CN104780317A - 基于多传感器集成的工业照相机自动快速对焦装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于多传感器集成的工业照相机自动快速对焦装置与方法。目前照相机自动对焦方法各有其局限性。本发明的基于多传感器集成的工业照相机自动快速对焦装置中，底板固定在三坐标测量机Z轴的测头座上；CCD照相机和固定杆均与基板固定；点激光发射器固定在固定杆的圆柱形通孔中；RFID标签贴在CCD照相机的镜头上；内嵌在基板端面上的四块圆柱形铁块分别与内嵌在底板端面上对应的一块圆柱形磁铁相吸附。本发明的基于多传感器集成的工业照相机自动快速对焦方法，步骤如下：对焦装置准备，手动精确对焦，配置标签，批量处理，完成自动化快速对焦。本发明利用三坐标测量机实现高精度的对焦，RFID技术实现对焦的快速自动化。

Description

基于多传感器集成的工业照相机自动快速对焦装置与方法

技术领域

本发明属于二维投影测量领域，涉及工业照相机的自动化对焦，尤其涉及一种基于多传感器集成的工业照相机自动快速对焦装置与方法。

背景技术

工业照相机实现对焦是投影测量的前提。目前照相机自动对焦主要有三种方法：

（1）测距法：利用某种手段测出待拍摄物体与镜头之间的距离，从而进行调焦使物体成像清晰。主要分为红外线测距法和超声波测距法。

（2）聚焦检测法：运用现代光学探测器来代替人眼的功能，判断图像的清晰度程度，然后通过探测器的输出信号及控制机构自动调整镜头的移动量，以达到自动对焦的目的，主要分为对比度法和相位法。

（3）基于图像处理的自动对焦方法：将对焦过程中图像的某些特征作为依据，判断出图像最清晰时候镜头与被拍摄物体的距离，使电机驱动镜头移动到这个正确位置。

以上所述三种自动对焦方法各有其局限性。对于方法（1），比如红外测距和超声测距的对焦方法，当被测目标对红外光或超声波有较强的吸收作用时，将使测距系统失灵或对焦不准确；对于方法（2），受光照调剂的制约，当光线暗弱或被摄体与背景明暗差别很小时，调焦就会有困难，甚至失去作用；对于方法（3），由于图像处理占用大量的计算机资源，这种对焦方法对计算机硬件提出了较高的要求。

在二维投影测量领域，一般选用二维投影测量仪作为主要工具，综合利用上述三种方法进行对焦。但局限性在于：手动对焦的二维投影测量仪价格不低，具有自动对焦功能的二维投影测量仪价格更加昂贵。

随着物联网技术的快读发展，RFID技术在各行各业开始得到广泛应用；RFID技术可靠性高，且操作简单，无须人工进行干预，在工业自动化领域的应用将会越来越广泛。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供基于多传感器集成的工业照相机自动快速对焦装置与方法，先在镜头上贴上RFID标签，再由点激光器发射光束，光束由平面镜反射透过镜头成像在CCD像平面上，记录此时像点在CCD像平面上的图像坐标，即该镜头的对焦坐标；不同的镜头有对应的RFID标签，同时有对应的对焦坐标，存入计算机数据库中；最后由计算机控制三坐标测量机Z轴上下运动使得像点运动到目标坐标位置实现CCD照相机的自动化快速对焦。

本发明的基于多传感器集成的工业照相机自动快速对焦装置，包括CCD照相机、基板、底板、固定杆、点激光发射器、RFID标签和读写器；所述的底板固定在三坐标测量机Z轴的测头座上；所述的CCD照相机固定在基板上；所述固定杆一端端部的椭圆柱形底座嵌入基板上的椭圆柱凹槽内，且椭圆柱形底座的中心通过螺钉固定在基板上；固定杆的另一端圆柱面上开有圆柱形通孔；圆柱形通孔的轴线平行于固定杆的端面，且与三坐标测量机Z轴的夹角为5～10°；圆柱形通孔的底部倾向CCD照相机侧面；所述的点激光发射器固定在固定杆的圆柱形通孔中；所述的RFID标签贴在CCD照相机的镜头上。基板上的两个八分之一凸球定位块分别嵌入底板上对应的一个八分之一凹球定位槽内，基板上的四分之一凸球定位块嵌入底板上的四分之一凹球定位槽内；内嵌在基板端面上的四块圆柱形铁块分别与内嵌在底板端面上对应的一块圆柱形磁铁相吸附。

