CN115696043A - 一种基于LabVIEW的自动调焦系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了视觉调焦技术领域的一种基于LabVIEW的自动调焦系统，首先通过硬件分别固定目标板、镜头和CMOS成像模块，令这三者平面平行且中心大致对齐，然后利用自动调焦算法获得镜头最佳成像位置，进一步再借助清晰度函数的最大值获取矫正镜头的水平偏差，完成目标板、镜头、CMOS成像模块同轴度调整，以获得最佳成像效果。本发明是以图像采集和处理为基础的动态调整技术，采取的是主动成型策略，有效的弥补了传统被动成型技术中定位精度差，一次成型难度大等缺点；该方法对硬件的需求不是很高，且花费小。

Description

一种基于LabVIEW的自动调焦系统

技术领域

本发明涉及视觉调焦技术领域，具体为一种基于LabVIEW的自动调焦系统。

背景技术

随着科技和经济的发展，视觉设备被广泛的应用于手机，远程通信，安保等领域中，对人们的日常生活提供很大的便捷和安全保障。因此，人们对视觉设备的需求日益增加。这使得如何又好又快的对视觉设备制造成为当前的热门研究。

当前，视觉设备制造中传统的镜头技术以人工为主，通过镜头与成像模块机械锁定的方式实现装配，是一种被动成型技术。若要得到精确地成像不仅需要技术娴熟，及受过专业培训的装配人员，还需要对装配组件的加工精度提出更高的要求，而这往往是难以实现的。基于此，本发明设计了一种基于LabVIEW的自动调焦系统，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于LabVIEW的自动调焦系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于LabVIEW的自动调焦系统，通过硬件固定目标板和CMOS成像模块平行且中心的大致对齐，对目标板、镜头、CMOS成像模块三者的中心进行对齐，调节镜头的水平位置使三者平行，调节镜头的高度来调节焦距，进行避免最优调焦调整，就可以获得最佳图像。

优选的，通过利用图像清晰度函数值及其相应的标准作为评价图像清晰度的依据，设点(x，y)的图像灰度值为f(x，y)。

优选的，当镜头越接近聚焦的位置，所采集的图像清晰度越清晰，函数值越大，以灰度方差函数作为图像清晰度评价标准，该函数定义如下(公式1)。

D(f)＝∑_y∑_x(|f(x，y)-f(x，y-1)|+|f(x，y)-f(x+1，y)|) (公式1)

优选的，通过自动调焦进行避免局部最优的调整，具体分为垂直调焦和水平调焦。

优选的，进行垂直调焦直接对相机采集到的图像进行处理，从初始位置依据迭代寻优思想，通过自主变步长向着清晰度最佳位置自动调焦，通过这个过程找到垂直方向上的最佳成像位；水平调焦分为水平前后调焦和水平左右调焦，当垂直方向在聚焦位置时，如果镜头与目标板水平且共轴，这图像的前后两侧的清晰度函数值相等，且此时整张图片的清晰度函数值最大。

优选的，采取先粗调后细调的方法，调节步距不断缩小范围。

优选的，用较大步距来游走全程并且获得每一步所在位置的图像清晰度值，得到波峰值相的一个步距区域，更换较小的步距；重复上述的过程，不断缩小范围，接近焦距，当步距为最小步距时，此次获得的波峰值位置就是焦距位置，对引入标准图像的清晰度函数值进行比较，既可以对调焦结果进行确认也可以迅速地找到灰度方差曲线的峰值点，得到最佳焦平面位置。

优选的，通过改良的爬山搜索法进行满足稳定性的要求和避免局部最优：

a、首先，等步长L在起始位置向着清晰度增加位置移动，在移动的同时电机每一步运动完后进行图像采集并计算图像清晰度函数值，当所获得图像清晰度函数值与前几次获得的清晰度函数比较明确下降时依据镜头移动过程中获得清晰度函数值最大时镜头的位置a进行二次变步长调焦；

b、控制电机使镜头回到a-L的位置，重新定义相关参数：总长度为2L，移动范围(a-L，a+L)，步长为总路径所有整除数的中间值，然后在其总长度中改用此次步长游遍全程，重复a的操作；

