多相机的高精度时间校正

孙小喃

摘 要：提出了一种非同步相机的高精度时间校正方法，解决相机拍摄时间不同步问题。对相机时间系统的工作原理进行分析，建立了相机时间误差模型，并根据该模型提出了时间校正算法。实现了多个相机所拍摄的视频序列中同一帧号或前后相差一帧情况下的高精度时间同步校正。

关键词：时间校正；极几何；非同步相机

利用多视点图像进行三维重建时，需要对相机进行时间校正，如果时间不同步，几何标定参数是毫无意义的。但是，由于相机内部传感器的性能，通过硬件控制同步曝光无法达到高精度的时间同步[1]。本文通过对非同步相机时间系统的工作原理进行分析，建立相机时间误差模型，并根据该模型提出了一种高精度时间校正算法。实现了多个非同步相机的高精度时间同步。

1 时间校正

相机获取发光源的原始图像为彩色图像，需要对原始图像进行预处理，算法包括：灰度-2值化[2]和两次闭运算处理。原始图像经过多种变换处理后，会产生噪点、不平滑边界。对2值化后的图像连续使用两次闭运算，以使得因灰度化和2值化所引起的细小空洞，连接断开的邻近光线轨迹，平滑光线轨迹成像的边界。为了计算起始帧的时间差，采用极几何进行对应帧匹配[3]，如图1所示，对基础矩阵估计，并采用点到极线距离最小约束准则引导匹配。

利用基于代数误差的线性估计算法，可求解基本矩阵F。再通过极线与基本矩阵的关系，得到点m在图像I'上的对应极线。使用距离最小约束准则搜索极线附近的点到对应极线距离最小的点判断为对应点。

确定基准图像上起始帧的发光段总数Sb；其次，确定另一个图像上起始帧对应的发光段数So；最后，计算2个图像上对应帧发光段数之差Sb-So，用段数差乘以一个闪烁周期，就是粗略估算的时间误差，即差 。T（sB，sD）表示4种起始帧状态，公式为（1）：

由上述分析可知，相机的时间误差等于一帧中对应发光段数的时间差与未知部分时间差总和，即：

2 实验结果与分析

本实验使用2台同一型号的相机，图像尺寸均设定为640×480，曝光时间和曝光间隔时间为1/30秒。使用PIC16F84A-20单片机控制发光源的闪烁周期为6.587毫秒。利用本文提出的对应帧匹配算法求出匹配的对应帧，如图2所示，蓝色的带箭头线段指明了两段视频序列中对应帧的位置。

通过对图2中对应帧匹配结果分析，两个相机起始帧对应的发光段数 Sb=5，So=4。基准相机起始状态为灯亮，延迟相机对应帧起始状态为灯灭，符合T（ι，d）模型，而未知部分的时间误差范围大小为 。计算可得两台相机拍摄时间误差的范围为 ms。利用数据统计三个时间误差范围所对应的帧数，统计结果如图3所示。

从实验数据统计结果可以看出，对应帧时间误差范围在一个闪烁周期2α的帧数达到88.1%以上。因此，估算的误差范围0.000?Δt?6.587ms是合理并有效的。

3 结论

算法实现了多个视频序列中同一帧号或前后相差一帧情况下的高精度时间同步校正，可应用于高精度的动态三维场景重建。

[参考文献]

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

[2]吕行军，韩宪忠，陈含，等.改进分量法的麦穗图像灰度—二值化处理[J].河北农业大学学报.2012，35（3）：112-116.

[3]张广军.机器视觉[M].北京：科学出版社.2005.