本發明涉及光學技術及計算機技術領域，具體涉及一種激光光斑識別及激光投影儀的自動調焦方法與系統。

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展。一般地，激光投影儀由光源以及由透鏡等組成的光學元件組成，目前大部分的激光投影儀采用的是單個的邊發射激光器光源，隨著激光器的不斷發展，垂直腔面激光器由于其發散角小、功耗及成本低、體積小易于集成等優點將會被越來越多的激光投影儀采用。

在激光投影儀的組裝過程中，光源與透鏡之間相對位置的調節非常重要，相對位置將直接影響到激光向外發射的準直性。相對位置的精確調節仍是比較困難的問題，特別是多光源的投影儀。目前精確調節相對位置的過程一般都需要人工參與，即使利用計算機、控制理論來進行自動調節也不可避免地需要人為輔助。

激光投影儀調焦過程中往往需要根據光斑來進行調焦。而目前已有的光斑識別方法中，常用的有閾值法、梯度法、重心法等，這些方法均受到所獲取的激光光斑圖像中像素值的影響，比如閾值法以及梯度法；激光強度也會直接影響到閾值以及梯度閾值的選取，在不同的激光發射功率或者不同的反射物下，對獲取的光斑圖像利用同一閾值會得到不同大小的光斑輪廓。因此閾值等的選取往往需要人工來設定，其精確性難以得到保證。

技術實現要素：

為解決上述問題，本發明提供一種激光光斑的識別方法及激光投影儀的自動調焦方法與系統，其能夠進行光斑的精確識別及激光投影儀的自動調焦，有效解決人工調焦或機械調焦所帶來的精度不準的問題。

本發明提供一種激光光斑的識別方法，包括如下步驟：A1：采集模塊采集光斑圖像；A2：識別模塊對采集的光斑圖像求取二階導數后提取光斑的輪廓進行光斑識別。

本發明還提供一種激光投影儀的自動調焦方法，包括如下步驟：

S1：激光投影儀向空間投影出至少一個光束；S2：采集模塊實時采集所述光斑圖像，識別模塊對采集的光斑圖像求取二階導數后提取光斑的輪廓進行激光光斑識別；S3：計算模塊實時計算光斑圖像清晰度的參數值；S4：調焦模塊不斷調整光源的相對位置，重復步驟S1-S4；S5：調焦模塊將實時獲得的參數值進行對比，獲取最佳參數值，根據最佳參數值將光源調整至最佳位置。

本發明還提供一種激光投影儀的自動調焦系統，包括激光投影儀、采集模塊、識別模塊、計算模塊及調焦模塊，所述激光投影儀用于向空間投影出至少一個光束；所述采集模塊用于實時采集所述光束的光斑圖像；所述識別模塊用于激光光斑的識別；所述計算模塊用于根據所采集的光斑圖像，實時計算清晰度的參數值；所述調焦模塊用于不斷調整光源的相對位置，并根據實時獲得的參數值獲取最佳參數值，并將光源調整至最佳位置。

本發明的有益效果：本發明通過光斑強度分布的二階導數，提取光斑輪廓進行光斑識別，能有效避免激光發射功率、激光強度、圖像中像素值或環境等的影響，比現有的利用閾值法、梯度法、重心法等光斑識別方法具有更高的精確度。

本發明還通過激光投影儀、采集模塊、識別模塊、計算模塊和調焦模塊之間的相互配合，實現全自動實時調整。先通過調焦模塊不斷調整光源的相對位置，采集模塊實時采集激光投影儀投影出的光斑圖像，再通過識別模塊精準地識別出光斑，再利用計算模塊實時計算出光斑圖像的清晰度參數值，最后調焦模塊再對得到的參數值進行比較，獲取最佳值并進行自動調焦。通過如上的方法實現自動調焦，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為激光投影儀的自動調焦方法流程示意圖；

圖2為激光投影儀與相機的相對布置位置為間接式的示意圖；

圖3為激光投影儀與相機的相對布置位置為直接式的示意圖；

圖4a為光斑圖像的強度沿x方向的分布圖；

圖4b為光斑圖像的強度梯度沿x方向的分布圖；

圖5為激光光斑圖像示意圖；

圖6為激光光斑的二階導數圖像示意圖。

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明的范圍及其應用。

如圖1所示，本發明提供一種激光投影儀的自動調焦方法，包括如下步驟：

S1：激光投影儀向空間投影出至少一個光束；

S2：采集模塊實時采集所述光束的光斑圖像；

S3：識別模塊根據光斑強度分布的二階導數進行激光光斑識別。

S4：計算模塊實時計算光斑圖像清晰度的參數值；

S5：調焦模塊不斷調整光源的相對位置，重復步驟S1-S4；

S6：調焦模塊將實時獲得的參數值進行對比，獲取最佳參數值，根據最佳參數值將光源調整至最佳位置。

激光投影儀投影

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

現有的激光投影儀中，較常用的光源為邊發射激光器或垂直腔面發射激光器。本實施例優選垂直腔面發射激光器，其具有發散角小、功耗及成本低、體積小易于集成等優點。根據不同的應用需求，激光器選擇不同發射波長的光，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，光源發射出的光束經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，光束先后經歷透鏡和DOE，使得出射光為多束平行光。