c、当步长为设定的最小步长时，控制电机使镜头回到函数值最大的位置；

d、用最后的清晰度函数值与标准的图片的函数值比较是否小于设定值ε，若小于设定值则调焦结束，否则将步长定义为初始步长，本次总路径为初始总路径的一半重复上述工作。

一种相机镜头夹持和CMOS成像模块的夹持设备，用于上述自动调焦系统中，包括CMOS成像管放置板，所述CMOS成像管放置板用于放置传感器，所述CMOS成像管放置板通过二号电机驱动的横移模组进行X方向位移微调，所述CMOS成像管放置板和二号电机搭载在移动平台上，移动平台通过一号电机驱动的横移模组进行Y方向位移微调，位于CMOS成像管放置板的上方设置镜头夹子，所述镜头夹子用于放置相机，所述镜头夹子通过四号电机驱动进行镜头沿着Y方向轴线角度的微调，所述镜头夹子通过五号电机驱动进行镜头沿着X方向轴线角度的微调，所述镜头夹子的Z方向位移微调通过三号电机驱动的横移模组执行。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明是以图像采集和处理为基础的动态调整技术，采取的是主动成型策略，有效的弥补了传统被动成型技术中定位精度差，一次成型难度大等缺点；该方法对硬件的需求不是很高，且花费小，可以避免电机的盲目反转，减少图片采集和处理的次数，从而缩短处理的时间，并且精度较高，又与硬件相配合，所以能够快速调焦，也满足稳定性的要求和避免局部最优。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中夹持设备的正视图；

图2为本发明中夹持设备的正视图；

图3为本发明中夹持设备的正视图；

图4为本发明中步长较小的清晰度值变化示意图；

图5为本发明中步长较大的清晰度值变化示意图；

图6为本发明中镜头右偏到左偏方差函数曲线示意图；

图7为本发明中通常的逐渐登山法原理图；

图8为本发明中优化的爬山搜索法原理图；

图9为本发明中自动调焦流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-9，本发明提供一种技术方案：一种基于LabVIEW的自动调焦系统，通过硬件固定目标板和CMOS成像模块平行且中心的大致对齐。使用该方法进行调焦，需要对目标板、镜头、CMOS成像模块三者的中心进行对齐。然后调节镜头的水平位置使三者平行，最后调节镜头的高度来调节焦距，就可以获得最佳图像。该方法对硬件的需求不是很高，且花费小。

其中，图像清晰度函数是评价一幅图像是否聚焦的重要标准之一。在自动调焦系统中，通过利用图像清晰度函数值及其相应的标准作为评价图像清晰度的依据，为自动调焦做铺垫。设点(x，y)的图像灰度值为f(x，y)。

(1)灰度方差函数、

当镜头越接近聚焦的位置，所采集的图像清晰度越清晰，函数值越大，因此，可以作为图像清晰度评价标准，该函数定义如下(公式1)。

D(f)＝∑_y∑_x(|f(x，y)-f(x，y-1)|+|f(x，y)-f(x+1，y)|) (公式1)

局部最优问题：通过自动调焦进行避免局部最优的调整，具体分为垂直调焦和水平调焦。

进行垂直调焦直接对相机采集到的图像进行处理，从初始位置依据迭代寻优思想，通过自主变步长向着清晰度最佳位置自动调焦，通过这个过程找到垂直方向上的最佳成像位；水平调焦分为水平前后调焦和水平左右调焦，当垂直方向在聚焦位置时，如果镜头与目标板水平且共轴，这图像的前后两侧的清晰度函数值相等，且此时整张图片的清晰度函数值最大。

结合自动调焦的方法，改进调焦效果，先选取较大的初始步长，这样可以尽量避免陷入局部极点。实验中发现，初始步长的大小是否合理选择直接影响到调焦的速度和准确度，步长过小，图像信息就少，评价函数的变化趋势明显，容易陷入局部极点，如图4所示。步长较大时，则可以较好的避免这个问题，如图5所示，因此设定合理的步长十分重要。

