Парфокальная калибровка и быстрая компенсация высокого коэффициента масштабирования. Разработка системы программного управления инфракрасным объективом с непрерывным зумом.
В предыдущей статье мы подробно представили метод парфокальной инфракрасной линзы с непрерывным масштабированием и аппаратной схемотехникой с большим коэффициентом масштабирования. В этой статье будет конкретно представлен еще один эффективный метод парфокальности — разработка программной системы управления. Оба этих двух парфокальных метода позволяют инфракрасному объективу с непрерывным масштабированием и большим коэффициентом масштабирования эффективно парфокировать цель.
Чтобы быстро реализовать компенсацию парфокальности в процессе масштабирования, процесс масштабирования и компенсация парфокальности разделены и управляются двумя микроконтроллерами, чтобы сократить время управления с обратной связью и увеличить выборку во время синхронного движения масштабирования и увеличения. парфокальная компенсация. Точность соответствует требованиям компенсации парфокальности в реальном времени.
Кроме того, чтобы повысить надежность температурной компенсации, необходимо использовать градиент серого изображения для проверки и в то же время собирать текущее значение положения компенсации для сигнала синхронизации каждого кадра.
Парфокальная калибровка
Калибровка парфокальности использует метод интерполяции двойной линии. Для облегчения поиска и интерполяции принята следующая структура данных:
структура определения типа
{U16 bianj_v［2][26]; //Положение масштабирования конкретной точки температуры с использованием данных в двух столбцах
s16 tiaoj_v[2][26]; //соответствует значению компенсации в положении масштабирования, используя данные в два столбца
s16 zxtiaoj_v; //значение компенсации на минимальном фокусном расстоянии
с16 zdtiaoj_v; //Значение компенсации на максимальном фокусном расстоянии
u8 mark_v[2][26]; //Порядковый номер, соответствующий каждой позиции, легко найти
u8 коэф1[2]; //Коэффициент пропорциональности линейной шкалы аппроксимации
u8 коэф2[2]; //Коэффициент пропорциональности линейной шкалы аппроксимации
}бучанзначение;
buchangvalue xdata ybdwdata[25];//выбрать 25 температурных точек в пределах рабочей температуры
Поскольку путь кулачка пространственного масштабирования от короткого фокусного расстояния до слишком длинного фокусного расстояния и кривая обработки гистерезиса от длинного фокусного расстояния до короткого фокусного расстояния имеют ошибки обработки. Кривая кулачка показана на рисунке 1. В одном и том же положении морфологическая ошибка прямой и обратной кривых приводит к разнице ширины кулачка.
Когда прямое и обратное положение находится в одном и том же положении, фактическое положение немного отличается, что приводит к непостоянной парфокальности. Метод компенсации двойной линии может эффективно устранить ошибку гистерезиса при обработке и регулировке сборки пространственного кулачка.
(а) теоретическая кривая космического кулачка
(b) фактическая кривая пространственного кулачка обработки
Рис. 1 Кривая космической камеры
В процессе калибровки используется метод онлайн-калибровки, от -45 ℃ до 75 ℃, калибровка каждые 5 ℃, всего 25 точек калибровки температуры, другие температурные сегменты подбираются путем интерполяции. Этот метод не только удобен для установки точек температуры в температурном ящике, но также позволяет максимально отфильтровать отдельные точки изменения в различных температурных секциях.
Каждый температурный сегмент может хранить до 26 точек, двухстрочное хранилище может хранить 52 точки (не включая две конечные точки), для (50-кратного непрерывного масштабирования объектива 13,2～660) обычно вы можете установить 10～16 точек в столбце. Точно сопоставьте кривую.
Данные каждой структуры расположены в порядке значения фокусного расстояния масштабирования от меньшего к большему, что позволяет сэкономить время поиска во время компенсации, а компенсацию можно выполнить быстрее в процессе масштабирования. Компенсационная линия показана на рисунке 2.
(a) Кривая аппроксимации полиномиальной компенсации второго порядка при -30℃
(b) прямая компенсационная кривая при -30℃
Рис.2 Компенсационный фитинг
На рисунке 2(а) для подбора полинома второго порядка используется метод наименьших квадратов, и точность относительно выше. На рисунке 2(b) используется прямолинейная аппроксимация, которая имеет несколько худшую точность, но ее можно компенсировать увеличением точки вставки.
Чтобы сократить вычисления, используется прямая стимуляция для соответствия кривой компенсации, а коэффициент масштабирования каждого сегмента сохраняется в переменной коэффициента масштабирования в структуре данных. coef1[0][ ] хранит целочисленное значение положительной последовательности, coef2[0][ ] хранит десятичные значения положительного порядка, coef1[1][ ] хранит целочисленные значения обратного порядка, coef2[1][ ] хранит десятичные значения обратного порядка значений, этот метод может сэкономить больше места для хранения, чем хранение чисел с плавающей запятой.
Значение компенсации представляет собой комбинацию опорного значения и значения компенсации со знаком, что удобно для выравнивания таблицы компенсации путем изменения опорного значения после замены энкодера или потенциометра.
