用于多路复用MIPI多光谱成像设备的系统和方法转让专利
申请号 : CN202010399831.6
文献号 : CN111416944B
文献日 : 2021-12-24
发明人 : 阿里夫·巴赫塔扎德 , 杰什里·萨巴里纳森 , 海曼舒·希兰哈尔 , 扎赫拉·阿泰 , 尼古拉斯·斯科特·米切尔 , 格雷格·帕特森 , 阿塔·哈达迪 , 单铂
申请人 : A&L加拿大实验室股份有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种用于多路复用MIPI多光谱成像设备的系统,用于接近同步地触发多个摄像机以对同一对象获取多个接近相同的图像,该系统包括:处理单元,以及
多个摄像机,该多个摄像机中的每一个都处于触发模式;
其中:处理单元通过触发信号链接、复位信号链接、开关控制信号链接、至少一个通信信号链接、外部时钟控制信号链接以及摄像机控制信号链接,与每一个摄像机电子连接;其中,至少一个复位信号链接和至少一个通信信号链接,通过至少一个以多路复用形式设置的开关,与处理单元电子连接。
2.根据权利要求1所述的系统,其中,至少一个摄像机触发信号链接通过移位寄存器将多个摄像机中的至少一个与处理单元电子连接。
3.根据权利要求1所述的系统,其中,至少一个外部时钟控制信号链接通过至少一个移位寄存器将多个摄像机中的至少一个与处理单元电子连接。
4.根据权利要求1所述的系统,其中,至少一个通信信号链接选自以下链接:图像通信链接和设置通信链接。
5.根据权利要求4所述的系统,其中,该通信信号链接是MIPI链接。
6.根据权利要求4所述的系统,其中,该设置通信链接是I2C链接。
7.一种用于多路复用MIPI多光谱成像设备的系统,用于接近同步地对多个摄像机获取的同一对象的多个接近相同的图像进行采样,该系统包括:处理单元,以及
多个摄像机,该多个摄像机中的每一个都处于视频模式,且通过公用外部时钟进行同步;
其中:处理单元通过起始信号链接、复位信号链接、开关控制信号链接、至少一个通信信号链接、外部时钟控制信号链接以及摄像机控制信号链接,与每一个摄像机电子连接;
其中,至少一个复位信号链接和至少一个通信信号链接,通过至少一个以多路复用形式设置的开关,与处理单元电子连接。
8.根据权利要求7所述的系统,其中,至少一个摄像机起始信号链接通过移位寄存器将多个摄像机中的至少一个与处理单元电子连接。
9.根据权利要求7所述的系统,其中,至少一个外部时钟控制信号链接通过移位寄存器将多个摄像机中的至少一个与处理单元电子连接。
10.根据权利要求7所述的系统,其中,至少一个通信信号链接选自以下链接:图像通信链接和设置通信链接。
11.根据权利要求10所述的系统,其中,该通信信号链接是MIPI链接。
12.根据权利要求10所述的系统,其中,该设置通信链接是I2C链接。
13.一种用于多路复用MIPI多光谱成像的方法,用于接近同步地触发多个摄像机以对同一对象获取多个接近相同的图像,该方法包括以下步骤:利用外部时钟控制信号链接对至少第一摄像机和至少第二摄像机进行同步;
作为对主触发信号的响应,产生至少第一触发信号和第二触发信号,该第一触发信号与触发模式下的第一摄像机相关,该第二触发信号与触发模式下的第二摄像机相关,该第一触发信号具有起始点和终止点,该第二触发信号也具有起始点和终止点;
通过在第一摄像机和处理单元之间的第一触发信号链接接收第一触发信号;
通过第一通信控制信号链接在第一摄像机和处理单元之间建立与第一摄像机相关的第一图像通信控制信号,该第一图像通信控制信号具有起始点和终止点;
建立与第一摄像机相关的第一曝光周期,该第一曝光周期具有起始点和终止点;以及在第一摄像机和处理单元之间建立与第一摄像机相关的第一数据传送链接,该第一数据传送链接具有起始点和终止点;
其中,在第一触发信号的起始点、第一图像通信控制信号的起始点、第一曝光周期的起始点和第一数据传送链接的起始点之后,接收第二触发信号;以及
在第一通信控制信号的终止点和第一数据传送链接的终止点之前,建立与第二摄像机相关的第二曝光周期;
