CN110793000B - 一种基于机器视觉的摇头电脑灯智能调焦方法 - Google Patents

一种基于机器视觉的摇头电脑灯智能调焦方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于机器视觉的摇头电脑灯智能调焦方法，提高自动调焦的速度，满足调焦清晰度和实时性要求。所述智能调焦方法包括以下步骤：预存舞台灯投影距离分别为Smax、Smin对应的调焦组坐标位置Z21、Z22,控制器接收开启自动调焦功能的指令后,将所述调焦组移动至Z21到Z22之间的位置；S2、在Z21与Z22之间，采用调焦搜索策略，逐步移动所述调焦组，根据图像清晰度评价函数计算当前投影图像的清晰度评估值Tn，判断Tn是否大于预先设定的高清晰度阈值TH，若是完成调焦，否则执行步骤S3；S3、判断所述Tn是否小于或者等于Tn‑1，若是则驱动器驱动步进电机按反方向运行，否则驱动器驱动步进电机按原方向运行，然后重复执行步骤S2，直至清晰度评估值Tn大于预先设置的高清晰度阈值TH，完成调焦。

Description

一种基于机器视觉的摇头电脑灯智能调焦方法
技术领域
本发明涉及舞台灯领域，更具体地，涉及一种基于机器视觉的摇头电脑灯智能调焦方法。
背景技术
摇头电脑灯作为提供清晰、绚丽色彩光束效果的重要光学设备，常常应用在灯光效果对比强烈、背景复杂多变、投射距离随时改变的舞台场景中如演唱会、音乐厅和演播室等。在舞台的追光场景中，既要保证灯具投影的光束跟上目标，又要随时手工调焦保持灯具成像的清晰度，但是当同时控制多台灯具对单个或者多个目标进行追光时，现有的调焦方式调焦速度慢，实时性有待提高。随着演艺领域和数字图像处理技术的发展，在摇头电脑灯中实现成像清晰且快速准确的智能调焦功能具有重要意义。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种基于机器视觉的摇头电脑灯智能调焦方法，有效地解决了同时控制多台灯具追光时调焦清晰度差、实时性差的问题，提高了舞台灯光技术中自动化控制的程度,提升了灯光演艺品质。
本发明采取的技术方案是，
一种基于机器视觉的摇头电脑灯智能调焦方法，所述摇头电脑灯包括控制器、摄像头、驱动器、步进电机和光学透镜组，所述光学透镜组包括调焦组和变焦组，所述智能调焦方法包括以下步骤：
S1、预存舞台灯投影距离分别为Smax、Smin对应的调焦组坐标位置Z21、Z22,控制器接收开启自动调焦功能的指令后,将所述调焦组移动至Z21到Z22之间的位置；
S2、在Z21与Z22之间，采用调焦搜索策略，逐步移动所述调焦组，根据图像清晰度评价函数计算当前投影图像的清晰度评估值Tn，判断Tn是否大于预先设定的高清晰度阈值TH，若是完成调焦，否则执行步骤S3；
S3、判断所述Tn是否小于或者等于Tn-1，若是则驱动器驱动步进电机按反方向运行，否则驱动器驱动步进电机按原方向运行，然后重复执行步骤S2，直至清晰度评估值Tn大于预先设置的高清晰度阈值TH，完成调焦。
对于摇头电脑灯而言，光学系统的初始条件确定后变焦组和调焦组的坐标位置是固定不变的，实际上投影图像由清晰变为模糊的原因是灯具的投影距离发生了改变：因为在舞台追光场景中，移动目标和灯具之间的距离随时在变，所以当移动目标超出最后一次调焦清晰的景深范围，投影图像将变模糊。在本发明中，将投影距离Smax、Smin米对应到摇头电脑灯中调焦组变化前后的坐标位置Z21和Z22，采用调焦搜索策略在Z21与Z22之间移动调焦组的坐标位置，并通过投影图像的清晰度评估值Tn和高清晰度阈值TH的对比结果判断是否完成调焦，当Tn大于TH时，完成调焦；当Tn小于或等于TH时，判断Tn是否小于或者等于Tn-1：若Tn小于或者等于Tn-1，驱动器驱动步进电机按照原始移动方向的反方向移动；若Tn大于Tn-1，驱动器驱动步进电机按照原始移动方向移动，然后继续根据移动后的投影图像清晰度评估值Tn和高清晰度阈值TH的对比结果判断是否继续执行调焦步骤，直至满足调焦条件。
