本專利涉及一種主動式與被動式結(jié)合的仿生視覺快速調(diào)焦方法，屬于自動調(diào)焦
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：自動調(diào)焦成像系統(tǒng)作為仿生視覺的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)具有抗干擾性好、精度較高、穩(wěn)定性強(qiáng)及實時性好的特點，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于相機(jī)成像、機(jī)器視覺、數(shù)字監(jiān)控以及遙感雷達(dá)等領(lǐng)域。尤其是基于主動式測距的自動調(diào)焦技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，但隨著集成電路和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，圖像采集和圖像處理技術(shù)逐步成熟，基于被動式的自動調(diào)焦技術(shù)也進(jìn)入快速發(fā)展。但是這兩種方式各自的不足也很明顯，主動式測距法由于精度、體積限制了它在仿生視覺領(lǐng)域的應(yīng)用，被動式圖像處理法則會因為外部環(huán)境的多樣性及噪聲干擾無法確保每次系統(tǒng)的調(diào)焦效果為最佳。這些局限性都限制了兩種方法的單獨應(yīng)用。而且，傳統(tǒng)的仿生視覺系統(tǒng)多是基于工學(xué)方法，利用攝像機(jī)獲得目標(biāo)圖像進(jìn)行處理。但這種攝像機(jī)鏡頭一般采用定焦鏡頭，不能夠?qū)崟r調(diào)節(jié)焦距，也不能對目標(biāo)物體進(jìn)行放大及縮小的觀測，變焦透鏡則可以實現(xiàn)這樣的需求。變焦鏡頭從組成方式及工作原理上可以分為傳統(tǒng)變焦距鏡頭以及液體變焦鏡頭。傳統(tǒng)鏡片組合式變焦鏡頭就是利用改變透鏡組之間的間隔來實現(xiàn)焦距的變化，這種方式必須采用特殊驅(qū)動電機(jī)對獨立組件的機(jī)械位置提供精準(zhǔn)的控制，并且鏡頭內(nèi)多個組件的動作必須保證同步，這對系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)提出了苛刻的要求，移動透鏡組改變焦距時，往往也會伴隨著像面的移動。因此，還需對像面的移動進(jìn)行補償。近年來，隨著變焦鏡頭不斷朝著微型化、智能化、穩(wěn)定化、低功耗、成像質(zhì)量高的方向發(fā)展，這種傳統(tǒng)的調(diào)焦方式已經(jīng)很難滿足實際需求。液體變焦鏡頭是指通過模擬人眼晶狀體變焦功能，以不同驅(qū)動方式改變透鏡表面曲率，從而實現(xiàn)透鏡焦距大小的變化。它避免了傳統(tǒng)調(diào)焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易磨損和壽命低等缺點，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)光學(xué)元部件難以完成的功能，推動調(diào)焦系統(tǒng)向小型化、靈巧化發(fā)展，可應(yīng)用于手機(jī)、相機(jī)、攝像、顯微鏡、醫(yī)療領(lǐng)域、光學(xué)測試設(shè)備、光通信和光信息處理、仿生視覺等領(lǐng)域。可以說，隨著液體鏡頭的不斷發(fā)展，它的應(yīng)用將會更加廣泛。2009年，中國科學(xué)院研究生院張薇等以液體透鏡(包括折衍混合的液體透鏡)為核心元件,設(shè)計了可調(diào)焦內(nèi)窺系統(tǒng)、二元變焦內(nèi)窺系統(tǒng)和連續(xù)變焦手機(jī)鏡頭三種不同類型的微型光學(xué)系統(tǒng),在滿足系統(tǒng)尺寸及使用功能的基礎(chǔ)上,初步實現(xiàn)了系統(tǒng)中無移動組件的調(diào)焦、變焦功能。2012年，中國科學(xué)院大學(xué)張鷹等利用液體透鏡設(shè)計了一種長焦距變焦系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)2.5倍的可見光變焦，分利用液體透鏡變焦范圍的基礎(chǔ)上有效縮短了系統(tǒng)尺寸，系統(tǒng)總長僅135mm，全視場MTF值高于0.5。2015年，徠卡顯微系統(tǒng)(上海)有限公司張祥翔等利用Optotune公司的液體變焦透鏡作為顯微鏡自動調(diào)焦裝置。