專利名稱：一種應(yīng)用快速開關(guān)光源的高速攝像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及高速攝像系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及一種應(yīng)用快速開關(guān)光源的高速攝像
>J-U ρ α裝直。
背景技術(shù)：
高速攝像是一種把高速運(yùn)動(dòng)變化過程的空間信息和時(shí)間緊密聯(lián)系在一起進(jìn)行圖像記錄的方法，能將瞬變、高速過程連續(xù)記錄下來，并運(yùn)用圖像分析設(shè)備進(jìn)行定量計(jì)算的方法，其最早應(yīng)用于彈道分析，至今已從軍事逐漸擴(kuò)展到民用，從工業(yè)到醫(yī)學(xué)生物，從宏觀機(jī)械運(yùn)動(dòng)到微觀機(jī)制的研究。高速攝像可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)高速目標(biāo)的快速、多次采樣，當(dāng)以常規(guī)速度放映時(shí)，所記錄目標(biāo)的變化過程就清晰、緩慢地呈現(xiàn)在我們眼前。高速光電成像技術(shù)具有實(shí)時(shí)目標(biāo)捕獲、圖像快速記錄、即時(shí)回放、圖像直觀清晰等突出優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)高速攝像的工作原理是:高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)受到自然光或人工輔助照明燈光的照射產(chǎn)生反射光，或者運(yùn)動(dòng)目標(biāo)本身發(fā)光，這些光的一部分透過高速成像系統(tǒng)的成像物鏡。經(jīng)物鏡成像后，落在光電成像器件的像感面上，受驅(qū)動(dòng)電路控制的光電器件，會(huì)對(duì)像感面上的目標(biāo)像快速響應(yīng)，即根據(jù)像感面上目標(biāo)像光能量的分布，在各采樣點(diǎn)即像素點(diǎn)產(chǎn)生響應(yīng)大小的電荷包，完成圖像的光電轉(zhuǎn)換。帶有圖像信息的各個(gè)電荷包被迅速轉(zhuǎn)移到讀出寄存器中。讀出信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理后傳輸至電腦中，由電腦對(duì)圖像進(jìn)行讀出顯示和判讀，并將結(jié)果輸出。因此，一套完整的高速成像系統(tǒng)由光學(xué)成像、光電成像、信號(hào)傳輸、控制、圖像存儲(chǔ)與處理等幾部分組成。目前，一般攝像機(jī)、DV機(jī)最多能達(dá)到50-6(Γ300幀每秒，手機(jī)30幀/s，而一般高速攝像機(jī)通?？梢赃_(dá)到每秒60 (Γ10000幀的速度記錄，有些軍方專用的高速攝像機(jī)甚至可達(dá)到I百萬(wàn)千萬(wàn)幀每秒。為實(shí)現(xiàn)高速攝像的技術(shù)效果，傳統(tǒng)的高速攝像機(jī)和其他高速成像儀器更為重視捕獲時(shí)間頻率高的圖像，并以此作為實(shí)現(xiàn)高速攝像的當(dāng)然手段。而需要在高頻率下采集圖像樣本數(shù)據(jù)，除了傳感器和照明設(shè)備靈敏度的限制外，采樣頻率也受到快門速度和傳感器的ADC速度和其他相關(guān)數(shù)據(jù)處理瓶頸現(xiàn)在。故，高速攝像的傳感器需要具備特殊的結(jié)構(gòu)、工藝和材料，使其能夠在高速的情況下進(jìn)行正常工作。另外，在攝像領(lǐng)域中使用人工輔助照明燈光(俗稱閃光燈)經(jīng)歷了從鎂粉閃光燈、一次閃光燈(閃光炮)至電子閃光燈的發(fā)展歷程；當(dāng)前普遍使用的電子閃光燈是利用氣體放電原理，采用集成電路和藍(lán)硅晶體管組成的光敏控制電路，能自動(dòng)根據(jù)拍攝距離和反光的強(qiáng)弱控制明滅時(shí)間。以上所述的閃光燈有其不足之處，即不能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時(shí)的快速開關(guān):從其通電至開始發(fā)光，有一定的延遲時(shí)間，俗稱預(yù)熱；從其斷電至發(fā)光結(jié)束，也有一定的延遲時(shí)間，俗稱余輝。在高速攝像中，特別是在黑暗環(huán)境的高速攝像中，閃光燈的連續(xù)閃爍，由于延遲時(shí)間(余輝)的存在，不能達(dá)到很高的閃爍頻率。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種一種應(yīng)用快速開關(guān)光源的高速攝像裝置，相對(duì)于現(xiàn)有的攝像裝置具有具有成本低、易普及的有益效果。