一種記錄物體運動信息的裝置及方法與流程

2023-05-30 22:47:51

本發明涉及光學技術領域，尤其涉及一種基於脈衝光序列的記錄物體運動信息的裝置及方法。

背景技術：

運動物體的追蹤和測量是實驗科學中的重要研究方向，相關技術的發展和應用對人類認識自然規律、利用自然資源起到關鍵作用。這裡的物體既可以是需要測定的對象，同時也可以是其他介質或流體的示蹤粒子。針對特定的物體軌跡和速度測量屬於拉格朗日法追蹤測量，現有技術手段包括利用高速相機連續記錄瞬態時間點物體的位置信息，然後推算出其軌跡；利用無線電雷達針對物體的方位角和距離進行連續位置的解算和跟蹤；利用常規的尺規或其他距離和角度測量工具對物體不同時刻位置進行測量和記錄。

目前，常用的是利用高速相機連續記錄瞬態時間點物體的位置信息，然後推算或重建軌跡的方案，該方案需要拍攝大量的瞬態時間點物體位置照片，照片之間的時間間隔小，使得兩張照片之間物體的位移儘可能小，方便將不同時間點的物體軌跡聯繫在一起，完成物體軌跡的重建，為提高精度通常會使用前幾個時間點的重建結果進行擬合，推測下一時刻物體的位置，減少搜索範圍。

在實現本發明過程中，發明人發現現有技術中至少存在以下問題：

現有方案要求所追蹤的粒子速度不能過高，否則照片拍攝頻率必須提高才能滿足每兩幀照片之間物體位移不至於超出拍攝範圍或者與其他物體重合；當測試區域有多個被測物體或被測物體與背景有相似之處時，物體本身與最好具備一定特徵能夠與上述物體相區別，不 然就必須限定物體在兩幀照片間的位移遠小於到其他物體的距離以免出錯，這就進一步提高了相機的拍攝頻率要求。而且，為了提高軌跡重建的準確度，通常會採用前幾幀已經確定的物體的位置信息對下一幀物體的位置進行推算，計算量很大，同時在整個過程的開始階段，由於歷史信息不足，該推算很難進行。由於光學成像容易受到傳感器噪聲、鏡頭炫光或物體表面反射特性的影響，造成成像精度下降，繼而引起追蹤中斷。

技術實現要素：

鑑於上述問題，本發明提出了一種記錄物體運動信息的裝置及方法，無須進行軌跡推算和重建，即可實現物體運動信息記錄，節約了計算量的同時使得物體的追蹤更為準確。

本發明的一個方面，提供了一種記錄物體運動信息的裝置，該裝置包括：

光源系統、彩色相機和同步控制器；

所述光源系統包括連續光源和用於按照預定脈衝閃爍間隔以及脈衝顏色變化順序進行照射的脈衝光序列光源；

所述連續光源，用於為測試區域提供照明；

所述脈衝光序列光源，用於為測試區域提供脈衝光照射；

所述彩色相機，用於採集記錄有測試區域內待測運動物體運動軌跡的彩色圖像；

所述同步控制器，用於控制所述光源系統的脈衝光序列光源和彩色相機，以實現脈衝光序列光源和彩色相機的同步；

其中，所述彩色相機的曝光時間大於所述脈衝光序列光源的預定脈衝閃爍間隔。

本發明的另一個方面，提供了一種基於上述實施例的記錄物體運動信息的裝置的記錄物體運動信息的方法，該方法包括：

獲取所述彩色相機採集的記錄有測試區域內待測運動物體運動 軌跡的彩色圖像；

解析所述彩色圖像，提取所述待測運動物體的拖影軌跡信息和疊加在所述拖影軌跡上的由所述脈衝光序列光源形成的瞬態物體位置信息；

根據所述瞬態物體位置信息和同一時間內所述脈衝光序列光源的脈衝顏色變化順序及脈衝閃爍間隔，確定所述待測運動物體的運動信息。

本發明的有益效果為：

本發明提供的記錄物體運動信息的裝置及方法，通過引入脈衝光序列，在相機記錄的軌跡信息上疊加脈衝光序列信息，利用不同顏色的光來標記物體在不同時間點的位置，從而在一張照片上同時記錄了多個時間點上物體的位置信息，可以減少相機之間同步誤差帶來的影響以及使得相機的幀率得以降低，而且，根據軌跡能夠判斷一系列位置點分別對應哪個物體的運動產生，從而不要進行軌跡推算和重建，節約了計算量的同時使得物體的追蹤更為準確，也使得相機的幀率得以降低，進一步地，由於物體的一個軌跡上留有多個時間點的位置信息，如果其中某些點信息丟失，不影響其他點的信息利用。

上述說明僅是本發明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，並且為了讓本發明的上述和其它目的、特徵和優點能夠更明顯易懂，以下特舉本發明的具體實施方式。

