CN112162375A

CN112162375A - 一种ccd相机清晰成像自动对焦装置及方法

Info

Publication number: CN112162375A
Application number: CN202011038624.4A
Authority: CN
Inventors: 李茂月; 肖桂风; 宋立君
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2020-09-28
Filing date: 2020-09-28
Publication date: 2021-01-01

Abstract

本发明公开了一种CCD相机清晰成像对焦装置，包括CCD相机、结构光投影仪、夹紧机构、3个外啮合直齿轮、3个开合外啮合直齿轮、3个步进电机与箱体，在自动对焦方法中，首先通过驱动调焦环电机与曝光度电机进行画面远近与曝光度调节，其后通过电机以固定步长驱动调焦环旋转，并同时控制CCD相机对焦环拍照开关采集一系列模糊——清晰——模糊的图像序列，以提出的像素选择阈值改进式Brenner算法，配以中央感兴趣区域提取方法与电机搜索策略，完成CCD相机在无法手动对焦情况的自动对焦，通过此装置及方法实现CCD相机自动调参清晰成像，推进相机图像检测相关领域的自动化与智能化发展进程。

Description

一种CCD相机清晰成像自动对焦装置及方法

技术领域

本发明涉及相机自动对焦技术领域，尤其涉及一种CCD相机清晰成像自动对焦装置及方法。

背景技术

目前，在三维测量方面，目前多采用手动对焦的CCD相机，通过手动调节相关CCD相机参数，使用者手动调整镜头位置，通过观察相机成像清晰度而决定相机的对焦位置。然而，手动对焦的方式是技术人员肉眼观察的主观结果，并且，这种依赖于人为主观因素的对焦方法，经过长时间的用眼后易产生视觉疲劳，使得对焦速度、精度低，较大地依赖于用户的主观因素。

现有手动对焦方案，是拍摄前进行手动对焦至相机成像清晰后拍摄图像，而对于CCD相机搭载于运动平台上，其在运动时与被测物之间的距离发生改变，导致成像模糊的情况，手动对焦技术无法进行对焦形成清晰的图像，因而手动对焦方案不适用于CCD相机处于动态运动过程中的CCD相机清晰成像，不利于推进利用CCD相机进行相关研究领域的自动化与智能化。

因此，需要针对手动对焦CCD相机的自动对焦设计，解决CCD搭载于运动平台的动态运动过程的清晰成像问题，同时提高对焦速度及效率，避免用户因主观因素而导致对焦不准。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种CCD相机清晰成像自动对焦装置及方法。本发明的目的在于提供能够解放双手与眼球的、适用于CCD相机无法进行手动对焦的场景的装置及方法，提高对焦速度与精度，解决了现有手动对焦CCD相机参数无法动态调节，依靠使用者主观判断而致对焦精度及速度缓慢的问题，将手动调参的CCD相机转化为自动调参的CCD相机，推动实现CCD相机自动对焦的自动化与智能化。

本发明所采用的技术方案是：为实现上述CCD相机与结构光投影仪处于动态运动的环境时也能调参的目的，设计一种CCD相机清晰成像对焦装置，包括箱体，其特征在于：所述箱体的内部包括有CCD相机、结构光投影仪、三个外啮合直齿轮、三个夹紧机构、三个开合外啮合直齿轮、三个步进电机，所述箱体开有T型槽，T型槽后半部分开有小T型导轨，所述箱体的T型槽表面安装有CCD相机，结构光投影仪，所述箱体内表面底部放置有调节CCD相机三个参数的三个步进电机，箱体前方开有CCD相机2与结构光投影仪3的视窗口，后部开有接线口以及安装口。

CCD相机2中有三个参数调节环，包括曝光度调节环21、调焦环22、对焦环23，曝光度调节环21、调焦环22、对焦环23上分别套有开合外啮合直齿轮6，与相对应的电机7输出轴固连的三个外啮合直齿轮4相互啮合。

夹紧机构5包括7型架51、T型架52、弹簧53、手拧螺栓固定机构54，7型架51开有螺纹孔55，手拧螺栓固定机构54由手拧旋钮541与接触螺栓542组成，接触螺栓542与螺纹孔55之间可通过手拧旋钮541上下移动，手拧旋钮541与接触螺栓542旋动至紧固，所述夹紧机构5通过T型架52放置于箱体1中的小T型导轨12中。

开合外啮合直齿轮6包括凸口61、啮合口62与小弹簧63，且与调焦环22对应的开合外啮合直齿轮6内圈直径，小于另外两个开合外啮合直齿轮6的直径，调焦环22与对焦环23的开合外啮合直齿轮6的内圈直径相同，且内圈覆盖橡胶材料。