并對液體變焦透鏡在生物顯微鏡上的調(diào)焦功能進(jìn)行了實驗驗證，并獲取了系統(tǒng)在不同焦距的圖像。實驗結(jié)果表明，液體變焦透鏡可以使系統(tǒng)的景深擴(kuò)展1mm以上，并且保持了良好的成像質(zhì)量。同年，上海理工大學(xué)潘逸君使用雙液體透鏡組成變焦系統(tǒng)，得到了一個視場60°，變倍比6.2倍的變焦系統(tǒng)。但以上應(yīng)用主要依靠人眼觀測及主觀意識來判斷圖像清晰度，并沒有使系統(tǒng)實時性、精確性增強(qiáng)，也凸顯了主動式調(diào)焦方法的局限性及不足。技術(shù)實現(xiàn)要素：本申請的目的在于提供了一種基于液體透鏡的仿生視覺快速調(diào)焦方法，包括步驟：a)對前方固定距離目標(biāo)物體進(jìn)行標(biāo)定；b)通過標(biāo)定將激光位移傳感器測得的數(shù)值進(jìn)行分析；c)獲得仿生視覺成像系統(tǒng)不同工作距離與液體變焦透鏡所需調(diào)節(jié)信息之間的曲線關(guān)系，得到大步長調(diào)焦方程；d)啟動成像裝置控制系統(tǒng)；e)控制系統(tǒng)根據(jù)所述大步長調(diào)焦方程，驅(qū)動液體變焦鏡頭調(diào)節(jié)焦距，使系統(tǒng)成像位置快速調(diào)整到預(yù)正焦點；f)系統(tǒng)采集圖像；g)判斷采集圖像的清晰度是否符合標(biāo)準(zhǔn)，若不符合，在預(yù)正焦點附近采用小步長調(diào)焦算法，繼續(xù)采集圖像；h)直至獲取到符合標(biāo)準(zhǔn)的清晰圖像，調(diào)焦結(jié)束。優(yōu)選地，所述大步長調(diào)焦方程由物距-焦距-控制電流三者之間的關(guān)系決定。優(yōu)選地，所述調(diào)焦算法由基于Sobel算子的灰度梯度函數(shù)結(jié)合改進(jìn)的爬山搜索策略組成。優(yōu)選地，所述液體變焦透鏡體積尺寸為45×25.5mm-55×35.5mm，響應(yīng)時間為1.5ms-3ms。優(yōu)選地，所述液體變焦透鏡為液體填充方式。優(yōu)選地，所述液體填充方式是使用光學(xué)透明彈性薄膜將液體限制在腔體當(dāng)中，通過液體的壓力來控制薄膜面形變化。應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。附圖說明參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點將通過本發(fā)明實施方式的如下描述得以闡明，其中：圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的調(diào)焦方法的步驟流程圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的調(diào)焦方法的液體透鏡為液體填充方式；圖3為光學(xué)成像簡易模型；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的調(diào)焦方法的大步長調(diào)焦搜索過程和普通調(diào)焦搜索過程對比圖；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的調(diào)焦方法的分別應(yīng)用到的灰度梯度函數(shù)、頻譜函數(shù)、統(tǒng)計學(xué)函數(shù)、灰度熵函數(shù)對同一組圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行計算的評價函數(shù)曲線圖；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的調(diào)焦方法的小步長調(diào)焦實現(xiàn)過程；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的調(diào)焦方法的大步長調(diào)焦方程式得出方法實驗原理圖；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的調(diào)焦方法的用于得出大步長調(diào)焦方程式的擬合曲線圖；圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的最后仿生視覺成像系統(tǒng)集成大步長調(diào)焦方程式及小步長改進(jìn)調(diào)焦算法，對目標(biāo)物體成像，實時采集圖像效果圖，其中：圖9(a)為系統(tǒng)初始化時處于深度離焦?fàn)?