本发明采用基于机器视觉的摇头灯智能调焦方法，通过变焦组、调焦组的坐标位置计算预存舞台灯投影距离为Smax、Smin对应的调焦组坐标位置Z21、Z22，将调焦组直接定位到该范围内，缩短了调焦行程，大大地缩短了调焦时间，提高调焦效率；采用数字图像处理的自动调焦技术和调焦搜索策略，根据投影图像的清晰度评估值Tn与高清晰度阈值TH对比结果判断调焦完成，得出清晰度极大值，从而实现精细调焦，确保调焦的准确性。
进一步地，所述步骤S1还包括：
S11、获取控制器接收开启自动调焦功能指令时，变焦组在摇头电脑灯内的坐标位置Z1，并计算得到调焦组对应的坐标位置Z2,驱动器驱动步进电机将调焦组定位到坐标位置Z2；
S12、控制器获取当前投影图像数据，根据图像清晰度评价函数计算当前投影图像的清晰度评估值Tn。
当控制器接收开启自动调焦功能指令时，变焦组在摇头电脑灯内的坐标位置Z1，并计算得到调焦组对应的坐标位置Z2,驱动器驱动步进电机将调焦组定位到坐标位置Z2。由于坐标位置Z2是十分接近最佳调焦面的位置，将调焦组直接定位到Z2位置，可以实现粗略调焦，在该位置附近寻找最佳调焦点，速度可以更快，并且通过控制器获取当前投影图像数据，计算得出投影图像的清晰度评估值，为接下来的步骤利用清晰度评估值判断投影图像清晰度作好基础。
进一步地，还包括：
S4、摇头电脑灯正常工作时，控制器监控变焦组的坐标位置Z1当变焦组位置变化时，则重复执行步骤S1至步骤S3，直至完成调焦。例如变焦组的位置被手动改变，舞台灯可以自动调整调焦组的位置，实现自动调焦，永远保持投影的清晰。
进一步地，还包括：
S5、摇头电脑灯正常工作时，控制器监控变焦组的坐标位置Z1，当变焦组位置未变化时，判断当前投影图像的清晰度评估值Tn是否大于或者等于预先设置的低清晰度阈值TL，若是则完成调焦；否则，重复执行步骤S2，直至完成调焦。例如由于舞台灯的旋转，导致投影距离发生改变，舞台灯可以根据当前图像清晰度评估值Tn与低清晰度阈值TL的对比结果判断是否重复执行步骤S2，即是否继续移动调焦组，从而进行二次精调，实现更加精确化的智能调焦功能，保证投射出的光斑永远保持清晰。
进一步地，所述步骤S11具体包括：
获取变焦组在摇头电脑灯内的坐标位置Z1，通过二组元变焦光学系统凸轮曲线，计算得到调焦组的坐标位置Z2。
本发明实际通过获取变焦组的移动量q，采用二组元变焦光学系统凸轮曲线来计算调焦组的移动量Δ。摇头电脑灯的光学系统是一种机械补偿式二组元连续变焦光学系统，主要由前固定透镜、变焦组和调焦组组成，调焦组的移动量Δ的具体计算过程为：首先以变焦组和调焦组在长焦时的坐标位置作为原点，得到变焦组、调焦组的垂轴放大率m2l、m3l和组元间距d23l，根据变焦组的任一移动量q，通过下列计算公式：
Figure GDA0003290930780000031
Figure GDA0003290930780000041
Figure GDA0003290930780000042
Figure GDA0003290930780000043
Δ1＝f′3(m31-m3l)
Δ2＝f′3(m32-m3l)
可以得到调焦组的移动量Δ1和Δ2。
由上述公式可知，对应于变焦组的任一移动量q，调焦组同时存在着两个互为倒数的垂轴放大率m31、m32与其相对应，而且这两个根都可以实现系统像面的补偿。所以对于摇头电脑灯来说，当光学系统的初始条件确定后，调焦组的调焦补偿曲线即确定下来，其凸轮曲线是唯一的。本发明利用二组元变焦光学系统凸轮曲线计算调焦组的坐标位置，从而限定搜索范围，使得后续爬山搜索法精细调焦的行程起始点更接近最佳焦面，有利于缩短调焦时间，提高调焦效率。
进一步地，所述调焦搜索策略为爬山搜索法。