Уставка заменяется следующими тремя методами:
(1) Для короткой точки фокусировки (менее 250 значений фокусного расстояния) заданное значение находится в пределах ±8; для среднего положения точки фокусировки (значение фокусного расстояния 250-550) заданное значение находится в пределах ±4; дальняя точка фокуса (значение фокусного расстояния более 450), установленная в пределах ±2. Точки в этом диапазоне заменяются напрямую.
(2) Для всех данных используется метод «первым поступил — первым обслужен». Если последующие заданные значения больше 26, первое установленное значение будет отображаться по порядку. Этот метод используется для сброса значения после износа линзы.
(3) Кривая значения компенсации представляет собой постоянно меняющуюся кривую, и внезапных изменений мало. После установки точки компенсации существует два метода подгонки: один — подгонка строго в соответствии с заданным значением, а другой — отфильтровка подгонки единственной точки изменения, что может исключить неправильную точку в настройке.
Когда точка температурной компенсации установлена, каждая введенная точка сохраняется во внутренней оперативной памяти чипа. Только после того, как все точки установлены при этой температуре и калибровочная кривая нормальна, их можно сохранить во FLASH.
Когда питание включено, а затем считывается в ОЗУ, это может ускорить поиск таблицы компенсации, расчет интерполяции и управление компенсационным движением. Заданные температуры расположены в порядке значения фокусного расстояния от меньшего к большему. Если количество заданных точек соответствует парфокальности полного хода объектива с непрерывным масштабированием, нет необходимости устанавливать больше точек.
Быстрая компенсация парфокальности
Во время процесса масштабирования вспомогательный MCU управления (GD32E103T) передает текущее значение масштабирования на главный MCU управления (GD32F450I) в режиме реального времени.
Главный контроллер определяет положение точки компенсации в соответствии с калиброванным значением температуры и значением фокусного расстояния.
Если текущая температура составляет 27 ℃, а значение фокусного расстояния составляет 70 мм, поскольку сохраняются только точки компенсации 25 ± 1 ℃ и 30 ± 1 ℃, сначала используйте однострочную интерполяцию, чтобы вычислить значение компенсации точки M в фокусное расстояние 30℃70 мм, а затем рассчитайте значение компенсации точки интерполяции N фокусного расстояния при 25℃70 мм и, наконец, рассчитайте значение компенсации точки P через M и N.
Если текущая температура близка к заданному значению (например, 30±1℃), будет использоваться напрямую компенсация однолинейной интерполяции.
Во время процесса масштабирования, в соответствии с текущим значением обратной связи масштабирования, блок управления компенсацией должен выполнить предварительную обработку и отрегулировать положение компенсационного двигателя. Сотрудничая с двигателем масштабирования, он может гарантировать, что точку, находящуюся далеко от фокуса, можно будет вовремя вызвать обратно. Выходное изображение относительно четкое в процессе увеличения.
В соответствии с сохраненными точками положения каждого сегмента и коэффициентом пропорциональности прямой линии точки положения значение компенсации следующей точки положения определяется заранее с помощью метода y=a*x+b.
В процессе трансфокации с фокусного расстояния 82 мм на фокусное расстояние 510 мм компенсация проходит через 4 подгоночные прямые, а величина компенсации определяется по уравнению движения каждой прямой. Например, в разделе AB путь масштабирования — AK, а путь компенсации — KB.
Компенсационный двигатель использует двухконтурный алгоритм управления, в котором контур положения является основным, а контур скорости полезен для компенсации скорости двигателя и привода при высоких и низких температурах.
Поскольку объектив с непрерывным зумом имеет более широкий диапазон рабочих температур, особенно при низких температурах, вязкость низкотемпературного смазочного масла становится больше, и для привода нагрузки требуется большая движущая сила двигателя.
Таким образом, контур положения можно использовать для быстрой регулировки положения компенсации при комнатной температуре. При высоких и низких температурах требуется контур скорости для регулировки параметров ПИД, чтобы гарантировать, что двигатель не заклинит при низких температурах и не перерегулируется при высоких температурах, тем самым контролируя время регулировки двигателя.
Из-за ошибки задержки выборки существует систематическая ошибка между положением компенсации и фактическим положением. Чтобы устранить эту ошибку, в конце двухконтурного управления необходимо добавить метод управления пульсацией, этот метод представляет собой остановку переходного процесса. Когда выборка остановлена, можно устранить динамическую ошибку выборки.
Проверка парфокальности
В процессе компенсации, помимо обработки цифровых изображений, схема FPGA также должна выводить текущее значение улучшенного градиента серого в соответствии с кадром. В соответствии с сигналом кадровой синхронизации основной чип управления одновременно сохраняет соответствующее значение положения масштабирования и различные значения компенсации с частотой кадра. Принятая структура данных следующая:
структура определения типа
{U16 bianj_v[2]; //Значение масштабирования
U16 buchang_v[2][100]; //Соответствует значению компенсации в положении масштабирования, используя данные в два столбца
U32 tidu_v[2][100]; //Значение серого градиента
}Цзяояньзначение;
jiaoyianvalue xdata jydata;//Выберите 25 температурных точек в пределах рабочей температуры
Для значения градиента серого также используются два столбца данных для представления положительной последовательности (от короткого фокусного расстояния к длинному фокусному расстоянию) и обратной последовательности (от длинного фокусного расстояния к короткому фокусному расстоянию) соответственно. Если компенсация не удалась, положение текущего значения компенсации можно определить согласно соответствующему значению градиента серого.
