CN113487682A - 一种变焦镜头对焦曲线标定系统及其方法 - Google Patents

一种变焦镜头对焦曲线标定系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变焦镜头对焦曲线标定系统及其方法，包括：标定件；相机，正对所述标定件，其内设有变焦群组和对焦群组，用于采集不同变焦倍数下不同对焦距离的标定件图像；上位机，用于获取相机采集的标定件图像并计算对应图像清晰度，得到对应变焦倍数下图像清晰度最大时的对焦距离，进而得到对焦曲线表。本发明通过一步一步标定每个距离、倍率下变焦镜头对焦群组的位置，达到生成高精度对焦曲线表的目的，实现了比采用高次方程拟合、估计的更高精度，并且达到高度自动化。

Description

一种变焦镜头对焦曲线标定系统及其方法
技术领域
本发明涉及相机技术领域，尤其涉及一种变焦镜头对焦曲线标定系统及其方法。
背景技术
相机电动变焦镜头是一种内含电机、焦距可变的镜头，镜头销售时，厂家会提供镜头光学理论计算的对焦曲线表用于指导对焦，但由于生产工艺限制，镜头生产出来后会与理论上的对焦曲线表存在一定偏差。若按照理论对焦曲线表移动对焦群组到对应的位置，会导致对焦不清晰。厂家提供的对焦曲线通常间隔0.5米或1米计算一条，在电力巡检等要求快速对焦的场景下，必须对每个镜头再进行标定，获取更高精度的厘米级对焦曲线。当下变焦相机厂商采用人工标定若干点，并用高次方程拟合对焦曲线的方式标定镜头，但该方法标定精度不高，并且还需要大量人工参与，按照传统方法标定出的对焦曲线移动对焦群组，所得到的图像并不是最清晰的图像。
发明内容
发明目的：本发明针对上述不足，提出一种变焦镜头对焦曲线标定系统及其方法，能够自动标定出提高了10倍以上的高精度对焦曲线表，并且无需人工参与。
技术方案：
一种变焦镜头对焦曲线标定系统，包括：
标定件；
相机，正对所述标定件，其内设有变焦群组和对焦群组，用于采集不同变焦倍数下不同对焦距离的标定件图像；
上位机，用于获取相机采集的标定件图像并计算对应图像清晰度，得到对应变焦倍数下图像清晰度最大时的对焦距离，进而得到对焦曲线表。
所述标定件或所述相机运动设置在地面上，通过调整所述标定件与所述相机之间的距离进行对焦距离的调整。
所述标定件运动设置在地面上，并通过电机驱动运动；所述相机内分别设有用于控制变焦群组和对焦群组运动的步进电机；
所述电机与步进电机均与所述上位机连接，并通过所述上位机控制。
在所述电机上设置有用于采集电机转动角度的编码器，所述上位机与所述编码器连接，并获取所述编码器采集的电机转动角度，据此计算得到标定件位置。
所述标定件固定安装在同步带上，所述同步带两端分别绕设在同步带轮上，其中一端的同步带轮与所述电机的电机轴固定连接，并通过所述电机驱动转动。
所述标定件通过螺纹配合安装在丝杆上，所述丝杆一端与所述电机的电机轴固定连接并通过所述电机驱动转动。
一种变焦镜头对焦曲线标定方法，包括步骤：
(1)将所述标定件、变焦群组和对焦群组移动到初始位置，并定义所述标定件、变焦群组和对焦群组每一次移动的步长；
(2)根据理论对焦曲线表得到变焦镜头对应变焦倍数的理论对焦距离，并结合当前标定件的位置计算得到对焦群组的理论位置，并控制所述对焦群组移动到理论位置；
(3)上位机获取相机采集的当前图像并计算得到当前图像清晰度；
(4)根据步骤(1)的步长采用最大值搜索算法搜索得到在变焦镜头对应变焦倍数下，图像最清晰时的对焦距离，进而得到对焦曲线表。
所述步骤(1)中，所述标定件的初始位置是距离相机的最近标定距离；所述变焦群组、对焦群组的初始位置为变焦群组、对焦群组的活动空间的最近端或最远端。
所述步骤(1)中，所述标定件每一次移动的步长设为3～100cm；所述变焦群组和对焦群组每一次移动的步长设为步进电机的1～5步。
所述步骤(3)采用清晰度解析算法计算当前图像的清晰度。
所述步骤(4)中，最大值搜索算法采用爬山搜索法，具体为：
(41)控制对焦群组根据步骤(1)确定的步长任意朝任一方向运动，并在其运动到位后重复步骤(3)；
(42)将当前图像清晰度与上一位置计算得到的图像清晰度进行对比；若当前图像清晰度与上一位置计算得到的图像清晰度相比减小，则控制对焦群组根据步骤(1)确定的步长往反方向运动；若当前图像清晰度与上一位置计算得到的图像清晰度相比增大，则控制对焦群组根据步骤(1)确定的步长继续沿当前方向运动；