；圖9(b)為達(dá)到預(yù)正焦點狀態(tài)；圖9(c)為確定正焦點狀態(tài)。具體實施方式通過參考示范性實施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實施例；可以通過不同形式來對其加以實現(xiàn)。說明書的實質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。本專利采用基于液體變焦透鏡并將主動式和被動式調(diào)焦方法相結(jié)合的技術(shù)，實現(xiàn)仿生視覺系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確的自動調(diào)焦，并清晰成像。如圖1所示，為根據(jù)本發(fā)明的調(diào)焦方法的步驟流程圖，步驟如下：步驟101：對前方固定距離目標(biāo)物體進(jìn)行標(biāo)定；步驟102：通過標(biāo)定將位移傳感器測得的數(shù)值進(jìn)行分析；步驟103：獲得仿生視覺成像系統(tǒng)不同工作距離與液體變焦透鏡所需調(diào)節(jié)信息之間的曲線關(guān)系，得到大步長調(diào)焦方程；步驟104：啟動成像裝置控制系統(tǒng)；步驟105：控制系統(tǒng)根據(jù)所述大步長調(diào)焦方程，驅(qū)動液體變焦鏡頭調(diào)節(jié)焦距，使系統(tǒng)成像位置快速調(diào)整到預(yù)正焦點；步驟106：系統(tǒng)采集圖像；步驟107：判斷采集圖像的清晰度是否符合標(biāo)準(zhǔn)，若不符合，在預(yù)正焦點附近采用小步長調(diào)焦算法，繼續(xù)采集圖像；步驟108：直至獲取到符合標(biāo)準(zhǔn)的清晰圖像，調(diào)焦結(jié)束。本發(fā)明采用激光位移傳感器與液體變焦透鏡作為系統(tǒng)調(diào)焦核心元件。激光位移傳感器具有：(1)高精度；激光有直線度好的優(yōu)良特性，激光位移傳感器相對于我們已知的超聲波傳感器有更高的精度，可達(dá)±1mm。(2)工作穩(wěn)定；激光傳感器是利用激光技術(shù)進(jìn)行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成，激光傳感器是新型測量儀表，它具有抗光、電干擾能力強(qiáng)的特點。而液體變焦鏡頭具有：(1)體積?。核捏w積為尺寸48×30.5mm，(2)響應(yīng)速度快：動態(tài)響應(yīng)時間為2.5ms，(3)變焦平滑、成像質(zhì)量高：只需通過電流或電壓驅(qū)動信號來控制液體的折射率或鏡頭表面曲率，從而實現(xiàn)焦距的調(diào)節(jié)。相比于目前常見的基于傳統(tǒng)組合變焦鏡頭的主動式調(diào)焦或被動式調(diào)焦的仿生視覺實現(xiàn)手段，本文中采用激光位移傳感器及液體變焦透鏡組合，具有更靈活的調(diào)節(jié)空間，避免了主動測距法時效性不足以及基于圖像的被動調(diào)焦方法可能出現(xiàn)的評價函數(shù)局部極值點誤判。為基于液體透鏡的仿生視覺系統(tǒng)提供了一種全新的快速調(diào)焦方法。事實上，有關(guān)液體透鏡的研究可歸結(jié)為兩大類：一類是漸變折射率透鏡，另一類是曲率變化透鏡，后者主要是基于電潤濕效應(yīng)及液體填充方式，本文使用的Optotune液體透鏡為液體填充方式，如圖2所示。液體填充方式是使用光學(xué)透明彈性薄膜將液體限制在腔體當(dāng)中，通過液體的壓力來控制薄膜面形變化，透鏡的光焦度(焦距倒數(shù))由液體表面曲率和液體-空氣兩者折射率差來決定。式中，f為透鏡焦距，r是透鏡表面的曲率半徑，n為液體的折射率。可變形彈性薄膜用于限制光學(xué)液體并在液體腔與外界的壓力差下產(chǎn)生所需的面形。當(dāng)光學(xué)液體被注入到液體腔時將產(chǎn)生一個正壓力，彈性薄膜受到壓力差作用將向外凸起，形成凸透鏡；相反地，當(dāng)光學(xué)液體從液體腔被抽出時，將產(chǎn)生負(fù)壓力形成凹透鏡，通過液體的進(jìn)出控制腔內(nèi)的壓力，從而實現(xiàn)焦距的調(diào)節(jié)。本專利首先將基于激光位移傳感器的主動式調(diào)焦結(jié)果作為預(yù)正焦點的判斷準(zhǔn)則，然后利用基于Sobel算子的灰度梯度評價函數(shù)并結(jié)合改進(jìn)的爬山搜索算法對焦距進(jìn)行精細(xì)調(diào)整?；谝后w透鏡的仿生視覺快速調(diào)焦方法中的大步長粗調(diào)焦過程關(guān)鍵在于液體變焦透鏡的實時控制，故本文的大步長粗調(diào)焦實現(xiàn)過程需建立物距-焦距-控制電流三者之間的關(guān)系。