所述的读写器连接有天线。

所述的八分之一凸球定位块与八分之一凹球定位槽的形状匹配，四分之一凸球定位块与四分之一凹球定位槽的形状匹配。

所述基板、底板和固定杆的材质均为铝合金。

采用基于多传感器集成的工业照相机自动快速对焦装置进行对焦的方法，具体步骤如下：

步骤一、对焦装置准备。首先装配CCD照相机、基板、底板、固定杆和点激光发射器，然后手持基板，通过圆柱形铁块和圆柱形磁铁的引力作用将基板固定在底板上。接着将工作基台放置在三坐标测量机测量平台的正中位置，并将平面镜放在工作基台的正中位置。

步骤二、手动精确对焦。把一个备用镜头安装在CCD照相机上，驱动三坐标测量机，使对焦装置移动到平面镜正上方，打开点激光发射器。手动调节三坐标测量机Z轴，使Z轴上下移动，计算机通过清晰度评价函数确定激光点像点的清晰度最大时像点在CCD像平面上的图像坐标值，将此坐标值存入计算机数据库中，并保存为当前镜头对应的对焦坐标。

步骤三、配置标签。给当前镜头配置一个RFID标签，并将该RFID标签的EPC码存入计算机数据库中，然后在数据库中对该RFID标签与该镜头进行关联，完成后取下当前镜头，实现镜头、标签和对焦坐标的一一对应。

步骤四、批量处理。对所有备用镜头重复步骤二、三以获取所有备用镜头对应的对焦坐标。

步骤五、完成自动化快速对焦。针对实际的测量任务，在备选镜头中选取一个镜头，安装在CCD照相机上。读写器向该镜头的RFID标签发射无线激励信号，RFID标签在无线信号的激励下产生激励电流，并形成工作电压，将自身的EPC码发送给读写器，读写器将接收的EPC码传递给计算机，计算机根据EPC码在数据库中寻找该RFID标签对应的对焦坐标，即该镜头的对焦坐标。然后，计算机对激光点像点进行实时跟踪，并驱动三坐标测量机，使Z轴上下移动，直至激光点像点的图像坐标与对焦坐标相同，完成自动化快速对焦。