在激光投影儀的裝配過程中，光源與光學元件之間的距離根據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

本發明是通過圖像處理的方式來實現自動調焦的，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斑圖案，然后利用相機采集該圖像；而圖3則是利用投影儀直接向相機進行投影，由相機采集該圖像。一般情形下利用前者，盡管需要額外的平面裝置，但由于光斑行程的增加，其形成的光斑大小也較大，由相機采集到的圖像更容易進行圖像處理與識別。

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。

光斑識別

一般地，激光光斑的強度分布滿足高斯分布，為簡化起見，可以用以下公式表示：

P＝K·exp[-Ar²] 公式(1)

其中，P表示激光強度，K、A由激光本身的屬性以及傳播的距離等因素決定，在激光以及圖像接收位置確定后可以將這兩個參數看成是常數；r為光斑中任意一點到激光中心點的距離。

由上式可知，激光光斑的強度分布是連續的，因而并不存在明顯的邊緣輪廓。目前已有的光斑識別方法中，常用的有閾值法、梯度法、重心法等，這些方法均受到所獲取的激光光斑圖像中像素值的影響，比如閾值法以及梯度法；激光強度會直接影響到閾值以及梯度閾值的選取，在不同的激光發射功率或者不同的反射物下，對獲取的光斑圖像利用同一閾值會得到不同大小的光斑輪廓。因此閾值等的選取往往需要人工來設定，其精確性難以得到保證。

借助于公式(1)，僅考慮沿某個方向，如x方向，可以得到：光斑圖像的強度分布圖如圖4a，光斑圖像的強度梯度分布圖如圖4b；從圖4a和4b中可以看到，僅根據強度本身及其梯度難以獲取其激光的輪廓。而對于公式(1)的二階導數，沿x方向，有兩個明顯的極大值點，且該極大值點并不會因為激光發射功率或者環境等的影響，本發明中將利用該特性，將極大值點所在的位置做為激光的輪廓，用于識別激光光斑。

由于如上僅考慮了一個方向上的情況，對于二維的圖像而言，其二階導數可以利用以下公式求得：

其中，P(x,y)指的是圖像中像素(x,y)位置處的像素值。

根據以上分析，在采集到激光光斑所形成的圖像后，利用公式(2)計算出圖像的二階導數，然后通過搜索圖像中的極大值點，極大值點所在的位置即認為是光斑的輪廓，如圖5和圖6所示。輪廓內的像素數量可以用來計算光斑區域的大小，輪廓內的像素值可以用于計算光斑區域的亮度。

光斑區域大小計算

在光斑識別步驟中，實際上已經計算出了各個光斑區域內所包含的像素數量，這里將像素數量視為單個光斑區域大小。

本發明中是需要衡量對所有光源的聚焦效果，因而需要計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行求平均。

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

光斑區域亮度計算

圖像中像素值反映了光斑區域的亮度。首先提取各光斑區域內各像素的像素值；其次計算所有光斑像素值的總和或單個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域像素值。

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

自動調焦

投影儀中光源與光學元件的位置是否達到最佳直接決定了光斑圖案中光斑區域的大小與區域的亮度。具體地，光斑區域最小時位置達到最佳；光斑亮度最強時位置達到最佳。自動調整即是通過即時的調整距離以及對圖像采集和判斷，當光斑區域大小或/和光斑亮度最強時則調整結束。

在這里可以通過以下三種方式進行調焦：

1)根據光斑區域的像素區域大小進行調焦，即不斷調整并計算出像素區域大小，將像素區域大小最小的位置做為調焦最佳位置。

2)根據光斑區域的像素區域像素值進行調焦，即不斷調整并計算出像素區域像素值，將像素區域像素值最大的位置做為調焦最佳位置。

3)根據光斑區域的像素區域大小和像素值進行調焦，即不斷調整并計算出像素區域大小以及像素值，將像素區域像素值與像素區域大小比值最大的位置做為調焦最佳位置。

本發明結合了數字圖像處理技術，首先通過光斑強度分布的二階導數，提取光斑輪廓進行光斑識別，能有效避免激光發射功率、激光強度、圖像中像素值或環境等的影響，比現有的利用閾值法、梯度法、重心法等具有更高的精確度。后通過如上所述的以光斑大小、亮度作為衡量依據實現了激光投影儀的自動調焦，特別是針對于多光源激光投影儀的自動調焦，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。

以上內容是結合具體/優選的實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，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明的保護范圍。