Chengdu Rainpoo Technology Co., Ltd.

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同步曝光

为什么相机需要“同步控制”

众所周知,在飞行过程中,无人机会向斜置摄像头的五个镜头发出触发信号。从理论上讲,这五个镜头应绝对同步曝光,然后同时记录一个POS信息。但是在实际操作过程中,我们发现无人机发出触发信号后,五个镜头无法同时曝光。为什么会这样呢?

飞行之后,我们会发现由不同镜头收集的照片的总容量通常不同。这是因为使用相同的压缩算法时,地面纹理特征的复杂度会影响照片的数据大小,并且会影响相机的曝光同步。

不同的纹理特征

功能的纹理越复杂,相机需要解析,压缩和写入的数据量就越大,完成这些步骤所花费的时间就越多。如果存储时间到了临界点,相机将无法及时响应快门信号,并且曝光动作会滞后。

如果两次曝光之间的间隔时间短于相机完成照片循环所需的时间,则相机将无法正确拍摄照片,这是因为相机无法及时完成曝光。因此,在操作过程中,必须使用相机同步控制技术来统一相机的曝光动作。

同步控制技术研发

前面我们发现,在软件中安装了AT后,空中的五个镜头的位置误差有时会非常大,并且摄像机之间的位置差实际上可以达到60〜100cm!

但是,当我们在地面上进行测试时,我们发现摄像机的同步度仍然很高,并且响应非常及时。研发人员非常困惑,为什么AT解决方案的姿态和位置误差如此之大?

为了找出原因,在DG4pros的开发之初,我们为DG4pros相机添加了一个反馈计时器,以记录无人机触发信号和相机曝光之间的时间差。并在以下四个场景中进行了测试。

 

场景A:相同的颜色和纹理 

 

场景A:相同的颜色和纹理 

 

场景C:颜色相同,纹理不同 

 

场景D:不同的颜色和纹理

测试结果统计表

结论:

对于色彩丰富的场景,相机进行拜耳计算和写入所需的时间会增加;而对于多行场景,图像高频信息过多,相机压缩所需的时间也会增加。

可以看出,如果摄像机采样频率低,纹理简单,则摄像机响应及时。但是当摄像机采样频率高且纹理复杂时,摄像机响应时差将大大增加。并且随着拍照频率的进一步增加,相机最终会丢失拍摄的照片。

 

摄像机同步控制原理

针对上述问题,Rainpoo向相机添加了反馈控制系统,以改善五个镜头的同步性。

 该系统可以测量无人机发送触发信号与每个镜头的曝光时间之间的时间差“ T”。如果五个镜头的时间差“ T”在允许范围内,我们认为五个镜头正在同步工作。如果五个镜头的某个反馈值大于标准值,则控制单元将确定相机具有较大的时差,并且在下一次曝光时,将根据该差对镜头进行补偿,最后这五个镜头将同步曝光,并且时差将始终在标准范围内。

同步控制在PPK中的应用

在控制摄像机的同步之后,在测绘项目中,可以使用PPK减少控制点的数量。目前,斜摄像机与PPK的连接方式有三种:

1 五种镜片之一与PPK相关
2 所有五个镜头都连接到PPK
3 使用相机同步控制技术将平均值反馈到PPK

这三个选项中的每个都有优点和缺点:

1 优点很简单,缺点是PPK仅代表一个镜头的空间位置。如果五个镜头不同步,将导致其他镜头的位置误差相对较大。
2 优点也很简单,定位准确,缺点是只能针对特定的差分模块
3 优点是定位准确,通用性强并支持各种类型的差分模块。缺点是控制较为复杂,成本较高。

当前有一架使用100HZ RTK / PPK板的无人机。该板上装有Ortho摄像机,可以实现1:500的地形图无控制点,但是对于倾斜摄影,该技术无法实现绝对的无控制点。因为五个镜头本身的同步误差大于微分镜的定位精度,所以如果没有高同步斜相机,那么高频差就没有意义了……

目前,这种控制方法是被动控制,并且仅在摄像机同步误差大于逻辑阈值之后才进行补偿。因此,对于纹理变化较大的场景,肯定会有大于阈值的单个点误差。在下一代Rie系列产品中,Rainpoo开发了一种新的控制方法。与目前的控制方法相比,相机同步精度至少可以提高一个数量级并达到ns级别!