CN107991065A - 电动变焦镜头回程差的检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种电动变焦镜头回程差的检测装置及检测方法，其中装置包括：驱动及控制模块、图像获取模块及检测模块；驱动及控制模块包括：MCU、驱动电路、步进电机、电源和镜头支架；驱动电路用于驱动电动变焦镜头的变焦用步进电机；镜头支架用于固定电动变焦镜头；图像获取模块用于获取电动变焦镜头的成像；检测模块设置在上位机内，上位机与驱动及控制模块构成串口通信；检测模块包括基于MATLAB的检测控制单元和基于MATLAB的图像处理单元。本发明填补了现有技术的空白，可以针对不同型号的电动变焦镜头的回程差进行检测。
Description
技术领域
本发明属于光学器件检测领域，尤其涉及一种电动变焦镜头回程差的检测装置及检测方法。
背景技术
随着社会的发展和科学技术的进步，作为镜头厂商不单单是简单的生产镜头，还要对镜头的各方面做足够的测试才能够推向市场。除了对镜头外观，和镜头的作动情况，和镜头成像情况进行管控的同时，对变焦镜头的回程差的管控也成为越来越多相机客户的需求。
目前，国内外镜头生产厂商对电动变焦镜头回程差的检测装置或检测方法几乎为空白，也无法为购买电动变焦镜头产品的客户提供镜头回程差及相关的参数或指标，这就导致了因为产品客观存在的回程差对镜头变焦、聚焦产生的不能忽视的误差和影响为镜头的使用者带来了诸多不便，降低了用户体验。因此，发明一种实用、高效的电动变焦镜头回程差的检测装置及检测方法成为当下市场迫切的需要。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明采用以下技术方案：
一种电动变焦镜头回程差的检测装置，其特征在于，包括：驱动及控制模块、图像获取模块及检测模块；所述驱动及控制模块包括：MCU、驱动电路、步进电机、电源和镜头支架；所述驱动电路用于驱动电动变焦镜头的变焦用步进电机；所述镜头支架用于固定电动变焦镜头；所述图像获取模块用于获取电动变焦镜头的成像；所述检测模块设置在上位机内，所述上位机与驱动及控制模块构成串口通信；所述检测模块包括基于MATLAB的检测控制单元和基于MATLAB的图像处理单元；所述检测控制单元可向驱动及控制模块发出控制电动变焦镜头前组镜头或后组镜头往长焦方向或短焦方向移动一步或多步的指令，并记录移动的步数；所述检测控制单元可在每一次向驱动及控制模块发出移动一步或多步的指令之前和/或之后向图像获取模块发出采集图像的指令，并从图像获取模块获得图像信息；所述图像处理单元利用基于边缘检测的灰度算法判断检测控制单元获得的图像信息是否为最清晰像。
优选地，所述MCU为STC15F204EA单片机；所述驱动电路包括L293D驱动芯片，用于驱动电动变焦镜头的变焦用步进电机；所述电源的供电电压为5V；所述图像获取模块为CMOS图像传感器。
优选地，所述STC15F204EA单片机的P3.0-RX接口、P3.1-TX接口和所述驱动及控制模块的接地口通过PL2003连接至上位机的USB口，以实现串口通信。
优选地，所述检测模块还包括预览显示单元；用于实时获取并显示所述图像获取模块采集的图像。
优选地，所述基于边缘检测的灰度算法包括：步骤A：对图像进行灰度化处理，得到图像灰度矩阵；步骤B：对所述图像灰度矩阵利用imfilter函数在replicate的边界选项下分别进行基于一1×2或1×3滤波矩阵及其转置矩阵的X向和Y向的高通线性滤波，获得X向滤波结果矩阵和Y向滤波结果矩阵；步骤C：对所述X向滤波结果矩阵和Y向滤波结果矩阵的分别做与自身的点积运算，并对结果进行加运算后再进行点开方运算，得到清晰度评价矩阵；步骤D：将所述清晰度评价矩阵的全部元素进行求和，得到清晰度值，所述清晰度值的最大值对应的图像即为最清晰像。
优选地，所述滤波矩阵为[1 -2 1]或[1 -1]。
以及一种电动变焦镜头回程差的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：固定电动变焦镜头，并在镜头前方设置成像用道具；
