一种用于线阵相机的自动调焦系统及方法

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，尤其涉及一种用于线阵相机的自动调焦系统及方法。

背景技术

线阵相机广泛应用于工业检测领域，其中最典型的应用场景是检测连续的材料表面是否存在缺陷问题，例如纸张、金属、薄膜和无纺布等。被检测的物体通常匀速运动，然后利用一台或多台线阵相机对其逐行连续扫描，以达到对其整个表面材质的均匀检测。虽然线阵相机拥有极大的视野和极高的精度，但其工作方式每次只扫描目标物体的一条线作为数字图像中的行数据，因此难以针对镜头的全局视野找到最合适的焦距，从而影响整体成像的清晰度。

在实际应用场景中，工业领域线阵相机大部分还停留在手动调焦的阶段，有时相机安装位置比较高，人工作业过程危险。手动调焦通常以局部视野是否清晰成像作为调焦好坏判断的依据，导致经常出现相机整个幅面部分区域清晰，部分区域模糊的情况。传统自动调焦方法依据不同的实现原理主要分为测距法和像检测法，有着各自适用的方面，但也存在着操作复杂、设备成本高和难以系统小型化等弊端。

专利文献CN 112995521B提供了一种基于正弦条纹的线阵相机高精度自动调焦方法，包括：搭建包括斜放的显示装置、线阵相机以及运动装置的调焦标定系统；运动装置带动显示装置运动，显示装置根据与线阵相机的拍照频率相协调的频率循环播放不同初始相位的正弦条纹图像，从而获得相移数据；由相移数据计算出相位数据；用基于相位变化呈线性的程度作为评价标准，获得最佳相位；由最佳相位所处的位置，结合调焦标定系统各部分的尺寸、位姿的长度以及角度，计算出线阵相机的最佳调焦距离；根据最佳调焦距离将线阵相机调节到距离被测物的最佳距离的位置，完成调焦。但是该方案硬件结构复杂，计算量大，使得生产成本较高。

发明内容

本发明提供了一种用于线阵相机的自动调焦系统及方法，能够有效减少自动调焦过程中的计算量，提高调焦的准确性。

一种用于线阵相机的自动调焦系统，包括第一被摄目标、第二被摄目标、线阵相机、图像处理装置以及相机调节机构；

所述第一被摄目标和第二被摄目标位于所述线阵相机视野的两端；所述线阵相机用于在所述相机调节机构的控制下按照预设调焦步长和调焦搜索方向采集所述第一被摄目标和第二被摄目标的连续图像数据；

所述图像处理装置用于对所述连续图像数据进行处理，获得关于第一被摄目标和第二被摄目标图像灰度值的一阶差分，根据所述第一被摄目标和第二被摄目标图像灰度值的一阶差分确定调焦窗口，并对所述调焦窗口内采集的连续图像数据进行处理获得图像的离焦程度评价值，根据所述离焦程度评价值，控制所述相机调节机构调整所述线阵相机，直到所述线阵相机的镜头针对全局视野位于正焦位置。

进一步地，所述图像处理装置用于将第一被摄目标的图像灰度值的一阶差分两个拐点之间的位置区域设定为第一被摄目标的调焦窗口，将第二被摄目标的图像灰度值的一阶差分两个拐点之间的区域，设定为第二被摄目标的调焦窗口。

进一步地，所述图像处理装置还用于根据所述调焦窗口内采集的连续图像数据，分别计算连续的第一被摄目标离焦程度评价值以及连续的第二被摄目标离焦程度评价值，并判断是否需要调焦，确定需要调焦时，根据所述连续的第一被摄目标离焦程度评价值以及连续的第二被摄目标离焦程度评价值，控制所述相机调节机构调整所述线阵相机，直到所述线阵相机的镜头针对全局视野位于正焦位置。

进一步地，当所述线阵相机的镜头所处位置的第一被摄目标离焦程度评价值和第二被摄目标离焦程度评价值接近相等且为峰值时，确定不需要调焦。

进一步地，所述图像处理装置用于根据所述连续的第一被摄目标离焦程度评价值以及连续的第二被摄目标离焦程度评价值出现峰值的时机，确定线阵相机的镜头所在平面与检测平面的角度调整方向，控制所述相机调节机构按照预设角度步长调整相应角度；

