一種多通道同步攝影控制器設(shè)計(jì)

一種多通道同步攝影控制器設(shè)計(jì)

非體積測(cè)量相機(jī)（普通135相機(jī)或相機(jī)）具有體積小、重量輕、使用方便、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。它在現(xiàn)代攝影測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。特別是數(shù)碼相機(jī)性能的大幅度提高,使人們?cè)诮皵z影測(cè)量技術(shù)中應(yīng)用非量測(cè)相機(jī)的興趣越來(lái)越大。攝影測(cè)量原理要求至少要從兩個(gè)方向?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行拍攝,所獲的兩幅圖像稱為一個(gè)立體像對(duì),是近景攝影測(cè)量的基本工作單元。當(dāng)研究對(duì)象為靜態(tài)目標(biāo)時(shí),一般只采用一臺(tái)相機(jī),先后從兩個(gè)角度(攝站)拍攝,從而獲得一個(gè)立體像對(duì);而對(duì)于動(dòng)態(tài)目標(biāo)(如:流體),必須要使用兩臺(tái)以上相機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行同步拍攝(否則,無(wú)法構(gòu)成立體像對(duì)),有時(shí)還要記錄同步像對(duì)間的時(shí)間間隔。如:在應(yīng)用近景攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行流體特性研究時(shí),要使用兩臺(tái)以上相機(jī)對(duì)流體進(jìn)行連續(xù)同步拍攝,同時(shí)記錄時(shí)間間隔,以計(jì)算流速、流量等參數(shù)。如何控制多臺(tái)非量測(cè)相機(jī)對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)進(jìn)行同步拍攝是動(dòng)態(tài)近景攝影測(cè)量的重要環(huán)節(jié)。結(jié)合計(jì)算機(jī)通訊控制技術(shù),本文討論一種同步控制器。它接收計(jì)算機(jī)的同步攝影控制信號(hào),通過(guò)電子快門線控制多臺(tái)非量測(cè)相機(jī)進(jìn)行同步攝影(圖1)。在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行同步攝影,同時(shí)記錄攝影時(shí)間間隔。1電子節(jié)拍線中只有在線接目前大部分非量測(cè)相機(jī)都有電子快門線曝光接口,攝影時(shí)通過(guò)電子快門線觸發(fā)開(kāi)啟電子快門進(jìn)行曝光。實(shí)際上,電子快門線中只有兩根連接線,觸發(fā)開(kāi)啟電子快門就是短接這兩根連接線,即通過(guò)短接這兩根連接線控制相機(jī)攝影。利用此特點(diǎn),設(shè)計(jì)一個(gè)同步攝影控制器和驅(qū)動(dòng)程序,實(shí)現(xiàn)非量測(cè)相機(jī)同步攝影。1.1加電吸合并發(fā)短接曝光同步攝影控制器接收計(jì)算機(jī)發(fā)出的同步攝影控制信號(hào),同時(shí)通過(guò)電子快門線控制同步攝影。繼電器在電子控制上相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān),它在一定電壓控制下執(zhí)行吸合(開(kāi)關(guān))動(dòng)作。當(dāng)同步攝影控制器收到同步攝影信號(hào)后,立即給繼電器加電、吸合繼電器,而向所連接的相機(jī)發(fā)出短接曝光信號(hào)。繼電器是同步攝影控制器的重要部件,加電吸合并發(fā)出短接曝光信號(hào)后,應(yīng)立即斷開(kāi)。吸合時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)引起相機(jī)連續(xù)曝光,反之,相機(jī)來(lái)不及反應(yīng)。具體可由硬件或軟件控制,一般應(yīng)小于相機(jī)的曝光速度。1.2rs-33c接口轉(zhuǎn)換同步攝影控制器的輸出端通過(guò)電子快門線以并聯(lián)方式與多臺(tái)相機(jī)連接。計(jì)算機(jī)與同步攝影控制器的連接采用RS-232C串行通訊接口。