步骤二：将电动变焦镜头进行长焦复位，控制前组镜头从长焦往短焦方向运动基础步数j1，对每一步进行图像采集及对每一图像进行基于边缘检测的灰度算法计算，从而对每一图像进行清晰度评价；其中清晰度值最大的图像对应的步数记为bb；
步骤三：控制前组镜头从短焦往长焦方向运动基础步数j1，对每一步进行图像采集及对每一图像进行基于边缘检测的灰度算法计算，从而对每一图像进行清晰度评价；其中清晰度值最大的图像对应的步数记为ll；
步骤四：计算获得前组镜头回程差=ll-(j1-bb)；
步骤五：将电动变焦镜头进行短焦复位，控制后组镜头从短焦往长焦方向运动基础步数j2，对每一步进行图像采集及对每一图像进行基于边缘检测的灰度算法计算，从而对每一图像进行清晰度评价；其中清晰度值最大的图像对应的步数记为b；
步骤六：控制后组镜头从长焦往短焦方向运动基础步数j2，对每一步进行图像采集及对每一图像进行基于边缘检测的灰度算法计算，从而对每一图像进行清晰度评价；其中清晰度值最大的图像对应的步数记为l；
步骤七：计算获得后组镜头回程差=l-(j2-b)。
优选地，所述基于边缘检测的灰度算法包括：步骤A：对图像进行灰度化处理，得到图像灰度矩阵；步骤B：对所述图像灰度矩阵分别进行基于一1×2或1×3滤波矩阵及其转置矩阵的X向和Y向的高通线性滤波，获得X向滤波结果矩阵和Y向滤波结果矩阵；所述滤波矩阵为[1 -2 1]或[1 -1]；步骤C：对所述X向滤波结果矩阵和Y向滤波结果矩阵的分别做与自身的点积运算，并对结果进行加运算后再进行点开方运算，得到清晰度评价矩阵；步骤D：将所述清晰度评价矩阵的全部元素进行求和，得到清晰度值，所述清晰度值的最大值对应的图像即为最清晰像。
优选地，步骤一中，所述电动变焦镜头固定在镜头支架上；
步骤二与步骤三之间，步骤五与步骤六之间，均设有1秒的延时；
所述前组镜头和后组镜头的运动由电动变焦镜头的变焦用步进电机控制；所述步进电机由L293D驱动芯片驱动；所述L293D驱动芯片设置在一驱动电路上；所述驱动电路与一MCU连接，所述MCU为STC15F204EA单片机；所述MCU通过串口通信与一上位机连接；
所述图像采集通过一CMOS图像传感器实现；
所述上位机内设置有一检测模块；所述检测模块包括基于MATLAB的检测控制单元和基于MATLAB的图像处理单元；所述检测控制单元可向驱动及控制模块发出控制电动变焦镜头前组镜头或后组镜头往长焦方向或短焦方向移动一步或多步的指令，并记录移动的步数；所述检测控制单元可在每一次向驱动及控制模块发出移动一步或多步的指令之前和/或之后向CMOS图像传感器发出采集图像的指令，并从CMOS图像传感器获得图像信息；所述图像处理单元利用基于边缘检测的灰度算法判断检测控制单元获得的图像信息是否为最清晰像。
本发明填补了现有技术的空白，可以针对不同型号的电动变焦镜头的回程差进行检测，也可以应用于工业生产，对电动变焦镜头进行快速批量检测。基于高效的检测流程和算法，采用成本较低且易于搭建的配套装置，能够精确地测算电动变焦镜头的前组镜头回程差和后组镜头回程差，利用测得的数据可以帮助在镜头的使用中可以通过软件程序来补偿该误差以达到更精确控制镜头的目的。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例中检测方法的流程图；
图2为本发明实施例中基于边缘检测的灰度算法的流程图。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
本实施例的检测装置包括：驱动及控制模块、图像获取模块及检测模块；驱动及控制模块包括：MCU（微控制单元）、驱动电路、步进电机、电源和镜头支架；驱动电路用于驱动电动变焦镜头的变焦用步进电机；镜头支架用于固定电动变焦镜头；图像获取模块用于获取电动变焦镜头的成像；检测模块设置在上位机内，上位机与驱动及控制模块构成串口通信；检测模块包括基于MATLAB的检测控制单元和基于MATLAB的图像处理单元；检测控制单元可向驱动及控制模块发出控制电动变焦镜头前组镜头或后组镜头往长焦方向或短焦方向移动一步或多步的指令，并记录移动的步数；检测控制单元可在每一次向驱动及控制模块发出移动一步或多步的指令之前和/或之后向图像获取模块发出采集图像的指令，并从图像获取模块获得图像信息；图像处理单元利用基于边缘检测的灰度算法判断检测控制单元获得的图像信息是否为最清晰像。
