Синхронизация многокамерной распределённой системы скоростной видео съёмки с помощью GPS

Рассмотрим вопрос о том, как можно провести синхронную видеосъёмку с помощью нескольких высокоскоростных видеокамер, физически находящихся в разных местах (достаточно далеко друг от друга) и без возможности прокладывания проводов для аппаратной синхронизации. При этом точность синхронизации должна быть не хуже 1 мкс, а реперным сигналом должны являться показания точного времени системы GPS.

Для этого мы используем отдельный модуль GPS с внешней антенной, который с определённой периодичностью (раз в секунду - pps, раз в минуту - ppm или ещё реже) выдаёт сигнал точного времени от спутника. При регистрации сигнала точного времени приёмник GPS с запаздыванием порядка 30 нс выдаёт аппаратный сигнал (ступенька 3,3 В) и посылает команду через RS232/USB в компьютер. Аппаратный сигнал от приёмника GPS мы заводим на входной разъём внешней синхронизации высокоскоростной видеокамеры. До получения этого сигнала от приёмника GPS, видеокамера не регистрирует кадры и не посылает их в компьютер (такой режим работы устанавливается специальной функцией управляющей программы, выполняемой на персональном компьютере). После получения аппаратного сигнала камера начинает посылать кадры в компьютер, а управляющая программа на ПК, получив команду от GPS, будет знать точное время регистрации первого кадра в получаемой серии.

Для того, чтобы точность такой синхронизации была порядка 1 мкс, необходимо, чтобы суммарная ошибка определения времени с помощью опорного тактового генератора (частота обычно не менее 25 МГц) не превышела эту величину. В данном случае получаем, что достаточно периодически, не реже одного раза в час проводить процедуру синхронизации видеокамер через GPS (это займёт доли секунды), чтобы потом в течение часа программное обеспечение на компьютере могло само ставить правильную метку времени на каждый кадр, вычисляя его из текущего номера кадра и точной частоты кадров.

В случае сильных колебаний температуры возможен уход тактовой частоты, поэтому может оказаться, что процедуру синхронизации нужно проводить чаще. Кроме того, есть идея сделать в камере два дополнительных 32 битных счётчика для клока и кадров, и калибровать частоту, переодически опрашивая их с компьютера. Расчёты и таблица ухода с привязкой ко времени будут храниться в компьютере. Тогда калибровка будет в онлайне. Так можно будет учесть колебания температуры окружающей среды.

Таким образом, можно синхронизировать "внутренние часы" удалённых высокоскоростных видеокамер, но этого недостаточно для реализации возможности синхронного старта этих камер в произвольный момент времени. Так можно синхронно запустить видеокамеры в определённое, заранее установленное время. Если время заранее не определено, то для синхронного старта нужны дополнительные возможности системы. В этом случае на сервере тоже нужен приёмник GPS и привязка к мировому времени.

Для синхронного старта в произвольный момент времени необходимо заранее установить сеть, к которой были бы подключены все компьютеры, которые управляют высокоскоростными видеокамерами. Эта сеть может быть реализована через модем, радиомодем или любым иным образом, но она обязательно должна быть. Требования к такой сети определяются исходя из полного ТЗ на систему синхронизации. После проведения процедуры синхронизации через GPS, видеокамеры в любой момент могут начать видеосъёмкку, а данные при этом будут записываться в кольцевой буфер оперативной памяти компьютера. Поскольку всей свободной оперативной памяти хватит как минимум на 3-15 секунд видеозаписи (в зависимости от модели скоростной видеокамеры и размера выделенной памяти), то при длительном ожидании синхронного старта, получаемые компьютером данные будут перезаписаны много раз. Синхронный старт в этом случае означает начало сохранения данных на всех компьютерах, подключенных к скоростным камерам. Сигнал старта скоростной видеозаписи должен выдаваться одним из компьютеров сети с помощью пересылки специальной команды по протоколу UDP. В этой команде фактически передаётся время старта, т.е. начало отсчёта (номер кадра) относительно начала кольцевого буфера оперативной памяти. Поскольку время прохождения команды по протоколу UDP обычно гораздо меньше секунды (ping между любыми компьютерами сети должен проходить минимум за 10 мс), этого будет вполне достаточно для гарантированного удалённого синхронного старта всех скоростных видеокамер распределённой системы скоростной съёмки.

Оборудование для систем синхронной скоростной съёмки

• Скоростные камеры
• Камера Fastvideo-200 (640 х 480, 10 бит, 200 к/с, 1/2", Base Camera Link)
• Камера Fastvideo-250 (640 х 480, 10 бит, 250 к/с, 1/2", Base Camera Link)
• Камера Fastvideo-300 (640 х 480, 10 бит, 300 к/с, 1/2", Base Camera Link)
• Камера Fastvideo-400 (640 х 480, 8 бит, 400 к/с, 1/2", Base Camera Link)
• Камера Fastvideo-500 (640 х 480, 8 бит, 500 к/с, 1/2", Base Camera Link)
• Мегапиксельные камеры
• Cкоростная камера Fastvideo-120M стандарта Base Camera Link (1280 х 1024, 8 бит, 120 к/с, 1.43")
• Высокоскоростная камера Fastvideo-300M стандарта Full Camera Link (1280 х 1024, 8 бит, 300 к/с, 1.43")
• Высокоскоростная камера Fastvideo-500M стандарта Full Camera Link (1280 х 1024, 8 бит, 500 к/с, 1.43")