本發(fā)明涉及光學(xué)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光源投影儀的自動(dòng)調(diào)焦方法與系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

光學(xué)測(cè)量中常常會(huì)用到激光投影儀，特別目前基于結(jié)構(gòu)光的深度相機(jī)的產(chǎn)生及廣泛應(yīng)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(gè)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(diǎn)將會(huì)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(diǎn)，但在組裝過程中相對(duì)位置的調(diào)節(jié)則相對(duì)困難，這里的相對(duì)位置指的是光源與準(zhǔn)直透鏡之間或其他光學(xué)元件之間的距離。與單個(gè)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(xué)元件射出的光束數(shù)量也增多，在進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)可參考的光束較多導(dǎo)致人工判斷難以判斷是否處于最佳的相對(duì)位置上。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種光源投影儀的自動(dòng)調(diào)焦方法與系統(tǒng)，其能夠進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦，并有效解決人工調(diào)焦或機(jī)械調(diào)焦所帶來的精度不準(zhǔn)的問題。

本發(fā)明提供一種光源投影儀的自動(dòng)調(diào)焦方法，包括如下步驟：

S1：光源投影儀向空間投影出至少一個(gè)光束；

S2：采集模塊采集所述光束的光斑圖像；

S3：根據(jù)所采集的光斑圖像，計(jì)算模塊實(shí)時(shí)計(jì)算清晰度的參數(shù)值；

S4：調(diào)焦模塊不斷調(diào)整光源的相對(duì)位置，重復(fù)步驟S1-S3；

S4：調(diào)焦模塊將實(shí)時(shí)獲得的參數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，獲取最佳參數(shù)值，根據(jù)最佳參數(shù)值將光源調(diào)整至最佳位置。

優(yōu)選地，所述光源投影儀包括光源和光學(xué)元件；所述光源包括單光和多光源，所述多光源包括多個(gè)垂直腔面激光器；所述光學(xué)元件包括透鏡、衍射光學(xué)元件中的一種或兩種。

優(yōu)選地，所述步驟S3包括：根據(jù)所采集的光斑圖像，計(jì)算模塊計(jì)算光斑圖像的像素區(qū)域大小和/或像素區(qū)域像素值，或光斑圖像的邊緣亮度梯度。

進(jìn)一步地優(yōu)選，所述計(jì)算模塊計(jì)算光斑圖像的像素區(qū)域大小包括：

S311：對(duì)光斑圖像進(jìn)行預(yù)處理；

S312：對(duì)預(yù)處理后的光斑圖像進(jìn)行光斑識(shí)別；

S313：計(jì)算各光斑區(qū)域內(nèi)的像素?cái)?shù)量；

S314：將各光斑區(qū)域內(nèi)的像素?cái)?shù)量的總和或平均作為光斑圖像的像素區(qū)域大小。

進(jìn)一步地優(yōu)選，所述計(jì)算模塊計(jì)算光斑圖像的像素區(qū)域像素值包括：

S321：對(duì)光斑圖像進(jìn)行預(yù)處理；

S322：對(duì)預(yù)處理后的光斑圖像進(jìn)行光斑識(shí)別；

S323：計(jì)算各光斑區(qū)域內(nèi)的各像素的像素值；

S324：將各光斑區(qū)域內(nèi)的像素值的總和或平均作為光斑圖像的像素區(qū)域像素值。

進(jìn)一步地優(yōu)選，所述步驟S3中計(jì)算模塊計(jì)算光斑圖像的邊緣亮度梯度包括：

S331：對(duì)光斑圖像進(jìn)行預(yù)處理；

S332：對(duì)預(yù)處理后的光斑圖像進(jìn)行光斑識(shí)別；

S333：計(jì)算各光斑的邊緣亮度梯度；

S334：將各光斑的邊緣亮度梯度的總和或平均作為光斑圖像的邊緣亮度梯度。

更進(jìn)一步地優(yōu)選，所述步驟S333計(jì)算光斑區(qū)域的邊緣亮度梯度通過如下公式計(jì)算：

其中P(x,y)表示光斑區(qū)域的邊緣像素點(diǎn)，沿x方向上的的梯度表示為：沿y方向上的梯度表示為：

更進(jìn)一步地優(yōu)選，所述對(duì)光斑圖像進(jìn)行預(yù)處理包括：設(shè)定像素值閾值，對(duì)圖像進(jìn)行閾值篩選。

進(jìn)一步地優(yōu)選，所述步驟S5包括：調(diào)焦模塊將光斑圖像的像素區(qū)域大小的最小值作為最佳參數(shù)值，并將光源調(diào)整至最佳位置。