以水平前后调焦为例。控制电机移动镜头，由镜头右偏到左偏，使用摄像头采集一系列的图像并进行处理，获得其方差函数归一化曲线如图6所示。进行实验和资料查询发现，当垂直方向在聚焦位置时，如果镜头与图像水平，这图像的前后两侧的清晰度函数值相等且此时整张图片的清晰度函数值最大。基于此，本设计完成了水平调焦。

为了加快调焦的速度，所有采取先粗调后细调的方法，也就是调节步距不断缩小范围。首先用较大步距来游走全程并且获得每一步所在位置的图像清晰度值，得到波峰值相的一个步距区域。更换较小的步距，重复上述的过程，不断缩小范围，接近焦距。当步距为最小步距时，此次获得的波峰值位置就是焦距位置。最后，对引入标准图像的清晰度函数值进行比较，既可以对调焦结果进行确认也可以迅速地找到灰度方差曲线的峰值点，得到最佳焦平面位置，灵敏度也得到了提高。

通常的搜索方法如下，采用逐渐登山法：

(1)先在起始点拍摄一幅图像，计算其评价函数的值F1。

(2)将摄像头的镜头像一个方向移动较大的距离L，然后在这个位置采集一幅图像，并计算评价函数的值F2

(3)比较F1，F2的数值大小。如果F2>F1，则继续控制进行沿此方向移动，当图像评价函数的值变小为止。如果F2<F1，则控制镜头沿反向移动，并且步距减小为L/2。

(4)重复上述步骤，最终找到正确对焦位置。

为了更好的清晰的了解逐渐登山法，其原理图像如图7所示。

通过改良的爬山搜索法进行满足稳定性的要求和避免局部最优：

a、首先，等步长L在起始位置向着清晰度增加位置移动，在移动的同时电机每一步运动完后进行图像采集并计算图像清晰度函数值，当所获得图像清晰度函数值与前几次获得的清晰度函数比较明确下降时依据镜头移动过程中获得清晰度函数值最大时镜头的位置a进行二次变步长调焦；

b、控制电机使镜头回到a-L的位置，重新定义相关参数：总长度为2L，移动范围(a-L，a+L)，步长为总路径所有整除数的中间值，然后在其总长度中改用此次步长游遍全程，重复a的操作；

c、当步长为设定的最小步长时，控制电机使镜头回到函数值最大的位置；

d、用最后的清晰度函数值与标准的图片的函数值比较是否小于设定值ε，若小于设定值则调焦结束，否则将步长定义为初始步长，本次总路径为初始总路径的一半重复上述工作。这一改良方法的优点：可以避免电机的盲目反转，减少图片采集和处理的次数，从而缩短处理的时间，并且精度较高。又与硬件相配合，所以能够快速调焦，也满足稳定性的要求和避免局部最优。其原理如图8所示，所以本系统选用了如下改良的爬山法。

在自动调焦的模块中需要导入相应的参数设置。通过改良的爬山搜索法来对图像的采集和处理，电机控制，局部最优的检测等功能组合在一起，来完成自动调焦功能的实现。其具体的操作流程如图9所示。

如图1-3所示，本发明还提出了针对调焦系统的相机镜头夹持和CMOS成像模块的夹持设备，用于上述自动调焦系统中：包括CMOS成像管放置板1，CMOS成像管放置板1用于放置传感器，CMOS成像管放置板1通过二号电机3驱动的横移模组进行X方向位移微调，CMOS成像管放置板1和二号电机3搭载在移动平台上，移动平台通过一号电机2驱动的横移模组进行Y方向位移微调，位于CMOS成像管放置板1的上方设置镜头夹子4，镜头夹子4用于放置相机，镜头夹子4通过四号电机6驱动进行镜头沿着Y方向轴线角度的微调，所述镜头夹子通过五号电机驱动进行镜头沿着X方向轴线角度的微调，，镜头夹子4的Z方向位移微调通过三号电机5驱动的横移模组执行。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.一种基于LabVIEW的自动调焦系统，其特征在于：

系统通过硬件分别固定目标板、镜头和CMOS成像模块模块，令这三者平面平行且中心大致对齐，然后利用自动调焦算法获得镜头最佳成像位置，进一步再借助清晰度函数的最大值获取矫正镜头的水平偏差，完成目标板、镜头、CMOS成像模块同轴度调整，以获得最佳成像效果。

