本發(fā)明涉及光學技術及計算機技術領域，具體涉及一種多光源投影儀的自動調焦方法與系統(tǒng)。

背景技術：

光學測量中常常會用到激光投影儀，特別目前基于結構光的深度相機的產(chǎn)生及廣泛應用，促使了作為其部件之一的激光投影儀的不斷發(fā)展。目前大部分的激光投影儀采用的是單個的邊發(fā)射激光器光源，隨著激光器的不斷發(fā)展，垂直腔面激光器由于其發(fā)散角小、功耗及成本低、體積小易于集成等優(yōu)點將會被越來越多的激光投影儀采用。

盡管垂直腔面發(fā)射激光器有諸多的優(yōu)點，但在組裝過程中相對位置的調節(jié)則相對困難，這里的相對位置指的是光源與準直透鏡之間或其他光學元件之間的距離。與單個邊發(fā)射激光光源相比，由于光源數(shù)量上的增加，通過光學元件射出的光束數(shù)量也增多，在進行調節(jié)時可參考的光束較多導致人工判斷難以判斷是否處于最佳的相對位置上。

技術實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種多光源投影儀的自動調焦方法與系統(tǒng)，其能夠進行自動調焦，并有效解決人工調焦或機械調焦所帶來的精度不準的問題。

本發(fā)明提供一種多光源投影儀的自動調焦方法，包括如下步驟：

S1：多光源投影儀向具有不同深度的多個空間平面投影出多個光束；

S2：采集模塊實時采集所述多個光束在所述多個空間平面的光斑圖像；

S3：根據(jù)所采集的光斑圖像，計算模塊實時計算清晰度的參數(shù)值；

S4：調焦模塊不斷調整光源的相對位置，重復步驟S1-S3；

S5：調焦模塊根據(jù)實時獲得的參數(shù)值獲取最佳參數(shù)值，并將光源調整至最佳位置。

優(yōu)選地，所述多光源投影儀包括多個垂直腔面激光器及光學元件，所述垂直腔面激光器具有相同的發(fā)光強度、發(fā)光面積及形狀，所述光學元件包括透鏡、衍射光學元件中的一種或兩種。

優(yōu)選地，所述多個空間平面包括：至少兩個與投影儀距離不等的平面，且每個平面上至少有一個光束。

優(yōu)選地，所述多個空間平面之間的最大深度差小于采集模塊的景深范圍。

優(yōu)選地，所述步驟S3包括：

S31：分別提取各個平面上光束對應的光斑圖像；

S32：對光斑圖像進行預處理；

S33：對預處理后的光斑圖像進行光斑識別；

S34：計算出各個平面上光斑的平均面積；

S35：根據(jù)不同平面上的平均面積計算光束的發(fā)散程度。

進一步地優(yōu)選，所述步驟S35中所述發(fā)散程度是通過各個平面上光斑的平均面積之間的標準偏差來衡量。

更進一步地優(yōu)選，所述標準偏差的表達公式為：

其中，N為平面的個數(shù)，S_i、分別為各個平面上的平均光斑面積以及它們的平均值。

更進一步地優(yōu)選，所述標準偏差的表達公式為：

其中，這里S_i指各個平面上的的平均光斑面積，m_i指各個平面所在位置處采集模塊的放大倍數(shù)。

進一步地優(yōu)選，所述步驟S5為：調焦模塊根據(jù)實時獲得的發(fā)散程度，將發(fā)散程度最小的值作為最佳參數(shù)值，將發(fā)散程度最小的位置做為調焦最佳位置。

本發(fā)明還提供一種多光源投影儀的自動調焦系統(tǒng)，包括多光源投影儀、采集模塊、計算模塊及調焦模塊，所述多光源投影儀用于向具有不同深度的多個空間平面投影出多個光束；所述采集模塊用于實時采集所述多個光束在所述多個空間平面的光斑圖像；所述計算模塊用于根據(jù)所采集的光斑圖像，實時計算清晰度的參數(shù)值；所述調焦模塊用于不斷調整光源的相對位置，并根據(jù)實時獲得的參數(shù)值獲取最佳參數(shù)值，并將光源調整至最佳位置。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明通過多光源投影儀、采集模塊、計算模塊和調焦模塊之間的相互配合，實現(xiàn)全自動實時調整。通過調焦模塊不斷調整光源的相對位置，采集模塊實時采集多光源投影儀投影出的多個光束在多個空間平面的光斑圖像，并利用計算模塊實時計算出光斑圖像的清晰度參數(shù)值，調焦模塊再根據(jù)獲得的參數(shù)值獲取最佳值并進行自動調焦。通過如上的方法實現(xiàn)自動調焦，能有效克服人工調焦所帶來的精度不高的問題，且大幅提升調焦效率。