本实施例中，MCU为STC15F204EA单片机；驱动电路包括L293D驱动芯片，用于驱动电动变焦镜头的变焦用步进电机；电源的供电电压为5V；图像获取模块为CMOS图像传感器。
本实施例的驱动及控制模块设置在PCB板上。
其中，STC15F204EA是新一代高速/高可靠/低功耗的新一代8051单片机，全面兼容8051单片机，对程序的移植提供了很大的便利。内部集成高精度R/C时钟，±1%温漂，省略外部晶振及复位电路，可大幅缩小PCB板尺寸。
STC15F204EA具有如下特性：1、内置高可靠复位电路，省略外部复位电路的接线；2、内置高精度R/C时钟，工作频率范围5MHZ~35MHZ；3、1K/2K/3K/4K/5K字节片内flash程序存储器，可擦写10万次以上；4、8通道，10位高速ADC，可为后续模数转换使用，采用20引脚的单片机，其所有IO口均有4中功能（准双向口，强推挽，高阻，开漏）可满足开发需求，且此单片机具有8路10位ADC，无需外置AD采样电路，能够满足本实施例装置的需求。
其中，L293D具有如下特性：1、电源电压范围：4.5 V至36 V；2、四倍高电流H桥驱动；3、输出电流1A每通道，峰值输出电流2A每通道；4、外部输出为高速钳位二极管的感性瞬态抑制，L293D设置在H桥驱动电路中，可达到峰值2A的输出，足够驱动步进电机，且使能脚加高电平后只需改变IN1~4脚的输入即可控制步进电机作动，无需其他外围电路，能够满足本实施例装置的需求。
其中电源部分使用外置降压后的DC 5V输入，在输入部分分别使用两组电容进行滤波，保证输入电源的稳定性。
其中，本实施例装置使用的CMOS图像传感器的传感器接口为USB接口，靶面尺寸1/2.5，PCB板型为38mm*38mm。
其中，STC15F204EA单片机的P3.0-RX接口、P3.1-TX接口和驱动及控制模块PCB板的接地口通过PL2003连接至上位机的USB口，以实现串口通信。
本实施例中，检测模块为上位机（PC）上基于MATLAB开发的带有GUI的可视化软件程序。
检测模块带有串口连接功能，使上位机与驱动及控制模块进行串口通信，
检测模块带有预览显示单元；用于实时获取CMOS图像传感器采集的图像并将其显示在GUI界面上，使用者可以通过观察视频的变化来判断检测过程是否有异常。
基于MATLAB的检测控制单元和基于MATLAB的图像处理单元是检测模块的核心功能。
其中，检测控制单元用于控制驱动及控制模块中的步进电机，以实现前组镜头和后组镜头移动给定的步数，并在此过程中完成通过CMOS图像传感器对图像的采集；图像处理单元用于图像清晰度的判断，并得到最清晰像。
其中图像处理单元对图像清晰度的算法是基于边缘检测的灰度算法，该种算法可以通过拉普拉斯算子、Sobel算子等方法实现。本实施例中结合各种可行算法的特点，采用了一种高效的基于边缘检测的灰度算法，包括以下步骤：步骤A：对图像进行灰度化处理，得到图像灰度矩阵；步骤B：对图像灰度矩阵利用imfilter函数在replicate的边界选项下分别进行基于一1×2或1×3滤波矩阵及其转置矩阵的X向和Y向的高通线性滤波，获得X向滤波结果矩阵和Y向滤波结果矩阵；步骤C：对X向滤波结果矩阵和Y向滤波结果矩阵的分别做与自身的点积运算，并对结果进行加运算后再进行点开方运算，得到清晰度评价矩阵；步骤D：将清晰度评价矩阵的全部元素进行求和，得到清晰度值，清晰度值的最大值对应的图像即为最清晰像。
其中，滤波矩阵为[1 -2 1]或[1 -1]。
具体代码示例：
wl=[1 -2 1];
img1=imfilter(img,wl,’replicate’);
img2=imfilter(img,wl’,’replicate’);
imgn=sqrt(img1.^2+img2.^2);
s=[s sum(imgn(:))];
该种算法运算处理速度快、效率高，且结果准确。
基于本实施例中装置的电动变焦镜头回程差的检测方法，包括以下步骤：
步骤一：固定电动变焦镜头，并在镜头前方设置成像用道具；
