光源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，具体涉及一种光源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。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。

尽管垂直腔面发射激光器有诸多的优点，但在组装过程中相对位置的调节则相对困难，这里的相对位置指的是光源与准直透镜之间或其他光学元件之间的距离。与单个边发射激光光源相比，由于光源数量上的增加，通过光学元件射出的光束数量也增多，在进行调节时可参考的光束较多导致人工判断难以判断是否处于最佳的相对位置上。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明提供一种光源投影仪的自动调焦方法与系统，其能够进行自动调焦，并有效解决人工调焦或机械调焦所带来的精度不准的问题。

本发明提供一种光源投影仪的自动调焦方法，包括如下步骤：

S1：光源投影仪向空间投影出至少一个光束；

S2：采集模块采集所述光束的光斑图像；

S3：根据所采集的光斑图像，计算模块实时计算清晰度的参数值；

S4：调焦模块不断调整光源的相对位置，重复步骤S1-S3；

S4：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。

优选地，所述光源投影仪包括光源和光学元件；所述光源包括单光和多光源，所述多光源包括多个垂直腔面激光器；所述光学元件包括透镜、衍射光学元件中的一种或两种。

优选地，所述步骤S3包括：根据所采集的光斑图像，计算模块计算光斑图像的像素区域大小和/或像素区域像素值，或光斑图像的边缘亮度梯度。

进一步地优选，所述计算模块计算光斑图像的像素区域大小包括：

S311：对光斑图像进行预处理；

S312：对预处理后的光斑图像进行光斑识别；

S313：计算各光斑区域内的像素数量；

S314：将各光斑区域内的像素数量的总和或平均作为光斑图像的像素区域大小。

进一步地优选，所述计算模块计算光斑图像的像素区域像素值包括：

S321：对光斑图像进行预处理；

S322：对预处理后的光斑图像进行光斑识别；

S323：计算各光斑区域内的各像素的像素值；

S324：将各光斑区域内的像素值的总和或平均作为光斑图像的像素区域像素值。

进一步地优选，所述步骤S3中计算模块计算光斑图像的边缘亮度梯度包括：

S331：对光斑图像进行预处理；

S332：对预处理后的光斑图像进行光斑识别；

S333：计算各光斑的边缘亮度梯度；

S334：将各光斑的边缘亮度梯度的总和或平均作为光斑图像的边缘亮度梯度。

更进一步地优选，所述步骤S333计算光斑区域的边缘亮度梯度通过如下公式计算：

其中P(x,y)表示光斑区域的边缘像素点，沿x方向上的的梯度表示为：沿y方向上的梯度表示为：

更进一步地优选，所述对光斑图像进行预处理包括：设定像素值阈值，对图像进行阈值筛选。

进一步地优选，所述步骤S5包括：调焦模块将光斑图像的像素区域大小的最小值作为最佳参数值，并将光源调整至最佳位置。

进一步地优选，所述步骤S5包括：调焦模块将光斑图像的像素区域像素值的最大值作为最佳参数值，并将光源调整至最佳位置。

进一步地优选，所述步骤S5包括：调焦模块将光斑图像的像素区域像素值与像素区域大小的比值的最大值作为最佳参数值，并将光源调整至最佳位置。

进一步地优选，所述步骤S4包括：调焦模块将光斑图像的边缘亮度梯度的最大值作为最佳参数值，并将光源调整至最佳位置。

本发明还提供一种光源投影仪的自动调焦系统，包括光源投影仪、采集模块、计算模块及调焦模块，所述光源投影仪用于向空间投影出光束；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。

本发明的有益效果：本发明通过光源投影仪、采集模块、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。通过调焦模块不断调整光源的相对位置，采集模块实时采集光源投影仪投影出的光束的光斑图像，并利用计算模块实时计算出光斑图像的清晰度参数值，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为光源投影仪的自动调焦方法流程示意图；

图2为光源投影仪与相机的相对布置位置为间接式的示意图；

图3为光源投影仪与相机的相对布置位置为直接式的示意图；

图4为相机采集的光束的光斑图像示意图；

图5为单个光束的光斑图像示意图。

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，本发明提供一种光源投影仪的自动调焦方法，包括如下步骤：S1：光源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：根据所采集的光斑图像，计算模块实时计算清晰度的参数值；S4：调焦模块不断调整光源的相对位置，重复步骤S1-S3；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。

光源投影仪投影

光源投影仪包含单一光源投影仪和多光源投影仪，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。当光源投影仪为单一光源投影仪时，其投影出的光束为一束；如果光源投影仪为多光源投影仪，其投影出的光束为多束。

现有的多光源投影仪中，较常用的为激光投影仪，采用单个的边发射激光器光源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；在DOE的作用下，无论是单光源还是多光源投影仪，光束被分成多束。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。

在光源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束图案，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，但由于光束行程的增加，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。

光斑图像预处理

图4为相机采集到的光斑图像示意图。图中显示的总共有16个光斑，在实际获取的图像中，光斑的轮廓不一定非常明显，因此首先需要对光斑图像进行预处理，具体地，设定一个像素值阈值M，然后对图像进行阈值筛选，当阈值大于M时保留该像素，当阈值小于M时将图像的像素值设置为0。通过阈值筛选处理后，各个光斑有较为明显的轮廓，以便于后续计算机的自动识别。

在另一种实施例中，光斑的形状也可以有其他形状，比如方形、椭圆形等，在此不做限定。

光斑识别

图像预处理后，不排除有一些离群点存在，这些离群点需要通过图像算法的限定来消除其对光斑处理的影响，该步骤称为光斑识别，是由计算机自动识别出光斑中的像素，并去除离群点的影响，具体步骤如下：

首先，利用类似于函数floodfill的搜索功能找到所有光斑封闭区域。举例来说，按行以一定的步长(例如步长为5个像素)搜索像素值是否大于阈值M，若大于则以该点为起始点进行扩散搜索，判断相邻像素值是否大于M，若是则归类为同一光斑封闭区域，直到检索完该光斑中所有的像素。如图5所示，亮色填充的像素即为搜索到的该光斑中的所有像素，而斜线填充的像素则视为其他“光斑”，实则是离群点。

其次，设定光斑的最小像素数量限定值。这一设定的目的是为了区分离群点与光斑，一般离群点为图像中的噪声，其包括的像素区域较小，而光斑则较大。

最后，将第一步中搜索到的封闭区域进行判定，包含的像素数量大于限定值的视为光斑，其他则视为离群点。

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。

光斑区域边缘亮度梯度计算

光斑区域边缘亮度梯度能够反映光斑的集中程度。由于图像是二维图像，因而亮度梯度需要考虑两个维度，可以通过以下公式进行计算：

其中，P(x,y)表示光斑区域的边缘像素点，沿x方向上的的梯度表示为：沿y方向上的梯度表示为：梯度也可以由其他表示方法。

最后将所有光斑的边缘亮度梯度的总和或平均值作为光斑图像的边缘亮度梯度。

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束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四种方式进行调焦：

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。

4)根据光斑区域的边缘亮度梯度进行调焦，即不断调整并计算出边缘亮度梯度，将边缘亮度梯度最大的位置作为调焦最佳位置。

本发明结合了数字图像处理技术，通过如上所述的以光斑大小、亮度、亮度梯度作为衡量依据实现了光源投影仪的自动调焦，特别是针对于多光源投影仪的自动调焦，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。