优选的，所述接触螺栓542与CCD相机2表面接触的下表面为覆盖有橡胶膜。

优选的，所述夹紧机构5的T型架52为通口，7型架为实心，7型架下表面与T型架通口底面之间通过弹簧53固连，当CCD相机2与结构光投影仪3的位置摆放至合适位置时，装于箱体1的三个夹紧机构5通过小T型导轨12平移至CCD相机2与结构光投影仪3上方，首先通过拉动7型架51，依靠弹簧53的弹簧力进行CCD相机2与结构光投影仪3的一次夹紧，再旋动手拧旋钮541旋动接触螺栓542，至CCD相机2与结构光投影仪3二次夹紧。

一种CCD相机清晰成像对焦方法，其特征在于，包含以下步骤:

（1）根据环境条件驱动电机运行，手动在PC端调节曝光度、画面大小，首先应先调整画面远近，再调节曝光度；

（2）对焦清晰度调节，驱动电机以上述开合外啮合直齿轮6进行传动，从驱动对焦环转动，进行清晰度调节。

优选的，所述采集的原始图像应进行感兴趣对焦区域选择，由于相机中心区域的图像没有畸变，且一般都将图像的中心区域作为目标物，因此所述对焦感兴趣区域将图像中心作为研究目标，感兴趣区域的提取为采用中央区域对焦法，在原图像取正中间的固定大小区域进行对焦，并通过对焦感兴趣区域提取，消除图像中非研究目标的干扰，突出研究目标，提高对焦速度与精度。

优选的，所述感兴趣区域图像在进行对焦函数评价前需进行数据转换，以避免软件本身运算规则对图像信息进行删除，保存原始图像，对焦函数值都需经过归一化处理后输出，将不同图像之间的对焦值转变为统一标准显示。

优选的，所述清晰成像电机搜索策略步骤为：（1）从CCD相机对焦环当前位置为初始位置，驱动相机以固定步长左右旋转，当前位置的左右方向各采集一幅图像；（2）经过上述中央感兴趣区域算法提取，获得感兴趣对焦区域；（3）以上述感兴趣区域为目标，使用像素选择阈值改进式Brenner算法进行图像清晰度评价，设为E1，E2，并判断两幅感兴趣区域图像清晰度评价值大小，若E1>E2则以E1方向采集模糊——清晰——模糊的图像序列；（4）判断步骤（3）中图像清晰度值最大处清晰度是否满足设定阈值T，满足则对焦结束，驱动相机定位至评价值最大位置，反之，则半减步长以当前位置为初始位置，重复步骤（1）、（2）、（3），其中，清晰度精度阈值T的值由实际相机实验数据所得。

优选的，所述对焦评价函数为：

。

优选的，FI1与FI2为同一图像中的两像素差领域像素值，当图像的某点像素阈值TN<FI1且TN<FI2时，则说明该点像素差具有较大的边缘信息特征，可视为边缘点，该点像素保留用于对焦函数值的计算，反之说明图像在该点不具有较大的边缘特征，即图像在该点模糊，则舍去，不参与清晰度评价计算。

优选的，像素阈值TN的计算公式为：

。

与现有技术相比，本发明提供了一种CCD相机清晰成像自动对焦装置及方法，本发明的有益效果是:

1.该CCD相机清晰成像装置通过设计的夹紧机构，能够以任一角度把CCD相机固定在装置中，并通过设定的两级直齿传动齿轮与电机配合，并配合图像清晰度评价函数算法，将手动对焦的CCD相机转变为自动对焦的CCD相机，解决了手动对焦相机在设备处于不可手动对焦的场景中的清晰成像问题，避免了用户的主观判断不准确的弊端；其次，CCD相机的焦距自适应调节实现了相机自动对焦技术在测量领域，及其他需用相机采集信息的领域的自动化与智能化;

2.提出了一种像素选择阈值改进式Brenner算法，使之能满足CCD相机的快速对焦要求，且实现图像的中心感兴趣区域自动提取，缩短对焦算法运行时间。其次，该算法由于无伪峰，使之能够与任一电机搜索策略更好的配合，避免电机搜索算法处于局部最优，而错过最清晰成像位置;

3.该CCD相机清晰成像装置的夹紧机构为二次夹紧机构，一次夹紧使用弹簧力对CCD相机进行固定，二次通过旋紧力对其目标固定物进一步固定压紧，进一步保证了CCD相机不发生移动变位；其次，该装置中的开口啮合直齿轮通过设计为开合式方式，解决了CCD相机等精密仪器不宜进行传统齿轮轴固定，但又需依靠齿轮进行传动的情况。