附圖說明

圖1為多光源投影儀的自動調焦方法流程示意圖；

圖2為光源投影儀與相機的布置圖的示意圖；

圖3為相機采集的光束的光斑圖像示意圖；

圖4為單個光束的光斑圖像示意圖。

具體實施方式

下面結合具體實施方式并對照附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明，應該強調的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應用。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種多光源投影儀的自動調焦方法，包括如下步驟：S1：多光源投影儀向具有不同深度的多個空間平面投影出多個光束；S2：采集模塊實時采集所述多個光束在所述多個空間平面的光斑圖像；S3：根據(jù)所采集的光斑圖像，計算模塊實時計算清晰度的參數(shù)值；S4：調焦模塊不斷調整光源的相對位置，重復步驟S1-S3；S5：調焦模塊根據(jù)實時獲得的參數(shù)值獲取最佳參數(shù)值，并將光源調整至最佳位置。

多光源投影儀投影

多光源投影儀主要用于向空間中投影出多個光束以形成特定的圖案，例如：深度相機中所用的投影模組，光束形成的圖案為散斑圖案。

現(xiàn)有的多光源投影儀中，較常用的為激光投影儀，采用單個的邊發(fā)射激光器光源或垂直腔面發(fā)射激光器。本實施例優(yōu)選垂直腔面發(fā)射激光器，其具有發(fā)散角小、功耗及成本低、體積小易于集成等優(yōu)點。根據(jù)不同的應用需求，激光器選擇不同發(fā)射波長的光，如可見光、紫外光、紅外光等。

一般投影儀除了光源之外，還包含有光學元件，如準直透鏡等，光源發(fā)射出的光束經(jīng)準直透鏡后在方向上集中，使得出射光為平行光。特別地，對于深度相機而言，還包括有用于擴束的衍射光學元件(DOE)，DOE用于激光束整形，如：均勻化、準直、聚焦、形成特定圖案等。DOE與透鏡還可集成為一個光學元件，有利于減小體積，光束先后經(jīng)歷透鏡和DOE，使得出射光為多束平行光。

在光源投影儀的裝配過程中，光源與光學元件之間的距離根據(jù)具體的需求有特別的要求。一般地，當光源處在光學元件的焦距上，投影儀的光束無論是準直度還是強度都將達到最佳效果。以下將以此效果為目的來說明如何實現(xiàn)自動調焦。在其他需求中，盡管目的不一樣，但是都需要調整光源與光學元件的距離，如上所述的方法都可以適用。

光斑圖像采集

本發(fā)明是通過圖像處理的方式來實現(xiàn)自動調焦的，即利用采集模塊采集光束的光斑圖像，通過圖像處理的方式來判斷當前投影儀是否處于投影的最佳效果以及是否需要進行調整。采集模塊可以為相機等，所述相機包括一般的相機及深度相機等。

光斑圖像的采集方式如圖2所示，即利用投影儀向空間中具有不同深度的至少兩個平面投影光束圖案，然后利用相機采集該光斑圖像。圖2所示的為4個平面，深度分別為D1、D2、D3和D4，在后面的說明中將以這種方式進行說明。在其他實施中也可以有其他數(shù)量的平面，平面的具體排列也可以有其他形式，但需要注意以下幾點：

(1)各個平面應具有相同的紋理等信息，且在各個平面上至少有一個光束(光斑)；

(2)各個平面之間的最大深度差最好應處在采集相機的景深范圍內(nèi)。

其中(2)不是必要條件，而為優(yōu)選條件。因而隨著深度的差別，采集相機本身的焦距會影響到成像質量，會對最終的調焦產(chǎn)生影響。

值得注意的是，相機能接收的光波長與投影光波長應一致。比如當光源為紅外激光時，相機也應是紅外相機。

光斑圖像預處理

圖3為相機采集到的光束圖像示意圖。圖中顯示的總共有16個光束，分別位于四個不同深度的平面上，每個平面上有4個光束形成的光斑。

在實際獲取的圖像中，光斑的輪廓不一定非常明顯，因此首先需要對光斑圖像進行預處理，具體地，設定一個像素值閾值M，然后對圖像進行閾值篩選，當閾值大于M時保留該像素，當閾值小于M時將圖像的像素值設置為0。通過閾值篩選處理后，各個光斑有較為明顯的輪廓，以便于后續(xù)計算機的自動識別。

另一種方法是通過梯度計算來提取出光斑的輪廓，保留輪廓內(nèi)的圖像像素值，輪廓外部的圖像像素值設置為0。光斑的形狀也可以有其他形狀，比如方形、橢圓形等，在此不做限定。

光斑識別

圖像預處理后，不排除有一些離群點存在，這些離群點需要通過圖像算法的限定來消除其對光斑處理的影響，該步驟稱為光斑識別，是由計算機自動識別出光斑中的像素，并去除離群點的影響，具體步驟如下：