進(jìn)一步地優(yōu)選，所述步驟S5包括：調(diào)焦模塊將光斑圖像的像素區(qū)域像素值的最大值作為最佳參數(shù)值，并將光源調(diào)整至最佳位置。

進(jìn)一步地優(yōu)選，所述步驟S5包括：調(diào)焦模塊將光斑圖像的像素區(qū)域像素值與像素區(qū)域大小的比值的最大值作為最佳參數(shù)值，并將光源調(diào)整至最佳位置。

進(jìn)一步地優(yōu)選，所述步驟S4包括：調(diào)焦模塊將光斑圖像的邊緣亮度梯度的最大值作為最佳參數(shù)值，并將光源調(diào)整至最佳位置。

本發(fā)明還提供一種光源投影儀的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，包括光源投影儀、采集模塊、計(jì)算模塊及調(diào)焦模塊，所述光源投影儀用于向空間投影出光束；所述采集模塊用于實(shí)時(shí)采集所述光束的光斑圖像；所述計(jì)算模塊用于根據(jù)所采集的光斑圖像，實(shí)時(shí)計(jì)算清晰度的參數(shù)值；所述調(diào)焦模塊用于不斷調(diào)整光源的相對(duì)位置，并根據(jù)實(shí)時(shí)獲得的參數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，獲取最佳參數(shù)值，根據(jù)最佳參數(shù)值將光源調(diào)整至最佳位置。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明通過光源投影儀、采集模塊、計(jì)算模塊和調(diào)焦模塊之間的相互配合，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)整。通過調(diào)焦模塊不斷調(diào)整光源的相對(duì)位置，采集模塊實(shí)時(shí)采集光源投影儀投影出的光束的光斑圖像，并利用計(jì)算模塊實(shí)時(shí)計(jì)算出光斑圖像的清晰度參數(shù)值，調(diào)焦模塊再對(duì)得到的參數(shù)值進(jìn)行比較，獲取最佳值并進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦。通過如上的方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦，能有效克服人工調(diào)焦所帶來的精度不高的問題，且大幅提升調(diào)焦效率。

附圖說明

圖1為光源投影儀的自動(dòng)調(diào)焦方法流程示意圖；

圖2為光源投影儀與相機(jī)的相對(duì)布置位置為間接式的示意圖；

圖3為光源投影儀與相機(jī)的相對(duì)布置位置為直接式的示意圖；

圖4為相機(jī)采集的光束的光斑圖像示意圖；

圖5為單個(gè)光束的光斑圖像示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式并對(duì)照附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)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(yīng)用。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種光源投影儀的自動(dòng)調(diào)焦方法，包括如下步驟：S1：光源投影儀向空間投影出至少一個(gè)光束；S2：采集模塊實(shí)時(shí)采集所述光束的光斑圖像；S3：根據(jù)所采集的光斑圖像，計(jì)算模塊實(shí)時(shí)計(jì)算清晰度的參數(shù)值；S4：調(diào)焦模塊不斷調(diào)整光源的相對(duì)位置，重復(fù)步驟S1-S3；S5：調(diào)焦模塊將實(shí)時(shí)獲得的參數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，獲取最佳參數(shù)值，根據(jù)最佳參數(shù)值將光源調(diào)整至最佳位置。

光源投影儀投影

光源投影儀包含單一光源投影儀和多光源投影儀，主要用于向空間中投影出光束以形成特定的圖案，例如：深度相機(jī)中所用的投影模組，光束形成的圖案為散斑圖案。當(dāng)光源投影儀為單一光源投影儀時(shí)，其投影出的光束為一束；如果光源投影儀為多光源投影儀，其投影出的光束為多束。