图1是本发明一实施例的CCD相机清晰成像自动对焦装置的整体方块图。

图2是本发明一实施例的CCD相机清晰成像自动对焦装置的细节图。

图3是本发明一实施例的CCD相机清晰成像自动对焦装置的夹紧机构图。

图4是本发明一实施例的CCD相机清晰成像的自动对焦装置的开口啮合直齿轮的结构图。

图5是本发明一实施例的CCD相机清晰成像的自动对焦装置的CCD相机调参结构图。

图6是本发明一实施例的CCD相机清晰成像自动对焦方法的电机搜索策略流程图。

图7是本发明一实施例的CCD相机自动采集的14幅模糊——清晰——模糊的原始图像序列。

图8是本发明一实施例得到的原始图像序列经中央感兴趣区域自动提取获得的裁剪图像序列。

图9是本发明一实施例提出的像素选择阈值改进式Brenner算法与其它图像清晰度评价算法评价结果对比图。

图中：1箱体、2为CCD相机、21曝光度调节环、22调焦环、23对焦环、3结构光投影仪、4三个外啮合直齿轮、5夹紧机构、51为7型架、52为T型架、53弹簧、54手拧螺栓固定机构、541手拧旋钮、542接触螺栓、6开合外啮合直齿轮、61凸口、62啮合口、63小弹簧、7步进电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

一种CCD相机清晰成像对焦装置，包括箱体1，其特征在于：所述箱体1的内部包括有CCD相机2，结构光投影仪3，三个外啮合直齿轮4，三个夹紧机构5，三个开合外啮合直齿轮6，三个步进电机7，所述箱体1开有T型槽11，T型槽11后半部分开有小T型导轨12，所述箱体1的T型槽11表面安装有CCD相机2，结构光投影仪3，所述箱体1内表面底部放置有调节CCD相机三个参数的三个步进电机7，将CCD相机2与结构光投影仪3选定合适的角度放置于T型槽11的上表面，通过夹紧机构5将其夹紧固定，将开合外啮合直齿轮4夹紧于CCD相机2对应的三个调参环上，并将电机输出轴上的固定安装的外啮合直齿轮4与开合齿轮6进行啮合，调整电机7位置至无相互影响。三个电机7的位置位于T型槽11上表面、T型槽11槽内，另一电机方向为与T型槽内电机7相对放置。

夹紧机构5包括7型架51、T型架52、弹簧53、手拧螺栓固定机构54，7型架51开有螺纹孔55，手拧螺栓固定机构54由手拧旋钮541与接触螺栓542组成，接触螺栓542与螺纹孔55之间可通过手拧旋钮541上下移动，手拧旋钮541与接触螺栓542旋动至紧固，所述夹紧机构5通过T型架52放置于箱体1中的小T型导轨12中，进行CCD相机2与结构光投影仪3夹紧时，首先拉开夹紧机构5的弹簧53通过弹簧力进行一次夹紧，其次，通过旋动手拧旋钮541至CCD相机2与结构光投影仪3二次手动固定。

通过PC端驱动调焦环电机与曝光度环电机以固定步长运行，并在屏幕上显示图片，进行图像画面远近调节及曝光度调节。

进行清晰度成像对焦时，本实施例通过CCD相机自动采集14幅模糊—清晰—模糊的原始图像，用于清晰成像实例分析说明。本清晰成像方法通过PC端控制CCD相机2以固定帧率、并配以电机搜索策略采集图像序列，步骤为（1）从CCD相机对焦环当前位置为初始位置，驱动相机以固定步长左右旋转，当前位置的左右方向各采集一副图像；（2）经过上述中央感兴趣区域算法提取获得感兴趣对焦区域；（3）以上述感兴趣区域为目标，使用像素选择阈值改进式Brenner算法进行图像清晰度评价，设为E1,E2，并判断两幅感兴趣区域图像清晰度评价值大小，若E1>E2则以E1方向采集模糊—清晰—模糊的图像序列；（4）判断步骤（3）中图像清晰度值最大处清晰度是否满足设定阈值T，满足则对焦结束，驱动相机定位至评价值最大位置，反之，则半减步长以当前位置为初始位置重复步骤（1）、（2）、（3）。

需要指出的是，开合外啮合直齿轮的内圈与接触螺栓，与CCD相机接触的下表面均覆盖有橡胶材料，以防止CCD相机及其配套使用的镜头等精密仪器，因表面受损从而导致其工作精度受损情况的发生。

