CN104516085B - 一种用于多光谱成像的快速调焦方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于多光谱成像的快速调焦方法及装置，方法包括：在多个成像通道中选定一个作为基准通道，调节步进电机的转动位置，计算步进电机所有转动位置的对应聚焦清晰度，得到基准通道聚焦清晰度随步进电机转动位置变化的第一分布曲线；对其余每个通道，选取至少3个步进电机转动位置，将所选位置的聚焦清晰度与第一分布曲线进行匹配，得到待调焦通道聚焦清晰度随步进电机转动位置变化的第二分布曲线与第一分布曲线的偏移值，根据该偏移值计算待调焦通道的调焦清晰位置；以计算得到的调焦清晰度位置为中心，以步进电机转动最小间隔进行细调焦，得到精确的调焦清晰位置。实施本发明可实现多光谱成像快速调焦，得到清晰的多光谱图像。

Description

一种用于多光谱成像的快速调焦方法及装置
技术领域
本发明涉及调焦方法和调焦装置，具体涉及一种用于多光谱成像的快速调焦方法及装置。
背景技术
光谱分析是自然科学中一种重要的研究手段，光谱技术能检测到被测物体的物理结构、化学成分等指标。光谱评价是基于点测量，而图像测量是基于空间特性变化，两者各有其优缺点，因此，可以说光谱成像技术是光谱分析技术和图像分析技术发展的必然结果，是二者完美结合的产物。光谱成像技术不仅具有光谱分辨能力，还具有图像位置空间的分辨能力，利用光谱成像技术不仅可以对待检测物体进行定性和定量分析，而且还能对其进行定位分析。
多光谱成像技术是将图像和光谱合为一体，不仅可以获取成像目标的几何形状信息，也可以识别目标的光谱特性差异。目标、伪目标和背景之间的光谱特征具有差异，在各个光谱通道具有不同的光谱亮度。通过多光谱成像的目标和背景之间的对比度反差增大，可有效抑制背景杂波，分辨真假目标，提高系统目标识别能力。多光谱成像技术已经在航空航天遥感、国土资源调查、森林防火、环境检测、海洋应用、农业估产等领域得到了广泛地应用。
多光谱成像技术利用一组滤光片将可见光分成至少5个光谱波段，每个光谱波段对应一个通道，在这些通道中对目标物体分别成像，然后将所有通道的单色图像合成为一幅多光谱图像，因此，这种技术也被广泛的应用于场景模拟、自然光频谱恢复以及光谱色测量等领域。
多光谱成像中所使用的滤光片和镜头在不同光谱波段下具有不同的折射率，导致各光谱波段成像的等效焦距不同，因而需要对每一光谱波段分别进行调焦，才能合成出清晰的多光谱图像。
传统的调焦装置可分两类：
（1）依靠特定的机械装置，驱动步进电机改变镜片彼此间或镜片与摄像机光电检测器之间的距离实现调焦的功能，这种调焦装置广泛应用于普通照相机；
（2）依靠特定的机械装置，固定镜片与摄像机之间的距离，改变摄像机和物体之间的距离实现调焦的功能，这种调焦装置一般应用于显微镜。
对于多光谱成像，可以采用第（1）类方法，但由于多光谱成像具有较多光谱波段，对每一光谱波段进行精确调焦，现有调焦方法效率较低，因此，需要开发一种用于多光谱成像的快速调焦方法及相应的调焦装置，高效率完成多光谱调焦，得到清晰的多光谱图像。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有的多光谱调焦技术中，对每一光谱波段进行精确调焦，所存在效率较低的缺陷，提供一种用于多光谱成像的快速调焦方法以克服上述缺陷。
本发明的一个方面提供了一种用于多光谱成像的快速调焦方法，利用各光谱波段聚焦清晰度随步进电机转动位置分布曲线的相似性，实现多光谱成像的快速调焦，得到清晰的多光谱图像；包括如下步骤：
S1、在多个成像通道中选定一个作为基准通道，调节步进电机的转动位置，计算步进电机所有转动位置的对应聚焦清晰度，得到基准通道聚焦清晰度随步进电机转动位置变化的第一分布曲线；
