多相機的高精度時間校正

孫小喃

摘 要：提出了一種非同步相機的高精度時間校正方法，解決相機拍攝時間不同步問題。對相機時間系統的工作原理進行分析，建立了相機時間誤差模型，并根據該模型提出了時間校正算法。實現了多個相機所拍攝的視頻序列中同一幀號或前后相差一幀情況下的高精度時間同步校正。

關鍵詞：時間校正；極幾何；非同步相機

利用多視點圖像進行三維重建時，需要對相機進行時間校正，如果時間不同步，幾何標定參數是毫無意義的。但是，由于相機內部傳感器的性能，通過硬件控制同步曝光無法達到高精度的時間同步[1]。本文通過對非同步相機時間系統的工作原理進行分析，建立相機時間誤差模型，并根據該模型提出了一種高精度時間校正算法。實現了多個非同步相機的高精度時間同步。

1 時間校正

相機獲取發光源的原始圖像為彩色圖像，需要對原始圖像進行預處理，算法包括：灰度-2值化[2]和兩次閉運算處理。原始圖像經過多種變換處理后，會產生噪點、不平滑邊界。對2值化后的圖像連續使用兩次閉運算，以使得因灰度化和2值化所引起的細小空洞，連接斷開的鄰近光線軌跡，平滑光線軌跡成像的邊界。為了計算起始幀的時間差，采用極幾何進行對應幀匹配[3]，如圖1所示，對基礎矩陣估計，并采用點到極線距離最小約束準則引導匹配。

利用基于代數誤差的線性估計算法，可求解基本矩陣F。再通過極線與基本矩陣的關系，得到點m在圖像I'上的對應極線。使用距離最小約束準則搜索極線附近的點到對應極線距離最小的點判斷為對應點。

確定基準圖像上起始幀的發光段總數Sb；其次，確定另一個圖像上起始幀對應的發光段數So；最后，計算2個圖像上對應幀發光段數之差Sb-So，用段數差乘以一個閃爍周期，就是粗略估算的時間誤差，即差 。T（sB，sD）表示4種起始幀狀態，公式為（1）：

由上述分析可知，相機的時間誤差等于一幀中對應發光段數的時間差與未知部分時間差總和，即：

2 實驗結果與分析

本實驗使用2臺同一型號的相機，圖像尺寸均設定為640×480，曝光時間和曝光間隔時間為1/30秒。使用PIC16F84A-20單片機控制發光源的閃爍周期為6.587毫秒。利用本文提出的對應幀匹配算法求出匹配的對應幀，如圖2所示，藍色的帶箭頭線段指明了兩段視頻序列中對應幀的位置。

通過對圖2中對應幀匹配結果分析，兩個相機起始幀對應的發光段數 Sb=5，So=4。基準相機起始狀態為燈亮，延遲相機對應幀起始狀態為燈滅，符合T（ι，d）模型，而未知部分的時間誤差范圍大小為 。計算可得兩臺相機拍攝時間誤差的范圍為 ms。利用數據統計三個時間誤差范圍所對應的幀數，統計結果如圖3所示。

從實驗數據統計結果可以看出，對應幀時間誤差范圍在一個閃爍周期2α的幀數達到88.1%以上。因此，估算的誤差范圍0.000?Δt?6.587ms是合理并有效的。

3 結論

算法實現了多個視頻序列中同一幀號或前后相差一幀情況下的高精度時間同步校正，可應用于高精度的動態三維場景重建。

[參考文獻]

[1]KIM J.Color correction device for correcting color distortion and gamma characteristic：U.S.Patent，5949496[P]. 1999-9-7.

[2]呂行軍，韓憲忠，陳含，等.改進分量法的麥穗圖像灰度—二值化處理[J].河北農業大學學報.2012，35（3）：112-116.

[3]張廣軍.機器視覺[M].北京：科學出版社.2005.