數碼相機時間參數檢測裝置研發

譚山 黃鋒

數碼相機時間參數檢測裝置研發

譚山 黃鋒

（廣州計量檢測技術研究院）

介紹一種數碼相機時間參數檢測裝置及檢測功能實現方法，通過數字電路、圖像模式識別技術實現自動測量。該裝置由頻率信號單元、頻率顯示單元、位選信號單元、多位LED驅動顯示單元、點亮信號單元和上位機控制系統組成，可完成快門速度、拍攝時滯、快門時滯和拍攝速度等參數的檢測。

數碼相機；時間參數；檢測裝置

0 引言

數碼相機是利用光電傳感元件將光學圖像轉換成電子數據的照相機，作為常用的圖像記錄工具，在日常生活、新聞采集和科學研究等方面應用廣泛。數碼相機拍照時，需要光圈和快門快速配合才能獲得一張曝光準確的照片。如果曝光不準確，照片成像質量會變差甚至看不清。在某些情況下（如高速運動），為獲得成像清晰的照片，需選擇特定的快門速度。時間參數作為相機的重要參數，是相機產品的質量指標之一。雖然我國先后出臺了數碼相機相關國家標準[1]和行業標準，但數碼照相機時間參數（如快門速度）的檢測至今仍沒有統一的測試方法。

本文研發數碼相機時間參數檢測裝置，介紹其結構及關鍵單元，可完成快門速度、拍攝時滯、快門時滯和拍攝速度等參數的檢測。

1 裝置的基本原理

數碼相機沒有膠卷，無法像傳統膠片相機一樣在相機膠片位置安裝光電傳感器檢測相機快門速度。數碼相機時間參數檢測裝置通過拍攝已知移動速度的物體來檢測其快門速度。因此，獲取已知移動速度的物體為該裝置的核心。本裝置以LED燈組作為被拍攝物體，并假設LED燈以掃描頻率(Hz)逐個點亮，當數碼相機成像相片中有個LED燈亮時，則數碼相機的快門速度為/。

考慮到檢測工作的便利性，在檢測過程盡量不要頻繁調節數碼相機的光圈參數。本裝置設計LED燈無論以何頻率頻閃時，每次頻閃的持續時間均相同，即產生一個掃描頻率可調，但有效時間固定、且不隨掃描頻率變化而變化的LED燈點亮信號。

2 裝置結構及關鍵單元

數碼相機時間參數檢測裝置結構如圖1所示，由頻率信號單元、頻率顯示單元、位選信號單元、多位LED驅動顯示單元、點亮信號單元和上位機控制系統組成。

圖1 數碼相機時間參數檢測裝置結構圖

頻率信號單元產生LED燈的掃描頻率，該頻率可根據相機的不同快門速度進行調節。

頻率顯示單元在拍攝圖像過程顯示掃描頻率，便于圖像識別后獲得讀數。

位選信號單元控制LED燈逐顆點亮。

多位LED驅動顯示單元驅動每顆LED燈點亮。

點亮信號單元產生LED燈點亮時間0=1/f（f為LED燈點亮頻率），0不隨掃描頻率變化而變化。

該裝置技術參數的設計原則：為滿足數碼相機快門速度1%的產品指標要求，該檢測裝置的測量準確性設計為0.2%，即每張拍攝相片應至少有500顆點亮的LED燈；考慮被測相機快門速度的誤差容錯，設計裝置LED數量為600顆。綜合考慮數字電路IC的響應速度，設計最高掃描頻率為8 MHz。

2.1 點亮信號單元

點亮信號單元是數碼相機時間參數檢測裝置的關鍵部件。本文采用晶振通過數字電路產生點亮信號，點亮信號單元電路及信號時序圖如圖2所示。

通過數字電路產生一個掃描頻率可調，但不隨掃描頻率變化而變化的LED燈點亮信號（圖2中的OUT信號）。該信號可通過D觸發器實現：D觸發器時鐘連接掃描頻率信號，觸發信號連接點亮信號頻率f，同時復位也連接點亮信號頻率f；當和f同步后，在D觸發器時鐘上升并保持高電平時，D觸發器輸出信號與觸發信號同步，同時D觸發器被觸發信號復位，因此在一個觸發器時鐘周期內，只在第一個觸發信號周期內輸出為高電平。上述電路及工作方式實現掃描頻率改變時，通過D觸發器得到的信號高電平時間0不發生變化。掃描頻率和有效點亮時間0由晶振通過多級分頻器產生。

2.2 多位LED驅動顯示單元

多位LED驅動顯示單元采用ULN2003A芯片作為LED驅動器件。ULN2003A是高壓大電流達林頓晶體管陣列，輸出電流可達0.5 A。將移位位選信號接ULN2003A芯片控制端即可實現逐個點亮每顆LED燈，將點亮信號單元輸出作為LED燈的供電電源，即可控制LED燈的點亮時間。

2.3 位選信號單元

位選信號單元由74LS164移位寄存器和74LS174六D觸發器產生移位位選信號。74LS164移位寄存器的時鐘連接掃描頻率信號，輸入連接高電平。將74LS164移位寄存器的移位信號Q1、Q2通過異或門產生單一脈沖，該單一脈沖通過多個74LS174六D觸發器串接，每一個74LS174六D觸發器的輸出即為移位位選信號。