S2、对其余每个通道，选取至少3个步进电机转动位置，将所选位置的聚焦清晰度与第一分布曲线进行匹配，得到待调焦通道聚焦清晰度随步进电机转动位置变化的第二分布曲线，以及第二分布曲线与第一分布曲线的偏移值，根据该偏移值计算待调焦通道的调焦清晰位置；
S3、以计算得到的调焦清晰度位置为中心，以步进电机转动最小间隔进行细调焦，得到精确的调焦清晰位置。
本发明第一分布曲线是特指基准通道而言，而除了基准通道外其余通道有多个，每个通道会对应得到一条第二分布曲线，因此所述的第二分布曲线是泛指除了基准通道外其余每个通道聚焦清晰度随步进电机转动位置变化的曲线。
依据成像需要，利用滤光片将光谱分为多个光谱波段，每个光谱波段对应一个通道，在每个光谱波段也即每个通道内对目标物体依次成像，然后将所有通道内的清晰图像合成为多光谱图像。
作为优选，所述的步骤S1中，利用粗调焦和细调焦结合的策略进行调焦，即在步进电机较大的转动间隔内，对目标物体进行成像，评价聚焦清晰度，得到调焦粗略清晰位置，在其附近以步进电机转动最小间隔进行细调焦，得到调焦最清晰位置。
作为优选，步骤S1中利用灰度差分法计算聚焦清晰度。
作为优选，所述的步骤S1中利用插值法计算得到基准通道聚焦清晰度随步进电机转动位置变化的第一分布曲线。即用插值算法计算基准通道所有步进电机转动位置的聚焦清晰度，得到第一分布曲线。
作为优选，所述的步骤S2中选取的步进电机转动位置分布在整个调焦范围。选取的步进电机转动位置不应集中于调焦范围内的某一区域内，应该在整个调焦范围内尽可能均匀的分散，减小待调焦通道聚焦清晰度与第一分布曲线匹配时的误差。
作为优选，所述的步骤S2中误差为计算误差最小时的偏移d，其中fc(ki)表示第c个通道在电机位置ki处的清晰度评价值，fb(ki+d)表示基准通道在电机位置ki+d处的清晰度评价值，N表示位置的数量。
作为优选，步骤（3）中，在所述的以待调焦通道调焦清晰位置为中心的预定区间内，以步进电机最小转动间隔进行细调焦，直至得到精确的清晰位置。
本发明的另一个方面，提供一种多光谱成像快速调焦装置，包括：
用于拍摄图像的摄像机，摄像机内设置有图像分析装置；
用于调节成像焦距的光学镜头；
用于带动光学镜头转动的步进马达，步进马达通过传送带与光学镜头传动连接；
色轮，色轮上设置有多个依圆周设置的滤色片，且光学镜头的光轴垂直于色轮所在平面并与滤色片所在中心对齐；
色轮的一个滤色片旋转至与光学镜头、摄像机共轴，构成基准通道；步进电机带动光学镜头转动，图像分析装置计算步进电机所有转动位置的对应聚焦清晰度，得到基准通道聚焦清晰度随步进电机转动位置变化的第一分布曲线；
转动色轮，使其他滤色片分别构成成像通道，对每个成像通道，选取至少3个步进电机转动位置，将所选位置的聚焦清晰度与第一分布曲线进行匹配，得到待调焦通道聚焦清晰度随步进电机转动位置变化的第二分布曲线与第一分布曲线的偏移值，根据的偏移值计算待调焦通道的调焦清晰位置；
以计算得到的调焦清晰度位置为中心，以步进电机转动最小间隔进行细调焦，得到精确的调焦清晰位置。
作为优选，步进电机上设置有调焦主动轮；光学镜头上设置有调焦从动轮，调焦主动轮通过传送带与调焦从动轮传动连接。
实施本发明提供的用于多光谱成像的快速调焦方法及装置，利用各光谱波段聚焦清晰度随步进电机转动位置分布曲线的相似性，实现多光谱成像的快速调焦，得到清晰的多光谱图像。本发明提供的调焦装置利用该方法实现多光谱的快速调焦。
附图说明
图1为本发明用于多光谱成像的快速调焦方法的流程图；
图2（a）为未经过调焦得到的多光谱图像；
图2（b）为利用本发明方法调焦后得到的多光谱图像；
图3是本发明调焦装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明具体实施方式做进一步说明。
本发明用于多光谱成像的快速调焦方法的流程图见图1，具体操作如下：