(43)在对焦群组运动到位后重复步骤(3)，并将当前图像清晰度与上一位置计算得到的图像清晰度进行对比，直到当前图像清晰度与上一位置计算得到的图像清晰度相比减小，则上一位置计算得到的图像清晰度为最大图像清晰度，并将该位置对应的标定板位置、变焦倍数及对焦群组位置录入对焦曲线表；
(44)根据标定件的位置判断标定件是否到达极限位置；
若标定件已到达极限位置，则控制标定件移动至初始位置，根据步进电机步数计算得到变焦群组运动距离，并据此判断变焦群组是否到达变焦空间末端；若变焦群组已到达变焦空间末端，则得到完整对焦曲线表，结束标定过程；若变焦群组未到达变焦空间末端，则上位机通过步进电机控制变焦群组根据步骤(1)确定的步长运动到下一个位置，并重复步骤(2)；
若标定件未到达极限位置，则通过电机控制标定件以步骤(1)确定的步长运动至下一个位置，并重复步骤(2)。
有益效果：本发明通过一步一步标定每个距离、倍率下变焦镜头对焦群组的位置，达到生成高精度对焦曲线表的目的，实现了比采用高次方程拟合、估计的更高精度，并且达到高度自动化。
附图说明
图1为本发明的变焦镜头对焦曲线标定系统的结构图；
图2为本发明的上位机内软件模块架构图；
图3为本发明的流程图。
其中，1为导轨，2为标定板，3为电机，4为相机，5为上位机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
图1为本发明的变焦镜头对焦曲线标定系统的结构图，如图1所示，本发明的变焦镜头对焦曲线标定系统包括导轨1、标定板2、电机3、相机4以及上位机5，其中，标定板2滑动安装在导轨1上，在导轨1一端设置有用于驱动标定板2在导轨1上滑动的电机3，在电机3上设置有用于采集电机转动角度的编码器；相机4设置在其视野能够看到标定板2所在位置处，其内装载有正对标定板2的变焦镜头，变焦镜头设有分别通过步进电机控制运动的变焦群组和对焦群组。
在本发明中，导轨1的长度根据实际应用场景设计。
如图2所示，上位机5与电机3连接，并控制电机3启停，以控制标定板2在导轨1上的位置；上位机5通过CMOS驱动模块与相机4连接，并通过变焦镜头驱动模块与其内的变焦群组和对焦群组的步进电机连接，上位机5通过其变焦镜头驱动控制对应步进电机来控制变焦群组和对焦群组的运动，以实现变焦和对焦；上位机5通过其CMOS驱动模块控制相机采集标定板2的图像。
本发明中，标定板2位置计算模块通过读取霍尔编码器的输出，计算电机转动的圈数；在电机3的电机轴上安装有磁铁，电机轴转动时带动磁铁的转动，编码器上设置有霍尔芯片用于感应磁场切割，输出两路相位相差90度的方波；上位机5捕获编码器的输出并计算电机轴转动的圈数；设编码器检测到电机轴正向转动n圈，电机减速比为i，电机负载半径为r，标定板2上次位置为xi，标定板2本次移动后的位置为xi+1，则标定板2本次的位置可通过下式计算：
Figure BDA0003161883510000041
在本发明中，在导轨1两端设置有同步带轮，其中一端的同步带轮与电机3的电机轴固定连接，并通过电机3驱动转动；在导轨1两端的同步带轮上设置有传送带，标定板2固定安装在传动带上，并通过电机3驱动同步带轮转动，进而带动传动带在导轨1内运动，从而实现标定板2在导轨1内的运动。
在本发明另一实施例中，还可以在导轨1内转动设置有丝杆，丝杆一端与电机3的电机轴固定连接；标定板2通过螺纹安装在丝杆上，并通过电机3驱动丝杆转动，进而带动其上标定板2在丝杆上运动，从而实现标定板2在导轨1内的运动。
在本发明中，电机3为有刷直流电机，电机电路采用H桥电路，上位机使用H桥控制电机3转动；上位机5通过引脚输出高低电平信号和PWM信号控制H桥上的四个MOS管进行快速的导通和关断，MOS管导通的时间决定了施加在电机转子上的电压大小，MOS管导通和关断的组合决定了电机转子电流的方向，从而达到控制电机转速、转向的目的。
上位机通过编码器获取得到电机转动角度，并据此计算得到标定板2当前位置；根据厂家提供的对焦曲线表计算得到对应变焦倍数下，对焦群组的理论位置，并控制对焦群组移动到理论位置；
上位机获取当前图像，并采用清晰度解析算法计算当前图像清晰度，再通过爬山搜索搜索得到对应标定板2位置、对应变焦倍数的情况下，图像最清晰时对焦群组位置，并据此得到最终对焦曲线表。