一般RS-232C接口的數(shù)據(jù)傳輸距離在30m左右。在進(jìn)行遠(yuǎn)距離同步控制時(shí),要用RS-232/MAX485轉(zhuǎn)換器把RS-232C接口轉(zhuǎn)換成RS-485,數(shù)據(jù)傳輸距離可延長(zhǎng)至200m左右。由于RS-485接口的透明性,轉(zhuǎn)換后不影響通訊控制軟件。串行通訊接口信號(hào)線連接與一般通訊連接相同。2串行口操作同步控制程序的主要功能是向同步攝影控制器發(fā)出攝影信號(hào),并自動(dòng)記錄攝影時(shí)間間隔。同步方式有人工單步控制、自動(dòng)連續(xù)控制和人工加自動(dòng)連續(xù)控制。在人工單步控制方式下,由操作者按下回車鍵執(zhí)行同步攝影。自動(dòng)連續(xù)控制需要輸入同步攝影時(shí)間間隔,執(zhí)行后程序定時(shí)發(fā)出同步攝影信號(hào)。人工加自動(dòng)連續(xù)控制方式是在自動(dòng)連續(xù)控制時(shí),由操作者按下回車鍵插入一次同步攝影,此方式適用于定時(shí)時(shí)間較長(zhǎng),但又對(duì)其間某時(shí)刻的圖像感興趣的情況。對(duì)RS-232C串行通訊接口的操作是同步控制程序的關(guān)鍵?，F(xiàn)在大多數(shù)高級(jí)語(yǔ)言都有對(duì)串行口操作的專用函數(shù),以下以C語(yǔ)言為例進(jìn)行描述。在DOS和Windows3.x16bit操作系統(tǒng)環(huán)境下,使用outportb()和inportb()函數(shù)直接操作串行口。在Windows95以上32bit操作系統(tǒng)下,由于不允許用戶直接操作串行口,所以要使用Win32API函數(shù)。主要涉及函數(shù)有:打開(kāi)串口CreateFile()、設(shè)置串口BuildCommDCB()、設(shè)置串口緩沖區(qū)SetupComm()、清除串口緩沖區(qū)PurgeComm()、接收數(shù)據(jù)ReadFile()、發(fā)送數(shù)據(jù)WriteFile()和關(guān)閉串口CloseHandle()。圖2為同步控制程序框圖。定時(shí)同步攝影時(shí),實(shí)際的時(shí)間間隔與輸入的時(shí)間間隔可能會(huì)有一點(diǎn)差異,如:輸入為2s,而實(shí)際為2.02s。這是由于串行口操作的延遲,使用時(shí)以實(shí)際的時(shí)間間隔為準(zhǔn)。同步攝影時(shí)間存成文本文件,記錄格式為:序號(hào),時(shí)間,時(shí)間間隔。3同步時(shí)間間隔和同步時(shí)間間隔對(duì)同步攝影控制器的測(cè)試包括同步精度和同步時(shí)間間隔。為此,我們專門設(shè)計(jì)制作了一個(gè)最小顯示單位為0.01s的時(shí)間顯示裝置,顯示字高8cm。測(cè)試方案:(1)用時(shí)間顯示裝置高速顯示的時(shí)間模擬動(dòng)態(tài)目標(biāo)。使用兩臺(tái)相機(jī)對(duì)時(shí)間顯示裝置進(jìn)行同步攝影。(2)測(cè)試同步精度:比較同一像對(duì)左右像片所拍攝的顯示時(shí)間,它們之間的差異就是左右像片同步精度,精確到±0.01s。(3)測(cè)試同步時(shí)間間隔:兩像對(duì)左右像片所拍攝的顯示時(shí)間之差,作為標(biāo)準(zhǔn)同步時(shí)間間隔并與同步控制程序所記錄的時(shí)間間隔相比較,其差異即為同步時(shí)間間隔精度。測(cè)試所用相機(jī)為中科院成都山地災(zāi)害研究所的帶自動(dòng)卷片裝置的美能達(dá)x700,自動(dòng)卷片速度2張/s?？逻_(dá)400黑白膠卷,曝光速度1/500s。3種測(cè)試方式:人工單步控制、自動(dòng)連續(xù)控制和人工加自動(dòng)連續(xù)控制。按上述方案和測(cè)試方式的測(cè)試結(jié)果為:(1)同步精度:在3種測(cè)試方式下,其同一像對(duì)左右像片所拍攝的顯示時(shí)間相同。在個(gè)別(36張像片中的2～3張)情況下,左像片有清晰的顯示時(shí)間而右像片的最低位(0.01s)顯示為“8”,或相反,且曝光速度越慢這種情況越多。這是由于在曝光瞬間,時(shí)間顯示裝置正好在刷新時(shí)間。據(jù)此,我們認(rèn)為該同步攝影控制器連同相機(jī)的同步誤差小于0.01s。