林 輝，石 波，趙 倩，吳 瑋，徐 瑞

（1.山東科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

隨著攝影測(cè)量的不斷發(fā)展，相機(jī)攝影被廣泛應(yīng)用到飛艇、無(wú)人機(jī)、室內(nèi)定軌等空中測(cè)量領(lǐng)域中，并且有著廣泛的應(yīng)用前景。因此，以飛艇、無(wú)人機(jī)、室內(nèi)定軌等為遙感平臺(tái)、普通數(shù)碼相機(jī)為主要遙感器件的低空攝影測(cè)量成為國(guó)內(nèi)外遙感與攝影測(cè)量領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。由于遙感平臺(tái)高度的限制，一次所獲單幅攝像覆蓋范圍一般不大。為了擴(kuò)大攝像視場(chǎng)范圍，及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地反映出整個(gè)區(qū)域的情況，需要采用多相機(jī)對(duì)地面同一坐標(biāo)同時(shí)拍攝，大大增加了攝像覆蓋范圍。

目前，市場(chǎng)上應(yīng)用的同步曝光控制模塊大多數(shù)是通過(guò)單片機(jī)控制多相機(jī)同步曝光，對(duì)于相機(jī)完成曝光后每臺(tái)相機(jī)的完成情況不能夠全面地反映出來(lái)，這樣對(duì)相機(jī)的漏拍、延遲拍攝不能夠進(jìn)行及時(shí)處理，容易造成相機(jī)圖像的缺失，并且時(shí)間顯示功能不準(zhǔn)確，不能與GPS時(shí)間相同步，從而影響后期的數(shù)據(jù)處理。

基于以上的缺點(diǎn)，本文介紹新型的相機(jī)同步曝光控制模塊，以單片機(jī)為核心控制多臺(tái)相機(jī)同步曝光，捕捉相機(jī)曝光的反饋信號(hào)并進(jìn)行及時(shí)處理，并且通過(guò)外部中斷，對(duì)同步控制模塊進(jìn)行GPS時(shí)間校正，進(jìn)一步增加了模塊的穩(wěn)定性。

1 同步曝光模塊硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 硬件電路設(shè)計(jì)

如圖1所示，單片機(jī)的時(shí)間信息接收模塊接收GPS時(shí)間接收機(jī)的時(shí)間信息和時(shí)間脈沖，RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）芯片連接單片機(jī)的RTC模塊，單片機(jī)曝光信號(hào)控制模塊控制4路（代替多路相機(jī)說(shuō)明，下同）相機(jī)的曝光部分，4路相機(jī)反饋信號(hào)連接單片機(jī)的反饋信號(hào)檢測(cè)模塊。

圖1 硬件電路連接示意圖

2 多相機(jī)同步曝光及曝光反饋信號(hào)的軟件部分處理與實(shí)現(xiàn)

2.1 多相機(jī)同步曝光的實(shí)現(xiàn)

單片機(jī)接收到外部請(qǐng)求曝光信號(hào)時(shí)，4路管腳立即動(dòng)作并延時(shí)，由于相機(jī)曝光的動(dòng)作有機(jī)械延時(shí)，只有當(dāng)單片機(jī)4路管腳延時(shí)的時(shí)間大于相機(jī)的機(jī)械動(dòng)作時(shí)間時(shí)4路相機(jī)才發(fā)生曝光動(dòng)作。如果相機(jī)未發(fā)生曝光動(dòng)作，程序立即返回并重新請(qǐng)求曝光。具體流程如圖2所示。

圖2 多相機(jī)同步曝光實(shí)現(xiàn)流程

2.2 多相機(jī)同步曝光反饋信號(hào)的處理與實(shí)現(xiàn)