首先，利用類似于函數(shù)floodfill的搜索功能找到所有光斑封閉區(qū)域。舉例來說，按行以一定的步長(例如步長為5個像素)搜索像素值是否大于閾值M，若大于則以該點為起始點進行擴散搜索，判斷相鄰像素值是否大于M，若是則歸類為同一光斑封閉區(qū)域，直到檢索完該光斑中所有的像素。如圖4所示，亮色填充的像素即為搜索到的該光斑中的所有像素，而斜線填充的像素則視為其他“光斑”，實則是離群點。

其次，設定光斑的最小像素數(shù)量限定值。這一設定的目的是為了區(qū)分離群點與光斑，一般離群點為圖像中的噪聲，其包括的像素區(qū)域較小，而光斑則較大。

最后，將第一步中搜索到的封閉區(qū)域進行判定，包含的像素數(shù)量大于限定值的視為光斑，其他則視為離群點。

平面光斑面積計算

在光斑識別步驟中，實際上已經(jīng)計算出了各個光斑區(qū)域內(nèi)所包含的像素數(shù)量，這里將像素數(shù)量視為單個光斑區(qū)域的面積。將處于同一個平面上的各個光斑的面積進行平均計算就得到該平面上的平均光斑面積。

當各個平面上的光斑數(shù)量相同時，可以將每個平面上所有的光斑區(qū)域面積之和或者平均光斑面積視為該平面光斑面積用于下一步的處理；當各個平面上的光斑數(shù)量不相同時，優(yōu)選方式是將平均光斑面積視為該平面光斑面積用于下一步的處理。

以下的說明中，以平均光斑面積進行說明。

發(fā)散程度計算與自動調焦

由于光源本身的發(fā)光面積相同，在圖像中不同平面上的光斑的面積大小差別主要由以下兩個方面因素產(chǎn)生：

(1)光束的散度程度，當光束的散射角最小即聚焦效果最佳時，實際的光斑大小在不同的平面上應相同，而當散射角較大時，實際的光斑在不同的平面上的面積也不相同，具體而言是隨著距離增大而增大；

(2)采集相機成像由于深度不同所帶來的放大倍數(shù)不同導致圖像中光斑面積不同。

根據(jù)第(1)個因素可知，可以利用不同平面上光斑平均面積的接近程度來衡量當前投影儀中光源與光學元件之間的距離是否達到最佳效果。理論上而言，當各個平面上平均光斑面積相同時，達到最佳調焦效果。

在本實施例中，平均光斑面積的接近程度可以用標準偏差來衡量。即：

其中,N為平面的個數(shù),本實施例中N＝4。S_i、分別指各個平面上的的平均光斑面積以及它們的平均值。

標準偏差值越小表明各個表面上的光斑面積越接近，即調焦效果最佳。

然后由于上面所述的第(2)個因素同樣會對光斑面積產(chǎn)生影響，從而會影響到上述的衡量標準。舉例而言，假如當前的光束是發(fā)散的，在不同平面上的實際光斑面積會隨著距離增加而增大，然后根據(jù)成像原理，當距離增大時，放大倍數(shù)會減小，即在采集到的圖像中光斑面積會隨著距離增加而減小，由此會導致即使當前光束是發(fā)散的，而在采集到的圖像中光斑面積相同甚至變小的情形。

為了削除由采集相機放大倍數(shù)帶來的影響，可以通過以下兩個方式來消除：

一是將不同平面的深度變化范圍設置在采集相機的景深范圍內(nèi)，可以最大限度地降低放大倍數(shù)帶來的影響；

二是利用采集相機的內(nèi)部參數(shù)，根據(jù)不同的距離計算出相應的放大倍數(shù)，并對圖像中各個平面上的光斑面積進行補償。具體地，比如計算出在平面D1、D2、D3和D4上的放大倍數(shù)分別為m₁、m₂、m₃、m₄，經(jīng)補償后的平面光斑面積分別為：此時的標準差的計算公式變?yōu)椋?/p>

其中，

以上計算出標準差之后，就可以進行實時調焦了。具體地，即不斷調整光源與光學元件的位置，將標準偏差最小的位置做為調焦的最佳位置。調整的過程大致為：先利用控制設備將光學元件朝一個方向調整，判斷標準偏差的變化，若標準偏差變小，則繼續(xù)調整，若標準偏差變大，則改變調整的方向，以此方法調整直至標準偏差最小。

本發(fā)明結合了數(shù)字圖像處理技術，通過如上所述的以不同平面上的光束的發(fā)散程度作為衡量依據(jù)實現(xiàn)了多光源投影儀的自動調焦，該方法的精度高、速度快，克服了人工對單個光源或多光源進行調焦時精度不夠，速度慢的缺陷。

以上內(nèi)容是結合具體/優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，其還可以對這些已描述的實施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。