所述图像处理装置还用于调整角度之后再按照预设像距步长控制连续采集所述第一被摄目标和第二被摄目标的连续图像数据，再次根据第一被摄目标离焦程度评价值和第二被摄目标离焦程度评价值调整线阵相机镜头的角度，直到角度调整范围搜索完毕，将第一被摄目标离焦程度评价值和第二被摄目标离焦程度评价值接近相等且为峰值的位置确定为正焦位置；

所述检测平面为第一被摄目标和第二被摄目标所在的平面。

进一步地，所述第一被摄目标离焦程度评价值通过以下公式表示：

其中，

所述第二被摄目标离焦程度评价值通过以下公式表示：

其中，

进一步地，以第一被摄目标在左，第二被摄目标在右为参照，若所述第一被摄目标离焦程度评价值的峰值先于所述第二被摄目标离焦程度评价值的峰值出现，则确定角度调整方向为顺时针；

若所述第二被摄目标离焦程度评价值的峰值先于所述第一被摄目标离焦程度评价值的峰值出现，则确定角度调整方向为逆时针。

进一步地，所述相机调节机构包括第一步进电机和第二步进电机；所述第一步进电机用于按照预设角度步长调整所述线阵相机的镜头所在平面与检测平面的角度；

所述第二步进电机用于按照预设像距步长调整所述线阵相机的像距。

进一步地，所述图像处理装置还用于采用最小二乘法记录每个连续图像数据采样点的第一被摄目标离焦程度评价值和连续的第二被摄目标离焦程度评价值与对应的第一步进电机和第二步进电机的位置进行曲线拟合，将角度调整和像距调整时第一被摄目标离焦程度评价值和第二被摄目标离焦程度评价值的峰值最接近相等且峰值出现的位置，确定为最佳正焦位置。

一种采用上述系统的用于线阵相机的自动调焦方法，包括：

线阵相机在所述相机调节机构的控制下按照预设调焦步长和调焦搜索方向采集所述第一被摄目标和第二被摄目标的连续图像数据；

图像处理装置对所述连续图像数据进行处理，获得关于第一被摄目标和第二被摄目标图像灰度值的一阶差分，根据所述第一被摄目标和第二被摄目标图像灰度值的一阶差分确定调焦窗口，并对所述调焦窗口内采集的连续图像数据进行处理获得图像的离焦程度评价值，根据所述离焦程度评价值，控制所述相机调节机构调整所述线阵相机，直到所述线阵相机的镜头针对全局视野位于正焦位置。

本发明提供的用于线阵相机的自动调焦系统及方法，至少包括如下有益效果：

（1）采用对灰度图像一阶差分的调焦窗口构建方法选择调焦窗口，能够有效减少参与计算的图像像素数从而减小计算量，确保了被摄目标位于所构建的调焦窗口中，减小背景区域对调焦结果的不利影响；

（2）通过两个被摄目标的离焦程度值寻找正焦位置，能够有效保证调焦精度和实时性；

（3）通过最小二乘法拟合精确定位最佳正焦位置，能够进一步提高正焦位置确定的准确性。

附图说明

图1为本发明提供的用于线阵相机的自动调焦系统一种实施例的结构示意图。

图2为本发明提供的用于线阵相机的自动调焦系统中第一被摄目标和第二被摄目标图像灰度值的一阶差分信号曲线一种实施例的示意图。

图3为本发明提供的用于线阵相机的自动调焦系统中线阵相机与检测平面一种实施例的示意图。

图4为本发明提供的用于线阵相机的自动调焦系统中线阵相机顺时针调节一种实施例的示意图。

图5为本发明提供的用于线阵相机的自动调焦系统中线阵相机逆时针调节一种实施例的示意图。

图6为本发明提供的用于线阵相机的自动调焦方法一种实施例的步骤图。

图7为本发明提供的用于线阵相机的自动调焦方法一种实施例的流程图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。