本實(shí)用新型一種應(yīng)用LED光源的高速攝像裝置的技術(shù)方案是:一種應(yīng)用快速開關(guān)光源的高速攝像裝置，包括拍攝模塊、快速開關(guān)光源模塊、開光控制電路模塊和圖像處理模塊；所述拍攝模塊包括快門、攝像鏡頭和與攝像鏡頭對(duì)應(yīng)的拍攝傳感器；所述快速開關(guān)光源至少包括2種具有不同色光的LED發(fā)光器件；所述開關(guān)控制電路模塊與LED光源模塊和快門連接，用于使LED光源模塊和快門相聯(lián)動(dòng)，使LED光源模塊在一次快門曝光時(shí)間內(nèi)依次進(jìn)行不同顏色光源的開關(guān)動(dòng)作；所述拍攝傳感器將快門曝光時(shí)間內(nèi)獲得的混合圖像傳給圖像處理模塊，由圖像處理模塊對(duì)圖像進(jìn)行提取和視頻整合。本實(shí)用新型的快速開關(guān)光源是指在一個(gè)快門時(shí)間內(nèi)能夠進(jìn)行多次開關(guān)動(dòng)作的光源，應(yīng)具有良好的開關(guān)截?cái)嘈阅?，能在毫秒?jí)甚至微秒級(jí)進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作。優(yōu)選采用LED(Light Emmitting Diode)光源,然而根據(jù)發(fā)明原理,本領(lǐng)域技術(shù)人員可以輕易聯(lián)想到其他的快速開關(guān)光源，如激光光源等，也屬于保護(hù)范圍。LED照明光源近年來的發(fā)展非常較快，其照明性能越來越好，價(jià)格也相對(duì)較低，還具有綠色光源之稱。而且，LED的切換時(shí)間可以在很高的精確度和微秒級(jí)甚至更短時(shí)間的高速情況下進(jìn)行控制。本實(shí)用新型正是采用LED可以高速開關(guān)的性能，在保持快門曝光時(shí)間不變的情況下，在曝光時(shí)間內(nèi)通過對(duì)不同顏色光源的快速開關(guān)，使得目標(biāo)物體能夠反射不同色光，從而獲得高頻率的由不同光色“標(biāo)引”的圖像信號(hào)，再通過后期的圖片處理，將曝光時(shí)間內(nèi)混合有不同光色的混合圖像分別按不同光色“標(biāo)引”的圖片進(jìn)行提取，再按照時(shí)間先后順序合成高速攝像效果的視頻。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用相對(duì)簡(jiǎn)單、成本低的LED光源分色光標(biāo)引的原理，在不需要提高快門曝光頻率的情況下完成高速攝像，具有成本低，高速攝像效果好的有益效果。優(yōu)選的，所述LED光源模塊為紅光LED、綠光LED和藍(lán)光LED的任意兩種或全部的組合。優(yōu)選的，所述LED光源模塊以陣列形式布置，具體為由不同色光的LED燈珠封裝組成的陣列或不同色光LED芯片組成的陣列。優(yōu)選的，所述不同發(fā)光顏色的LED發(fā)光器件間隔排列在發(fā)光陣列內(nèi)。優(yōu)選的，所述LED光源模塊以投影儀方式布置，具體為由不同色光的LED燈珠封裝一起通過一個(gè)或多個(gè)投影鏡頭將光投射到物體上。有限的，所述每一種發(fā)光顏色的LED發(fā)光器件具有若干個(gè),所有發(fā)光顏色的LED發(fā)光器件組成一個(gè)面狀的發(fā)光陣列。優(yōu)選的，所述面狀發(fā)光陣列為平面發(fā)光陣列或有利于聚光的弧面發(fā)光陣列。通過使用各種陣列的方式，使LED光照更加均勻，無死角，盡量充分滿足高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的光照需求優(yōu)選的，所述LED光源模塊具有多個(gè)，不同光源模塊從不同角度照射目標(biāo)物體。由于拍攝模塊具有多個(gè)攝像鏡頭，多個(gè)拍攝角度，如果使用單一的發(fā)光模塊，容易使部分角度的細(xì)節(jié)得不到充分的照明。因而在拍攝模塊的周圍設(shè)置發(fā)光模塊，使光線更均勻，閃光無死角。優(yōu)選的，所述LED光源模塊由同一個(gè)開光控制電路模塊同時(shí)控制，或由不同開光控制電路模塊協(xié)同控制。[0020]優(yōu)選的，所述快門為機(jī)械快門，具體為由機(jī)械開合以控制一次曝光的機(jī)械結(jié)構(gòu)；或者，所述快門為電子快門，具體為控制拍攝傳感器感光時(shí)間的電子控制模塊。優(yōu)選的，所述圖像處理模塊包括RGB信號(hào)采集器，拍攝模塊所拍攝得到的圖像數(shù)據(jù)通過RGB信號(hào)采集器傳給圖像處理模塊。優(yōu)選的，所述攝像鏡頭具有多個(gè)，該多個(gè)攝像鏡頭用于分別從不同視角同步拍攝目標(biāo)物體。優(yōu)選的，所述攝像鏡頭具有多個(gè)，該多個(gè)攝像鏡頭用于按照預(yù)先設(shè)定的順序，依次循環(huán)拍攝。從而進(jìn)一步提聞拍攝速率。優(yōu)選的，所述拍攝傳感器具有多個(gè)，所述一個(gè)拍攝傳感器對(duì)應(yīng)多個(gè)攝像鏡頭或者拍攝傳感器和攝像鏡頭 對(duì)應(yīng)。攝像鏡頭和拍攝傳感器既包括采用一一對(duì)應(yīng)的方式設(shè)置，還可以采用所有攝像鏡頭對(duì)應(yīng)一個(gè)拍攝傳感器，多個(gè)攝像鏡頭對(duì)應(yīng)一個(gè)拍攝傳感器而其余攝像鏡頭各自對(duì)應(yīng)一個(gè)拍攝傳感器，以及一個(gè)攝像鏡頭對(duì)應(yīng)多個(gè)拍的攝傳感器的設(shè)置方式等等。