本发明具有的有益效果是：

（1）利用三坐标测量机精确的空间定位能力实现高精度的对焦。

（2）利用RFID技术实现对焦的快速自动化，操作简单、便捷。

（3）对焦装置结构简单，易于实现。

附图说明

图1是本发明的工作原理图；

图2是本发明的基于多传感器集成的工业照相机自动快速对焦装置中各个零件立体图；

图3-1是本发明中固定杆的立体图；

图3-2是本发明中固定杆的二维结构示意图；

图3-3是本发明中固定杆的圆柱形通孔轴线与三坐标测量机Z轴的夹角关系示意图；

图4是本发明中基板的立体图；

图5是本发明中底板的立体图；

图6是本发明中工作基台的立体图；

图7是CCD像平面成像随三坐标测量机Z轴竖直方向上下移动的示意图。

图中：1、镜头，2、CCD照相机，3、基板，4、底板，5、三坐标测量机Z轴，6、测头座，7、固定杆，8、点激光发射器，9、RFID标签，10、天线，11、读写器，12、计算机，13、圆柱形铁块，14、圆柱形磁铁。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1、2、3-1、3-2和3-3所示，基于多传感器集成的工业照相机自动快速对焦装置，包括CCD照相机2、基板3、底板4、固定杆7、点激光发射器8、RFID标签9和读写器11；底板４通过螺钉固定在三坐标测量机Z轴5的测头座6上；CCD照相机2通过螺钉固定在基板3上；固定杆7一端端部的椭圆柱形底座嵌入基板3上的椭圆柱凹槽内，且椭圆柱形底座的中心通过螺钉固定在基板3上；固定杆7的另一端圆柱面上开有圆柱形通孔7-1；圆柱形通孔的轴线平行于固定杆7的端面，且与三坐标测量机Z轴的夹角为5°；圆柱形通孔的底部倾向CCD照相机侧面；点激光发射器8通过螺钉固定在固定杆7的圆柱形通孔中；RFID标签9贴在CCD照相机2的镜头1上；读写器11连接有天线10。

如图2、4和5所示，基板3上的两个八分之一凸球定位块3-1分别嵌入底板4上对应的一个八分之一凹球定位槽4-1内，基板3上的四分之一凸球定位块3-2嵌入底板4上的四分之一凹球定位槽4-2内；八分之一凸球定位块与八分之一凹球定位槽的形状匹配，四分之一凸球定位块与四分之一凹球定位槽的形状匹配；内嵌在基板3端面上的四块圆柱形铁块13分别与内嵌在底板4端面上对应的一块圆柱形磁铁14相吸附；圆柱形铁块13和圆柱形磁铁14实现整个基板3在底板4上的手动装卸。

该基于多传感器集成的工业照相机自动快速对焦装置的实现原理为：

如图1和2所示，当手持基板3与底板4靠近时，由于圆柱形铁块13和圆柱形磁铁14的引力作用，使得基板3与底板4发生吸引，整个基板3被固定在底板4上，且手动即可使整个基板3从底板4上卸载。基板3、底板4和固定杆7的材质均为铝合金，可减轻重量从而减轻三坐标测量机Z轴5的负担。读写器11、CCD照相机2及三坐标测量机均接入计算机12中。

如图6和7所示，对焦过程中，将工作基台放置在三坐标测量机的测量平台上，并将平面镜放置在工作基台上，平面镜将来自点激光发射器8的光束反射到CCD照相机2的镜头1中，并在CCD像平面上成像；工作基台的材质是黑色大理石。

基于多传感器集成的工业照相机自动快速对焦方法，具体步骤如下：

步骤一、对焦装置准备。首先装配CCD照相机2、基板3、底板4、固定杆7和点激光发射器8，然后手持基板3，通过圆柱形铁块13和圆柱形磁铁14的引力作用将基板3固定在底板4上。接着将工作基台放置在三坐标测量机测量平台的正中位置，并将平面镜放在工作基台的正中位置。

步骤二、手动精确对焦。把一个备用镜头安装在CCD照相机上，驱动三坐标测量机，使对焦装置移动到平面镜正上方，打开点激光发射器。手动调节三坐标测量机Z轴，使Z轴上下移动，计算机通过清晰度评价函数确定激光点像点的清晰度最大时像点在CCD像平面上的图像坐标值，将此坐标值存入计算机数据库中，并保存为当前镜头对应的对焦坐标。

步骤三、配置标签。给当前镜头配置一个RFID标签，并将该RFID标签的EPC码存入计算机数据库中，然后在数据库中对该RFID标签与该镜头进行关联，完成后取下当前镜头，实现镜头、标签和对焦坐标的一一对应。

步骤四、批量处理。对所有备用镜头重复步骤二、三以获取所有备用镜头对应的对焦坐标。

步骤五、完成自动化快速对焦。针对实际的测量任务，在备选镜头中选取一个镜头，安装在CCD照相机上。读写器11向该镜头的RFID标签发射无线激励信号，RFID标签在无线信号的激励下产生激励电流，并形成工作电压，将自身的EPC码发送给读写器，读写器将接收的EPC码传递给计算机，计算机根据EPC码在数据库中寻找该RFID标签对应的对焦坐标，即该镜头的对焦坐标。然后，计算机对激光点像点进行实时跟踪，并驱动三坐标测量机，使Z轴上下移动，直至激光点像点的图像坐标与对焦坐标相同，完成自动化快速对焦。

