CN109901355B - 基于对比度加直方图的多元化投影仪自动对焦方法 - Google Patents

基于对比度加直方图的多元化投影仪自动对焦方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于对比度加直方图的多元化投影仪自动对焦方法，包括摄像头、投影光机、主控电路板和幕布；摄像头用于提取投影成像目标的图像；投影光机用于输出聚焦标定画面到幕布上；主控电路板进行自动对焦的程序控制，读取摄像头图像中的Y通道图像分量，以计算图像对比度和直方图灰度面积，通过对比度加直方图来衡量图像清晰度。本发明的优点在于，采用对比度加直方图的算法，可有效解决投影设备由于曝光过度带来的聚焦失败问题，减小了投影机自动聚焦功能对环境光线的要求，同时也降低了该功能对摄像头的等级要求。

Description

基于对比度加直方图的多元化投影仪自动对焦方法
技术领域
本发明涉及投影技术领域，特别是一种基于对比度加直方图的多元化投影仪自动对焦方法。
背景技术
投影仪是一种可以将图像或视频投射到幕布上的设备。目前在投影机领域常用的对焦评价函数主要有三种评判方法，灰度方差法，评判图像灰度的变化程度；边缘评判法，通过对图像进行边缘检测，比如sobel，prewitt，roberts等等各种边缘检测，然后找出边缘最丰富的那一张图片；对比度法，图像细节越丰富，傅里叶分解后的频率肯定越多，所以对比度也能作为一种评判标准。以上三种方法在理想投影亮度和环境光线下表现良好，但如果投射距离比较近，或者投影机亮度过高的情况下，摄像头捕捉回的画面就存在曝光过度问题，使自动对焦功能无法准确完成。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于对比度加直方图的多元化投影仪自动对焦方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于对比度加直方图的多元化投影仪自动对焦方法，包括摄像头、投影光机、主控电路板和幕布；所述摄像头用于提取投影成像目标的图像；所述投影光机用于输出聚焦标定画面到幕布上；主控电路板进行自动对焦的程序控制，具体的自动对焦方法是：
（1）打开摄像头和投影机，驱动焦距回到初始位置；
（2）摄像头修正常数a测定：
(a)调整投影距离至摄像头的曝光临界位置，然后手动调整投影光机使其对焦正常；
(b)读取摄像头图像并提取Y通道图像分量，并计算图像的对比度c和直方图的灰 度面积N，对比度
Figure 328260DEST_PATH_IMAGE001
，直方图的灰度面积
Figure 755831DEST_PATH_IMAGE002
，修正常数
Figure 286169DEST_PATH_IMAGE003
；
其中，i表示像素在图像中的横向位置，j表示像素在图像中的纵向位置，
Figure 836099DEST_PATH_IMAGE004
表示相邻像素间的灰度差，
Figure 451888DEST_PATH_IMAGE005
为相邻像素灰度差为
Figure 745466DEST_PATH_IMAGE004
的像素分布概率，
k表示像素值，范围在0~255，
Figure 130311DEST_PATH_IMAGE006
为像素值为k的像素个数；
(c)把摄像头修正常数a储存到投影设备；
（3）自动对焦：
(a)调整投影设备与幕布之间的距离至正常投影距离；
(b)发送控制命令将投影机镜头焦距调至起点；
(c)读取摄像头图像并提取Y通道图像分量并进行清晰度
Figure 585564DEST_PATH_IMAGE007
的计算，计算公式为
Figure 688649DEST_PATH_IMAGE008
，储存清晰度数据；
(d)若是前2次储存清晰度
Figure 520339DEST_PATH_IMAGE009
的数值，进入步骤（f）；若否，则进入步骤（e）进行清晰 度对比；
(e)将本次清晰度数值
Figure 25269DEST_PATH_IMAGE009
与上一次清晰度数值
Figure 651423DEST_PATH_IMAGE010
进行对比，若本次清晰度数值
Figure 241804DEST_PATH_IMAGE009
不小于上一次清晰度数值
Figure 877185DEST_PATH_IMAGE010
，则进入步骤（f）；若否，则上一次清晰度数值
Figure 971043DEST_PATH_IMAGE010
为最大清晰 度值，调节焦距返回最大清晰度值，结束自动聚焦；
(f)移动焦距，判断是否达到最大限位，若是，结束自动聚焦；若否，返回到步骤（c）。
上述技术方案中，摄像头修正常数a测定和自动对焦步骤中，读取摄像头图像并提取Y通道图像分量后，还要对Y通道图像进行裁剪，提取中间区域的图像。
上述技术方案中，摄像头修正常数a测定时，投影设备与幕布之间的投影距离为1m。
上述技术方案中，摄像头与投影光机相距10cm。
上述技术方案中，投影光机的水平投影角度为60°，垂直投影角度为40°。
上述技术方案中，摄像头选取水平摄像角度为80°，垂直摄像角度60°的无畸变镜头。
本发明的有益效果是：本发明采用对比度加直方图的算法，可有效解决投影设备由于曝光过度带来的聚焦失败问题，减小了投影机自动聚焦功能对环境光线的要求，同时也降低了该功能对摄像头的等级要求。
附图说明
图1是本发明的水平方向的结构示意图。
图2是本发明的投影光机的投影结构示意图。
图3是本发明自动对焦过程的逻辑示意图。