關(guān)于拍攝傳感器和攝像鏡頭的設(shè)置，對(duì)應(yīng)方式，取決于后期數(shù)據(jù)處理的需求以及傳感器設(shè)置的需求。其中同一拍攝傳感器對(duì)應(yīng)多個(gè)攝像鏡頭的方式，有利于簡(jiǎn)化拍攝傳感器的加工工藝。優(yōu)選的，所述所有拍攝傳感器組成一個(gè)傳感器平面。以便于拍攝傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。優(yōu)選的，所述攝像鏡頭通過固定框架以一體成型或拼接的方式相互連接。使各攝像鏡頭之間更加緊密地配合。優(yōu)選的，所述所有攝像鏡頭排列成一個(gè)鏡頭面，鏡頭面是平直的表面、具有弧度的弧面或是由若干個(gè)平面以一定折角的方式拼接的組合面。從而使鏡頭排列更加緊湊合理。

圖1是本實(shí)用新型高速攝像裝置一種實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型高速攝像裝置一種實(shí)施例的框架連接示意圖；圖3是本實(shí)用新型高速攝像裝置一種實(shí)施例的鏡頭布置示意圖；圖4是本實(shí)用新型高速攝像裝置一種實(shí)施例的鏡頭與傳感器布置關(guān)系示意圖；圖5是本實(shí)用新型高速攝像裝置一種實(shí)施例的LED光源模塊示意圖；圖6是本實(shí)用新型高速攝像裝置一種實(shí)施例的利用投影鏡頭投射光示意圖。圖7是本實(shí)用新型高速攝像裝置一種實(shí)施例的工作原理示意圖；圖8是本實(shí)用新型高速攝像裝置一種實(shí)施例的不同色光源照明下的圖像采集原理圖；圖9是本實(shí)用新型具體實(shí)施例的所有攝像鏡頭同時(shí)工作在不同色LED閃光下的高速攝像算法和過程分析圖；圖10是本實(shí)用新型具體實(shí)施例的所有攝像鏡頭不同時(shí)工作在同色LED閃光下的高速攝像算法和過程分析圖；圖11是本實(shí)用新型具體實(shí)施例的攝像鏡頭分別工作在同色和不同色LED閃光下的高速攝像算法和過程分析圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施例作進(jìn)一步說明:如圖1至圖5所示，一種應(yīng)用LED光源的高速攝像裝置，包括拍攝模塊2，所述拍攝模塊2包括四個(gè)攝像鏡頭，分別為第一攝像鏡頭2A、第二攝像鏡頭2B、第三攝像鏡頭2C和第四攝像鏡頭2D，該四個(gè)攝像鏡頭呈矩的方式排列，即矩形排列。如圖2所示的拍攝模塊2，所述四個(gè)攝像鏡頭排列成一個(gè)平直的鏡頭面，攝像鏡頭之間具有一定間隙，并通過固定框架以一體成型或拼接的方式相互固定。在其他實(shí)施例中，所述攝像鏡頭還可以是兩個(gè)，呈上下排列，或三個(gè)，成三角形排列，以及四個(gè)以上。所有攝像鏡頭排列成一個(gè)鏡頭面，鏡頭面可以是平直的表面，還可以是具有弧度的弧面，還可以是由若干個(gè)平面以具有一定折角的方式拼接的組合面，根據(jù)所需拍攝的目標(biāo)物體的具體情況而定。攝像鏡頭之間可以緊密排列也可以具有一定空隙。如圖1所示，所述拍攝模塊2還包括四個(gè)與所述四個(gè)攝像鏡頭一一對(duì)應(yīng)的拍攝傳感器9，該四個(gè)拍攝傳感器9組成一個(gè)傳感器面，每個(gè)攝像鏡頭對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的拍攝傳感器，便于拍攝傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。常用的拍攝傳感器有CCD傳感器等。所述快門包括機(jī)械快門和電子快門。所述電子快門(Electronic Shutter)是相對(duì)機(jī)械快門功能提出的一個(gè)術(shù)語(yǔ)，它相當(dāng)于控制拍攝傳感器感光的時(shí)間，為攝像領(lǐng)域所熟知的概念。對(duì)于CCD傳感器來說，由于CCD感光的實(shí)質(zhì)是信號(hào)電荷的積累，則感光時(shí)間越長(zhǎng)，信號(hào)電荷的積累時(shí)間也就越長(zhǎng)，輸出信號(hào)電流的幅值也就越大。通過調(diào)整光生信號(hào)電荷的積累時(shí)間(即調(diào)整時(shí)鐘脈沖的寬度)，即可實(shí)現(xiàn)控制CCD感光時(shí)間的功能。在機(jī)械快門的場(chǎng)合，本實(shí)用新型的快門為由機(jī)械控制的可快速開關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)；在電子快門的場(chǎng)合，本實(shí)用新型的快門為控制傳感器光生信號(hào)電荷的積累時(shí)間，以控制傳感器感光時(shí)間的電子控制模塊。在其他實(shí)施例中，攝像鏡頭和拍攝傳感器可以不采用一一對(duì)應(yīng)的方式設(shè)置，如所有攝像鏡頭對(duì)應(yīng)一個(gè)拍攝傳感器，多個(gè)攝像鏡頭對(duì)應(yīng)一個(gè)拍攝傳感器而其余攝像鏡頭各自對(duì)應(yīng)一個(gè)拍攝傳感器，以及一個(gè)攝像鏡頭對(duì)應(yīng)多個(gè)拍攝傳感器，等等。