爬山搜索法是一种局部择优的调焦搜索策略，从当前投影图像的清晰度评估值Tn开始，和前一投影图像的清晰度评估值Tn-1比较，若Tn小于或者等于Tn-1，则Tn-1为极大值即最佳调焦位置，此时驱动器驱动步进电机按原始移动方向的反方向运行；若Tn大于Tn-1，则继续控制步进电机继续按原始移动方向运行，从而实现向最佳调焦位置攀爬的目的。
进一步地，所述图像清晰度评价函数采用频谱函数，图像的频谱值采用傅里叶变换函数进行计算，即
Y(n,m)＝X(n,m)·exp(-j2π·n/N)·exp(-j2π·m/M)
其中n表示＝0,1,…,N-1，m表示＝0,1,…,M-1，N表示采样的二维离散图像区域N×M的行，M表示采样的二维离散图像区域N×M的列，X(n,m)表示像素点，Y(n,m)表示频率点。
本发明采用基于傅里叶变换函数的频谱函数，是目前清晰度评估准确度最高的评价函数，其中，傅里叶变换的高频分量对应图像边缘，而聚焦图像总是具有锋利的边缘，即包含更多的高频分量，因此将图像傅里叶变换后的高频量含量作为评价函数，在对焦清晰的图像中，二维频谱图的中心是高频区域，四周是低频区域，当图像的高频分量较多时，频谱数据集中在中心，图像对焦更清晰。
进一步地，所述根据图像清晰度评价函数计算当前投影图像的清晰度评估值Tm，具体包括：根据傅里叶变换频谱评价函数的频谱值得出调焦评价函数，即
Figure GDA0003290930780000051
Figure GDA0003290930780000052
其中，其中，E{Y(n,m)}表示频率点平均值，σ表示标准方差值，即当前投影图像的清晰度评估值Tn。
通过提取频谱图像中的标准方差值，作为调焦评价函数来计算投影图像的清晰度评估值Tn，当图像的标准方差值较大时，图像高频分量占比越大，图像越清晰，投影图像的清晰度评估值Tn越大，反之当图像的标准方差值越小，图像低频分量占比越大，图像越模糊。投影图像的清晰度评估值Tn越小。本发明利用调焦评价函数来计算图像的清晰度评估值，避免了傅里叶变换频谱评价函数曲线出现局部峰值的情况即计算的最佳清晰度评估值与实际最佳清晰度评估值不同，更加准确地比较高频分量的大小，实现精确调焦的目的。
进一步地，Z21与Z22之间的距离占调焦组最大行程的15％。
经多次实验测试得到基于机器视觉的摇头电脑灯Z21与Z22之间的距离的最大值为0.649mm，而调焦组的最大行程为4.267mm，可知在最坏的情况下，Z21与Z22之间的距离与最大行程之比(0.649/4.267)*100％＝15％，因此，采用爬山法搜索策略限定搜寻范围，可以避免搜索无效的位置区间，缩小搜寻的范围，提高搜索的效率。
进一步地，所述Smax的最大值小于或者等于50m，所述Smin的最小值大于或者等于3m。
进一步地，调焦组逐步移动的距离为调焦组最大行程的0.2％-0.6％。
调焦组足部移动的距离限定为调焦组最大行程的0.2％-0.6％，这样既不会移动过小，导致调焦慢，也不会过大导致错过调焦清晰点。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明采用二组元变焦光学系统凸轮曲线计算调焦组的坐标位置，进而限定搜索范围，将调焦组直接定位到接近最佳焦面的位置，在最坏的情况下，Z21与Z22之间的距离占调焦组与最大行程之比为15％，缩短了搜索范围，避免了对无效区间的搜索，大大地缩短了调焦时间，提高调焦效率。
2、采用数字图像处理的自动调焦技术，根据调焦评价函数计算标准方差值，避免了傅里叶变换频谱评价函数曲线出现局部峰值的情况，更加准确地比较高频分量的大小，实现精确调焦的目的。
附图说明
图1为本发明的部分步骤流程图。
图2为本发明的整体步骤流程图。
图3为不同投影距离的变焦组和调焦组的坐标位置形成的凸轮曲线。
具体实施方式
本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