步骤二：将电动变焦镜头进行长焦复位，控制前组镜头从长焦往短焦方向运动基础步数j1，对每一步进行图像采集及对每一图像进行基于边缘检测的灰度算法计算，从而对每一图像进行清晰度评价；其中清晰度值最大的图像对应的步数记为bb；
步骤三：控制前组镜头从短焦往长焦方向运动基础步数j1，对每一步进行图像采集及对每一图像进行基于边缘检测的灰度算法计算，从而对每一图像进行清晰度评价；其中清晰度值最大的图像对应的步数记为ll；
步骤四：计算获得前组镜头回程差=ll-(j1-bb)；
步骤五：将电动变焦镜头进行短焦复位，控制后组镜头从短焦往长焦方向运动基础步数j2，对每一步进行图像采集及对每一图像进行基于边缘检测的灰度算法计算，从而对每一图像进行清晰度评价；其中清晰度值最大的图像对应的步数记为b；
步骤六：控制后组镜头从长焦往短焦方向运动基础步数j2，对每一步进行图像采集及对每一图像进行基于边缘检测的灰度算法计算，从而对每一图像进行清晰度评价；其中清晰度值最大的图像对应的步数记为l；
步骤七：计算获得后组镜头回程差=l-(j2-b)。
其中，电动变焦镜头固定在镜头支架上。j1、j2的值可根据不同的电动变焦镜头的具体规格和参数确定。
在本实施例中，操作步骤二之前，在检测模块中需要选择串口句柄并创建串口对象并设置串口通信参数，定义串口的中断函数和中断方式，串口读写事件主要使用了Outputempty，在输出缓冲区为空时，产生该事件。
在MCU中需要设置串口通信，分别配置串行口通用寄存器SCON和定时器模式寄存器TMOD，其中SCON：SM0,SM1,SM2,REN,TB8,RB8,TI,RI。重要位有a=SM0SM1，a=01含义为10位异步收发，波特率可变；REN串行接收使能位；TI发送中断标志位；RI接收中断标致位。TMOD常用低两位M1M0=10，设置定时器/计数器工作方式为8位初值自动重装。
上述配置完成之后打开串口。串口打开成功，则可以从串口（P3.0/P3.1）读写数据，使用读函数：fread，fscanf即可从串口读写二进制或ASCII数据。异步通信先发送起始位（低电平），再发7位数据位，最后发送一位校验位（奇偶校验）和一位停止位从而完成一帧的数据发送。
在检测过程中，可实时打开预览显示单元，用以监控成像状况。
在本实施例步骤二与步骤三之间，步骤五与步骤六之间，均设有1秒的延时。
采用本实施例的装置和方法对电动变焦镜头进行回程差检测，测试过程约为1分钟，即可得到测试结果。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的电动变焦镜头回程差的检测装置及检测方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
Claims (9)
1.一种电动变焦镜头回程差的检测装置，其特征在于，包括：驱动及控制模块、图像获取模块及检测模块；所述驱动及控制模块包括：MCU、驱动电路、步进电机、电源和镜头支架；所述驱动电路用于驱动电动变焦镜头的变焦用步进电机；所述镜头支架用于固定电动变焦镜头；所述图像获取模块用于获取电动变焦镜头的成像；所述检测模块设置在上位机内，所述上位机与驱动及控制模块构成串口通信；所述检测模块包括基于MATLAB的检测控制单元和基于MATLAB的图像处理单元；所述检测控制单元可向驱动及控制模块发出控制电动变焦镜头前组镜头或后组镜头往长焦方向或短焦方向移动一步或多步的指令，并记录移动的步数；所述检测控制单元可在每一次向驱动及控制模块发出移动一步或多步的指令之前和/或之后向图像获取模块发出采集图像的指令，并从图像获取模块获得图像信息；所述图像处理单元利用基于边缘检测的灰度算法判断检测控制单元获得的图像信息是否为最清晰像。
2.根据权利要求1所述的电动变焦镜头回程差的检测装置，其特征在于：所述MCU为STC15F204EA单片机；所述驱动电路包括L293D驱动芯片，用于驱动电动变焦镜头的变焦用步进电机；所述电源的供电电压为5V；所述图像获取模块为CMOS图像传感器。
3.根据权利要求2所述的电动变焦镜头回程差的检测装置，其特征在于：所述STC15F204EA单片机的P3.0-RX接口、P3.1-TX接口和所述驱动及控制模块的接地口通过PL2003连接至上位机的USB口，以实现串口通信。