其中,每个第一摄像机和第二摄像机都通过触发信号链接、复位信号链接、开关控制信号链接、至少一个通信信号链接、外部时钟控制信号链接以及摄像机控制信号链接,与处理单元电子连接;
其中,至少一个复位信号链接和至少一个通信信号链接,通过至少一个以多路复用形式设置的开关,与处理单元电子连接。
14.根据权利要求13所述的方法,其中,至少一个触发信号链接通过移位寄存器将多个摄像机中的至少一个与处理单元电子连接。
15.根据权利要求13所述的方法,其中,至少一个外部摄像机时钟信号链接通过至少一个移位寄存器将多个摄像机中的至少一个与处理单元电子连接。
16.根据权利要求13所述的方法,其中,至少一个通信信号链接选自以下链接:图像通信链接和设置通信链接。
17.根据权利要求16所述的方法,其中,该通信信号链接是MIPI链接。
18.根据权利要求16所述的方法,其中,该设置通信链接是I2C链接。
19.一种用于多路复用MIPI多光谱成像的方法,用于接近同步地对多个摄像机获取的同一对象的多个接近相同的图像进行采样,该方法包括以下步骤:利用公用外部时钟控制信号链接对至少第一摄像机和至少第二摄像机进行同步;
在第一摄像机和处理单元之间建立第一图像通信链接;
从视频模式下的第一摄像机获取的第一组帧中采样第一帧,该第一帧对应于第一时间;
在第二摄像机和处理单元之间建立第二图像通信链接;
从视频模式下的第二摄像机获取的第二组帧中采样第二帧,该第二帧对应于第一时间;
其中,该第一时间和第二时间接近相同,这样,第一图像和第二图像也接近相同;
其中,每个第一摄像机和第二摄像机都通过起始信号链接、复位信号链接、开关控制信号链接、至少一个通信信号链接、外部时钟控制信号链接以及摄像机控制信号链接,与处理单元电子连接;以及
其中,至少一个复位信号链接和至少一个通信信号链接通过至少一个以多路复用形式设置的开关与处理单元电子连接。
20.根据权利要求19所述的方法,其中,至少一个起始信号链接通过至少一个移位寄存器将多个摄像机中的至少一个与处理单元电子连接。
21.根据权利要求19所述的方法,其中,至少一个外部时钟控制信号链接通过至少一个移位寄存器将多个摄像机中的至少一个与处理单元电子连接。
22.根据权利要求19所述的方法,其中,至少一个通信信号链接选自以下链接:图像通信链接和设置通信链接。
23.根据权利要求22所述的方法,其中,该通信信号链接是MIPI链接。
24.根据权利要求22所述的方法,其中,该设置通信链接是I2C链接。
说明书 :
用于多路复用MIPI多光谱成像设备的系统和方法
技术领域
多个数字摄像机的相关软件。
背景技术
中的各种限制,与这些设备的结合都被认为是不可行的。
桨,该螺旋桨设于UAV机身的中部或靠近端部边缘。而结合了轻型优质数字摄像机的改良型
UAV由于其高质量的UAV摄影技术而带来了新型娱乐和商业应用的迅猛发展。
输工具上的数字摄像机所需的控制功能。然而,在某些应用中,需要将多个数字摄像机安装
在同一个UAV上,以获得同步或接近同步的多个图像,其中每个摄像机分别捕捉不同光谱范
围内的图像。这种应用在军事,安全防护和农业等应用中很常见。
置能最大幅度减少电子硬件的重量和能耗。更确切地,我们期望减少用于操作多个数字摄
像机所需的每个图像处理单元的数量,这样就能缩小UAV上的集成电路板的总体尺寸。
确保每个数字摄像机都能够捕捉到接近同步的图像。
发明内容
每一个摄像机的各触发信号之间的总体延迟,从而确保了每个摄像机所获取的图像都接近
相同(near‑identical)。
机相关的第一图像通信链接,及与第二摄像机相关的第二图像通信链接有所重叠。因此,在
这些与第一摄像机相关的第一触发信号、第一图像通信控制信号、第一曝光周期以及第一
数据传送链接启动之后,接下来的触发信号和曝光周期的启动都开始于第一通信控制信号
和第一数据传送链接的关闭之前。
第一触发信号和第二触发信号,该第一触发信号与触发模式下的第一摄像机有关,该第二
触发信号与触发模式下的第二摄像机有关,该第一触发信号具有起始点和终止点,该第二
触发信号也具有起始点和终止点;通过第一摄像机和处理单元之间的第一触发信号链接接
收第一触发信号;通过第一通信控制信号链接在第一摄像机和处理单元之间建立与第一摄
