【2023更新】通过硬件触发信号实现OAK多相机之间的同步拍摄

news2024/11/24 13:00:02

编辑：OAK中国
首发：oakchina.cn
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▌前言

Hello，大家好，这里是OAK中国，我是助手君。

去年我写了一篇博客说明OAK相机是如何实现硬件同步的（传送门），不过随着我们产品的增多，这篇博客显然也要更新内容了。加上最近问外触发同步的朋友比较多，所以我觉得是时候更新内容了！

▌前言

有两种方式去同步来自不同传感器的信息（帧、IMU数据包、ToF等）：

硬件同步（多传感器亚毫米级精度，硬件触发）
软件同步（基于时间戳/序列号）

本文重点介绍硬件同步，它允许在多个相机传感器之间精确同步，并可能与其他硬件同步，如闪光灯LED、外部IMU或其他相机。

▌FSYNC信号

FSYNC/FSIN（帧同步）信号是一个脉冲，在开始捕获每个帧时被驱动为高电平。它的长度与曝光时间不成正比，可以是输入或输出，在1.8V下工作。

在双目立体相机（OAK-D*）上，我们希望双目黑白相机是完全同步的，所以一个相机传感器（如左相机）的FSYNC设置为INPUT，而另一个相机传感器（如右相机）的FSYNC设置为OUTPUT。在这样的配置中，右相机驱动左相机。

⚠注意！目前，只有OV9282/OV9782可以输出FSYNC信号，而IMX378/477/577/等应该也有这个能力，但还不支持（所以这些信号不能驱动FSYNC信号，只能被它驱动）。AR0234只支持输入FSYNC信号。

从外部同步帧

如果我们想用外部信号驱动相机，我们需要将FSIN设置为相机传感器的INPUT。

所有二代的OAK-PoE设备都有一个M8 I/O连接器，可以引出FSIN信号（也包括STROBE）。因此，你可以将一个信号发生器连接到M8连接器上，所有3个相机传感器将根据信号发生器的触发器捕获一帧。

# Example: we have 3 cameras on ports A,B, and C
cam_A.initialControl.setFrameSyncMode(dai.CameraControl.FrameSyncMode.INPUT)
cam_B.initialControl.setFrameSyncMode(dai.CameraControl.FrameSyncMode.INPUT)
cam_C.initialControl.setFrameSyncMode(dai.CameraControl.FrameSyncMode.INPUT)

你也可以在脚本节点内通过GPIO控制FSIN，查看这里的示例。

▌STROBE信号

STROBE信号是图像传感器的输出，在图像传感器的曝光期间是有效的（高电平）。它可以用来驱动外部的LED照明，所以照明只在曝光时间内激活，而不是持续开启，这将减少功耗和发热。

我们在OAK-D-Pro系列相机上使用STROBE信号（它有板载照明红外LED和红外激光点阵发射器）来驱动激光/LED。

▌帧捕获图像

当传感器开始传输帧（MIPI读数）时，帧时间戳会在MIPI SoF（帧开始）事件中分配给帧。

对于全局快门传感器，这是在整个帧的曝光完成后立即进行的，所以我们可以说分配的时间戳与曝光窗口的结束相一致（在几微秒的范围内）。下面是一个全局快门传感器计时的示意图，演示了时间戳何时被分配给帧。

在这里插入图片描述

对于卷帘快门，示例图看起来有点不同。MIPI SoF在图像的第一行完全曝光后继续拍摄并传输，但后面的行仍在曝光或可能还没有开始曝光（取决于曝光时间）。

下面是卷帘快门传感器（IMX378）在1080p和30fps（33.3ms帧时间）的示意图。MIPI读出时间因传感器/分辨率而异，但对于IMX378来说，1080P时为16.54ms，4K时为23.58ms，12MP时为33.04ms。

在这里插入图片描述
在OAK-FFC-4P上有四个摄像头接口：A（RGB）、B（LEFT）、C（RIGHT）和D（cam_d）。A和D是4-lane MIPI，B和C是2-lane MIPI。每对（A&D，B&C）共享一条I2C总线，默认情况下，B&C总线配置为左右相机硬件同步。

对于A&D端口，你需要启用硬件同步：

cam_A.initialControl.setFrameSyncMode(dai.CameraControl.FrameSyncMode.OUTPUT)
cam_D.initialControl.setFrameSyncMode(dai.CameraControl.FrameSyncMode.INPUT)

▌FFC镜头模组

FFC系列可以接的镜头模组有一个22pin的连接器，但没有给FSIN/STROBE信号焊线。如下图所示，要将FFC镜头模组连接到我们的OAK-FFC基板上，你需要使用26-22pin转换器连接器，该连接器只能通过测试焊盘露出FSIN/STROBE线。为了同步这些相机，你可以将一根电线从测试焊盘焊接到相机模块的FSIN插头，或者将所有的FSIN插头连接在一起（步骤）。

在这里插入图片描述
⚠注意！我们现在发的模组已经焊了线。

▌连接FSIN/STROBE

如前所述，所有二代的OAK PoE设备都有一个带FSYNC/STROBE信号的M8 I/O连接器。但是如果你不用这些，你可能需要在设备的PCB上焊接一条线。大多数PCB设计都是开源的（查看depthai-hardware仓库），所以你可以很容易地检查FSIN/STROBE信号在PCB上的位置。

OAK-FFC-4P FSIN

在这里插入图片描述
如上图所示，在OAK-FFC-4P上，你可以用MXIO6启用连接FSIN_4LANE和FSIN_2LANE。下面的脚本将同步所有4台连接到OAK-FFC-4P的相机。

# CAM_A will drive FSIN signal for all other cameras:
cam_A.initialControl.setFrameSyncMode(dai.CameraControl.FrameSyncMode.INPUT) # 4LANE
cam_B.initialControl.setFrameSyncMode(dai.CameraControl.FrameSyncMode.OUTPUT) # 2LANE
cam_C.initialControl.setFrameSyncMode(dai.CameraControl.FrameSyncMode.INPUT) # 2LANE
cam_D.initialControl.setFrameSyncMode(dai.CameraControl.FrameSyncMode.INPUT) # 4LANE

# AND importantly to tie the FSIN signals of A+D and B+C pairs, by setting a GPIO:
# OAK-FFC-4P requires driving MXIO6 high (FSIN_MODE_SELECT) to connect together
# the A+D FSIN group (4-lane pair) with the B+C group (2-lane pair)
config = dai.Device.Config()
config.board.gpio[6] = dai.BoardConfig.GPIO(dai.BoardConfig.GPIO.OUTPUT,
                                            dai.BoardConfig.GPIO.Level.HIGH)

with dai.Device(config) as device:
    device.startPipeline(pipeline)