圖3為光學(xué)成像簡易模型。P為目標(biāo)物體，P′為物體P經(jīng)透鏡成像的聚焦像，此透鏡焦距為f，P點與透鏡中心的垂直距離為u,聚焦像點P′距透鏡中心的距離為v,透鏡光學(xué)成像公式如下：1f=1u+1v---(2)]]>目標(biāo)物體在成像面為一幅聚焦像，根據(jù)(2)式即可得物距為：u=v·fv-f---(3)]]>由上式可知物距與系統(tǒng)的像距、焦距有關(guān)。液體變焦透鏡的控制方式為電流驅(qū)動，透鏡內(nèi)部含有光學(xué)補償透鏡組，經(jīng)理論分析及研究，可經(jīng)過實驗得到物距與液體透鏡驅(qū)動電流之間的關(guān)系曲線，通過實時的物距信息，驅(qū)動液體透鏡使其焦距進(jìn)行變化，快速達(dá)到系統(tǒng)預(yù)正焦點，從而對不同遠(yuǎn)近的目標(biāo)物體進(jìn)行成像。這種大步長調(diào)焦方法能避免遠(yuǎn)離正焦點區(qū)域局部極值所造成的干擾以及全局基于圖像的自動調(diào)焦算法中需進(jìn)行多次評價函數(shù)判別確定系統(tǒng)預(yù)正焦點存在的時效性不足等缺點，極大的提高了預(yù)正焦點搜索速度，兩種方式的對比如圖4。當(dāng)系統(tǒng)焦距到達(dá)預(yù)正焦點之后，需要根據(jù)實時成像清晰度對焦距進(jìn)行小步長細(xì)調(diào)焦過程?；趫D像的自動調(diào)焦算法大致可以分為灰度梯度函數(shù)、灰度熵函數(shù)、頻譜類函數(shù)和統(tǒng)計學(xué)函數(shù)等。圖5是上述幾種方法對一組圖片(21幀)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算的評價函數(shù)曲線圖，其中橫坐標(biāo)為圖像序列，縱坐標(biāo)為評價函數(shù)歸一化值。通過對比圖可知，四種模型均可實現(xiàn)評價功能，但第一種模型評價效果較好。其中，灰度熵函數(shù)易受外界環(huán)境的影響，靈敏度低，容易引起焦點的誤判；頻譜函數(shù)靈敏度高，但計算量大，難以滿足實時性要求；統(tǒng)計學(xué)函數(shù)則是通過分析圖像的灰度值變化情況來區(qū)分已對焦的圖像與未對焦的圖像，對環(huán)境穩(wěn)定性要求較高；相比而言，清晰的圖像比模糊的圖像具有更豐富的邊緣，而正焦的圖像比離焦的圖像清晰，因此可用灰度梯度函數(shù)來提取圖像的邊緣，而且，梯度函數(shù)易于實現(xiàn)，實時性比前三者好，可根據(jù)不同的調(diào)焦范圍選擇不同的梯度函數(shù)。其中，基于Sobel算子的灰度梯度函數(shù)峰頂寬度相對較窄,靈敏度高,穩(wěn)定性好,適合于小范圍精確調(diào)焦，本文采用這種方式建立小步長細(xì)調(diào)清晰度評價函數(shù),它先利用Sobel算子提取圖像水平方向和垂直方向的梯度，再計算梯度的平方和。由于Soble算子的權(quán)值2通過增加中心點的重要性而實現(xiàn)某種程度的平滑效果，因此該函數(shù)不僅能較好地提取圖像細(xì)節(jié)信息，還具有一定的噪聲抑制能力，其具體函數(shù)表達(dá)式為(4)。FSob=ΣX=0M-1ΣY=0N-1[fx2(x,y)+fy2(x,y)]---(4)]]>式中fx(x，y)和fy(x，y)分別表示圖像矩陣與水平方向和垂直方向Sobel算子的卷積，表示卷積符號。fx(x,y)=f(x,y)⊗w2fy(x,y)=f(x,y)⊗w1---(5)]]>其中w1為水平模板，w2為垂直模板w1=-1-2-1000121w2=-101-202-101---(6)]]>事實上，圖像局部清晰度評價函數(shù)曲線理論上應(yīng)該成單峰性。系統(tǒng)根據(jù)實時圖像信息，采用調(diào)焦搜索方法對評價函數(shù)極值點進(jìn)行搜索，常用的調(diào)焦搜索方法有：斐波那契(Fibonacci)搜索法、黃金搜索法、函數(shù)逼近搜索法以及爬山搜索法。本發(fā)明用一種改進(jìn)的爬山搜索算法小步長精細(xì)調(diào)整系統(tǒng)焦距，此搜索算法的實現(xiàn)過程為：根據(jù)液體變焦透鏡驅(qū)動電流最小步長從預(yù)正焦A點沿著調(diào)焦曲線向上(或向下)運動搜索評價函數(shù)極值點，當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)三個評價值下降則認(rèn)為第一個下降點的前一個位置為最佳極值點(B點)，從而確定正焦點所對應(yīng)的電流值，實時獲取最佳清晰圖像。