像机相关的第一图像通信控制信号,该第一图像通信控制信号具有起始点和终止点;建立
与第一摄像机相关的第一曝光周期,该第一曝光周期具有起始点和终止点;以及在第一摄
像机和处理单元之间建立与第一摄像机相关的第一数据传送链接,该第一数据传送链接具
有起始点和终止点,因此,在第一触发信号的起始点、第一图像通信控制信号的起始点、第
一曝光周期的起始点和第一数据传送链接的起始点之后,接收第二触发信号;以及,在第一
通信控制信号的终止点和第一数据传送链接的终止点之前,建立与第二摄像机相关的第二
曝光周期。
中的每一个都处于触发模式,这样,该处理单元通过触发控制信号链接、复位信号链接、开
关控制信号链接、图像通信信号链接、以及摄像机控制信号链接与每个摄像机电子连接。
帧和第二帧就代表了由视频模式下两个不同摄像机所获取的两个接近相同的图像。
少第二摄像机进行同步;在第一摄像机和处理单元之间建立第一图像通信链接;从视频模
式下的第一摄像机获取的第一组帧中采样第一帧,该第一帧对应于第一时间;在第二摄像
机和处理单元之间建立第二图像通信链接;从视频模式下的第二摄像机获取的第二组帧中
采样第二帧,该第二帧对应于第二时间;这样,该第一时间和第二时间接近相同,因此,第一
图像和第二图像也接近相同。
的每一个都处于视频模式,其中:处理单元通过起始控制信号链接、复位信号链接、开关控
制信号链接、图像通信信号链接、外部时钟信号链接以及摄像机控制信号链接与每个摄像
机电子连接。
附图说明
具体实施方式
中每一个摄像机的各触发信号之间的总体延迟,从而确保每个摄像机获取的图像都接近相
同(near‑identical)。特别是,在其中一个实施例中,本发明提供了一种通过单独图像处理
单元接近同步(near‑simultaneous)地触发多个摄像机的系统和方法。
理器接口(mobile industry processor interface,‘MIPI’)电路设计协议,本文之后将有
详述。因此,可以理解,本发明可以利用任何其他的相关协议,且不会超出本发明所涵盖的
保护范围。
的缓冲器和相应的存储器设置于本地且与本发明的组成元件硬件线连接。而在其它的布置
中,可以考虑将缓冲器设置于异地且通过相应的电子通讯网络无线连接。可以考虑相应的
缓冲器和相应的存储器与图像处理单元以及至少一个摄像机进行电子通信,下文将作详细
叙述。
像机传感器获取并传送至图像处理单元进行储存及进行必要的处理。
该线路可根据任何所需用途进行配置,包括触发控制信号、图像获取控制信号等,以及至少
一组I2C线路。根据至少一个实施例的构思,相应的处理单元是(例如)经过适当配置的
Qualcomm 410处理器。
够轻易想到的任何其它相应的数字成像单元。可以理解,在至少一个实施例中,相应的摄像
机具有触发模式(也即,其适于在收到触发信号后获取单一图像);而在另外一些实施例中,
相应的摄像机具有视频模式(也即,其适于获取作为连续移动图像的一系列数字帧),后文
将有详述。
接。也可以按照本发明特定终端用户的应用需求,将“线路”或“链接”构思为可以包括多个
电子连接或单一电子连接。
TM
Semiconductors FSA642UMX低功耗、三端口、高速差分开关,以及8通道I2C开关,如Texas
TCA9548A低电压8通道I2C开关。当然,也可以采用本领域技术人员易于理解
的其他适当元器件。
路移位寄存器设备,例如:NXP Semiconductors 74LV595串入、并出移位/存储寄存器。当
然,也可以采用本领域技术人员易于理解的其他适当元器件。
方式将这些多个图像的图像数据传送至单独图像处理单元。在至少一个实施例中,可以将
多个数字摄像机相应设置为采用至少一个通用输入/输出(“GPIO”)线路的多路复用模式,
后文将作详述。
一个实施例中,同步I2C线路包括数据线路(“SDL”)和时钟线路(“SCL”);
容,可以理解,当摄像机处于触发模式时,外部时钟通信信号链接是可选的;但当摄像机处
于视频模式时,可以使用外部时钟通信信号链接。本文后续将有详述;以及
可选的,其可依据本发明的终端用户应用的需求而定。本文后续将有详述。
在此将作详细叙述。