参考图1，在一些实施例中，提供一种用于线阵相机的自动调焦系统，包括第一被摄目标101、第二被摄目标102、线阵相机103、图像处理装置104以及相机调节机构105；

第一被摄目标101和第二被摄目标102位于线阵相机103视野的两端；线阵相机103用于在相机调节机构105的控制下按照预设调焦步长和调焦搜索方向采集第一被摄目标101和第二被摄目标102的连续图像数据；

图像处理装置104用于对所述连续图像数据进行处理，获得关于第一被摄目标101和第二被摄目标102图像灰度值的一阶差分，根据第一被摄目标101和第二被摄目标102图像灰度值的一阶差分确定调焦窗口，并对调焦窗口内采集的连续图像数据进行处理获得图像的离焦程度评价值，根据所述离焦程度评价值，控制相机调节机构105调整线阵相机103，直到线阵相机103的镜头针对全局视野位于正焦位置。

具体地，搭建线阵相机聚焦调试平台，在平台的两端同一水平线上放置第一被摄目标和第二被摄目标，并使得第一被摄目标和第二被摄目标在线阵相机103视野的两端。

调焦过程中，线阵相机103在相机调节机构105的控制下按照预设调焦步长和调焦搜索方向采集第一被摄目标101和第二被摄目标102的连续图像数据；其中，调焦搜索方向包括：线阵相机镜头光心靠近或者远离相机传感器的方向，以及线阵相机镜头所在平面与检测平面所成夹角的扩大或缩小的方向，预设调焦步长包括预设角度步长和预设像距步长，按照预设角度步长调整线阵相机镜头所在平面与检测平面所成夹角，按照预设像距步长调整线阵相机镜头光心与相机传感器的距离。

进一步地，图像处理装置104对于所述连续图像数据的处理，包括将该连续图像转化为灰度图像，并获得灰度图像的图像灰度值的一阶差分，根据第一被摄目标101和第二被摄目标102图像灰度值的一阶差分确定调焦窗口。

调焦窗口，即聚焦区域，第一被摄目标101和第二被摄目标102成像在同一幅图像上，因此需要确定第一被摄目标101和第二被摄目标102在图像上的大致范围，也就是图像上两块大致的聚焦区域。

线阵相机的成像呈“线”状，即长度方向上有几千像素，而宽度只有几个像素，取成 像的一行像素数据

具体地，图像处理装置将第一被摄目标的图像灰度值的一阶差分两个拐点之间的位置区域设定为第一被摄目标101的调焦窗口，将第二被摄目标102的图像灰度值的一阶差分两个拐点之间的区域，设定为第二被摄目标的调焦窗口。

参考图2，第一被摄目标101和第二被摄目标102图像灰度值的一阶差分信号曲线如图2所示，其中纵坐标表示灰度级，即相邻两个像素灰度值之差，横坐标表示一行像素的像素坐标，图像的左边为第一被摄目标101图像灰度值的一阶差分信号曲线，其拐点为1和2，拐点1和拐点2之间的区域为第一被摄目标101的调焦窗口，右边为第二被摄目标102图像灰度值的一阶差分信号曲线，其拐点为3和4，拐点3和拐点4之间的区域为第二被摄目标102的调焦窗口。

在离焦程度的计算过程中，参与计算的图像像素数越多，其计算量就越大，因此，为了减小计算量及增强自动调焦系统的实时性，应当尽量减小图像背景区域的像素点参与运算。同时为了适应成像目标大小变化的场合，采用对灰度图像一阶差分的调焦窗口构建方法。调焦窗口的选择，通过图像灰度值的一阶差分求得拐点信息，因为拐点确定了两个被摄目标在背景图像中的边界位置，接着以拐点坐标位置间的距离确定调焦窗口宽度。通过先求原图像的灰度图像再计算一阶差分的方法，自适应的确定被摄目标的位置，确保了被摄目标位于所构建的调焦窗口中，又减小背景区域对调焦结果的不利影响，满足成像目标大小变化的应用场景。

