本發(fā)明涉及光學(xué)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種激光光斑識別及激光投影儀的自動(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。一般地，激光投影儀由光源以及由透鏡等組成的光學(xué)元件組成，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。

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(diào)節(jié)非常重要，相對位置將直接影響到激光向外發(fā)射的準(zhǔn)直性。相對位置的精確調(diào)節(jié)仍是比較困難的問題，特別是多光源的投影儀。目前精確調(diào)節(jié)相對位置的過程一般都需要人工參與，即使利用計(jì)算機(jī)、控制理論來進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)也不可避免地需要人為輔助。

激光投影儀調(diào)焦過程中往往需要根據(jù)光斑來進(jìn)行調(diào)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(qiáng)度也會(huì)直接影響到閾值以及梯度閾值的選取，在不同的激光發(fā)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(huì)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(shè)定，其精確性難以得到保證。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種激光光斑的識別方法及激光投影儀的自動(dòng)調(diào)焦方法與系統(tǒng)，其能夠進(jìn)行光斑的精確識別及激光投影儀的自動(dòng)調(diào)焦，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(dǎo)數(shù)后提取光斑的輪廓進(jìn)行光斑識別。

本發(fā)明還提供一種激光投影儀的自動(dòng)調(diào)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(gè)光束；S2：采集模塊實(shí)時(shí)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(dǎo)數(shù)后提取光斑的輪廓進(jìn)行激光光斑識別；S3：計(jì)算模塊實(shí)時(shí)計(jì)算光斑圖像清晰度的參數(shù)值；S4：調(diào)焦模塊不斷調(diào)整光源的相對位置，重復(fù)步驟S1-S4；S5：調(diào)焦模塊將實(shí)時(shí)獲得的參數(shù)值進(jìn)行對比，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)明還提供一種激光投影儀的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，包括激光投影儀、采集模塊、識別模塊、計(jì)算模塊及調(diào)焦模塊，所述激光投影儀用于向空間投影出至少一個(gè)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；所述識別模塊用于激光光斑的識別；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)明通過光斑強(qiáng)度分布的二階導(dǎo)數(shù)，提取光斑輪廓進(jìn)行光斑識別，能有效避免激光發(fā)射功率、激光強(qiáng)度、圖像中像素值或環(huán)境等的影響，比現(xiàn)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(fā)明還通過激光投影儀、采集模塊、識別模塊、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。先通過調(diào)焦模塊不斷調(diào)整光源的相對位置，采集模塊實(shí)時(shí)采集激光投影儀投影出的光斑圖像，再通過識別模塊精準(zhǔn)地識別出光斑，再利用計(jì)算模塊實(shí)時(shí)計(jì)算出光斑圖像的清晰度參數(shù)值，最后調(diào)焦模塊再對得到的參數(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為激光投影儀的自動(dòng)調(diào)焦方法流程示意圖；

圖2為激光投影儀與相機(jī)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(jī)的相對布置位置為直接式的示意圖；

圖4a為光斑圖像的強(qiáng)度沿x方向的分布圖；

圖4b為光斑圖像的強(qiáng)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(dǎo)數(shù)圖像示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式并對照附圖對本發(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)明提供一種激光投影儀的自動(dòng)調(diào)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(gè)光束；

S2：采集模塊實(shí)時(shí)采集所述光束的光斑圖像；

S3：識別模塊根據(jù)光斑強(qiáng)度分布的二階導(dǎo)數(shù)進(jìn)行激光光斑識別。

S4：計(jì)算模塊實(shí)時(shí)計(jì)算光斑圖像清晰度的參數(shù)值；

S5：調(diào)焦模塊不斷調(diào)整光源的相對位置，重復(fù)步驟S1-S4；

S6：調(diào)焦模塊將實(shí)時(shí)獲得的參數(shù)值進(jìn)行對比，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。

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(jī)中所用的投影模組，光束形成的圖案為散斑圖案。當(dāng)激光投影儀為單一光源激光投影儀時(shí)，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(xiàn)有的激光投影儀中，較常用的光源為邊發(fā)射激光器或垂直腔面發(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。

在激光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斑圖案，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，但由于光斑行程的增加，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)行圖像處理與識別。

值得注意的是，相機(jī)能接收的光波長與投影光波長應(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)。

光斑識別

一般地，激光光斑的強(qiáng)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(qiáng)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(gè)參數(shù)看成是常數(shù)；r為光斑中任意一點(diǎn)到激光中心點(diǎn)的距離。

由上式可知，激光光斑的強(qiáng)度分布是連續(xù)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(qiáng)度會(huì)直接影響到閾值以及梯度閾值的選取，在不同的激光發(fā)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(huì)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(shè)定，其精確性難以得到保證。

借助于公式(1)，僅考慮沿某個(gè)方向，如x方向，可以得到：光斑圖像的強(qiáng)度分布圖如圖4a，光斑圖像的強(qiáng)度梯度分布圖如圖4b；從圖4a和4b中可以看到，僅根據(jù)強(qiáng)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(dǎo)數(shù)，沿x方向，有兩個(gè)明顯的極大值點(diǎn)，且該極大值點(diǎn)并不會(huì)因?yàn)榧す獍l(fā)射功率或者環(huán)境等的影響，本發(fā)明中將利用該特性，將極大值點(diǎn)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(gè)方向上的情況，對于二維的圖像而言，其二階導(dǎo)數(shù)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(jù)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(jì)算出圖像的二階導(dǎo)數(shù)，然后通過搜索圖像中的極大值點(diǎn)，極大值點(diǎn)所在的位置即認(rèn)為是光斑的輪廓，如圖5和圖6所示。輪廓內(nèi)的像素?cái)?shù)量可以用來計(jì)算光斑區(qū)域的大小，輪廓內(nèi)的像素值可以用于計(jì)算光斑區(qū)域的亮度。

光斑區(qū)域大小計(jì)算

在光斑識別步驟中，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。

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斑圖案中光斑區(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三種方式進(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。

本發(fā)明結(jié)合了數(shù)字圖像處理技術(shù)，首先通過光斑強(qiáng)度分布的二階導(dǎo)數(shù)，提取光斑輪廓進(jìn)行光斑識別，能有效避免激光發(fā)射功率、激光強(qiáng)度、圖像中像素值或環(huán)境等的影響，比現(xiàn)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(jù)實(shí)現(xiàn)了激光投影儀的自動(dòng)調(diào)焦，特別是針對于多光源激光投影儀的自動(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。