多通道高频多路复用器4,及图1D示出了相应的2位移位寄存器30,其用于将各个摄像机连
接至处理器单元。
m
中,也可以构思将专用2:1模拟开关2用于对一系列复位信号18进行多路复用,该一系列复
位信号18用于对本发明中每个摄像机进行复位。
少一个实施例中,将专用MIPI多路复用器4构思为专用于两个摄像机,且当本发明使用了两
个以上的摄像机时,本领域技术人员可以理解,该MIPI多路复用器可以布置为树形结构,如
图3A及3B所示。
一个实施例中,还可以考虑采用移位寄存器30将单一的触发控制信号、开关控制信号和I2C
控制信号转换为相应的m个触发信号,m个用于复位信号和MIPI链接的开关信号,以及m个用
于I2C信号的开关信号,如图2所示。
存器30。
存器30用于产生对于MIPI开关4的相应开关信号。在某些实施例中,可以考虑将第三移位寄
存器30用于产生对I2C开关2的开关信号19。
例中,可以考虑,触发控制信号15和各个触发信号16都是数字脉冲信号。
接11的MIPI端口。如在此所讨论的,在一些实施例中,I2C通信链接可以构思为包括一个数
据线路(SDL),一个时钟线路(SCL);且MIPI通信链接可以包括至少一个MIPI线路和一个时
钟线路。当然,也可以构思其它布置形式。
12),MIPI输出通信信号链接(如,图像通信信号链接14),触发通信信号链接16,复位通信信
号链接18,以及外部时钟通信信号链接20。因此,本领域技术人员可以理解,本发明需要对
多个I2C链接、多个MIPI链接、多个触发信号及多个复位信号提供多路复用配置。
器30产生多个触发每个摄像机10的单独信号16。
多个单独的复位信号17,以对每个摄像机10进行复位。在至少一个实施例中,复位信号通过
开关2被转换为多个单独的复位信号17,且通过移位寄存器30切换信号。
信的主图像通信信号链接11分别与每个摄像机10相连。
40。如此,图像通过多图像通信信号链接14被多路传送至主图像通信信号链接11,并输入至
处理单元40的相应端口。
领域技术人员可以理解,经过适当切换,就可以在处理单元40的I2C同步链接3和一个单独
的摄像机26的一个I2C信号之间提供直接连接。
SDL,另一个SCL)。也即,相应的开关2能在多个摄像机10和处理单元40的单独输入/输出链
接之间提供n:1的切换。
许处于移动状态,因此被拍摄对象也相对于摄像机模块处于移动状态。在此我们要讨论在
多摄像机应用中,UAV包括n个摄像机的情况。在某些实施例中,n个摄像机中的每个摄像机
都各自具有在预设的不同波长范围内用来获取被拍摄对象反射光的光学滤波器。
持预期的重叠。可以理解的是,我们期望能确保在每个摄像机之间以最小延迟获取各图像,
并在下一个触发信号发出之前保存该图像。
摄像机202触发两个连续图像之间的时间间隔。当第一个摄像机被触发204,该摄像机的
MIPI图像通信信号链接随之被激活206,于是产生一个帧并被传送至处理单元208。
冲;再重复上述过程,每个摄像机都接着获取图像;这样,n个不同摄像机就能高效地响应每
个主触发信号而获取n个接近同步的图像。
(δt)300是摄像机曝光时间(dt2)320、与该摄像机相关的数据传送时间(dt3)304以及摄像机
准备获取下一个图像的预留误差(margin)时间(dt4)的总和。
间,以及为摄像机预留的准备下一个触发脉冲的误差时间。
一摄像机和处理单元之间的数据通信链接314从第一摄像机传送至缓冲器。在至少一个实
施例中,数据通信链接可以是本文所述的MIPI链接。
期(dt3)结束314,以便将第一摄像机发出的图像数据成功发送到缓冲器。
的初始信号,在获取第一图像并传送至缓冲器之前,每个接下来的摄像机的其它多个触发
信号也随之产生312。
开关来配置。
像通信链接结束之后,紧接着通过本发明所提供的多路复用切换设置迅速建立第二图像通
信链接326。
实施例中,第二摄像机的曝光周期在第二图像通信链接建立326之后才结束。
始进行积分。紧接着摄像机传感器对所获取图像进行数字化,经由图像通信链接(如MIPI链
接)发送至与处理单元电子通信的缓冲器。因此,可以理解,相应的图像通信链接控制图像
从摄像机传送至处理单元。
