本發(fā)明涉及光學(xué)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多光源投影儀的自動(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(lái)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(guò)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(guò)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(wèn)題，本發(fā)明提供一種多光源投影儀的自動(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(lái)的精度不準(zhǔn)的問(wèn)題。

本發(fā)明提供一種多光源投影儀的自動(dòng)調(diào)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(gè)空間平面投影出多個(gè)光束；

S2：采集模塊實(shí)時(shí)采集所述多個(gè)光束在所述多個(gè)空間平面的光斑圖像；

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)焦模塊根據(jù)實(shí)時(shí)獲得的參數(shù)值獲取最佳參數(shù)值，并將光源調(diào)整至最佳位置。

優(yōu)選地，所述多光源投影儀包括多個(gè)垂直腔面激光器及光學(xué)元件，所述垂直腔面激光器具有相同的發(fā)光強(qiáng)度、發(fā)光面積及形狀，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，所述多個(gè)空間平面包括：至少兩個(gè)與投影儀距離不等的平面，且每個(gè)平面上至少有一個(gè)光束。

優(yōu)選地，所述多個(gè)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(gè)平面上光束對(duì)應(yīng)的光斑圖像；

S32：對(duì)光斑圖像進(jìn)行預(yù)處理；

S33：對(duì)預(yù)處理后的光斑圖像進(jìn)行光斑識(shí)別；

S34：計(jì)算出各個(gè)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(jì)算光束的發(fā)散程度。

進(jìn)一步地優(yōu)選，所述步驟S35中所述發(fā)散程度是通過(guò)各個(gè)平面上光斑的平均面積之間的標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)衡量。

更進(jìn)一步地優(yōu)選，所述標(biāo)準(zhǔn)偏差的表達(dá)公式為：

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

更進(jìn)一步地優(yōu)選，所述標(biāo)準(zhǔn)偏差的表達(dá)公式為：

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

進(jìn)一步地優(yōu)選，所述步驟S5為：調(diào)焦模塊根據(jù)實(shí)時(shí)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(diào)焦最佳位置。

本發(fā)明還提供一種多光源投影儀的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，包括多光源投影儀、采集模塊、計(jì)算模塊及調(diào)焦模塊，所述多光源投影儀用于向具有不同深度的多個(gè)空間平面投影出多個(gè)光束；所述采集模塊用于實(shí)時(shí)采集所述多個(gè)光束在所述多個(gè)空間平面的光斑圖像；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)值獲取最佳參數(shù)值，并將光源調(diào)整至最佳位置。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明通過(guò)多光源投影儀、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(guò)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)采集多光源投影儀投影出的多個(gè)光束在多個(gè)空間平面的光斑圖像，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)焦模塊再根據(jù)獲得的參數(shù)值獲取最佳值并進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦。通過(guò)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(lái)的精度不高的問(wèn)題，且大幅提升調(diào)焦效率。

附圖說(shuō)明

圖1為多光源投影儀的自動(dòng)調(diào)焦方法流程示意圖；

圖2為光源投影儀與相機(jī)的布置圖的示意圖；

圖3為相機(jī)采集的光束的光斑圖像示意圖；

圖4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(shuō)明，應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說(shuō)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)明提供一種多光源投影儀的自動(dòng)調(diào)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(gè)空間平面投影出多個(gè)光束；S2：采集模塊實(shí)時(shí)采集所述多個(gè)光束在所述多個(gè)空間平面的光斑圖像；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)焦模塊根據(jù)實(shí)時(shí)獲得的參數(shù)值獲取最佳參數(shù)值，并將光源調(diào)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(gè)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。

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。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(guò)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(wú)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(lái)說(shuō)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(guò)圖像處理的方式來(lái)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(guò)圖像處理的方式來(lái)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(gè)平面投影光束圖案，然后利用相機(jī)采集該光斑圖像。圖2所示的為4個(gè)平面，深度分別為D1、D2、D3和D4，在后面的說(shuō)明中將以這種方式進(jìn)行說(shuō)明。在其他實(shí)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(diǎn)：