（1）选取灰度差分法作为聚焦清晰度评价标准，建立评价函数，具体为：
其中，(x,y)为图像的像素坐标，
其中，I(x,y)为点(x,y)处图像的灰度值，*表示卷积，此聚焦清晰度评价函数值越大，表明图像越清晰；
（2）选定一个基准通道，本实施例中选定第1个通道，在步进电机转动范围0～R内，以为间隔进行粗调焦，然后在以粗调焦清晰位置为中心，以为半径的范围内，以步进电机转动最小间隔进行细调焦，得到目标图像最清晰时步进电机转动位置；
（3）用三次样条插值计算基准通道步进电机所有转动位置的聚焦清晰度，得到基准通道聚焦清晰度随步进电机转动位置变化的第一分布曲线；
（4）对其余每一个通道，在步进电机转动范围内等间距取4个位置，
计算误差：
η＝X-1Y；
其中，R为步进电机转动范围，X-1是X的伪逆，fc(ki)为待测通道在位置ki处的聚焦清晰度，fb(ki+d)为基准通道在位置ki+d处的聚焦清晰度，e为匹配误差，d为待调焦通道聚焦清晰度随步进电机转动位置变化的第二分布曲线与基准通道聚焦清晰度随步进电机转动位置变化的第一分布曲线的偏移值；选取不同的d值，计算得到第二分布曲线和第一分布曲线的匹配误差e，e取最小值时对应的d值即为第二分布曲线和第一分布曲线的偏移值。
实施例中有16个通道，其中有一个为基准通道，因此总共需做15次偏移计算。
（5）用D(c)＝D(1)+d(c)估算待调焦通道调焦清晰位置，式中D(c)表示第c个待调焦通道的调焦清晰位置，D(1)表示第1个通道即基准通道的调焦清晰位置，d(c)表示第c个第二分布曲线和第一分布曲线的偏移值；
（6）在以估算得到的调焦清晰位置为中心，8个步进电机转动最小间隔为半径的区间内（此数值根据大量实验得到），以步进电机转动最小间隔进行细调焦，得到目标物体调焦清晰位置。
调焦完成后，对目标物体成像，见图2（b），与之对比的是未调焦的图像，见图2（a）。
表1列出了步进电机转动调焦范围R＝200时，传统方法和本发明方法对16通道多光谱成像系统进行自动调焦所需的聚焦位置数目。
传统方法中，每个通道粗调焦步长粗调焦所需聚焦位置数目int(R/r)＝14，细调焦所需聚焦位置数目等于粗调焦步长r，所以每个通道所需聚焦位置数目Nc＝28，所有通道共需448个聚焦位置；
本发明基准通道所需聚焦位置数目与传统方法相同Nb＝28，其余每个通道匹配仅需4个聚焦位置，进一步细调焦的步进电机转动次数为8即仅需8个聚焦位置，Nc＝12，所有通道共需208个聚焦位置。
从表1中可以看出本发明所需的聚焦位置数目明显少于传统方法，因此具有更高效率。
表1不同方法所需聚焦位置数目
采取方法 电机聚焦位置数目
传统方法 448
本发明方法 208
调高百分比 57%
图3为利用本发明多光谱成像调焦方法调焦的装置示意图，调焦主动轮2固定在步进电机1的转轴上，调焦从动轮4固定在光学镜头5调焦环上，传动带3带动调焦从动轮4随调焦主动轮2转动，光学镜头5和摄像机6相连。
色轮7上不同的滤光片可以将光谱分为不同的光谱波段，每个光谱波段对应一个通道，驱动步进电机带动调焦主动轮2转动，通过传动带3带动调焦从动轮4转动，调焦从动轮4带动光学镜头5上的调焦环转动，改变光学镜头5镜片组与摄像机6之间的距离，即改变像距完成每个通道的调焦。
在具体进行调焦的时候，先选择一个滤光片建立基准通道，然后按照粗调、细调的方式，调节步进电机1的转动位置，进一步计算步进电机1的所欲转动位置的对应聚焦清晰度，得到基准通道聚焦清晰度随步进电机转动位置变化的第一分布曲线，该计算过程是通过设置在摄像机6内部的图像分析装置来实现的；
此后转动滤光片，对其他的成像通道进行处理：对每个成像通道，选取至少3个步进电机转动位置，将所选位置的聚焦清晰度与第一分布曲线进行匹配，得到待调焦通道聚焦清晰度随步进电机转动位置变化的第二分布曲线与第一分布曲线的偏移值，图像分析装置根据的偏移值计算待调焦通道的调焦清晰位置；