如图1和图2所示，本实施例一种基于机器视觉的摇头电脑灯智能调焦方法，所述摇头电脑灯包括控制器、摄像头、驱动器、步进电机和光学透镜组，所述光学透镜组包括调焦组和变焦组，其特征在于，所述智能调焦方法包括以下步骤：
S1、预存舞台灯投影距离分别为Smax、Smin对应的调焦组坐标位置Z21、Z22，控制器接收开启自动调焦功能的指令后,将所述调焦组移动至Z21到Z22之间的位置；
S11、获取控制器接收开启自动调焦功能指令时，变焦组在摇头电脑灯内的坐标位置Z1，并计算得到调焦组对应的坐标位置Z2,驱动器驱动步进电机将调焦组定位到坐标位置Z2；
S12、控制器获取当前投影图像数据，根据图像清晰度评价函数计算当前投影图像的清晰度评估值Tn；
S2、在Z21与Z22之间，采用调焦搜索策略，逐步移动所述调焦组，根据图像清晰度评价函数计算当前投影图像的清晰度评估值Tn，判断Tn是否大于预先设定的高清晰度阈值TH，若是完成调焦，否则执行步骤S3；
S3、判断所述Tn是否小于或者等于Tn-1，若是则驱动器驱动步进电机按反方向运行，否则驱动器驱动步进电机按原方向运行，然后重复执行步骤S2，直至清晰度评估值Tn大于预先设置的高清晰度阈值TH，完成调焦；
S4、摇头电脑灯正常工作时，控制器监控变焦组的坐标位置Z1，当变焦组位置变化时，则重复执行步骤S1至步骤S3，直至完成调焦；
S5、摇头电脑灯正常工作时，控制器监控变焦组的坐标位置Z1，当变焦组位置未变化时，判断当前投影图像的清晰度评估值Tn是否大于或者等于预先设置的低清晰度阈值TL，若是则完成调焦；否则，重复执行步骤S2，直至完成调焦。
优选地，本实施例中所述步骤S11具体包括：
获取变焦组在摇头电脑灯内的坐标位置Z1，通过二组元变焦光学系统凸轮曲线，计算得到调焦组的坐标位置Z2。
优选地，本实施例中所述调焦搜索策略为爬山搜索法。
优选地，本实施例中所述图像清晰度评价函数采用频谱函数，图像的频谱值采用傅里叶变换函数进行计算，即
Y(n,m)＝X(n,m)·exp(-j2π·n/N)·exp(-j2π·m/M)
其中n表示＝0,1,…,N-1，m表示＝0,1,…,M-1，N表示采样的二维离散图像区域N×M的行，M表示采样的二维离散图像区域N×M的列，X(n,m)表示像素点，Y(n,m)表示频率点。
优选地，本实施例中根据图像的频谱值计算当前投影图像的清晰度评估值Tn，具体包括：
Figure GDA0003290930780000071
Figure GDA0003290930780000072
其中，E{Y(n,m)}表示频率点平均值，σ表示标准方差值，即当前投影图像的清晰度评估值Tn。
优选地，本实施例中Z21与Z22之间的距离占调焦组最大行程的15％。
优选地，本实施例中所述Smax的最大值小于或者等于50m，所述Smin的最小值大于或者等于3m。
优选地，本实施例中调焦组逐步移动的距离为调焦组最大行程的0.2％-0.6％。
为了验证基于机器视觉的摇头电脑灯智能调焦方法的应用效果，对其性能进行了以下三组实验：
优选地，本实验使用一款型号为MER-500-7UM/UC-L的CMOS摄像头，该相机的最大工作分辨率2592×1944，约500万像素，最小帧率7fps，像素尺寸2.2um×2.2um。选用的摇头电脑灯的变焦组最大行程约130mm，调焦组最大行程约5mm，行程的分辨率为8位，总共256等分。将相机的采集图像分辨率设置为640*480，从而提高采集帧率到60fps；将相机设置成自动曝光模式，防止采集的图像过度曝光。
本实验一的目的是为了验证自动调焦的图像清晰度，在实际情形中，针对不同的投影距离，变焦组的位置固定不变，用同一台摇头电脑灯做多次自动调焦测试实验。本实验一选择4～35米的投影距离进行测试，因为这一投影范围已经满足了大部分的舞台应用需求。
实验一结果如表1所示：
表1变焦组位置固定时不同投影距离的调焦位置多次测试的平均值