關(guān)于拍攝傳感器和攝像鏡頭的設(shè)置，對(duì)應(yīng)方式，取決于后期數(shù)據(jù)處理的需求以及傳感器設(shè)置的需求。其中同一拍攝傳感器對(duì)應(yīng)多個(gè)攝像鏡頭的方式，有利于簡(jiǎn)化拍攝傳感器的加工工藝。如圖4所示，為攝像鏡頭和拍攝傳感器之間的布置示意圖，第一攝像鏡頭2A與物體之間的距離為P，第一攝像鏡頭2A的直徑寬度為d，第一攝像鏡頭2A與第一拍攝傳感器9A之間的距離為μ。物像經(jīng)過攝像鏡頭后投射在拍攝傳感器上，拍攝傳感器記錄該物像，使之從光信號(hào)轉(zhuǎn)換為方便處理的電信號(hào)，得到拍攝的圖像。本實(shí)用新型的拍攝模塊2增加了一定數(shù)量的攝像鏡頭，不同攝像鏡頭之間或者輔助攝像鏡頭和主攝像鏡頭之間協(xié)同工作，可以提高圖像的清晰度；同時(shí)為了得到高的時(shí)間頻率圖像，使不同攝像鏡頭的快門具有時(shí)間上的不同補(bǔ)償。所有攝像鏡頭的曝光時(shí)間都是相互關(guān)聯(lián)并已知的。如圖1所示，本實(shí)施例的高速攝像裝置還包括LED光源模塊1、圖像處理模塊4和連通各模塊的數(shù)據(jù)線7。其中，所述LED光源模塊I包括LED發(fā)光陣列6，本實(shí)施例的LED光源模塊I相當(dāng)于高速攝像裝置的閃光燈，但與一般閃光燈不同在于可利用不同光色對(duì)目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)引。如圖5所示的LED光源模塊1，其發(fā)光面上設(shè)有LED發(fā)光陣列6，該發(fā)光陣列6由發(fā)光顏色分別為紅、綠、藍(lán)的三種LED組成(本說明書中除特別說明外，分別用R、G、B來表示紅、綠、藍(lán)顏色)，各色LED間隔排列。圖5所示的發(fā)光陣列6中，每一列為相同發(fā)光顏色的LED, R、G、B依次間隔排列。所述各色LED有序排列集成在一起，形成一個(gè)平面的LED發(fā)光列陣，可以是集成在同一平面內(nèi)發(fā)光面，也可以集成為帶弧度的有利于聚光的發(fā)光面。所述組成LED發(fā)光陣列的各色LED可以是LED封裝燈珠，或LED芯片，所述單顆LED封裝燈珠內(nèi)可以只封裝一種顏色的LED芯片，還可以同時(shí)封裝兩種或三種顏色的LED芯片；此外，還可以通過集成封裝的方式得到發(fā)光陣列。在其他實(shí)施例中，還可以采用其他三種顏色的組合，如紫、黃、青組合等；還可以使用兩種顏色的組合，如藍(lán)、黃組合，青、紅組合，紫、綠組合等。目前，在數(shù)字圖像處理方面，使用較多的是R、G、B的組合，且R、G、B的LED產(chǎn)品也比較常見，價(jià)格低，發(fā)光質(zhì)量好，故而本實(shí)施例選擇采用R、G、B的組合方式。圖6顯示的是另一種實(shí)施方式中的LED光源模塊，其是以投影儀的方式布置，具體為由不同色光的LED燈珠6封裝一起通過一個(gè)或多個(gè)投影鏡頭7將光投射到物體上。圖1中的高速攝像裝置包括兩個(gè)LED光源模塊1，設(shè)于拍攝模塊2的兩側(cè)。由于拍攝模塊2具有多個(gè)攝像鏡頭，多個(gè)拍攝角度，如果使用單一的發(fā)光模塊，容易使部分角度的細(xì)節(jié)得不到充分的照明。因而在拍攝模塊的兩側(cè)設(shè)置發(fā)光模塊，使光線更均勻，閃光無死角。所述開關(guān)控制電路模塊5用于控制LED光源模塊I的照明，使之與拍攝模塊2的快門開關(guān)協(xié)同工作。每種不同顏色的LED (R、G、B)由一個(gè)開關(guān)控制電路進(jìn)行控制5，同種顏色的LED同時(shí)控制。為方便協(xié)同控制，拍攝模塊的快門開關(guān)也由該開關(guān)控制電路模塊5控制。各色LED (R、G、B)的開關(guān)由開關(guān)控制電路模塊5按照設(shè)定的時(shí)間頻率與鏡頭快門協(xié)同工作，各色LED在設(shè)定的鏡頭曝光獲取一幅圖像的時(shí)間(一次快門時(shí)間)內(nèi)按照已知的時(shí)間頻率依次亮起，然后由拍攝傳感器獲取圖像，該圖像包含了 R、G、B三幅分色圖像，該三幅圖像分別對(duì)應(yīng)不同的時(shí)間點(diǎn)，將該三幅圖像分別提取出來后，即可得到目標(biāo)物體在該三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)圖像。如圖1和圖2所示，本實(shí)施例的高速攝像裝置的圖像處理模塊4包括RGB信號(hào)采集器3，拍攝傳感器9將獲取的圖像上傳至RGB信號(hào)采集器3，RGB信號(hào)采集器3將圖像數(shù)據(jù)提交到圖像處理模塊4進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖像處理模塊4將從RGB信號(hào)采集器3中接收的圖像電子信息經(jīng)算法合成為動(dòng)態(tài)視頻，轉(zhuǎn)送到外部計(jì)算機(jī)。