本发明还提供了一种变焦镜头对焦曲线自动标定方法，采用前述变焦镜头对焦曲线自动标定系统，如图3所示，本发明包括如下步骤：
(1)系统初始化；
将标定板2、相机4内的变焦群组和对焦群组移动到初始位置；其中，标定板2的初始位置是人为设定的最近标定距离，即标定板2距离相机4的最近标定距离；变焦群组、对焦群组的初始位置可以是变焦群组、对焦群组在相机4内的活动空间的最近端或最远端；
初始化还需确定标定板2、变焦群组和对焦群组每一次移动的步长；其中，标定板2每一次移动的步长根据需要设定，若需要非常高精度的对焦曲线表，可设定5厘米或者3厘米为一个步长；若不需要非常高的精度，可设定50厘米或100厘米为一个步长；变焦群组和对焦群组每次移动的步长亦根据需要设定，若需要非常高的精度，可设定对应群组运动1步为一个步长；若不需要非常高的精度，可设定3步或者5步为一个步长；其中，步表示的步进电机的步数。
(2)根据厂家提供的对焦曲线表查表得到变焦镜头对应变焦倍数的对焦距离，上位机根据当前标定板2的位置计算得到对焦群组的理论位置，并通过变焦镜头驱动模块控制对应步进电机运动，进而控制对焦群组移动到理论位置；其中，查表法是查询的厂家提供的对焦曲线表，可以将该对焦曲线表输入上位机5，通过上位机5进行查询，也可以通过人工查表得到；
(3)上位机通过CMOS驱动模块控制相机采集图像，得到对应变焦倍数下变焦镜头聚焦后的当前图像，并计算当前图像清晰度；
其中，计算当前图像的清晰度采用清晰度解析算法：
清晰度解析算法使用Tenengrad函数，采用Sobel算子分别提取图像水平和垂直方向的梯度值，使用模板算子Kx和Ky；
Figure BDA0003161883510000061
进行卷积
fx(x,y)＝f(x,y)*Kx,fy(x,y)＝f(x,y)*Ky
其中，f(x,y)为图像上像素点(x,y)的灰度值，fx(x,y)为图像x方向的梯度值，fy(x,y)为图像y方向的梯度值；
进而计算得到清晰度值
Figure BDA0003161883510000062
(4)采用最大值搜索算法搜索得到在标定板2位置、对应变焦倍数(即变焦群组位置确定)的情况下，图像最清晰时对焦群组位置；
其中，最大值搜索算法采用爬山搜索法，具体为：
(41)当对焦群组运动到达步骤(2)得到的理论位置后，上位机控制对焦群组根据步骤(1)确定的步长任意朝任一方向运动，并在其运动到位后重复步骤(3)；
(42)将当前图像清晰度与上一位置计算得到的图像清晰度进行对比；若当前图像清晰度与上一位置计算得到的图像清晰度相比减小，则上位机控制对焦群组根据步骤(1)确定的步长往反方向运动；若当前图像清晰度与上一位置计算得到的图像清晰度相比增大，则上位机控制对焦群组根据步骤(1)确定的步长继续沿当前方向运动；
(43)每运动一次，上位机通过CMOS驱动模块控制相机采集图像，得到对应变焦倍数下变焦镜头聚焦后的当前图像，计算当前图像清晰度，并将当前图像清晰度与上一位置计算得到的图像清晰度进行对比，直到当前图像清晰度与上一位置计算得到的图像清晰度相比减小，则上一位置计算得到的图像清晰度为最大图像清晰度，并将该位置对应的标定板2位置、变焦群组位置及对焦群组位置录入对焦曲线表；
(44)上位机通过编码器获取电机3转动角度，并据此计算得到标定板2在导轨1上的位置，判断标定板2是否到达导轨1末端；
若标定板2已到达导轨1末端，则上位机控制标定板2移动至初始位置，并根据变焦镜头驱动计算得到变焦群组运动距离，并据此判断变焦群组是否到达变焦空间末端；若变焦群组已到达变焦空间末端，则得到完整对焦曲线表，结束标定过程；若变焦群组未到达变焦空间末端，则上位机通过步进电机控制变焦群组根据步骤(1)确定的步长运动到下一个位置，并重复步骤(2)；
若标定板2未到达导轨1末端，则上位机通过电机控制标定板2以步骤(1)确定的步长运动至下一个位置，并重复步骤(2)。
本发明通过一步一步标定每个距离、倍率下变焦镜头对焦群组的位置，达到生成高精度对焦曲线表的目的，实现了比采用高次方程拟合、估计的更高精度，并且达到高度自动化。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种变焦镜头对焦曲线标定系统，其特征在于：包括：
标定件；