其中，1-摄像头；2-投影光机；3-主控电路板，4-幕布；5-电机；6-齿轮；7-丝杆；8-透镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示， 基于对比度加直方图的多元化投影仪自动对焦方法主要应用在投影设备中，投影设备内置摄像头1、投影光机2和主控电路板3，投影设备正面朝着幕布4。其中，摄像头1用于提取投影成像目标的图像，投影光机2用于把聚焦标定的画面投影到幕布4上，投影光机2内置电机5、齿轮6和丝杆7，通过主控电路板3向电机5发出驱动信号，通过齿轮6带动丝杆7旋转，从而改变丝杆7上透镜8的位置，以调节聚焦距离。
投影设备中，摄像头1的摄像方向和投影光机2的投影方向需要保持一致，摄像头1与投影光机2之间留有一定的距离，一般选择距离为10cm。使用时，摄像头1选取水平摄像角度为80°，垂直摄像角度60°的无畸变镜头；投影光机2的水平投影角度为60°，垂直投影角度为40°。
如图3所示，本发明采用对比度加直方图的方式实现设备自动对焦功能。
图像对比度的特性是，图像细节越丰富，傅里叶分解后的频率也越多，以此作为清 晰度主要判断依据，对比度计算公式为
Figure 33677DEST_PATH_IMAGE001
，其中，i和j为相邻的两 个像素，
Figure 845775DEST_PATH_IMAGE004
为i和j相邻像素间的灰度差，
Figure 488109DEST_PATH_IMAGE005
为相邻像素灰度差为
Figure 764369DEST_PATH_IMAGE004
的像素分布概 率。
图像直方图的特性是，图像曝光度越重，直方图峰值位置偏向灰度值大的一边，如 果峰值位置偏向灰度值小的一边，图像偏暗，以此作为清晰度在曝光过度时的辅助判断依 据。本发明取灰度直方图统计，给定一张图像，像素值在0~255，统计这张图像里，像素值为 0 的像素有多少个，像素值为 1 的有多少个，以此类推，直到像素值为 255，假设图像总的 像素个数为N，像素值为k的像素个数为
Figure 935588DEST_PATH_IMAGE011
，则有直方图的灰度面积公式：
Figure 297299DEST_PATH_IMAGE012
。
当近距离投影摄像头1捕捉回的图像曝光严重时，c的值较小且斜率变化小，但N值会偏大且斜率变化快；当远距离投影摄像头1捕捉回的图像曝光正常时，c的值较大且斜率变化快，但N值偏小且斜率几乎不变。
根据以上双重特性的影响，根据勾股定理A²+B²=C²，设C为清晰度
Figure 212165DEST_PATH_IMAGE009
，A和B分别为 对比度和直方图的灰度面积，则清晰度
Figure 342932DEST_PATH_IMAGE009
的计算公式为：
Figure 518060DEST_PATH_IMAGE013
，其中， a为摄像头修正常数。根据光机亮度和摄像头固有特性实测选取，在摄像头1接近曝光距离 点实测对比度c和直方图的灰度面值N，再根据
Figure 367067DEST_PATH_IMAGE014
,计算出a的数值。本实施 例中，摄像头1的曝光临界距离为1米，在测量摄像头修正常数a时，需要调整幕布4投影距离 至摄像头1正前方1米位置。
在摄像头修正常数a测定以及自动对焦过程中，需要读取摄像头图像并提取Y通道图像分量。为了减少主控电路板3中处理器的计算量，并且更准确获取投影图像，减少无关图像及投影区域外的干扰，需要对Y通道图像进行裁剪，提取中间区域的图像。
如图3所示，本发明的控制方法为：
（1）打开摄像头1和投影光机2，驱动焦距回到初始位置；
（2）摄像头修正常数a测定：
(a)调整投影距离至摄像头1的曝光临界位置，然后手动调整投影光机2使其对焦正常；
(b)读取摄像头图像并提取Y通道图像分量，对提取的Y通道图像进行裁剪，取中间 区域的图像，并计算图像的对比度c和直方图的灰度面积N，对比度
Figure 820045DEST_PATH_IMAGE015
， 直方图的灰度面积
Figure 70898DEST_PATH_IMAGE016
，修正常数
Figure 583919DEST_PATH_IMAGE017
；
(c)把摄像头修正常数a储存到投影设备；
（3）自动对焦：
(a)调整投影设备与幕布4之间的距离至正常投影距离；
(b)发送控制命令将投影机镜头焦距调至起点；
(c)读取摄像头图像并提取Y通道图像分量，对提取的Y通道图像进行裁剪，取中间 区域的图像，进行清晰度
Figure 920222DEST_PATH_IMAGE009
的计算，计算公式为
Figure 442470DEST_PATH_IMAGE018
，储存清晰度数 据；
(d)若为前2次储存清晰度
Figure 485513DEST_PATH_IMAGE009
的数值，进入步骤（f）；若否，则进入步骤（e）进行清晰 度对比；
(e)将本次清晰度数值
Figure 231752DEST_PATH_IMAGE009
与上一次清晰度数值
Figure 727455DEST_PATH_IMAGE010
进行对比，若本次清晰度数值
Figure 850132DEST_PATH_IMAGE009
不小于上一次清晰度数值
Figure 13260DEST_PATH_IMAGE010
，则进入步骤（f）；若否，则上一次清晰度数值
Figure 868084DEST_PATH_IMAGE010
为最大清 晰度值，调节焦距返回最大清晰度值，结束自动聚焦；
(f)移动焦距，判断是否达到最大限位，若是，结束自动聚焦；若否，返回到步骤（c）。
以上的实施例只是在于说明而不是限制本发明，故凡依本发明专利申请范围所述的方法所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。