所述圖像處理模塊4還用于根據(jù)外部控制信號(hào)調(diào)節(jié)傳感器和/或鏡頭的工作狀態(tài)。因?yàn)閳D像處理模塊可根據(jù)外部設(shè)備輸入的控制信號(hào)調(diào)節(jié)傳感器和/或鏡頭的工作狀態(tài)，所以可使本裝置始終工作在較理想的狀態(tài)，保證采集和輸出的動(dòng)態(tài)視頻信號(hào)準(zhǔn)確。如圖7所示，為本實(shí)施例高速攝像裝置的工作過程，其具體工作步驟如下:I)按照要求的時(shí)間頻率設(shè)定多個(gè)鏡頭的快門頻率和各色LED光源陣列的開關(guān)頻率。攝像鏡頭的快門開啟時(shí)間同LED光源開關(guān)時(shí)間相關(guān)聯(lián)。[0064]2 )當(dāng)目標(biāo)物體8快遞移動(dòng)時(shí)，攝像鏡頭快門開啟，進(jìn)行曝光并獲取一幅圖像。在快門開啟至關(guān)閉的時(shí)間內(nèi)，發(fā)光顏色為R、G、B的LED陣列順序開關(guān)一次，每次開關(guān)應(yīng)先關(guān)閉當(dāng)前顏色的LED陣列，再打開下個(gè)顏色的LED陣列；此時(shí)拍攝傳感器獲取到包含有R、G、B背景的一幅圖像，由傳感器送入到RGB信號(hào)采集器中；按照此規(guī)則持續(xù)拍攝，將獲取到的一系列圖像均送入到RGB信號(hào)采集器中。3)將RGB信號(hào)采集器中的圖像送入到圖像處理模塊中進(jìn)行處理，按照各色LED陣列開關(guān)的時(shí)間順序?qū)、G、B分色圖像從R、G、B混合圖像中提取出來，經(jīng)過算法整合，最終形成清晰的連續(xù)的視頻。為方便觀看，將各分色圖像統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為黑白圖像。以上R、G、B閃光的順序可互換。圖8中，在普通視頻鏡頭的曝光期間內(nèi)，多重的時(shí)間追蹤點(diǎn)被標(biāo)定。本圖中，5個(gè)時(shí)間追蹤點(diǎn)被標(biāo)定，第一個(gè)是白色照明追蹤點(diǎn)，第二個(gè)是紅色，第三個(gè)是藍(lán)色，第四個(gè)是綠色，第五個(gè)是又到紅色，以上每個(gè)時(shí)間點(diǎn)都能獲得一幅圖像10本實(shí)施例的高速攝像裝置能夠采集到高速運(yùn)動(dòng)物體的圖像信息，經(jīng)過計(jì)算和圖像處理，從而可以觀察和測(cè)量目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)方式和規(guī)矩，其典型的應(yīng)用是工業(yè)中所需高速攝像機(jī)，還可以應(yīng)用于其他需要用到高速攝像的場(chǎng)合。本實(shí)施例通過點(diǎn)陣式的LED光源和兩個(gè)以上鏡頭的設(shè)置，利用同步的LED光源開關(guān)和攝像鏡頭曝光時(shí)間，收集不同光背景下的系列圖像信息，從而有利于通過外部計(jì)算機(jī)計(jì)算形成連續(xù)的視頻圖像，以此解決傳統(tǒng)高速攝像機(jī)無法清晰準(zhǔn)確獲得圖形信息的問題。本實(shí)施例利用對(duì)高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)物體的照明，短的斷電周期可以用來延長(zhǎng)時(shí)間頻率。本實(shí)用新型需要至少一個(gè)與攝像鏡頭的快門同步控制的LED光源照明設(shè)備，目標(biāo)物體最好處于黑暗環(huán)境下，且本身不發(fā)光。將普通攝像鏡頭的曝光時(shí)間設(shè)置為工作在30-40ms的正常視頻速率，例如，25或30幀/秒，當(dāng)激活快門的時(shí)候，LED光源也被激活進(jìn)入到預(yù)定的開關(guān)時(shí)間。舉例如下:將攝像鏡頭快門的速率設(shè)為30幀/秒，也就是33ms開關(guān)一次，如果使用3種LED光源顏色，每種顏色有IOms的照射時(shí)間和Ims的黑暗時(shí)間。相當(dāng)于攝像鏡頭具有90幀/秒的速率。可見本裝置提高了普通攝像設(shè)備的拍攝速率。圖9至圖11所不，為本實(shí)用新型具體實(shí)施例聞速攝像方法的不意圖:如圖9所示，為本實(shí)施例所有攝像鏡頭同時(shí)工作在不同色LED閃光下的高速攝像的方法，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)，不同顏色的LED光源(R、B、G)相繼照射，所有攝像鏡頭的快門同時(shí)開關(guān)，每個(gè)攝像鏡頭在單個(gè)快門內(nèi)均獲得一幅包含R、B、G背景的圖像。在快門單次開啟和關(guān)閉的時(shí)間內(nèi)，發(fā)光顏色為R、B、G的LED陣列順序開關(guān)一次，每次開關(guān)先關(guān)閉當(dāng)前顏色的LED陣列，再打開下個(gè)顏色的LED陣列。