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(gè)的邊發(fā)射激光器光源或垂直腔面發(fā)射激光器。本實(shí)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(diǎn)。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，激光器選擇不同發(fā)射波長(zhǎng)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(xué)元件，如準(zhǔn)直透鏡等，光源發(fā)射出的光束經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后在方向上集中，使得出射光為平行光。特別地，對(duì)于深度相機(jī)而言，還包括有用于擴(kuò)束的衍射光學(xué)元件(DOE)，DOE用于激光束整形，如：均勻化、準(zhǔn)直、聚焦、形成特定圖案等；在DOE的作用下，無論是單光源還是多光源投影儀，光束被分成多束。DOE與透鏡還可集成為一個(gè)光學(xué)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(xué)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(dāng)光源處在光學(xué)元件的焦距上，投影儀的光束無論是準(zhǔn)直度還是強(qiáng)度都將達(dá)到最佳效果。以下將以此效果為目的來說明如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦。在其他需求中，盡管目的不一樣，但是都需要調(diào)整光源與光學(xué)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)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(dāng)前投影儀是否處于投影的最佳效果以及是否需要進(jìn)行調(diào)整。采集模塊可以為相機(jī)等，所述相機(jī)包括一般的相機(jī)及深度相機(jī)等。

光斑圖像的采集方式可以有間接式與直接式兩種，分別如圖2與圖3所示。圖2所示的是利用投影儀向空間一平面投影光束圖案，然后利用相機(jī)采集該圖像；而圖3則是利用投影儀直接向相機(jī)進(jìn)行投影，由相機(jī)采集該圖像。一般情形下利用前者，盡管需要額外的平面裝置，但由于光束行程的增加，其形成的光斑大小也較大，由相機(jī)采集到的圖像更容易進(jìn)行圖像處理與識(shí)別。

值得注意的是，相機(jī)能接收的光波長(zhǎng)與投影光波長(zhǎng)應(yīng)一致。比如當(dāng)光源為紅外激光時(shí)，相機(jī)也應(yīng)是紅外相機(jī)。

光斑圖像預(yù)處理

圖4為相機(jī)采集到的光斑圖像示意圖。圖中顯示的總共有16個(gè)光斑，在實(shí)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(duì)光斑圖像進(jìn)行預(yù)處理，具體地，設(shè)定一個(gè)像素值閾值M，然后對(duì)圖像進(jìn)行閾值篩選，當(dāng)閾值大于M時(shí)保留該像素，當(dāng)閾值小于M時(shí)將圖像的像素值設(shè)置為0。通過閾值篩選處理后，各個(gè)光斑有較為明顯的輪廓，以便于后續(xù)計(jì)算機(jī)的自動(dòng)識(shí)別。

在另一種實(shí)施例中，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(shí)別

圖像預(yù)處理后，不排除有一些離群點(diǎn)存在，這些離群點(diǎn)需要通過圖像算法的限定來消除其對(duì)光斑處理的影響，該步驟稱為光斑識(shí)別，是由計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別出光斑中的像素，并去除離群點(diǎn)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(zhǎng)(例如步長(zhǎng)為5個(gè)像素)搜索像素值是否大于閾值M，若大于則以該點(diǎn)為起始點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)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5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(shí)則是離群點(diǎn)。

其次，設(shè)定光斑的最小像素?cái)?shù)量限定值。這一設(shè)定的目的是為了區(qū)分離群點(diǎn)與光斑，一般離群點(diǎn)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(jìn)行判定，包含的像素?cái)?shù)量大于限定值的視為光斑，其他則視為離群點(diǎn)。

光斑區(qū)域大小計(jì)算

在光斑識(shí)別步驟中，實(shí)際上已經(jīng)計(jì)算出了各個(gè)光斑區(qū)域內(nèi)所包含的像素?cái)?shù)量，這里將像素?cái)?shù)量視為單個(gè)光斑區(qū)域大小。

