激光光斑识别及激光投影仪的自动调焦方法与系统与流程

本发明涉及光学技术及计算机技术领域，具体涉及一种激光光斑识别及激光投影仪的自动调焦方法与系统。

背景技术：

光学测量中常常会用到激光投影仪，特别目前基于结构光的深度相机的产生及广泛应用，促使了作为其部件之一的激光投影仪的不断发展。一般地，激光投影仪由光源以及由透镜等组成的光学元件组成，目前大部分的激光投影仪采用的是单个的边发射激光器光源，随着激光器的不断发展，垂直腔面激光器由于其发散角小、功耗及成本低、体积小易于集成等优点将会被越来越多的激光投影仪采用。

在激光投影仪的组装过程中，光源与透镜之间相对位置的调节非常重要，相对位置将直接影响到激光向外发射的准直性。相对位置的精确调节仍是比较困难的问题，特别是多光源的投影仪。目前精确调节相对位置的过程一般都需要人工参与，即使利用计算机、控制理论来进行自动调节也不可避免地需要人为辅助。

激光投影仪调焦过程中往往需要根据光斑来进行调焦。而目前已有的光斑识别方法中，常用的有阈值法、梯度法、重心法等，这些方法均受到所获取的激光光斑图像中像素值的影响，比如阈值法以及梯度法；激光强度也会直接影响到阈值以及梯度阈值的选取，在不同的激光发射功率或者不同的反射物下，对获取的光斑图像利用同一阈值会得到不同大小的光斑轮廓。因此阈值等的选取往往需要人工来设定，其精确性难以得到保证。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种激光光斑的识别方法及激光投影仪的自动调焦方法与系统，其能够进行光斑的精确识别及激光投影仪的自动调焦，有效解决人工调焦或机械调焦所带来的精度不准的问题。

本发明提供一种激光光斑的识别方法，包括如下步骤：A1：采集模块采集光斑图像；A2：识别模块对采集的光斑图像求取二阶导数后提取光斑的轮廓进行光斑识别。

本发明还提供一种激光投影仪的自动调焦方法，包括如下步骤：

S1：激光投影仪向空间投影出至少一个光束；S2：采集模块实时采集所述光斑图像，识别模块对采集的光斑图像求取二阶导数后提取光斑的轮廓进行激光光斑识别；S3：计算模块实时计算光斑图像清晰度的参数值；S4：调焦模块不断调整光源的相对位置，重复步骤S1-S4；S5：调焦模块将实时获得的参数值进行对比，获取最佳参数值，根据最佳参数值将光源调整至最佳位置。

本发明还提供一种激光投影仪的自动调焦系统，包括激光投影仪、采集模块、识别模块、计算模块及调焦模块，所述激光投影仪用于向空间投影出至少一个光束；所述采集模块用于实时采集所述光束的光斑图像；所述识别模块用于激光光斑的识别；所述计算模块用于根据所采集的光斑图像，实时计算清晰度的参数值；所述调焦模块用于不断调整光源的相对位置，并根据实时获得的参数值获取最佳参数值，并将光源调整至最佳位置。

本发明的有益效果：本发明通过光斑强度分布的二阶导数，提取光斑轮廓进行光斑识别，能有效避免激光发射功率、激光强度、图像中像素值或环境等的影响，比现有的利用阈值法、梯度法、重心法等光斑识别方法具有更高的精确度。

本发明还通过激光投影仪、采集模块、识别模块、计算模块和调焦模块之间的相互配合，实现全自动实时调整。先通过调焦模块不断调整光源的相对位置，采集模块实时采集激光投影仪投影出的光斑图像，再通过识别模块精准地识别出光斑，再利用计算模块实时计算出光斑图像的清晰度参数值，最后调焦模块再对得到的参数值进行比较，获取最佳值并进行自动调焦。通过如上的方法实现自动调焦，能有效克服人工调焦所带来的精度不高的问题，且大幅提升调焦效率。