投影距离/m 调焦评价函数值 实际焦面位置/mm 自动调焦焦面位置/mm 焦面偏差/mm
4.0 1.34270 4.078 4.066 -0.012
5.0 1.32839 3.922 3.940 0.018
6.0 1.34218 3.843 3.858 0.015
7.0 1.33548 3.765 3.749 -0.016
8.0 1.34631 3.686 3.695 0.009
9.0 1.33725 3.529 3.535 0.006
10.0 1.35344 3.373 3.363 -0.010
11.0 1.32987 3.294 3.286 -0.008
12.0 1.33469 3.216 3.235 0.019
13.0 1.28865 3.137 3.149 0.012
14.0 1.32680 3.059 3.052 -0.007
15.0 1.34319 2.980 2.970 -0.010
20.0 1.31864 2.824 2.837 0.013
25.0 1.32383 2.745 2.724 -0.020
30.0 1.30515 2.667 2.687 0.023
35.0 1.31187 2.588 2.571 -0.017
通过表1的实验数据可知：自动调焦的焦面位置与实际的焦面位置之间的最大偏差为±0.023mm，表明本发明基于机器视觉的摇头电脑能满足摇头电脑灯对调焦精度和图像清晰度的要求。
本实验二的目的是为了通过计算变焦组坐标位置Z1对应的调焦组坐标位置Z2得到二组元变焦光学系统凸轮曲线和限定搜索范围ΔZ2。由多次测试数据的平均值得到如图3所示的凸轮曲线以及表2所示的限定搜寻范围ΔZ2：
表2变焦组和调焦组的坐标位置和限定搜索范围
Figure GDA0003290930780000091
通过图3和表2的实验数据可知：限定搜索范围ΔZ2的最大值为0.649mm，调焦组的最大行程为4.267mm，从而可得在最坏的情况下，调焦组的最大搜索范围与最大行程之比为：(0.649/4.267)*100％≈15％。因此，将ΔZ2参数作为爬山法的限定搜寻范围，可以避免搜索无效的位置区间，缩小搜寻的范围，提高搜索的效率。
本实验三的目的是为了测试在变焦组坐标位置固定不变的情况下，针对不同的投影距离，用同一台摇头电脑灯多次对比有、无凸轮曲线算法的自动调焦时间。实验数据如表3所示：
表3有、无凸轮曲线算法的程序的自动调焦时间多次测试平均值
Figure GDA0003290930780000101
通过表3的实验数据可知：有、无凸轮曲线算法的自动调焦用时比＝(有凸轮曲线自动调焦时间÷无凸轮曲线自动调焦时间)×100％。因此，在4～35米投影范围内，用时比约为13～22％，即带有凸轮曲线算法的程序完成自动调焦所需的时间更少，调焦效率更高。
本发明基于机器视觉的摇头电脑灯智能调焦方法，利用二组元变焦光学系统的凸轮曲线计算出限定搜索范围，将调焦组定位到接近最佳焦面的位置，实现粗略调焦；利用数字图像处理的自动调焦技术，选取带阈值判断的频谱评价函数和爬山搜索法，实现精细调焦。通过以上三个实验可知，在4～35米投影范围内，自动调焦的焦面位置与实际焦面位置之间的最大偏差为±0.023mm，能满足摇头电脑灯对调焦精度和图像清晰度的要求；在最坏的情况下，调焦组的最大搜寻范围与最大行程之比约为15％，缩短了搜寻范围，避免了对无效区间的搜索；有、无凸轮曲线算法的程序完成自动调焦的用时比约为13～22％，即有凸轮曲线算法的程序完成自动调焦所需的时间较少，提高了自动调焦的实时性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于机器视觉的摇头电脑灯智能调焦方法，所述摇头电脑灯包括控制器、摄像头、驱动器、步进电机和光学透镜组，所述光学透镜组包括调焦组和变焦组，其特征在于，所述智能调焦方法包括以下步骤：