附圖說明

通過閱讀下文優選實施方式的詳細描述，各種其他的優點和益處對於本領域普通技術人員將變得清楚明了。附圖僅用於示出優選實施方式的目的，而並不認為是對本發明的限制。而且在整個附圖中，用相同的參考符號表示相同的部件。在附圖中：

圖1為本發明實施例提出的一種記錄物體運動信息的裝置的原理圖；

圖2為本發明實施例提出的一種記錄物體運動信息的裝置的具體應用示意圖；

圖3為本發明另一實施例提出的一種記錄物體運動信息的裝置的具體應用示意圖；

圖4為本發明實施例提出的一種記錄物體運動信息的方法的流程示意圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。

本技術領域技術人員可以理解，除非特意聲明，這裡使用的單數形式「一」、「一個」、「所述」和「該」也可包括複數形式。應該進一步理解的是，本發明的說明書中使用的措辭「包括」是指存在所述特徵、整數、步驟、操作、元件和/或組件，但是並不排除存在或添加一個或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。

本技術領域技術人員可以理解，除非另外定義，這裡使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)，具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語，應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，並且除非被特定定義，否則不會用理想化或過於正式的含義來解釋。

圖1示出了本發明實施例提出的一種記錄物體運動信息的裝置的結構示意圖，如圖1所示，本發明實施例提出的記錄物體運動信息的裝置，具體包括：

光源系統10、彩色相機20和同步控制器30；

其中，所述光源系統10產生的光能覆蓋測試區域；所述彩色相機的視角能覆蓋測試區域。

所述光源系統10包括連續光源101和用於按照預定脈衝閃爍間隔以及脈衝顏色變化順序進行照射的脈衝光序列光源102；

所述連續光源101，用於為測試區域提供照明；

所述脈衝光序列光源102，用於為測試區域提供脈衝光照射；

所述彩色相機20，用於採集記錄有測試區域內待測運動物體運動軌跡的彩色圖像；

所述同步控制器30，用於控制所述光源系統10的脈衝光序列光源102和彩色相機20，以實現脈衝光序列光源和彩色相機的同步；

其中，所述彩色相機20的曝光時間大於所述脈衝光序列光源102的預定脈衝閃爍間隔，以實現每次相機快門打開的曝光時間內，多次脈衝閃光按序列依次投向測試區域，由於物體的反射和折射特性，使得表面呈現不同的顏色特徵；使用彩色相機記錄下連續光條件下物體的軌跡拖影和設定的時間點上物體的位置和顏色信息。

可理解的是，為了實現脈衝光序列光源102和彩色相機20的同步，在一個實施例中，可以通過將光源系統10和彩色相機20分別與同步控制器30相連接，以實現光源系統10和彩色相機20的同步。在另一實施例中，如此時的彩色相機曝光時間較長，至少長於兩次脈衝的最短時間時，同步控制器30隻需要與脈衝光序列光源102相連，以負責控制好脈衝光序列光源的脈衝序列即可。

更進一步地，也可通過將彩色相機固定在被測物體上而將光脈衝序列打到參照物體上，或者直接在參照物體的表面安裝兩種光源，通過記錄參照物的相對運動來進行測量物體的測量。

本發明實施例中，連續光源101和脈衝光序列光源102，兩種光源均能覆蓋測試區域並且亮度均勻；其中連續光源101的照射下， 待測運動物體表面反光更清晰，方便彩色相機記錄物體的運動軌跡；脈衝光序列光源102用於增強某些設定的時間點物體在瞬態位置的反射光強，用於記錄其瞬態位置；為了判斷物體運動方向，當一次測量的軌跡上脈衝閃光數量大於或等於三次時，任意相鄰三次脈衝閃光的顏色不同，當脈衝閃光數小於三次時，相鄰脈衝光的顏色不同，並且脈衝顏色變化順序及每次脈衝間隔時間預先設定並已知；光源系統中連續光源101和脈衝光序列光源102和彩色相機20均由同步控制器30控制，保證彩色相機30快門的開啟與脈衝光序列光源的運作同步，保證快門開啟期間脈衝光序列光源按預定閃爍頻率及顏色變化方式工作。

進一步地，如圖2和圖3所示，所述彩色相機20為一臺或多臺，所述一臺或多臺彩色相機的拍攝視角均覆蓋所述測試區域，具體的所述一臺或多臺彩色相機的拍攝視角全部或部分覆蓋所述測試區域。

進一步地，所述脈衝光序列光源的脈衝光顏色至少為兩種。

需要說明的是，脈衝光序列光源可以為由多臺顏色不同的單脈衝閃光燈組成，可以採用一臺集成有不同顏色脈衝發射裝置的閃光燈，也可由其他能夠按照預定脈衝閃爍間隔以及脈衝顏色變化順序進行照射的脈衝光發射裝置替代，本發明對此不做具體限定。