附图说明

图1为激光投影仪的自动调焦方法流程示意图；

图2为激光投影仪与相机的相对布置位置为间接式的示意图；

图3为激光投影仪与相机的相对布置位置为直接式的示意图；

图4a为光斑图像的强度沿x方向的分布图；

图4b为光斑图像的强度梯度沿x方向的分布图；

图5为激光光斑图像示意图；

图6为激光光斑的二阶导数图像示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明，应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

如图1所示，本发明提供一种激光投影仪的自动调焦方法，包括如下步骤：

S1：激光投影仪向空间投影出至少一个光束；

S2：采集模块实时采集所述光束的光斑图像；

S3：识别模块根据光斑强度分布的二阶导数进行激光光斑识别。

S4：计算模块实时计算光斑图像清晰度的参数值；

S5：调焦模块不断调整光源的相对位置，重复步骤S1-S4；

S6：调焦模块将实时获得的参数值进行对比，获取最佳参数值，根据最佳参数值将光源调整至最佳位置。

激光投影仪投影

激光投影仪包含单一光源激光投影仪和多光源激光投影仪，主要用于向空间中投影出光束以形成特定的图案，例如：深度相机中所用的投影模组，光束形成的图案为散斑图案。当激光投影仪为单一光源激光投影仪时，其投影出的光束为一束；如果激光投影仪为多光源激光投影仪，其投影出的光束为多束。

现有的激光投影仪中，较常用的光源为边发射激光器或垂直腔面发射激光器。本实施例优选垂直腔面发射激光器，其具有发散角小、功耗及成本低、体积小易于集成等优点。根据不同的应用需求，激光器选择不同发射波长的光，如可见光、紫外光、红外光等。

一般投影仪除了光源之外，还包含有光学元件，如准直透镜等，光源发射出的光束经准直透镜后在方向上集中，使得出射光为平行光。特别地，对于深度相机而言，还包括有用于扩束的衍射光学元件(DOE)，DOE用于激光束整形，如：均匀化、准直、聚焦、形成特定图案等。DOE与透镜还可集成为一个光学元件，有利于减小体积，光束先后经历透镜和DOE，使得出射光为多束平行光。

在激光投影仪的装配过程中，光源与光学元件之间的距离根据具体的需求有特别的要求。一般地，当光源处在光学元件的焦距上，投影仪的光束无论是准直度还是强度都将达到最佳效果。以下将以此效果为目的来说明如何实现自动调焦。在其他需求中，尽管目的不一样，但是都需要调整光源与光学元件的距离，如上所述的方法都可以适用。

光斑图像采集

本发明是通过图像处理的方式来实现自动调焦的，即利用采集模块采集光束的光斑图像，通过图像处理的方式来判断当前投影仪是否处于投影的最佳效果以及是否需要进行调整。采集模块可以为相机等，所述相机包括一般的相机及深度相机等。

光斑图像的采集方式可以有间接式与直接式两种，分别如图2与图3所示。图2所示的是利用投影仪向空间一平面投影光斑图案，然后利用相机采集该图像；而图3则是利用投影仪直接向相机进行投影，由相机采集该图像。一般情形下利用前者，尽管需要额外的平面装置，但由于光斑行程的增加，其形成的光斑大小也较大，由相机采集到的图像更容易进行图像处理与识别。

值得注意的是，相机能接收的光波长与投影光波长应一致。比如当光源为红外激光时，相机也应是红外相机。

光斑识别

一般地，激光光斑的强度分布满足高斯分布，为简化起见，可以用以下公式表示：

P＝K·exp[-Ar²] 公式(1)

其中，P表示激光强度，K、A由激光本身的属性以及传播的距离等因素决定，在激光以及图像接收位置确定后可以将这两个参数看成是常数；r为光斑中任意一点到激光中心点的距离。