這種方法無需在全局內(nèi)對正焦點進(jìn)行搜索判斷，同時可避免在兩個調(diào)焦小步長內(nèi)出現(xiàn)的局部峰值，有效排除正焦點附近區(qū)域內(nèi)的局部極值和干擾帶來的誤判斷，使系統(tǒng)能準(zhǔn)確可靠地實現(xiàn)小步長精細(xì)調(diào)焦，過程如圖6所示。本專利所用實驗裝置主要由一個液體變焦透鏡，一個200萬像素工業(yè)相機(jī)，12mm定焦鏡頭，一個C/S轉(zhuǎn)接環(huán)，一個激光位移傳感器以及一臺PC機(jī)組成。裝置中的液體變焦透鏡(EL-10-30-Ci-VIS-LD-MV)由瑞士Optotune公司提供，該鏡頭調(diào)焦范圍為-1.5to+3.5dpt,可透過波長為400-700nm，12mm定焦鏡頭(B5M12028)及C/S轉(zhuǎn)接環(huán)(AD04M)則有德國Lensation公司提供，定焦鏡頭參數(shù)：視場角32.8度，工作距離30mm-infinity，工業(yè)相機(jī)(MU3E200M/C)為凱視佳公司產(chǎn)品，該相機(jī)傳感器屬于CMOS類型、逐行掃描，幀率79fps，靶面尺寸1/1.8英寸，分辨率1600×1200。本專利具體實現(xiàn)過程是：首先，通過精確的標(biāo)定實驗將激光位移傳感器測得的各項數(shù)值進(jìn)行分析處理，得出仿生視覺成像系統(tǒng)不同工作距離與液體變焦透鏡所需調(diào)節(jié)信息之間的曲線關(guān)系，進(jìn)一步得到曲線擬合方程式，調(diào)焦過程中利用此方程式使系統(tǒng)大步長快速調(diào)整到預(yù)正焦點。然后，在預(yù)正焦點附近利用基于圖像清晰度評價函數(shù)結(jié)合小步長極值搜索算法，使系統(tǒng)焦距快速達(dá)到正焦點，獲取實時清晰圖像。其中大步長調(diào)焦方程式得出方法實驗原理如圖7所示。實際準(zhǔn)確性依賴標(biāo)定實驗中物距步長值以及驅(qū)動電流刻度值的選取，本標(biāo)定實驗物距步長為50mm、驅(qū)動電流刻度為0.07mA，具體實驗數(shù)據(jù)如下表。通過對實驗數(shù)據(jù)分析及處理，可得到圖8所示擬合曲線，并得到以下大步長調(diào)焦控制方程。f(x)＝p1*x3+p2*x2+p3*x+p4(7)式中f(x)為驅(qū)動電流大小，x為系統(tǒng)可變工作距離，p1、p2、p3、p4分別為常數(shù)。(本標(biāo)定實驗中參數(shù)P1＝-2.16e-0.8,P2＝0.0001327,P3＝-0.2899,P4＝365.7)，針對基于液體變焦透鏡的仿生視覺成像系統(tǒng)，在實驗中通過上述控制方程可使系統(tǒng)快速到達(dá)預(yù)正焦點，提高系統(tǒng)調(diào)焦時效性。最后仿生視覺成像系統(tǒng)集成大步長調(diào)焦方程式及小步長改進(jìn)調(diào)焦算法，對前方650mm目標(biāo)物體成像，實時采集圖像效果如圖9所示。由實際成像效果可知，系統(tǒng)初始化時處于深度離焦?fàn)顟B(tài)，如圖9(a)；之后通過大步長粗調(diào)控制方程得到對應(yīng)的液體變焦透鏡驅(qū)動電流，發(fā)送指令使調(diào)焦執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速達(dá)到預(yù)正焦點，如圖9(b),由圖像可知預(yù)正焦點時的實際成像效果已經(jīng)非常接近正焦點。最后，系統(tǒng)采用基于圖像的小步長精細(xì)調(diào)焦算法確定正焦點，如圖9(c)。最后，通過實驗對不同距離的目標(biāo)物體成像并驗證快速調(diào)焦方法的實時性，本專利提出的仿生視覺快速調(diào)焦方法在調(diào)焦過程中對同一場景不同模糊程度的24幀圖像處理時間可以達(dá)到257ms，比大多數(shù)運用傳統(tǒng)機(jī)械調(diào)焦方式和全局基于數(shù)字圖像的調(diào)焦方式有了很大的提升，提高了系統(tǒng)的工作效率，滿足實時成像的需求。結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說明和實踐，本發(fā)明的其他實施例對于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說明和實施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。當(dāng)前第1頁1 2 3