從所得到的包含R、B、G背景的混合圖像中，提取其R、B、G分色圖像，由于不同分色圖像代表了不同時(shí)間點(diǎn)的目標(biāo)物體，依據(jù)其先后順序?qū)、B、G分色圖像依次排列，原本為一個(gè)時(shí)間點(diǎn)的一張照片，變成了三個(gè)時(shí)間點(diǎn)的三張照片，相當(dāng)于拍攝速率提高了三倍。多鏡頭多傳感器同時(shí)工作可以解決圖像不清晰的問題，以及獲取更多的圖像數(shù)量。圖像不清晰可以認(rèn)為是測(cè)不準(zhǔn)，如果只用一個(gè)攝像鏡頭，目標(biāo)物體的方向就不能準(zhǔn)確地測(cè)到。使用多個(gè)攝像鏡頭就可以獲取多的圖像數(shù)量，從而通過算法進(jìn)行合成提煉出更加清晰的圖像。[0076]如圖10所示，為本實(shí)施例所有攝像鏡頭不同時(shí)工作在同色LED閃光下的高速攝像的方法，四個(gè)攝像鏡頭快門分別以設(shè)定的頻率依次工作。然后將相同時(shí)間間隔內(nèi)獲取到的圖像依次排列，經(jīng)過算法整合，可以得到相應(yīng)的視頻，提高了拍攝速率。本方法中所使用的LED閃光燈可以使用白色的,也可使用單色的。如圖11所示，是本實(shí)施例中攝像鏡頭分別工作在同色和不同色LED閃光下的高速攝像的方法。本圖中，四個(gè)攝像鏡頭快門分別以設(shè)定的頻率依次工作，通過圖9所示的方法獲取高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的連續(xù)圖像；與此同時(shí)，每個(gè)攝像鏡頭通過圖8所示的方法獲取包含G、B、R背景的混合圖像，即紅色、藍(lán)色、綠色LED光源按照設(shè)定頻率依次亮起，在每個(gè)攝像鏡頭快門的一次開關(guān)時(shí)間內(nèi)獲得一幅以藍(lán)色、紅色、綠色為背景色的混合圖像，再?gòu)乃玫降陌琑、B、G背景的混合圖像中提取其R、B、G分色圖像，從而獲得高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的連續(xù)圖像。根據(jù)圖11所示實(shí)施例的攝像方法，相應(yīng)地增加LED光源照亮動(dòng)作的頻率(閃光頻率)，那么可以獲取到的圖像數(shù)量將進(jìn)一步成倍增加，相應(yīng)的拍攝速率也會(huì)成倍增加。這樣就可以大大增加了分析圖像運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原始數(shù)據(jù)?？梢?，圖11所示高速攝像的方法，其詳細(xì)步驟為:步驟1、設(shè)置工作環(huán)境。去除其他照明設(shè)備，將拍攝環(huán)境設(shè)置為黑暗的環(huán)境，拍攝的目標(biāo)物體本身不發(fā)光。黑暗的環(huán)境可以使本實(shí)用新型中定義的LED光源顯得比環(huán)境的光線強(qiáng)烈很多，可以突出所有的LED光源對(duì)目標(biāo)物體的照射，所得到的圖像會(huì)有更好的效果，此外還可以加強(qiáng)后期得到的圖像的效果。步驟2、校準(zhǔn)目標(biāo)物體的反射特性。對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行不同的LED光源曝光，分別拍攝其白光、紅光、綠光、藍(lán)光的圖像，并確定它們相互之間組合的關(guān)系，以建立目標(biāo)物體的反射特性。通過對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行對(duì)各種顏色的反射特性的測(cè)試，得到目標(biāo)物體本身的對(duì)各種顏色光線的反射數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)將在以后的圖像提取中使用到。步驟3、開始拍攝。攝像鏡頭的拍攝方案:將若干個(gè)(圖10中為四個(gè))拍攝速率相同的攝像鏡頭按照預(yù)先設(shè)定的均勻的時(shí)間間隔，依次循環(huán)拍攝圖像。例如圖10中，第一攝像鏡頭、第二攝像鏡頭、第三攝像鏡頭、第四攝像鏡頭，按照均勻的時(shí)間間隔依次開啟和關(guān)閉快門一次，每個(gè)攝像鏡頭各拍攝一張圖像；四個(gè)攝像鏡頭依次拍攝一個(gè)回合后，再重新從第一攝像鏡頭開始拍攝，至第四攝像鏡頭結(jié)束，以此類推，循環(huán)進(jìn)行。為使拍攝更精確，每個(gè)攝像鏡頭快門開啟的時(shí)間點(diǎn)在上一個(gè)攝像鏡頭快門關(guān)閉的時(shí)間點(diǎn)之后，優(yōu)選為上述兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)重合。將上述不同攝像鏡頭循環(huán)拍攝的圖像，按照時(shí)間先后順序進(jìn)行整合，得到相應(yīng)的拍攝目標(biāo)物體的視頻。LED光源的曝光方案:在每個(gè)攝像鏡頭快門的每一次曝光時(shí)間內(nèi)(即，從快門開啟到關(guān)閉的時(shí)間)，LED光源按照預(yù)先設(shè)定的均勻的時(shí)間間隔，依R、G、B三種光色的順序?qū)δ繕?biāo)物體曝光，此時(shí)攝像鏡頭獲得的單張圖像為包含了 R、G、B三個(gè)曝光時(shí)間點(diǎn)的混合圖像?