(2)同步時(shí)間間隔:計(jì)算兩像對(duì)左右像片所拍攝的顯示時(shí)間之差,并與同步控制程序所記錄的時(shí)間間隔相比較。在36張像片中,約有21張差異為0.00s;有12張差異為0.01s;有3張差異為0.02s。說(shuō)明該同步攝影控制器連同相機(jī)的同步時(shí)間間隔誤差小于0.02s。在定時(shí)同步攝影時(shí)(自動(dòng)連續(xù)控制和人工加自動(dòng)連續(xù)控制),同步控制程序所記錄的時(shí)間間隔與輸入的時(shí)間間隔的差異在0.02～0.04s之間,使用時(shí)以同步控制程序所記錄的時(shí)間間隔為準(zhǔn)。表1為自動(dòng)連續(xù)控制方式的部分測(cè)試數(shù)據(jù),定時(shí)時(shí)間間隔2s?？偟膩?lái)說(shuō),同步時(shí)間間隔和同步精度與所用相機(jī)有直接關(guān)系,如:相機(jī)電子快門的反應(yīng)能力、曝光速度、自動(dòng)卷片速度等。特別注意兩像對(duì)同步時(shí)間間隔不能小于自動(dòng)卷片時(shí)間(美能達(dá)x700為2張/s,即0.5s)。4同步拍攝和立體像對(duì)1998年,在云南東川蔣家溝,該同步攝影控制器及其控制軟件曾應(yīng)用于泥石流動(dòng)態(tài)圖像解析系統(tǒng)項(xiàng)目的泥石流原型實(shí)驗(yàn)。為了比對(duì)專業(yè)相機(jī)和普通相機(jī)的性能和精度,使用兩臺(tái)自動(dòng)卷片的美能達(dá)x700相機(jī)和兩臺(tái)WildP31專業(yè)近景攝影測(cè)量相機(jī)進(jìn)行同步攝影?，F(xiàn)場(chǎng)情況和器材為:當(dāng)時(shí)泥石流流速約為8m/s;攝影基線為8m;攝影距離40～200m;筆記本計(jì)算機(jī);膠卷感光度400;曝光時(shí)間1/250s。攝影時(shí),同步攝影控制器控制4臺(tái)相機(jī)同步攝影。由于WildP31無(wú)連續(xù)拍攝功能,只能逐片安裝拍攝,所以,同步攝影采用人工加自動(dòng)連續(xù)拍攝控制方式。自動(dòng)連續(xù)拍攝時(shí)間間隔設(shè)定為2s。裝好底片(膠卷)后,按下回車鍵控制4臺(tái)相機(jī)同步攝影,同時(shí)控制美能達(dá)x700相機(jī)開(kāi)始按2s的時(shí)間間隔同步拍攝;期間,由人工為WildP31換底片,再用回車鍵控制4臺(tái)相機(jī)同步攝影,對(duì)于美能達(dá)x700相機(jī)來(lái)說(shuō),相當(dāng)于在2s的時(shí)間間隔內(nèi)插入一個(gè)像對(duì)。如此,在一次拍攝(36個(gè)像對(duì))中,大約可以拍攝到3～4個(gè)WildP31像對(duì),即在美能達(dá)x700相機(jī)所攝的36個(gè)像對(duì)和WildP31所攝的3～4個(gè)像對(duì)中,將有3～4個(gè)像對(duì)完全相同。按攝影測(cè)量?jī)?nèi)業(yè)作業(yè)規(guī)程,對(duì)所攝立體像對(duì)進(jìn)行立體量測(cè)比對(duì)時(shí),未出現(xiàn)定向困難、視差超限等情況。2001年,在泥石流與主河道相互作用研究中,應(yīng)用于泥石流水槽實(shí)驗(yàn),并取得大量有價(jià)值的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)條件為:兩臺(tái)自動(dòng)卷片的美能達(dá)x700相機(jī);泥石流模型流速約為1m/s;攝影基線為2m;攝影距離6m;筆記本計(jì)算機(jī);膠卷感光度400;曝光時(shí)間1/250s。上述兩例,說(shuō)明該同步攝影控制器及其控制軟件可以滿足泥石流的現(xiàn)場(chǎng)原型實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室水槽實(shí)驗(yàn)的同步攝影要求。5同步拍攝控制器測(cè)試結(jié)果本文討論了使用普通135相機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)近景攝影測(cè)量的同步攝影控制器及其驅(qū)動(dòng)軟件的研制過(guò)程,其成果也適用于帶電子快門的數(shù)碼相機(jī)。同步攝影控制器收到計(jì)算機(jī)