2.根据权利要求1所述的一种基于LabVIEW的自动调焦系统，其特征在于：通过利用图像清晰度函数值及其相应的标准作为评价图像清晰度的依据，设点(x，y)的图像灰度值为f(x，y)。

3.根据权利要求2所述的一种基于LabVIEW的自动调焦系统，其特征在于：当镜头越接近聚焦的位置，所采集的图像清晰度越清晰，清晰度函数值越大，以灰度方差函数作为图像清晰度评价标准，该函数定义如下(公式1)。

D(f)＝∑_y∑_x(|f(x，y)-f(x，y-1)|+|f(x，y)-f(x+1，y)|) (公式1)。

4.根据权利要求3所述的一种基于LabVIEW的自动调焦系统，其特征在于：通过变步长自动调焦方法寻求最快找到最佳成像点并避免陷入局部最优处，具体分为垂直调焦和水平调焦。

5.根据权利要求4所述的一种基于LabVIEW的自动调焦系统，其特征在于：进行垂直调焦直接对相机采集到的图像进行处理，从初始位置依据迭代寻优思想，通过自主变步长向着清晰度最佳位置自动调焦，通过这个过程找到垂直方向上的最佳成像位；水平调焦分为水平前后调焦和水平左右调焦，当垂直方向在聚焦位置时，如果镜头与目标板水平且共轴，这图像的前后两侧的清晰度函数值相等，且此时整张图片的清晰度函数值最大。

6.根据权利要求5所述的一种基于LabVIEW的自动调焦系统，其特征在于：自适应的步长调整，采取先粗调后细调的方法，调节步距不断缩小直至达到停止条件。

7.根据权利要求6所述的一种基于LabVIEW的自动调焦系统，其特征在于：用较大步距来游走并且获得每一步所在位置的图像清晰度值，当检测到清晰度值明确下降后更换较小的步距反向运动；重复上述的过程，不断缩小范围，接近焦距，当步距为最小步距时，此次获得的波峰值位置就是焦距位置。

8.根据权利要求7所述的一种基于LabVIEW的自动调焦系统，其特征在于，通过改良的爬山搜索法具体为：

a、首先，等步长L在起始位置向着清晰度增加位置移动，在移动的同时电机每一步运动完后进行图像采集并计算图像清晰度函数值，当所获得图像清晰度函数值与前几次获得的清晰度函数比较有明确下降时依据镜头移动过程中获得清晰度函数值最大时镜头的位置a进行二次变步长调焦；

b、控制电机使镜头回到a-L的位置，重新定义相关参数：总长度为2L，移动范围(a-L，a+L)，步长为总路径所有整除数的中间值，然后在其总长度中改用此次步长游遍全程，重复a的操作；

c、当步长为设定的最小步长时，控制电机使镜头回到函数值最大的位置；

d、用最后的清晰度函数值与标准的图片的函数值比较是否小于设定值ε，若小于设定值则调焦结束，否则将步长定义为初始步长，本次总路径为初始总路径的一半重复上述工作。

9.一种如权利要求1-8任一所述的自动调焦系统的相机镜头夹持和CMOS成像模块的夹持设备，其特征在于，包括CMOS成像管放置板(1)，所述CMOS成像管放置板(1)用于放置传感器，所述CMOS成像管放置板(1)通过二号电机(3)驱动的横移模组进行X方向位水平移微调，所述CMOS成像管放置板(1)和二号电机(3)搭载在移动平台上，移动平台通过一号电机(2)驱动的横移模组进行Y方向位水平移微调，位于CMOS成像管放置板(1)的上方设置镜头夹子(4)，所述镜头夹子(4)用于放置相机，所述镜头夹子(4)通过四号电机(6)驱动进行镜头沿着Y方向轴线角度的微调，所述镜头夹子(4)通过五号电机(7)驱动进行镜头沿着X方向轴线角度的微调，所述镜头夹子(4)的Z方向位移微调通过三号电机(5)驱动的横移模组执行。

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