2.2.1 多相機(jī)同步曝光反饋信號(hào)的處理

相機(jī)發(fā)生曝光動(dòng)作，單片機(jī)捕捉相機(jī)曝光后的反饋信號(hào)，通過(guò)邏輯運(yùn)算將多路反饋信號(hào)反映到反饋信號(hào)標(biāo)志（CAM＿M(jìn)ARK），如果4路相機(jī)全部曝光并且曝光的最快反饋信號(hào)與最慢反饋信號(hào)的時(shí)差很短，則認(rèn)為達(dá)到預(yù)期效果并結(jié)束循環(huán)；如果4路相機(jī)全部曝光，但是捕捉到的最快反饋信號(hào)與最慢反饋信號(hào)時(shí)差很長(zhǎng)，則認(rèn)為4路相機(jī)曝光不同步，返回循環(huán)并重新補(bǔ)拍；如果未完全捕捉到4路相機(jī)的反饋信號(hào)，則認(rèn)為4路相機(jī)未完全曝光，返回循環(huán)并重新補(bǔ)拍。具體流程如圖3所示。

圖3 4路相機(jī)反饋信號(hào)處理流程

2.2.2 多相機(jī)同步曝光反饋信號(hào)的實(shí)現(xiàn)

捕捉多相機(jī)的反饋信號(hào)采用的是單片機(jī)的PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列）捕捉/比較模塊，其中每個(gè)模塊都可被配置為獨(dú)立工作，模塊有6種工作方式：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時(shí)器、高速輸出、頻率輸出、8位脈寬調(diào)制器和16位脈寬調(diào)制器。

新型相機(jī)同步曝光控制模塊采用的是邊沿觸發(fā)捕捉方式，實(shí)現(xiàn)的是對(duì)信號(hào)的負(fù)沿進(jìn)行捕捉，當(dāng)電平變化時(shí)（即單片機(jī)檢測(cè)到相機(jī)曝光的反饋信號(hào)），PCA立即進(jìn)入中斷進(jìn)行捕捉并將捕捉到的多路反饋信號(hào)反映到反饋信號(hào)標(biāo)志（CAM＿M(jìn)ARK），單片機(jī)通過(guò)反饋信號(hào)標(biāo)志的狀態(tài)來(lái)判斷相機(jī)的工作情況并自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)拍操作。

3 GPS時(shí)間校正的處理與實(shí)現(xiàn)

相機(jī)同步曝光模塊接收GPS時(shí)間接收機(jī)的2部分信號(hào)（GPS時(shí)間信息和GPS時(shí)間脈沖），GPS時(shí)間信息接入單片機(jī)時(shí)間接收模塊的串口部分，當(dāng)時(shí)間信息到來(lái)時(shí)通過(guò)串口中斷提取時(shí)間信息。GPS時(shí)間脈沖接入單片機(jī)時(shí)間接收模塊的外部中斷部分，當(dāng)時(shí)間脈沖到來(lái)時(shí)單片機(jī)立即進(jìn)入外部中斷服務(wù)程序中，此時(shí)判斷時(shí)間信息標(biāo)志（TIME＿FLAG），如果為真，則表示實(shí)時(shí)時(shí)間相差1s（設(shè)置實(shí)時(shí)時(shí)間和GPS時(shí)間信息時(shí)差1s），補(bǔ)償后結(jié)束循環(huán)。如果時(shí)間信息標(biāo)志為假，則返回并等待下一次時(shí)間信息。具體流程如圖4所示。

圖4 GPS時(shí)間校正流程

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 相機(jī)同步控制模塊的同步效果比較

設(shè)定新型相機(jī)同步曝光控制模塊補(bǔ)拍次數(shù)最大值為4，通過(guò)229次曝光實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。糾正前，3ms（設(shè)定3ms為相機(jī)同步的時(shí)差臨界點(diǎn)）以內(nèi)的曝光次數(shù)211次，約占總曝光次數(shù)的92.14%，超過(guò)3ms的曝光次數(shù)為18次，約占總曝光次數(shù)的7.86%；糾正后，3ms以內(nèi)的曝光次數(shù)為226次，約占總曝光次數(shù)的98.69%，超過(guò)3ms的曝光次數(shù)是3次，約占總曝光次數(shù)的1.31%。由此可以看出帶補(bǔ)拍功能的新型相機(jī)同步曝光控制模塊比普通的多相機(jī)同步曝光控制模塊的同步效果明顯提高，增加了曝光控制模塊的穩(wěn)定性。具體相機(jī)曝光同步效果如表1所示。