由上式可知，激光光斑的强度分布是连续的，因而并不存在明显的边缘轮廓。目前已有的光斑识别方法中，常用的有阈值法、梯度法、重心法等，这些方法均受到所获取的激光光斑图像中像素值的影响，比如阈值法以及梯度法；激光强度会直接影响到阈值以及梯度阈值的选取，在不同的激光发射功率或者不同的反射物下，对获取的光斑图像利用同一阈值会得到不同大小的光斑轮廓。因此阈值等的选取往往需要人工来设定，其精确性难以得到保证。

借助于公式(1)，仅考虑沿某个方向，如x方向，可以得到：光斑图像的强度分布图如图4a，光斑图像的强度梯度分布图如图4b；从图4a和4b中可以看到，仅根据强度本身及其梯度难以获取其激光的轮廓。而对于公式(1)的二阶导数，沿x方向，有两个明显的极大值点，且该极大值点并不会因为激光发射功率或者环境等的影响，本发明中将利用该特性，将极大值点所在的位置做为激光的轮廓，用于识别激光光斑。

由于如上仅考虑了一个方向上的情况，对于二维的图像而言，其二阶导数可以利用以下公式求得：

其中，P(x,y)指的是图像中像素(x,y)位置处的像素值。

根据以上分析，在采集到激光光斑所形成的图像后，利用公式(2)计算出图像的二阶导数，然后通过搜索图像中的极大值点，极大值点所在的位置即认为是光斑的轮廓，如图5和图6所示。轮廓内的像素数量可以用来计算光斑区域的大小，轮廓内的像素值可以用于计算光斑区域的亮度。

光斑区域大小计算

在光斑识别步骤中，实际上已经计算出了各个光斑区域内所包含的像素数量，这里将像素数量视为单个光斑区域大小。

本发明中是需要衡量对所有光源的聚焦效果，因而需要计算整幅图像的光斑大小，这里采用了两种方式，一种是将图像中所有的光斑大小求和；另一种是将图像中光斑大小进行求平均。

在其他实施例中，也可以有其他的表达光斑区域大小的方式，比如百分比形式等等，只要效果上是等同于衡量光斑区域大小的方式都应被包含在本发明之中。

光斑区域亮度计算

图像中像素值反映了光斑区域的亮度。首先提取各光斑区域内各像素的像素值；其次计算所有光斑像素值的总和或单个光斑像素值的平均值；最后将所有光斑像素值的总和或平均值作为光斑图像的像素区域像素值。

在其他实施例中，也可以有其他的表达光斑区域亮度的方式，比如百分比形式等等，只要效果上是等同于衡量光斑区域大小的方式都应被包含在本发明之中。

自动调焦

投影仪中光源与光学元件的位置是否达到最佳直接决定了光斑图案中光斑区域的大小与区域的亮度。具体地，光斑区域最小时位置达到最佳；光斑亮度最强时位置达到最佳。自动调整即是通过即时的调整距离以及对图像采集和判断，当光斑区域大小或/和光斑亮度最强时则调整结束。

在这里可以通过以下三种方式进行调焦：

1)根据光斑区域的像素区域大小进行调焦，即不断调整并计算出像素区域大小，将像素区域大小最小的位置做为调焦最佳位置。

2)根据光斑区域的像素区域像素值进行调焦，即不断调整并计算出像素区域像素值，将像素区域像素值最大的位置做为调焦最佳位置。

3)根据光斑区域的像素区域大小和像素值进行调焦，即不断调整并计算出像素区域大小以及像素值，将像素区域像素值与像素区域大小比值最大的位置做为调焦最佳位置。

本发明结合了数字图像处理技术，首先通过光斑强度分布的二阶导数，提取光斑轮廓进行光斑识别，能有效避免激光发射功率、激光强度、图像中像素值或环境等的影响，比现有的利用阈值法、梯度法、重心法等具有更高的精确度。后通过如上所述的以光斑大小、亮度作为衡量依据实现了激光投影仪的自动调焦，特别是针对于多光源激光投影仪的自动调焦，该方法的精度高、速度快，克服了人工对单个光源或多光源进行调焦时精度不够，速度慢的缺陷。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。