；贚ED光源能夠快速響應(yīng)的特點(diǎn)，LED光源能夠發(fā)出近似方波脈沖的光線，使得R、G、B光線在極短時(shí)間內(nèi)完成一次閃滅，不會(huì)相互干擾。例如，攝像鏡頭快門的速率設(shè)為30幀/秒，也就是33ms開關(guān)一次，如果使用3種LED光源顏色(R、G、B)，每種顏色有IOms的照射時(shí)間和Ims的黑暗時(shí)間，每種光色之間不會(huì)互相干擾。步驟4、從混合圖像中提取分色圖像。提取第一張圖像:將最先曝光的顏色所對(duì)應(yīng)的分色圖像從混合圖像中提取出來，并將該分色圖像作為第一幅圖像。本實(shí)施例中，最先被曝光的是R，則將混合圖像中所有的紅色像素點(diǎn)提取出來作為第一幅圖像。依據(jù)第二步驟中建立的目標(biāo)物體的反射特性，對(duì)第一幅圖像進(jìn)行校準(zhǔn)，使其圖形更準(zhǔn)確和更清晰。將混合圖像中對(duì)應(yīng)第一幅圖像的像素點(diǎn)減去。提取第二張圖像:按照提取第一張圖像的方法，將其次曝光的顏色所對(duì)應(yīng)的分色圖像從已被減去第一張圖像像素點(diǎn)的混合圖像中提取出來，并將該分色圖像作為第二幅圖像。本實(shí)施例中，其次被曝光的是G，將已被減去R像素點(diǎn)的混合圖像中所有的綠色像素點(diǎn)提取出來作為第二幅圖像。依據(jù)第二步驟中建立的目標(biāo)物體的反射特性，對(duì)第二幅圖像進(jìn)行校準(zhǔn)，使其圖形更準(zhǔn)確和更清晰。從已被減去第一張圖像對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的混合圖像中再次減去第二幅圖像對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)。提取第三張圖像:將最后曝光的顏色所對(duì)應(yīng)的分色圖像提取出來，作為第三幅圖像。本實(shí)施例中，最后被曝光的是B，混合圖像在提取第一張和第二張圖像時(shí)，已被減去相應(yīng)的R和G像素點(diǎn)，其剩余的B像素點(diǎn)即為第三張圖像。依據(jù)第二步驟中建立的目標(biāo)物體的反射特性，對(duì)第二幅圖像進(jìn)行校準(zhǔn)，使其圖形更準(zhǔn)確和更清晰。采用每提取一張圖像，即減去混合圖像中相應(yīng)像素點(diǎn)的方法，使提取速率更高，且圖像更清楚。步驟5、整合視頻。按照先后拍攝和先后曝光的時(shí)間順序，將所得到的所有攝像鏡頭對(duì)應(yīng)的所有分色圖像進(jìn)行排列整合，得到相應(yīng)的目標(biāo)物體的高速拍攝視頻。本實(shí)施例中，每個(gè)攝像鏡頭對(duì)應(yīng)的R、G、B三幅分色圖像，其曝光順序?yàn)镽、G、B，將該三幅分色圖像按照R、G、B的順序排列；所有攝像鏡頭的拍攝順序?yàn)?，從第一攝像鏡頭到第四攝像鏡頭，然后循環(huán)，將每個(gè)攝像鏡頭先拍攝的R、G、B圖像排在前面，后拍攝的排在后面；經(jīng)過如此方式整合，即可得到對(duì)應(yīng)的高速攝像的連續(xù)的視頻。為觀看方便，將所有分色圖像統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為黑白圖像。本高速攝像方法利用的LED照明光源，近年來，LED(發(fā)光二極管)的發(fā)展非常迅速，日常及工業(yè)應(yīng)用越來越普及，使得它降低了生產(chǎn)成本并提高了性能。LED光源的效率非常高。而且，LED的切換時(shí)間可以在很高的精確度和微秒級(jí)甚至更短時(shí)間的高速情況下進(jìn)行控制。這兩個(gè)因素為本實(shí)用新型提供了非常好的條件。根據(jù)上述說明書的揭示和教導(dǎo)，本實(shí)用新型所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員還可以對(duì)上述實(shí)施方式進(jìn)行變更和修改。因此，本實(shí)用新型并不局限于上面揭示和描述的具體實(shí)施方式
，對(duì)本實(shí)用新型的一些修改和變更也應(yīng)當(dāng)落入本實(shí)用新型的權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種應(yīng)用快速開關(guān)光源的高速攝像裝置，其特征在于:包括拍攝模塊、快速開關(guān)光源模塊、開光控制電路模塊和圖像處理模塊； 所述拍攝模塊包括快門、攝像鏡頭和與攝像鏡頭對(duì)應(yīng)的拍攝傳感器； 所述快速開關(guān)光源至少包括2種具有不同色光的LED發(fā)光器件； 所述開關(guān)控制電路模塊與LED光源模塊和快門連接，用于使LED光源模塊和快門相聯(lián)動(dòng)，使LED光源模塊在一次快門曝光時(shí)間內(nèi)依次進(jìn)行不同顏色光源的開關(guān)動(dòng)作； 