2.4 頻率顯示單元

頻率顯示單元將本裝置設置的掃描頻率，按約定的二進制數在專用頻率顯示LED燈中顯示。本文約定掃描頻率的二進制數為：8 MHz對應00000， 4 MHz對應00001，……，0.00745058 Hz對應11110，0.00372529 Hz對應11111。該頻率顯示單位用于相機快門速度1/16000 s～30 s及B門最長37 h的檢測。

3 時間參數檢測功能實現

數碼相機時間參數包括快門速度、拍攝時滯、快門時滯和拍攝速度?？扉T速度指快門打開的時間，即曝光時間；拍攝時滯指從按下拍攝鍵（按下狀態而非半按狀態下停留）到開始曝光的時間；快門時滯指完成測光、對焦等一系列自動操作后，按下拍攝鍵到開始曝光的時間；拍攝速度指在連拍模式下的拍攝間隔。

3.1 快門速度檢測

開啟數碼相機時間參數檢測裝置；LED燈按設定的掃描頻率不斷逐個閃亮；觀察相機成像中LED燈亮點的個數，即可按1=/獲得快門速度。

3.2 拍攝時滯檢測

拍攝時滯檢測需借助壓感觸發器觸發檢測裝置從第1個LED燈開始逐個閃亮；觀察相機成像中第1個亮點的LED燈位置；找出該LED燈的位置距離檢測裝置的第1個LED燈的個數，即有(?1)個LED燈由于拍攝時滯而沒有在相機中成像，由2=(?1)/獲得拍攝時滯。

為防止按動快門時產生抖動而造成誤觸發，本裝置設計動作控制單元。該單元采用2個LTC6993-1器件，1個用于產生1 ms的脈沖觸發信號，另一個用于產生5 s的自鎖信號，使5 s內的抖動不會對脈沖觸發信號產生影響。

3.3 快門時滯檢測

快門時滯檢測與拍攝時滯檢測方式相似，不同是的快門時滯檢測需等待相機完成測光、對焦等一系列自動操作后，才借助壓感觸發器觸發檢測裝置從第1個LED燈開始逐個閃亮。找出相機成像中第1個亮點的LED燈位置距離檢測裝置的第1個LED燈的個數，即有(?1)個LED燈由于拍攝時滯而沒有在相機中成像，由3=(?1)/(s)獲得快門時滯。

3.4 拍攝速度檢測

設置數碼相機時間參數檢測裝置掃描頻率為500 Hz，即500個LED燈全部逐個閃亮需1 s。從相機拍攝的照片中挑取連續500個LED燈圖像的照片，這些照片中未成像的LED燈個數即為相機拍攝速度。

4 檢測圖像模式識別

數碼相機的相片信息以可交換圖像文件格式（exchangeable image file format，EXIF）記錄在對應的圖像相片中，而成像的LED亮燈個數可通過圖像模式識別獲得[2]。本裝置LED亮燈個數圖像模式識別通過以下步驟完成：1）提取每個像素點的亮度信息，對圖像進行灰度化處理（圖像預處理）；2）利用Canny算子[3]進行邊緣檢測（特征提取）；3）識別各個LED燈亮滅狀態，統計亮燈個數。

識別LED燈亮燈個數后，獲取相片信息EXIF中相機快門速度設定值；通過頻率顯示單元獲得掃描頻率；由實際快門速度1=/與相機快門速度設定值自動比較，實現數據的自動測量。圖3是某數碼相機成像相片；圖4為經本裝置圖像模式識別得到的自動測量結果。

圖3 數碼相機成像相片

5 結語

本文提出由頻率信號單元、頻率顯示單元、位選信號單元、多位LED驅動顯示單元、點亮信號單元和上位機控制系統組成的數碼相機時間參數檢測裝置；裝置應用Canny算子實現數碼相機時間參數檢測過程中LED燈亮滅狀態模式識別，并統計亮燈個數；該裝置進一步可以完成數碼相機快門速度、拍攝時滯、快門時滯和拍攝速度等重要參數的測量。裝置已于國家光電成像及顯示產品監督檢驗中心成功得到應用，具有自動化程度高，實現簡單，投入少的特點，是一種具有實用價值的測量裝置。

[1] 國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB/T 19894—2005數碼照相機光電轉換函數(OECFs)的測量方法[S].北京:中國標準出版社,2005.

[2] 梁佳楠,李麗麗,周磊.基于圖像處理的位置坐標獲取方法應用[J].自動化與信息工程,2018,39(3):22-25.

[3] 馮振新,許曉路,周東國,等.基于Canny算子的簡化PCNN電力故障區域提取方法[J].紅外技術,2019,41(7):634-639.

Development of Time Parameter Detection Device for Digital Camera

Tan Shan Huang Feng

(Guangzhou Institute of Measurement and Testing Technology)

Time parameter is an important parameter of digital camera. This paper introduces a method to realize the time parameter detection device of digital camera，automatic measurement by digital circuit and image recognition technology. The device is consists of frequency signal unit, frequency display unit, bit selection signal unit, multiple LED drive display unit, lighted signal unit and host computer control system. The device can detect shutter speed, shooting time delay, shutter lag and shooting speed. The device has been applied in the National Photoelectric Imaging and Display Product Supervision and Inspection Center.

Digital Camera; Time Parameter; Detection Device

譚山，男，1960年生，大學本科，高級工程師，主要研究方向：光電成像及顯示產品檢驗。E-mail: 18922326626@189.cn