Claims (6)

1.基于对比度加直方图的多元化投影仪自动对焦方法，其特征在于：包括摄像头、投影光机、主控电路板和幕布；所述摄像头用于提取投影成像目标的图像；所述投影光机用于输出聚焦标定画面到幕布上；主控电路板进行自动对焦的程序控制，具体的自动对焦方法是：
（1）打开摄像头和投影机，驱动焦距回到初始位置；
（2）摄像头修正常数a测定：
(a)调整投影距离至摄像头的曝光临界位置，然后手动调整投影光机使其对焦正常；
(b)读取摄像头图像并提取Y通道图像分量，并计算图像的对比度c和直方图的灰度面 积N，对比度
Figure 592721DEST_PATH_IMAGE001
，直方图的灰度面积
Figure 705033DEST_PATH_IMAGE002
，修正常数
Figure 305779DEST_PATH_IMAGE003
；
其中，i表示像素在图像中的横向位置，j表示像素在图像中的纵向位置，
Figure 235033DEST_PATH_IMAGE004
表示相邻像素间的灰度差，
Figure 579427DEST_PATH_IMAGE005
为相邻像素灰度差为
Figure 280667DEST_PATH_IMAGE004
的像素分布概率，
k表示像素值，范围在0~255，
Figure 317893DEST_PATH_IMAGE006
为像素值为k的像素个数；
(c)把摄像头修正常数a储存到投影设备；
（3）自动对焦：
(a)调整投影设备与幕布之间的距离至正常投影距离；
(b)发送控制命令将投影机镜头焦距调至起点；
(c)读取摄像头图像并提取Y通道图像分量并进行清晰度
Figure 471794DEST_PATH_IMAGE007
的计算，计算公式为
Figure 619878DEST_PATH_IMAGE008
，储存清晰度数据；
(d)若是前2次储存清晰度
Figure 175625DEST_PATH_IMAGE007
的数值，进入步骤（f）；若否，则进入步骤（e）进行清晰度对 比；
(e)将本次清晰度数值
Figure 587014DEST_PATH_IMAGE007
与上一次清晰度数值
Figure 290528DEST_PATH_IMAGE009
进行对比，若本次清晰度数值
Figure 914407DEST_PATH_IMAGE007
不小 于上一次清晰度数值
Figure 652556DEST_PATH_IMAGE009
，则进入步骤（f）；若否，则上一次清晰度数值
Figure 969268DEST_PATH_IMAGE009
为最大清晰度 值，调节焦距返回最大清晰度值，结束自动聚焦；
(f)移动焦距，判断是否达到最大限位，若是，结束自动聚焦；若否，返回到步骤（c）。
2.根据权利要求1所述的基于对比度加直方图的多元化投影仪自动对焦方法，其特征在于：所述摄像头修正常数a测定和所述自动对焦步骤中，读取摄像头图像并提取Y通道图像分量后，还要对Y通道图像进行裁剪，提取中间区域的图像。
3.根据权利要求1所述的基于对比度加直方图的多元化投影仪自动对焦方法，其特征在于：摄像头修正常数a测定时，投影设备与幕布之间的投影距离为1m。
4.根据权利要求1所述的基于对比度加直方图的多元化投影仪自动对焦方法，其特征在于：所述摄像头与所述投影光机相距10cm。
5.根据权利要求1所述的基于对比度加直方图的多元化投影仪自动对焦方法，其特征在于：所述投影光机的水平投影角度为60°，垂直投影角度40°。
6.根据权利要求1所述的基于对比度加直方图的多元化投影仪自动对焦方法，其特征在于：所述摄像头选取水平摄像角度为80°，垂直摄像角度60°的无畸变镜头。
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