M个脉冲的触发下，用来实现帧频为M帧/秒的高速拍摄。
[0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于主被动照明的高速摄影系统，其特征在于，包括高速相机和照明补光分系统，所述照明补光分系统用于为高速相机照明补光；所述高速相机包括光学镜头组件和电子学组件，所述光学镜头组件包括主镜头、分光棱镜和N个物镜组，外界光线通过主镜头进入高速相机，在分光棱镜处光线进行反射，然后光线分别进入N个物镜组，所述电子学组件包含N个子相机模块和1个主控模块，N个子相机模块在所述主控模块的控制调度下工作，其中，N个物镜组与N个子相机模块一一对应，每个所述子相机模块包括1路CMOS图像探测器、1路探测器配置电路、1路第一LVDS接口、1路第一RS422接口、1个第一FPGA芯片、第一FPGA芯片内部的1个CMOS图像探测器控制逻辑电路以及1个DDR3数据缓存模块，光线在每个所述物镜组内进过折射和透射后，最后汇聚到N个子相机模块的CMOS图像探测器上形成清晰的图像，N≥2。2.根据权利要求1所述的基于主被动照明的高速摄影系统，其特征在于，所述主控模块包括第二FPGA芯片、第二LVDS接口、第三LVDS接口、第二RS422接口、第三RS422接口、脉冲触发接口、启动拍摄接口、外触发接口，所述主控模块通过第三RS422接口接收外部触发信号和指令信号，同时将各个子相机模块内部的状态参数发送出去，主控模块通过第二LVDS接口接收来自N个子相机模块的图像数据，同时将接收到的N个子相机模块的图像数据通过第三LVDS接口发送出去，固定频率的脉冲触发接口用来控制子相机模块的拍摄帧频，主控模块的外触发接口用于启动高速相机最...

【专利技术属性】
技术研发人员：董森，熊智，李荣冰，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：