Claims

1.一种CCD相机清晰成像对焦装置，包括箱体1，其特征在于：所述箱体1的内部包括有CCD相机2，结构光投影仪3，三个外啮合直齿轮4，三个夹紧机构5，三个开合外啮合直齿轮6，三个步进电机7，所述箱体1开有T型槽11，T型槽11后半部分开有小T型导轨12，所述箱体1的T型槽11表面安装有CCD相机2，结构光投影仪3，所述箱体1内表面底部放置有调节CCD相机参数的三个步进电机7，箱体前方开有CCD相机2与结构光投影仪3的视窗口，后部开有接线口以及安装口；

CCD相机2中有三个参数调节环，包括曝光度调节环21、调焦环22、对焦环23，曝光度调节环21、调焦环22、对焦环23上分别套有开合外啮合直齿轮6，与相对应的电机7输出轴固连的三个外啮合直齿轮4相互啮合；

夹紧机构5包括7型架51、T型架52、弹簧53、手拧螺栓固定机构54，7型架51开有螺纹孔55，手拧螺栓固定机构54由手拧旋钮541与接触螺栓542组成，接触螺栓542与螺纹孔55之间可通过手拧旋钮541上下移动，手拧旋钮541与接触螺栓542旋动至紧固，所述夹紧机构5通过T型架52放置于箱体1中的小T型导轨12中；

2.如权利要求1所述的CCD相机清晰成像对焦装置，其特征在于：接触螺栓542与CCD相机2表面接触的下表面为覆盖有橡胶膜。

3.如权利要求1所述的CCD相机清晰成像对焦装置，其特征在于：夹紧机构5的T型架52为通口，7型架为实心，7型架下表面与T型架通口底面之间通过弹簧53固连，当CCD相机2与结构光投影仪3的位置摆放至合适位置时，装于箱体1的三个夹紧机构5通过小T型导轨12平移至CCD相机2与结构光投影仪3上方，首先通过拉动7型架51，依靠弹簧53的弹簧力进行CCD相机2与结构光投影仪3的一次夹紧，再旋动手拧旋钮541旋动接触螺栓542，至CCD相机2与结构光投影仪3二次夹紧。

4.一种CCD相机清晰成像对焦方法，其特征在于，包含以下步骤:

5.如权利要求4所述的CCD相机清晰成像对焦方法，其特征在于：所述采集的原始图像应进行感兴趣对焦区域选择，由于相机中心区域的图像没有畸变，且一般都将图像的中心区域作为目标物，因此所述对焦感兴趣区域将图像中心作为研究目标，感兴趣区域的提取为采用中央区域对焦法，在原图像取正中间的固定大小区域进行对焦，并通过对焦感兴趣区域提取，消除图像中非研究目标的干扰，突出研究目标，提高对焦速度与精度。

6.如权利要求4所述的CCD相机清晰成像对焦方法，其特征在于：所述感兴趣区域图像在进行对焦函数评价前需进行数据转换，以避免软件本身运算规则对图像信息进行删除，保存原始图像，对焦函数值都需经过归一化处理后输出，将不同图像之间的对焦值转变为统一标准显示。

7.如权利要求4所述的CCD相机清晰成像对焦方法，其特征在于：所述清晰成像电机搜索策略步骤为：（1）从CCD相机对焦环当前位置为初始位置，驱动相机以固定步长左右旋转，当前位置的左右方向各采集一幅图像；（2）经过上述中央感兴趣区域算法提取，获得感兴趣对焦区域；（3）以上述感兴趣区域为目标，使用像素选择阈值改进式Brenner算法进行图像清晰度评价，设为E1，E2，并判断两幅感兴趣区域图像清晰度评价值大小，若E1>E2则以E1方向采集模糊——清晰——模糊的图像序列；（4）判断步骤（3）中图像清晰度值最大处清晰度是否满足设定阈值T，满足则对焦结束，驱动相机定位至评价值最大位置，反之，则半减步长以当前位置为初始位置，重复步骤（1）、（2）、（3），其中，清晰度精度阈值T的值由实际相机实验数据所得。

8.如权利要求4所述的CCD相机清晰成像对焦方法，其特征在于：所述对焦评价函数为：

其中FI1＝|f(x+2,y)-f(x,y)|，FI2＝|f(x,y+2)-f(x,y)|，f(x,y)为图像中点(x,y)的像素值，m，n为图像像素大小。

9.如权利要求4所述的CCD相机清晰成像对焦方法，其特征在于：FI1与FI2为同一图像中的两像素差领域像素值，当图像的某点像素阈值TN<FI1且TN<FI2时，则说明该点像素差具有较大的边缘信息特征，可视为边缘点，该点像素保留用于对焦函数值的计算，反之说明图像在该点不具有较大的边缘特征，即图像在该点模糊，则舍去，不参与清晰度评价计算。

10.如权利要求4所述的CCD相机清晰成像对焦方法，其特征在于：像素阈值TN的计算公式为：

。