光源投影儀的自動調焦方法與系統與流程

本發明涉及光學技術及計算機技術領域，具體涉及一種光源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。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。

盡管垂直腔面發射激光器有諸多的優點，但在組裝過程中相對位置的調節則相對困難，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。與單個邊發射激光光源相比，由于光源數量上的增加，通過光學元件射出的光束數量也增多，在進行調節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。

技術實現要素：

為解決上述問題，本發明提供一種光源投影儀的自動調焦方法與系統，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。

本發明提供一種光源投影儀的自動調焦方法，包括如下步驟：

S1：光源投影儀向空間投影出至少一個光束；

S2：采集模塊采集所述光束的光斑圖像；

S3：根據所采集的光斑圖像，計算模塊實時計算清晰度的參數值；

S4：調焦模塊不斷調整光源的相對位置，重復步驟S1-S3；

S4：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。

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

優選地，所述步驟S3包括：根據所采集的光斑圖像，計算模塊計算光斑圖像的像素區域大小和/或像素區域像素值，或光斑圖像的邊緣亮度梯度。

進一步地優選，所述計算模塊計算光斑圖像的像素區域大小包括：

S311：對光斑圖像進行預處理；

S312：對預處理后的光斑圖像進行光斑識別；

S313：計算各光斑區域內的像素數量；

S314：將各光斑區域內的像素數量的總和或平均作為光斑圖像的像素區域大小。

進一步地優選，所述計算模塊計算光斑圖像的像素區域像素值包括：

S321：對光斑圖像進行預處理；

S322：對預處理后的光斑圖像進行光斑識別；

S323：計算各光斑區域內的各像素的像素值；

S324：將各光斑區域內的像素值的總和或平均作為光斑圖像的像素區域像素值。

進一步地優選，所述步驟S3中計算模塊計算光斑圖像的邊緣亮度梯度包括：

S331：對光斑圖像進行預處理；

S332：對預處理后的光斑圖像進行光斑識別；

S333：計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。

更進一步地優選，所述步驟S333計算光斑區域的邊緣亮度梯度通過如下公式計算：

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

更進一步地優選，所述對光斑圖像進行預處理包括：設定像素值閾值，對圖像進行閾值篩選。

進一步地優選，所述步驟S5包括：調焦模塊將光斑圖像的像素區域大小的最小值作為最佳參數值，并將光源調整至最佳位置。

進一步地優選，所述步驟S5包括：調焦模塊將光斑圖像的像素區域像素值的最大值作為最佳參數值，并將光源調整至最佳位置。

進一步地優選，所述步驟S5包括：調焦模塊將光斑圖像的像素區域像素值與像素區域大小的比值的最大值作為最佳參數值，并將光源調整至最佳位置。

進一步地優選，所述步驟S4包括：調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值，并將光源調整至最佳位置。

本發明還提供一種光源投影儀的自動調焦系統，包括光源投影儀、采集模塊、計算模塊及調焦模塊，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時采集所述光束的光斑圖像；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。

本發明的有益效果：本發明通過光源投影儀、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，采集模塊實時采集光源投影儀投影出的光束的光斑圖像，并利用計算模塊實時計算出光斑圖像的清晰度參數值，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相對布置位置為間接式的示意圖；

圖3為光源投影儀與相機的相對布置位置為直接式的示意圖；

圖4為相機采集的光束的光斑圖像示意圖；

圖5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，本發明提供一種光源投影儀的自動調焦方法，包括如下步驟：S1：光源投影儀向空間投影出至少一個光束；S2：采集模塊實時采集所述光束的光斑圖像；S3：根據所采集的光斑圖像，計算模塊實時計算清晰度的參數值；S4：調焦模塊不斷調整光源的相對位置，重復步驟S1-S3；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。

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：深度相機中所用的投影模組，光束形成的圖案為散斑圖案。當光源投影儀為單一光源投影儀時，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，采用單個的邊發射激光器光源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；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束圖案，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，但由于光束行程的增加，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。

光斑圖像預處理

圖4為相機采集到的光斑圖像示意圖。圖中顯示的總共有16個光斑，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，以便于后續計算機的自動識別。

在另一種實施例中，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floodfill的搜索功能找到所有光斑封閉區域。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”，實則是離群點。

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

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

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。

光斑區域邊緣亮度梯度計算

光斑區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維度，可以通過以下公式進行計算：

其中，P(x,y)表示光斑區域的邊緣像素點，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束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四種方式進行調焦：

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。

4)根據光斑區域的邊緣亮度梯度進行調焦，即不斷調整并計算出邊緣亮度梯度，將邊緣亮度梯度最大的位置作為調焦最佳位置。

本發明結合了數字圖像處理技術，通過如上所述的以光斑大小、亮度、亮度梯度作為衡量依據實現了光源投影儀的自動調焦，特別是針對于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。