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

(2)各個(gè)平面之間的最大深度差最好應(yīng)處在采集相機(jī)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(jī)本身的焦距會(huì)影響到成像質(zhì)量，會(huì)對(duì)最終的調(diào)焦產(chǎn)生影響。

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

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(guò)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。

另一種方法是通過(guò)梯度計(jì)算來(lái)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(shè)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(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(guò)圖像算法的限定來(lái)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(lái)說(shuō)，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(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)。

平面光斑面積計(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)域的面積。將處于同一個(gè)平面上的各個(gè)光斑的面積進(jìn)行平均計(jì)算就得到該平面上的平均光斑面積。

當(dāng)各個(gè)平面上的光斑數(shù)量相同時(shí)，可以將每個(gè)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(dāng)各個(gè)平面上的光斑數(shù)量不相同時(shí)，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(shuō)明中，以平均光斑面積進(jìn)行說(shuō)明。

發(fā)散程度計(jì)算與自動(dòng)調(diào)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(gè)方面因素產(chǎn)生：

(1)光束的散度程度，當(dāng)光束的散射角最小即聚焦效果最佳時(shí)，實(shí)際的光斑大小在不同的平面上應(yīng)相同，而當(dāng)散射角較大時(shí)，實(shí)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(jī)成像由于深度不同所帶來(lái)的放大倍數(shù)不同導(dǎo)致圖像中光斑面積不同。

根據(jù)第(1)個(gè)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(lái)衡量當(dāng)前投影儀中光源與光學(xué)元件之間的距離是否達(dá)到最佳效果。理論上而言，當(dāng)各個(gè)平面上平均光斑面積相同時(shí)，達(dá)到最佳調(diào)焦效果。

在本實(shí)施例中，平均光斑面積的接近程度可以用標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)衡量。即：

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

標(biāo)準(zhǔn)偏差值越小表明各個(gè)表面上的光斑面積越接近，即調(diào)焦效果最佳。

然后由于上面所述的第(2)個(gè)因素同樣會(huì)對(duì)光斑面積產(chǎn)生影響，從而會(huì)影響到上述的衡量標(biāo)準(zhǔn)。舉例而言，假如當(dāng)前的光束是發(fā)散的，在不同平面上的實(shí)際光斑面積會(huì)隨著距離增加而增大，然后根據(jù)成像原理，當(dāng)距離增大時(shí)，放大倍數(shù)會(huì)減小，即在采集到的圖像中光斑面積會(huì)隨著距離增加而減小，由此會(huì)導(dǎo)致即使當(dāng)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(jī)放大倍數(shù)帶來(lái)的影響，可以通過(guò)以下兩個(gè)方式來(lái)消除：

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

二是利用采集相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)，根據(jù)不同的距離計(jì)算出相應(yīng)的放大倍數(shù)，并對(duì)圖像中各個(gè)平面上的光斑面積進(jìn)行補(bǔ)償。具體地，比如計(jì)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(bǔ)償后的平面光斑面積分別為：此時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算公式變?yōu)椋?/p>

其中，

以上計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)差之后，就可以進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)焦了。具體地，即不斷調(diào)整光源與光學(xué)元件的位置，將標(biāo)準(zhǔn)偏差最小的位置做為調(diào)焦的最佳位置。調(diào)整的過(guò)程大致為：先利用控制設(shè)備將光學(xué)元件朝一個(gè)方向調(diào)整，判斷標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化，若標(biāo)準(zhǔn)偏差變小，則繼續(xù)調(diào)整，若標(biāo)準(zhǔn)偏差變大，則改變調(diào)整的方向，以此方法調(diào)整直至標(biāo)準(zhǔn)偏差最小。

本發(fā)明結(jié)合了數(shù)字圖像處理技術(shù)，通過(guò)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(shí)現(xiàn)了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(shuō)明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)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(lái)說(shuō)，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。