В соответствии с кадром изображения в процессе компенсации значение градиента серого монотонно увеличивается, а когда компенсация прекращается, значение градиента серого приближается к максимальному градиенту серого, что означает, что компенсация нормальная.
Если значение градиента серого не изменяется в соответствии с указанным выше. Обычное изменение указывает на то, что объект находится за пределами диапазона изображения объектива (объект находится слишком близко к объективу).
В этом случае, если вам нужно четкое изображение, вам необходимо отрегулировать компенсационный двигатель для компенсации положения, а компенсируемое положение не соответствует нормальному откалиброванному положению. В это время, если монотонное максимальное положение можно найти в соответствующем значении градиента серого, то двигатель будет напрямую управляться для перехода к заданному положению значения в режиме двухконтурного управления.
Если в значении градиента серого нет монотонного максимального положения, для завершения последующей парфокальной компенсации можно использовать алгоритм восхождения на холм. Метод проверки на основе градиента серого изображения можно отключить, и код ветвления этой части не будет рассчитываться после его отключения.
Парфокальность инфракрасного объектива с непрерывным зумом и большим коэффициентом масштабирования состоит из трех частей: онлайн-настройки парфокального фокуса, быстрой парфокальной компенсации и парфокальной проверки. Во время парфокальной калибровки температура является основным элементом, поэтому убедитесь, что значение температуры постоянно, и используется метод многоточечного сбора данных, чтобы уменьшить погрешность сбора данных о температуре.
Компенсация парфокальности основана на методе заданного положения, а автофокусировка основана на методе градиента серого изображения. Каждая из инфракрасных линз с непрерывным зумом и большим коэффициентом масштабирования расположена очень близко к фокусной точке. Применяется алгоритм автофокусировки, время фокусировки составляет от 1,2 до 2 с. Поскольку автофокусировка имеет коммутационное перерегулирование, времени коммутации избежать невозможно. Поэтому время автофокусировки сложно сделать меньше 1,2 с.
Парфокальная компенсация не имеет регулировки коммутации. Для положения, близкого к фокусу, время компенсации очень короткое, обычно от 0,3 до 0,7 с.
Точность компенсации (точность положения температурной калибровки составляет 98%) аналогична автофокусу. Температурная парфокальная компенсация позволяет эффективно и быстро компенсировать размытие изображения, вызванное механической обработкой деталей, ошибками настройки сборки и изменениями температуры в процессе масштабирования.
Когда температура окружающей среды в основном стабильна (35°C), протестируйте эксперимент по времени компенсации при различных положениях зума. Поскольку измеренное значение связано с текущим и предыдущим положением, если разница между двумя положениями невелика, время компенсации сокращается, и наоборот. Время компенсации относительно велико.
Из результатов приведенных выше экспериментов видно, что в этом режиме точность компенсации можно контролировать в пределах ±2 кодов, что несущественно для точности фокусировки.
Если точка калибровки соответствует требованиям точности, компенсация позволяет точно достичь парфокальности линзы при различных температурных условиях. Время компенсации сокращается с 1,2–2 с для автофокусировки примерно до 0,575 с, что соответствует требованиям отслеживания пользователя.
Парфокальная калибровка и парфокальная компенсация могут обеспечить парфокальность инфракрасного объектива с непрерывным масштабированием и большим коэффициентом масштабирования при различных температурах, а также гарантировать, что объектив сможет выполнять непрерывные операции, такие как отслеживание и поиск цели.
Эта технология была проверена на многих продуктах, отличается высокой надежностью и имеет хорошие перспективы применения в инфракрасных объективах с непрерывным зумом и большим коэффициентом масштабирования. Кроме того, до сих пор совершенствуется алгоритм слаженной работы мотора трансфокатора и компенсации.
инфракрасный объектив с непрерывным зумомразработанный и изготовленный Quanhom, может достигать эффективных целей фокусировки в различных условиях окружающей среды. Кроме того, если после прочтения вышеизложенного вы захотите узнать больше об инфракрасных тепловизионных линзах, Quanhom предоставит вам профессиональный и исчерпывающий ответ.
Как профессиональный производительОптико-электромеханические компоненты, мы стремимся производить различные инфракрасные тепловизионные линзы (включая LWIR, MWIR и SWIR). У нас есть опытная производственная команда и строгая система контроля качества для проведения строгих испытаний и проверок качества нашей продукции, которая завоевала единодушную оценку многих клиентов. Мы всегда ставим потребности клиентов на первое место и можем предоставить клиентам эффективные технологии решения и продуманное комплексное обслуживание. Если вы заинтересованы в нашем инфракрасном объективе с непрерывным зумом, немедленно свяжитесь с нами!