S1、预存舞台灯投影距离分别为Smax、Smin对应的调焦组坐标位置Z21、Z22,控制器接收开启自动调焦功能的指令后,将所述调焦组移动至Z21到Z22之间的位置；
S11、获取控制器接收开启自动调焦功能指令时，变焦组在摇头电脑灯内的坐标位置Z1，并通过二组元变焦光学系统凸轮曲线，计算得到调焦组对应的坐标位置Z2，驱动器驱动步进电机将调焦组定位到坐标位置Z2；
S12、控制器获取当前投影图像数据，根据图像清晰度评价函数计算当前投影图像的清晰度评估值Tn；
S2、在Z21与Z22之间，采用调焦搜索策略，逐步移动所述调焦组，根据图像清晰度评价函数计算当前投影图像的清晰度评估值Tn，判断Tn是否大于预先设定的高清晰度阈值TH，若是完成调焦，否则执行步骤S3；
S3、判断所述Tn是否小于或者等于Tn-1，若是则驱动器驱动步进电机按反方向运行，否则驱动器驱动步进电机按原方向运行，然后重复执行步骤S2，直至清晰度评估值Tn大于预先设置的高清晰度阈值TH，完成调焦。
2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的摇头电脑灯智能调焦方法，其特征在于，还包括：
S4、摇头电脑灯正常工作时，控制器监控变焦组的坐标位置Z1，当变焦组位置变化时，则重复执行步骤S1至步骤S3，直至完成调焦。
3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的摇头电脑灯智能调焦方法，其特征在于，还包括：
S5、摇头电脑灯正常工作时，控制器监控变焦组的坐标位置Z1，当变焦组位置未变化时，判断当前投影图像的清晰度评估值Tn是否大于或者等于预先设置的低清晰度阈值TL，若是则完成调焦；否则，重复执行步骤S2，直至完成调焦。
4.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的摇头电脑灯智能调焦方法，其特征在于，所述调焦搜索策略为爬山搜索法。
5.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的摇头电脑灯智能调焦方法，其特征在于，所述图像清晰度评价函数采用频谱函数，图像的频谱值采用傅里叶变换函数进行计算，即
Y(n,m)＝X(n,m)·exp(-j2π·n/N)·exp(-j2π·m/M)
其中n表示＝0,1,…,N-1，m表示＝0,1,…,M-1，N表示采样的二维离散图像区域N×M的行，M表示采样的二维离散图像区域N×M的列，X(n,m)表示像素点，Y(n,m)表示频率点。
6.根据权利要求5所述的一种基于机器视觉的摇头电脑灯智能调焦方法，其特征在于，根据图像的频谱值计算当前投影图像的清晰度评估值Tn，具体包括：
Figure FDA0003354649650000021
Figure FDA0003354649650000022
其中，E{Y(n,m)}表示频率点平均值，σ表示标准方差值，即当前投影图像的清晰度评估值Tn。
7.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的摇头电脑灯智能调焦方法，其特征在于，Z21与Z22之间的距离占调焦组最大行程的15％。
8.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的摇头电脑灯智能调焦方法，其特征在于，所述Smax的最大值小于或者等于50m，所述Smin的最小值大于或者等于3m。
9.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的摇头电脑灯智能调焦方法，其特征在于，调焦组逐步移动的距离为调焦组最大行程的0.2％-0.6％。
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