本發(fā)明中是需要衡量對(duì)所有光源的聚焦效果，因而需要計(jì)算整幅圖像的光斑大小，這里采用了兩種方式，一種是將圖像中所有的光斑大小求和；另一種是將圖像中光斑大小進(jìn)行求平均。

在其他實(shí)施例中，也可以有其他的表達(dá)光斑區(qū)域大小的方式，比如百分比形式等等，只要效果上是等同于衡量光斑區(qū)域大小的方式都應(yīng)被包含在本發(fā)明之中。

光斑區(qū)域亮度計(jì)算

圖像中像素值反映了光斑區(qū)域的亮度。首先提取各光斑區(qū)域內(nèi)各像素的像素值；其次計(jì)算所有光斑像素值的總和或單個(gè)光斑像素值的平均值；最后將所有光斑像素值的總和或平均值作為光斑圖像的像素區(qū)域像素值。

在其他實(shí)施例中，也可以有其他的表達(dá)光斑區(qū)域亮度的方式，比如百分比形式等等，只要效果上是等同于衡量光斑區(qū)域大小的方式都應(yīng)被包含在本發(fā)明之中。

光斑區(qū)域邊緣亮度梯度計(jì)算

光斑區(qū)域邊緣亮度梯度能夠反映光斑的集中程度。由于圖像是二維圖像，因而亮度梯度需要考慮兩個(gè)維度，可以通過以下公式進(jìn)行計(jì)算：

其中，P(x,y)表示光斑區(qū)域的邊緣像素點(diǎn)，沿x方向上的的梯度表示為：沿y方向上的梯度表示為：梯度也可以由其他表示方法。

最后將所有光斑的邊緣亮度梯度的總和或平均值作為光斑圖像的邊緣亮度梯度。

自動(dòng)調(diào)焦

投影儀中光源與光學(xué)元件的位置是否達(dá)到最佳直接決定了光束圖案中光斑區(qū)域的大小與區(qū)域的亮度。具體地，光斑區(qū)域最小時(shí)位置達(dá)到最佳；光斑亮度最強(qiáng)時(shí)位置達(dá)到最佳。自動(dòng)調(diào)整即是通過即時(shí)的調(diào)整距離以及對(duì)圖像采集和判斷，當(dāng)光斑區(qū)域大小或/和光斑亮度最強(qiáng)時(shí)則調(diào)整結(jié)束。

在這里可以通過以下四種方式進(jìn)行調(diào)焦：

1)根據(jù)光斑區(qū)域的像素區(qū)域大小進(jìn)行調(diào)焦，即不斷調(diào)整并計(jì)算出像素區(qū)域大小，將像素區(qū)域大小最小的位置做為調(diào)焦最佳位置。

2)根據(jù)光斑區(qū)域的像素區(qū)域像素值進(jìn)行調(diào)焦，即不斷調(diào)整并計(jì)算出像素區(qū)域像素值，將像素區(qū)域像素值最大的位置做為調(diào)焦最佳位置。

3)根據(jù)光斑區(qū)域的像素區(qū)域大小和像素值進(jìn)行調(diào)焦，即不斷調(diào)整并計(jì)算出像素區(qū)域大小以及像素值，將像素區(qū)域像素值與像素區(qū)域大小比值最大的位置做為調(diào)焦最佳位置。

4)根據(jù)光斑區(qū)域的邊緣亮度梯度進(jìn)行調(diào)焦，即不斷調(diào)整并計(jì)算出邊緣亮度梯度，將邊緣亮度梯度最大的位置作為調(diào)焦最佳位置。

本發(fā)明結(jié)合了數(shù)字圖像處理技術(shù)，通過如上所述的以光斑大小、亮度、亮度梯度作為衡量依據(jù)實(shí)現(xiàn)了光源投影儀的自動(dòng)調(diào)焦，特別是針對(duì)于多光源投影儀的自動(dòng)調(diào)焦，該方法的精度高、速度快，克服了人工對(duì)單個(gè)光源或多光源進(jìn)行調(diào)焦時(shí)精度不夠，速度慢的缺陷。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體/優(yōu)選的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，其還可以對(duì)這些已描述的實(shí)施方式做出若干替代或變型，而這些替代或變型方式都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。