进一步地，图像处理装置104还用于根据所述调焦窗口内采集的连续图像数据，分别计算连续的第一被摄目标离焦程度评价值以及连续的第二被摄目标离焦程度评价值，并判断是否需要调焦，确定需要调焦时，根据所述连续的第一被摄目标离焦程度评价值以及连续的第二被摄目标离焦程度评价值，控制相机调节机构105调整线阵相机103，直到线阵相机103的镜头针对全局视野位于正焦位置。

目标离焦程度评价值通过离焦程度评价函数进行计算，离焦程度评价函数主要关注代表图像聚焦程度的深度信息，定量描述图像的清晰程度。离焦程度评价值越高则说明图像清晰度越高，反正，则越模糊。

第一被摄目标离焦程度评价值通过以下公式表示：

其中，

所述第二被摄目标离焦程度评价值通过以下公式表示：

其中，

具体地，当线阵相机的镜头所处位置的第一被摄目标离焦程度评价值和第二被摄目标离焦程度评价值接近相等且为峰值时，确定不需要调焦，否则，则需要调焦。

本实施例中所述的接近相等，为两个离焦程度评价值之差在3%范围内。

进一步地，图像处理装置104用于根据连续的第一被摄目标离焦程度评价值以及连续的第二被摄目标离焦程度评价值出现峰值的时机，确定线阵相机103的镜头所在平面与检测平面的角度调整方向，控制相机调节机构105按照预设角度步长调整相应角度；

图像处理装置104还用于调整角度之后再按照预设像距步长控制连续采集所述第一被摄目标和第二被摄目标的连续图像数据，再次根据连续的第一被摄目标离焦程度评价值和第二被摄目标离焦程度评价值调整线阵相机镜头和检测平面的角度，直到角度调整范围搜索完毕，当角度调整范围搜索完毕，就可以获得两个被测目标在每个角度下的和每个像距下的离焦程度评价值，将第一被摄目标离焦程度评价值和第二被摄目标离焦程度评价值接近相等且为峰值的位置确定为正焦位置；

所述检测平面为第一被摄目标和第二被摄目标所在的平面。

具体地，以第一被摄目标在左，第二被摄目标在右为参照，若所述第一被摄目标离焦程度评价值的峰值先于所述第二被摄目标离焦程度评价值的峰值出现，则确定角度调整方向为顺时针；

若第二被摄目标离焦程度评价值的峰值先于所述第一被摄目标离焦程度评价值的峰值出现，则确定角度调整方向为逆时针。

参考图3，线阵相机镜头所在平面为AB，检测平面为CD，若第一被摄目标离焦程度值的峰值先于所述第二被摄目标离焦程度评价值的峰值出现，则顺时针调整角度，如图4所示，此时线阵相机镜头所在平面与检测平面形成的夹角减小，反之，若第二被摄目标离焦程度评价值的峰值先于第一被摄目标离焦程度评价值的峰值出现，则调整方向为逆时针，如图5所示，此时线阵相机镜头所在平面与检测平面形成的夹角增大。

进一步地，相机调节机构105包括第一步进电机和第二步进电机；第一步进电机用于按照预设角度步长调整线阵相机103的镜头所在平面与检测平面的角度；

第二步进电机用于按照预设像距步长调整线阵相机的像距，即线阵相机镜头光心与相机传感器之间的距离。

进一步地，在调焦过程中，是按照预设调焦步长进行的，预设调焦步长设置的越小，则调焦越精确，但是步进电机转动的角度受脉冲宽度的影响，精度有限，通过上述步骤获得的正焦位置，可能不是最佳正焦位置，因此，图像处理装置104还用于采用最小二乘法记录每个连续图像数据采样点的第一被摄目标离焦程度评价值和连续的第二被摄目标离焦程度评价值与对应的第一步进电机和第二步进电机的位置进行曲线拟合，将角度调整和像距调整时第一被摄目标的第一连续离焦程度评价值和第二连续离焦程度评价值的峰值接近相等且峰值出现的位置，确定最佳正焦位置。