最后以计算得到的调焦清晰度位置为中心，以步进电机转动最小间隔进行细调焦，在这个中心点的附近位置找到精确的调焦清晰位置。
以上仅为本发明具体实施方式，不能以此来限定本发明的范围，本技术领域内的一般技术人员根据本创作所作的均等变化，以及本领域内技术人员熟知的改变，都应仍属本发明涵盖的范围。

Claims (1)

1.一种用于多光谱成像的快速调焦方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在多个成像通道中选定一个作为基准通道，调节步进电机的转动位置，计算步进电机所有转动位置的对应聚焦清晰度，得到基准通道聚焦清晰度随步进电机转动位置变化的第一分布曲线；
S2、对其余每个通道，选取至少3个步进电机转动位置，将所选位置的聚焦清晰度与所述第一分布曲线进行匹配，得到待调焦通道聚焦清晰度随步进电机转动位置变化的第二分布曲线，以及所述第二分布曲线与所述第一分布曲线的偏移值，根据所述的偏移值计算待调焦通道的调焦清晰位置；
S3、以计算得到的调焦清晰度位置为中心，以步进电机转动最小间隔进行细调焦，得到精确的调焦清晰位置；
其中，所述的步骤S3中，在所述的以待调焦通道的调焦清晰位置为中心的预定区间内，以步进电机最小转动间隔进行细调焦，细调焦的步进电机转动次数为8；
步骤S1具体为：选取灰度差分法作为聚焦清晰度评价标准，建立评价函数，具体为：
f = Σ x Σ y | I x ( x , y ) | + | I y ( x , y ) |
其中，(x,y)为图像的像素坐标，
I x ( x , y ) = I ( x , y ) * 1 2 1 0 0 0 - 1 - 2 - 1
I y ( x , y ) = I ( x , y ) * 1 0 - 1 2 0 - 2 1 0 - 1
其中，I(x,y)为点(x,y)处图像的灰度值，*表示卷积，此聚焦清晰度评价函数值越大，表明图像越清晰；
选定一个基准通道，在步进电机转动范围0～R内，以为间隔进行粗调焦，然后在以粗调焦清晰位置为中心，以为半径的范围内，以步进电机转动最小间隔进行细调焦，得到目标图像最清晰时步进电机转动位置；
用三次样条插值计算基准通道步进电机所有转动位置的聚焦清晰度，得到基准通道聚焦清晰度随步进电机转动位置变化的第一分布曲线；
步骤S2具体为：
对其余每一个通道，在步进电机转动范围内等间距取4个位置，
k i = i n t ( i R 4 ) , i = 0 , 1 , 2 , 3 ;
计算误差：
η＝X-1Y；
X = f c ( k 0 ) f c ( k 1 ) f c ( k 2 ) f c ( k 3 ) , Y = f b ( k 0 + d ) f b ( k 1 + d ) f b ( k 2 + d ) f b ( k 3 + d ) ;
其中，R为步进电机转动范围，X-1是X的伪逆，fc(ki)为待测通道在位置ki处的聚焦清晰度，fb(ki+d)为基准通道在位置ki+d处的聚焦清晰度，e为匹配误差，d为待调焦通道聚焦清晰度随步进电机转动位置变化的第二分布曲线与基准通道聚焦清晰度随步进电机转动位置变化的第一分布曲线的偏移值；选取不同的d值，计算得到第二分布曲线和第一分布曲线的匹配误差e，e取最小值时对应的d值即为第二分布曲线和第一分布曲线的偏移值；用D(c)＝D(1)+d(c)估算待调焦通道调焦清晰位置，式中D(c)表示第c个待调焦通道的调焦清晰位置，D(1)表示第1个通道即基准通道的调焦清晰位置，d(c)表示第c个第二分布曲线和第一分布曲线的偏移值。
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