相机，正对所述标定件，其内设有变焦群组和对焦群组，用于采集不同变焦倍数下不同对焦距离的标定件图像；
上位机，用于获取相机采集的标定件图像并计算对应图像清晰度，得到对应变焦倍数下图像清晰度最大时的对焦距离，进而得到对焦曲线表。
2.根据权利要求1所述的变焦镜头对焦曲线标定系统，其特征在于：所述标定件或所述相机运动设置在地面上，通过调整所述标定件与所述相机之间的距离进行对焦距离的调整。
3.根据权利要求1所述的变焦镜头对焦曲线标定系统，其特征在于：所述标定件运动设置在地面上，并通过电机驱动运动；所述相机内分别设有用于控制变焦群组和对焦群组运动的步进电机；
所述电机与步进电机均与所述上位机连接，并通过所述上位机控制。
4.根据权利要求3所述的变焦镜头对焦曲线标定系统，其特征在于：在所述电机上设置有用于采集电机转动角度的编码器，所述上位机获取所述编码器采集的电机转动角度，并计算得到标定件位置。
5.根据权利要求3所述的变焦镜头对焦曲线标定系统，其特征在于：所述标定件固定安装在同步带上，所述同步带两端分别绕设在同步带轮上，其中一端的同步带轮与所述电机的电机轴固定连接，并通过所述电机驱动转动。
6.根据权利要求3所述的变焦镜头对焦曲线标定系统，其特征在于：所述标定件通过螺纹配合安装在丝杆上，所述丝杆一端与所述电机的电机轴固定连接并通过所述电机驱动转动。
7.一种应用权利要求3～6任一所述的变焦镜头对焦曲线标定系统的变焦镜头对焦曲线标定方法，其特征在于：包括步骤：
(1)将所述标定件、变焦群组和对焦群组移动到初始位置，并定义所述标定件、变焦群组和对焦群组每一次移动的步长；
(2)根据理论对焦曲线表得到变焦镜头对应变焦倍数的理论对焦距离，并结合当前标定件的位置计算得到对焦群组的理论位置，并控制所述对焦群组移动到理论位置；
(3)上位机获取相机采集的当前图像并计算得到当前图像清晰度；
(4)根据步骤(1)的步长采用最大值搜索算法搜索得到在变焦镜头对应变焦倍数下，图像最清晰时的对焦距离，进而得到对焦曲线表。
8.根据权利要求7所述的变焦镜头对焦曲线标定方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述标定件的初始位置是距离相机的最近标定距离；所述变焦群组、对焦群组的初始位置为变焦群组、对焦群组的活动空间的最近端或最远端。
9.根据权利要求7所述的变焦镜头对焦曲线标定方法，其特征在于：所述步骤(1)中，所述标定件每一次移动的步长设为3～100cm；所述变焦群组和对焦群组每一次移动的步长设为步进电机的1～5步。
10.根据权利要求7所述的变焦镜头对焦曲线标定方法，其特征在于：所述步骤(3)采用清晰度解析算法计算当前图像的清晰度。
11.根据权利要求10所述的变焦镜头对焦曲线标定方法，其特征在于：所述步骤(4)中，最大值搜索算法采用爬山搜索法，具体为：
(41)控制对焦群组根据步骤(1)确定的步长任意朝任一方向运动，并在其运动到位后重复步骤(3)；
(42)将当前图像清晰度与上一位置计算得到的图像清晰度进行对比；若当前图像清晰度与上一位置计算得到的图像清晰度相比减小，则控制对焦群组根据步骤(1)确定的步长往反方向运动；若当前图像清晰度与上一位置计算得到的图像清晰度相比增大，则控制对焦群组根据步骤(1)确定的步长继续沿当前方向运动；
(43)在对焦群组运动到位后重复步骤(3)，并将当前图像清晰度与上一位置计算得到的图像清晰度进行对比，直到当前图像清晰度与上一位置计算得到的图像清晰度相比减小，则上一位置计算得到的图像清晰度为最大图像清晰度，并将该位置对应的标定板位置、变焦倍数及对焦群组位置录入对焦曲线表；
(44)根据标定件的位置判断标定件是否到达极限位置；
若标定件已到达极限位置，则控制标定件移动至初始位置，根据步进电机步数计算得到变焦群组运动距离，并据此判断变焦群组是否到达变焦空间末端；若变焦群组已到达变焦空间末端，则得到完整对焦曲线表，结束标定过程；若变焦群组未到达变焦空间末端，则上位机通过步进电机控制变焦群组根据步骤(1)确定的步长运动到下一个位置，并重复步骤(2)；
若标定件未到达极限位置，则通过电机控制标定件以步骤(1)确定的步长运动至下一个位置，并重复步骤(2)。
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