Claims (5)

1.基于多传感器集成的工业照相机自动快速对焦装置，包括CCD照相机、基板、底板、固定杆、点激光发射器、RFID标签和读写器，其特征在于：

所述的底板固定在三坐标测量机Z轴的测头座上；所述的CCD照相机固定在基板上；所述固定杆一端端部的椭圆柱形底座嵌入基板上的椭圆柱凹槽内，且椭圆柱形底座的中心通过螺钉固定在基板上；固定杆的另一端圆柱面上开有圆柱形通孔；圆柱形通孔的轴线平行于固定杆的端面，且与三坐标测量机Z轴的夹角为5～10°；圆柱形通孔的底部倾向CCD照相机侧面；所述的点激光发射器固定在固定杆的圆柱形通孔中；所述的RFID标签贴在CCD照相机的镜头上；基板上的两个八分之一凸球定位块分别嵌入底板上对应的一个八分之一凹球定位槽内，基板上的四分之一凸球定位块嵌入底板上的四分之一凹球定位槽内；内嵌在基板端面上的四块圆柱形铁块分别与内嵌在底板端面上对应的一块圆柱形磁铁相吸附。

2.根据权利要求1所述的基于多传感器集成的工业照相机自动快速对焦装置，其特征在于：所述的读写器连接有天线。

3.根据权利要求1所述的基于多传感器集成的工业照相机自动快速对焦装置，其特征在于：所述的八分之一凸球定位块与八分之一凹球定位槽的形状匹配，四分之一凸球定位块与四分之一凹球定位槽的形状匹配。

4.根据权利要求1所述的基于多传感器集成的工业照相机自动快速对焦装置，其特征在于：所述基板、底板和固定杆的材质均为铝合金。

5.采用权利要求1、2、3或4所述的基于多传感器集成的工业照相机自动快速对焦装置进行对焦的方法，具体步骤如下：

步骤一、对焦装置准备；首先装配CCD照相机、基板、底板、固定杆和点激光发射器，然后手持基板，通过圆柱形铁块和圆柱形磁铁的引力作用将基板固定在底板上；接着将工作基台放置在三坐标测量机测量平台的正中位置，并将平面镜放在工作基台的正中位置；

步骤二、手动精确对焦；把一个备用镜头安装在CCD照相机上，驱动三坐标测量机，使对焦装置移动到平面镜正上方，打开点激光发射器；手动调节三坐标测量机Z轴，使Z轴上下移动，计算机通过清晰度评价函数确定激光点像点的清晰度最大时像点在CCD像平面上的图像坐标值，将此坐标值存入计算机数据库中，并保存为当前镜头对应的对焦坐标；

步骤三、配置标签；给当前镜头配置一个RFID标签，并将该RFID标签的EPC码存入计算机数据库中，然后在数据库中对该RFID标签与该镜头进行关联，完成后取下当前镜头，实现镜头、标签和对焦坐标的一一对应；

步骤四、批量处理；对所有备用镜头重复步骤二、三以获取所有备用镜头对应的对焦坐标；

步骤五、完成自动化快速对焦；针对实际的测量任务，在备选镜头中选取一个镜头，安装在CCD照相机上；读写器向该镜头的RFID标签发射无线激励信号，RFID标签在无线信号的激励下产生激励电流，并形成工作电压，将自身的EPC码发送给读写器，读写器将接收的EPC码传递给计算机，计算机根据EPC码在数据库中寻找该RFID标签对应的对焦坐标，即该镜头的对焦坐标；然后，计算机对激光点像点进行实时跟踪，并驱动三坐标测量机，使Z轴上下移动，直至激光点像点的图像坐标与对焦坐标相同，完成自动化快速对焦。