度(margin of error))以确保处理单元已经收到及存储了缓冲器中的数字图像数据。在一
些实施例中,进一步地,在图像处理单元准备再次接收和存储下一个到来的帧之前,还有一
个额外的滞后时间(dt4)。
着数据传送时间(dt3)和延迟时间(dt4)的变化而变化,如下式:
像。
二摄像机相关的第二图像通信链接有所重叠。因此,在这些与第一摄像机相关的第一触发
信号、第一图像通信链接、第一曝光周期以及第一数据传送链接启动之后,其后的触发信号
和其后的曝光周期都开始于第一通信链接和第一数据传送链接的关闭之前。
获取并被传送至处理单元的第二图像是接近同步的。
的帧每秒速率下产生固定的图像帧数(“FPS”)。在某些实施例中,FPS为每秒30至50帧之间。
当然,也可以想到其它的设置。
能确保由所有摄像机获取的图像帧在时间轴线上都是平齐的。
中。缓冲器中的图像最后会被传送至内存。
第一组帧中采样第一帧,从第二摄像机获取的第二组帧中采样第二帧。这样,第一帧和相应
的第二帧就代表由两个不同摄像机所获取的两个接近相同的图像。
样就使采样的第一帧406从第一摄像机传送至处理单元。
帧中依次被采样,从而获得n个接近同步的帧。
中的数个采样帧。因此,起始信号发出后,就可获得n个视频模式下摄像机的n个接近同步的
采样帧。
摄像机的下一帧预留的误差时间(dt4)500的总和,如下式:
特定的时间段与处理器有效连接512,如图7B所示。在本实施例中,如果起始信号与摄像机
帧不同步,可以考虑对实际的触发信号进行延迟,最大延迟为一个帧周期(δt),其由下式得
出:
帧采样自第二摄像机获取的第二系列帧。因此,第一帧和第二帧代表视频模式下两个不同
摄像机所获取的两个接近相同的图像。
mode),预飞行模式(pre‑flight mode)以及飞行模式(in‑flight mode)。我们需要考虑每
种操作模式下的操作过程,以便使摄像机模块正常工作。
文所述的至少一个摄像机。
之间发送检测数据102。一旦摄像机被复位102,软件便相应地在预定时间内等待摄像机的
确认104。
板图像。
API114。在至少一个实施例中,通过相应的第一摄像机控制通信链接(可以是I2C链接)对第
一摄像机的寄存器装载数据114。在某些实施例中,必须首先复位摄像机111。
像机发送一个简单的数字脉冲来完成复位。本领域技术人员可以理解,可以用脉冲来复位
摄像机。
元。在某些实施例中,如本文所述,相应的图像通信链接可以是MIPI链接,那么本文所讨论
的数据格式就是MIPI格式。可以理解,在某些实施例中,每个摄像机传感器和桥都具有各不
相同的地址。
绝,然后进入下一步骤,数字摄像机准备运行并被设置为激活模式122。
th
然后启动摄像机API126。然而在该实施例中,如果还未运行到第n 摄像机128,在退出
API132之前,可以将I2C线路和复位线路设为空闲(idle)状态130。接下来,API继续运行,将
I2C线路及复位线路设置到下一个摄像机(即,m+1摄像机)上134。可以理解,该过程可以向
th th
上重复直到第n 摄像机被初始化。当达到第n 摄像机时128,便退出API132。
易实现的过程。然而在本发明中,必须要执行这个步骤以便为本发明中的各种开关和电路
结构保留适当的时间。
机然后被重新设置为待机状态140,图像数据从缓冲器被存入内存142。
并将其存入专用缓冲器后才退出操作,其中,该专用缓冲器的容量足够存储至少n个帧。根
据本发明构思,摄像机API可以适当的方式与相应的切换和触发信号一起协调n个摄像机的
操作,后文将进一步讨论。
m。其后该图像m被存入专用缓冲器,一旦完成该步骤152,在将摄像机通信链接设置到下一
th
个摄像机(即,m+1)后154,API又开始循环运行。该过程一直向上重复一直运行到第n 摄像
th
机156。当运行到第n 摄像机时,第n个获取的图像从缓冲器存入内存158,API返回起始步
骤,并且在收到下一个主触发信号之前一直保持激活模式。
的各种修改和变化,都应纳入本发明范围。其后附的权利要求书也不应被说明书中所举的
个别具体实施例所限,而应赋予其与说明书总体一致的更加广义的内涵。