4.根据权利要求1所述的电动变焦镜头回程差的检测装置，其特征在于：所述检测模块还包括预览显示单元；用于实时获取并显示所述图像获取模块采集的图像。
5.根据权利要求1所述的电动变焦镜头回程差的检测装置，其特征在于：所述基于边缘检测的灰度算法包括：步骤A：对图像进行灰度化处理，得到图像灰度矩阵；步骤B：对所述图像灰度矩阵利用imfilter函数在replicate的边界选项下分别进行基于一1×2或1×3滤波矩阵及其转置矩阵的X向和Y向的高通线性滤波，获得X向滤波结果矩阵和Y向滤波结果矩阵；步骤C：对所述X向滤波结果矩阵和Y向滤波结果矩阵的分别做与自身的点积运算，并对结果进行加运算后再进行点开方运算，得到清晰度评价矩阵；步骤D：将所述清晰度评价矩阵的全部元素进行求和，得到清晰度值，所述清晰度值的最大值对应的图像即为最清晰像。
6.根据权利要求5所述的电动变焦镜头回程差的检测装置，其特征在于：所述滤波矩阵为[1 -2 1]或[1 -1]。
7.一种电动变焦镜头回程差的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：固定电动变焦镜头，并在镜头前方设置成像用道具；
步骤二：将电动变焦镜头进行长焦复位，控制前组镜头从长焦往短焦方向运动基础步数j1，对每一步进行图像采集及对每一图像进行基于边缘检测的灰度算法计算，从而对每一图像进行清晰度评价；其中清晰度值最大的图像对应的步数记为bb；
步骤三：控制前组镜头从短焦往长焦方向运动基础步数j1，对每一步进行图像采集及对每一图像进行基于边缘检测的灰度算法计算，从而对每一图像进行清晰度评价；其中清晰度值最大的图像对应的步数记为ll；
步骤四：计算获得前组镜头回程差=ll-(j1-bb)；
步骤五：将电动变焦镜头进行短焦复位，控制后组镜头从短焦往长焦方向运动基础步数j2，对每一步进行图像采集及对每一图像进行基于边缘检测的灰度算法计算，从而对每一图像进行清晰度评价；其中清晰度值最大的图像对应的步数记为b；
步骤六：控制后组镜头从长焦往短焦方向运动基础步数j2，对每一步进行图像采集及对每一图像进行基于边缘检测的灰度算法计算，从而对每一图像进行清晰度评价；其中清晰度值最大的图像对应的步数记为l；
步骤七：计算获得后组镜头回程差=l-(j2-b)。
8.根据权利要求7所述的电动变焦镜头回程差的检测方法，其特征在于：所述基于边缘检测的灰度算法包括：步骤A：对图像进行灰度化处理，得到图像灰度矩阵；步骤B：对所述图像灰度矩阵分别进行基于一1×2或1×3滤波矩阵及其转置矩阵的X向和Y向的高通线性滤波，获得X向滤波结果矩阵和Y向滤波结果矩阵；所述滤波矩阵为[1 -2 1]或[1 -1]；步骤C：对所述X向滤波结果矩阵和Y向滤波结果矩阵的分别做与自身的点积运算，并对结果进行加运算后再进行点开方运算，得到清晰度评价矩阵；步骤D：将所述清晰度评价矩阵的全部元素进行求和，得到清晰度值，所述清晰度值的最大值对应的图像即为最清晰像。
9.根据权利要求8所述的电动变焦镜头回程差的检测方法，其特征在于：
步骤一中，所述电动变焦镜头固定在镜头支架上；
步骤二与步骤三之间，步骤五与步骤六之间，均设有1秒的延时；
所述前组镜头和后组镜头的运动由电动变焦镜头的变焦用步进电机控制；所述步进电机由L293D驱动芯片驱动；所述L293D驱动芯片设置在一驱动电路上；所述驱动电路与一MCU连接，所述MCU为STC15F204EA单片机；所述MCU通过串口通信与一上位机连接；
所述图像采集通过一CMOS图像传感器实现；
所述上位机内设置有一检测模块；所述检测模块包括基于MATLAB的检测控制单元和基于MATLAB的图像处理单元；所述检测控制单元可向驱动及控制模块发出控制电动变焦镜头前组镜头或后组镜头往长焦方向或短焦方向移动一步或多步的指令，并记录移动的步数；所述检测控制单元可在每一次向驱动及控制模块发出移动一步或多步的指令之前和/或之后向CMOS图像传感器发出采集图像的指令，并从CMOS图像传感器获得图像信息；所述图像处理单元利用基于边缘检测的灰度算法判断检测控制单元获得的图像信息是否为最清晰像。
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