下面，對本發明實施例提出的記錄物體運動信息的裝置的工作原理進行說明。

本發明提供的記錄物體運動信息的裝置的工作原理，具體如下：

1)調整兩種光源的位置及方向，使兩者同時覆蓋測試區域；

2)將一臺或多臺彩色相機指向測試區域，將相機與同步控制器相連。

3)通過同步控制器協調彩色相機與光源的運行，在彩色相機快 門打開的曝光時間內，同步器控制脈衝光源產生多次光脈衝序列，所述序列的時間間隔已知，且相鄰兩次光脈衝的顏色不同、序列已知。

4)根據測量需要結合物體運動方式，拍攝相應條件下記錄有物體運動軌跡及特定時間點位置和顏色信息的彩色照片。

5)得到記錄有物體的軌跡和瞬態位置的照片後，將其發送給處理器進行處理。

本發明提供的記錄物體運動信息的裝置，基於脈衝光序列結合彩色相機對物體運動軌跡和瞬間位置進行記錄，即在彩色相機快門曝光期間，通過同步控制器控制脈衝光序列光源產生數次閃光脈衝，而數次閃光脈衝之間通過顏色加以區分，連續兩次閃光的顏色不相同，並按照設定序列變化，使得相機在記錄下的物體運動拖影軌跡上疊加數次物體瞬態位置的彩色圖像；通過給定閃光之間的間隔以及時序，可以在物體運動軌跡上留下不同時間點物體的位置，從而在一張照片上同時記錄了物體軌跡、運動方向及時間間隔內的運動距離。

本發明另一實施例還提出了一種基於上述實施例所述的記錄物體運動信息的裝置的記錄物體運動信息的方法。

圖4示出了本發明另一實施例提出的一種記錄物體運動信息的方法的流程示意圖，如圖4所示，該方法具體包括：

S11、獲取所述彩色相機採集的記錄有測試區域內待測運動物體運動軌跡的彩色圖像；

S12、解析所述彩色圖像，提取所述待測運動物體的拖影軌跡信息和疊加在所述拖影軌跡上的由所述脈衝光序列光源形成的瞬態物體位置信息；

S13、根據所述瞬態物體位置信息和同一時間內所述脈衝光序列光源的脈衝顏色變化順序及脈衝閃爍間隔，確定所述待測運動物體 的運動信息。

本發明實施例，通過獲取彩色相機採集的記錄有測試區域內待測運動物體運動軌跡的彩色圖像，從該彩色圖像中提取所述待測運動物體的拖影軌跡信息和疊加在所述拖影軌跡上的由所述脈衝光序列光源形成的瞬態物體位置信息，根據軌跡信息完成瞬態位置與軌跡的信息提取，結合同一時間內所述脈衝光序列光源的脈衝顏色變化順序及脈衝閃爍間隔，判斷同一軌跡運動方向，從而獲得設定時間間隔內物體運動距離與方向，確定所述待測運動物體的運動信息。

進一步地，本實施例中的步驟S13，包括以下圖中未示出的步驟：

S131、確定所述瞬態物體位置信息中，每一瞬態位置的顏色以及相鄰瞬態位置之間的距離；

S132、根據每一瞬態位置的顏色和同一時間內所述脈衝光序列光源的脈衝顏色變化順序，確定所述待測運動物體的運動方向；

S133、根據相鄰瞬態位置之間的距離和所述脈衝光序列光源的脈衝閃爍間隔，確定所述待測運動物體的運動速度；

S134、根據各個相鄰瞬態位置之間的距離，確定所述待測運動物體的總運動距離。

具體的，所述根據各個相鄰瞬態位置之間的距離，確定所述待測運動物體的總運動距離，具體包括：

計算各個相鄰瞬態位置之間的距離之和，得到所述待測運動物體的總運動距離。

本發明實施例中，在提取所述待測運動物體的拖影軌跡信息和疊加在所述拖影軌跡上的由所述脈衝光序列光源形成的瞬態物體位置信息之前，所述方法還包括：

判斷同一待測運動物體的拖影軌跡和疊加在所述拖影軌跡上的瞬態物體位置信息集合。

具體的，本實施例中，根據軌跡信息完成瞬態位置與拖影軌跡的信息提取之後，判斷出同一待測運動物體的拖影軌跡和和疊加在所述拖影軌跡上的瞬態物體位置信息集合，再根據脈衝光序列的顏色變化順序判斷每一待測運動物體得軌跡運動方向，從而獲得設定時間間隔內物體運動距離與方向。

以上實施方式僅用於說明本發明，而並非對本發明的限制，有關技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術方案也屬於本發明的範疇，本發明的專利保護範圍應由權利要求限定。