所述拍攝傳感器將快門曝光時(shí)間內(nèi)獲得的混合圖像傳給圖像處理模塊，由圖像處理模塊對(duì)圖像進(jìn)行提取和視頻整合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速攝像裝置，其特征在于:所述快速開關(guān)光源模塊為L(zhǎng)ED光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的 高速攝像裝置，其特征在于:所述LED光源模塊為紅光LED、綠光LED和藍(lán)光LED的任意兩種或全部的組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的高速攝像裝置，其特征在于:所述LED光源模塊以陣列形式布置，具體為由不同色光的LED燈珠封裝組成的陣列或不同色光LED芯片組成的陣列。
5.按照權(quán)利要求4所述的高速攝像裝置，其特征在于:所述不同發(fā)光顏色的LED發(fā)光器件間隔排列在發(fā)光陣列內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的高速攝像裝置，其特征在于:所述LED光源模塊以投影儀方式布置，具體為由不同色光的LED燈珠封裝一起通過一個(gè)或多個(gè)投影鏡頭將光投射到物體上。
7.按照權(quán)利要求2所述的高速攝像裝置，其特征在于:所述每一種發(fā)光顏色的LED發(fā)光器件具有若干個(gè)，所有發(fā)光顏色的LED發(fā)光器件組成一個(gè)面狀的發(fā)光陣列。
8.按照權(quán)利要求7所述的高速攝像裝置，其特征在于:所述面狀發(fā)光陣列為平面發(fā)光陣列或有利于聚光的弧面發(fā)光陣列。
9.按照權(quán)利要求2所述的高速攝像裝置，其特征在于:所述LED光源模塊具有多個(gè)，不同光源模塊從不同角度照射目標(biāo)物體。
10.按照權(quán)利要求9所述的高速攝像裝置，其特征在于:所述LED光源模塊由同一個(gè)開光控制電路模塊同時(shí)控制，或由不同開光控制電路模塊協(xié)同控制。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速攝像裝置，其特征在于:所述快門為機(jī)械快門，具體為由機(jī)械開合以控制一次曝光的機(jī)械結(jié)構(gòu)； 或者，所述快門為電子快門，具體為控制拍攝傳感器感光時(shí)間的電子控制模塊。
12.按照權(quán)利要求1所述的高速攝像裝置，其特征在于:所述圖像處理模塊包括RGB信號(hào)采集器，拍攝模塊所拍攝得到的圖像數(shù)據(jù)通過RGB信號(hào)采集器傳給圖像處理模塊。
13.按照權(quán)利要求1所述的高速攝像裝置，其特征在于:所述攝像鏡頭具有多個(gè)，該多個(gè)攝像鏡頭用于分別從不同視角同步拍攝目標(biāo)物體。
14.按照權(quán)利要求1所述的高速攝像裝置，其特征在于:所述攝像鏡頭具有多個(gè)，該多個(gè)攝像鏡頭用于按照預(yù)先設(shè)定的順序，依次循環(huán)拍攝。
15.按照權(quán)利要求13或14所述的高速攝像裝置，其特征在于:所述拍攝傳感器具有多個(gè)，所述一個(gè)拍攝傳感器對(duì)應(yīng)多個(gè)攝像鏡頭或者拍攝傳感器和攝像鏡頭一一對(duì)應(yīng)。
16.按照權(quán)利要求15所述的高速攝像裝置，其特征在于:所述所有拍攝傳感器組成一個(gè)傳感器平面。
17.按照 權(quán)利要求13或14所述的高速攝像裝置，其特征在于:所述攝像鏡頭通過固定框架以一體成型或拼接的方式相互連接。
18.按照權(quán)利要求17所述的高速攝像裝置，其特征在于:所述所有攝像鏡頭排列成一個(gè)鏡頭面，鏡頭面是平直的表面、具有弧度的弧面或是由若干個(gè)平面以一定折角的方式拼接的組合面。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種應(yīng)用LED光源的高速攝像裝置，包括拍攝模塊、LED光源模塊、開光控制電路模塊和圖像處理模塊；所述拍攝模塊包括攝像鏡頭，以及與攝像鏡頭對(duì)應(yīng)的拍攝傳感器，所述LED光源模塊包括若干不同發(fā)光顏色的LED發(fā)光器件，所述開關(guān)控制電路模塊用于控制LED光源模塊和拍攝模塊，所述圖像處理模塊用于接收并處理拍攝模塊所拍攝得到的圖像。本高速攝像裝置利用的LED照明光源，效率非常高，而且，LED的切換時(shí)間可以在很高的精確度和微秒級(jí)甚至更短時(shí)間的高速情況下進(jìn)行控制。本實(shí)用新型的高速攝像裝置相對(duì)于傳統(tǒng)的高速攝像機(jī)，具有很大價(jià)格優(yōu)勢(shì)，利于普及應(yīng)用。
文檔編號(hào)H04N5/235GK202918392SQ20122044624
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2012年9月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月3日
發(fā)明者于燕斌, 杜娟 申請(qǐng)人:廣州市盛光微電子有限公司