表1 相機(jī)曝光同步效果糾正前后的對(duì)比

4.2 相機(jī)同步曝光控制模塊的時(shí)間精度比較

實(shí)驗(yàn)記錄240s內(nèi)設(shè)定的4個(gè)點(diǎn)時(shí)的時(shí)間精度比較。GPS校正前，模塊的時(shí)間采用的是RTC的時(shí)間，由表2可以看出，隨著工作時(shí)間的增加，模塊與GPS的時(shí)差越來(lái)越大，精度相對(duì)比較差。利用GPS進(jìn)行時(shí)間校正，設(shè)定1s校正一次，模塊與GPS的時(shí)差相對(duì)穩(wěn)定，不會(huì)隨著工作時(shí)間的增加而不斷增加，提高了模塊的時(shí)間精度。具體比較如表2所示。

表2 同步曝光控制模塊通過(guò)GPS校正前后時(shí)間精度的比較

5 結(jié)束語(yǔ)

本文研究的是新型相機(jī)同步曝光控制模塊，重點(diǎn)介紹了關(guān)于相機(jī)反饋信號(hào)的處理過(guò)程和GPS時(shí)間糾正的原理。通過(guò)采用高性能的單片機(jī)對(duì)相機(jī)反饋信號(hào)的處理，進(jìn)一步完善相機(jī)同步曝光控制模塊對(duì)于漏拍、延遲拍攝這一問(wèn)題進(jìn)行解決，并且增加了GPS時(shí)間校正功能，滿足了相機(jī)同步曝光控制模塊拍照的穩(wěn)定性和時(shí)間同步的精確性，具有很好的使用及推廣價(jià)值。

［1］盧秀山，鄭文華，鄭作亞，等.室內(nèi)定軌移動(dòng)攝影測(cè)量系統(tǒng)［P］.中國(guó)專利，CN101408534.2009－04－15.

［2］彭曉東，林宗堅(jiān).無(wú)人飛艇低空航測(cè)系統(tǒng)［J］.測(cè)繪科學(xué)，2009，34（4）：11－14.

［3］張祖勛，張劍清.數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量學(xué)［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，1997：143－146.

［4］王冬，盧秀山，劉鳳英，等.自穩(wěn)定雙拼相機(jī)低空無(wú)人飛艇航測(cè)系統(tǒng)［J］.遙感應(yīng)用，2011（4）：96－99.

［5］林宗堅(jiān).UAV低空航測(cè)技術(shù)研究［J］.測(cè)繪科學(xué)，2011，36（1）：5－9.

［6］林宗堅(jiān)，蘇國(guó)中，支曉棟.無(wú)人機(jī)雙拼相機(jī)低空航測(cè)系統(tǒng)［J］.地理空間信息，2010，8（4）：1－4.

［7］李國(guó)玉，石波，吳瑋，等.室內(nèi)定規(guī)移動(dòng)攝影測(cè)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.測(cè)繪科學(xué)，2011，36（3）：197－198.

［8］Wei G Q，Ma S D.Complete Two－plane Camera Calibration and Experimental Comparisons［C］.In：Proc.ICCV’93：439－446.

［9］Hartley B.Self－calibration of Stationary Cameras［J］.International Journal of Computer Vision，1997，22（1）：5－23.

［10］Zhang Z Y.A Flexible New Technique for Camera Calibration［J］.IEEE Trans.on Pattern Analysis and Machine Intelligence，2000，22（11）：1330－133.