通过离焦程度评价值和步进电机位置的曲线拟合，能够找到第一连续离焦程度评价值和第二连续离焦程度评价值的峰值更为接近相等的位置，从而确定最佳正焦位置。

参考图6，在一些实施例中，还提供一种采用上述系统的用于线阵相机的自动调焦方法，包括：

S1、线阵相机在所述相机调节机构的控制下按照预设调焦步长和调焦搜索方向采集所述第一被摄目标和第二被摄目标的连续图像数据；

S2、图像处理装置对所述连续图像数据进行处理，获得关于第一被摄目标和第二被摄目标图像灰度值的一阶差分，根据所述第一被摄目标和第二被摄目标图像灰度值的一阶差分确定调焦窗口，并对所述调焦窗口内采集的连续图像数据进行处理获得图像的离焦程度评价值，根据所述离焦程度评价值，控制所述相机调节机构调整所述线阵相机，直到所述线阵相机的镜头针对全局视野位于正焦位置。

具体地，步骤S2中，图像处理装置将所述第一被摄目标的图像灰度值的一阶差分靠近线阵相机视野边缘的拐点和第二被摄目标的图像灰度值的一阶差分靠近线阵相机视野边缘的拐点之间的区域，设定为调焦窗口。

进一步地，参考图7，步骤S2中，图像处理装置根据所述调焦窗口内采集的连续图像数据，分别计算连续的第一被摄目标离焦程度评价值以及连续的第二被摄目标离焦程度评价值，并判断是否需要调焦，确定需要调焦时，根据所述连续的第一被摄目标离焦程度评价值以及连续的第二被摄目标离焦程度评价值，控制所述相机调节机构调整所述线阵相机，直到所述线阵相机的镜头针对全局视野位于正焦位置。当所述线阵相机的镜头所处位置的第一被摄目标离焦程度评价值和第二被摄目标离焦程度评价值相等且为极值时，确定不需要调焦。

进一步地，步骤S2中，图像处理装置根据所述第一被摄目标离焦程度评价值以及连续的第二被摄目标离焦程度评价值出现峰值的时机，确定线阵相机的镜头所在平面与检测平面的角度调整方向，控制所述相机调节机构按照预设角度步长调整相应角度；

图像处理装置调整角度之后再按照预设像距步长控制连续采集所述第一被摄目标和第二被摄目标的连续图像数据，再次根据第一被摄目标离焦程度评价值和第二被摄目标离焦程度评价值调整线阵相机镜头的角度，直到角度调整范围搜索完毕，将第一被摄目标离焦程度评价值和第二被摄目标离焦程度评价值接近相等且为峰值的位置确定为正焦位置；

所述检测平面为第一被摄目标和第二被摄目标所在的平面。

其中，所述第一被摄目标离焦程度评价值通过以下公式表示：

其中，

所述第二被摄目标离焦程度评价值通过以下公式表示：

其中，

以第一被摄目标在左，第二被摄目标在右为参照，若所述第一被摄目标离焦程度评价值的峰值先于所述第二被摄目标离焦程度评价值的峰值出现，则确定角度调整方向为顺时针；

若所述第二被摄目标离焦程度评价值的峰值先于所述第一被摄目标离焦程度评价值的峰值出现，则确定角度调整方向为逆时针。

进一步地，所述相机调节机构包括第一步进电机和第二步进电机；所述第一步进电机用于按照预设角度步长调整所述线阵相机的镜头所在平面与检测平面的角度；

所述第二步进电机用于按照预设像距步长调整所述线阵相机的像距。

在一些实施例中，所述方法还包括：

S3、图像处理装置采用最小二乘法记录每个连续图像数据采样点的第一被摄目标离焦程度评价值和连续的第二被摄目标离焦程度评价值与对应的第一步进电机和第二步进电机的位置进行曲线拟合，将角度调整和像距调整时第一被摄目标离焦程度评价值和第二被摄目标离焦程度评价值的峰值最接近相等且峰值出现的位置，确定为最佳正焦位置。

上述实施例提供的用于线阵相机的自动调焦系统及方法，至少包括如下有益效果：

（1）采用对灰度图像一阶差分的调焦窗口构建方法选择调焦窗口，能够有效减少参与计算的图像像素数从而减小计算量，确保了被摄目标位于所构建的调焦窗口中，减小背景区域对调焦结果的不利影响；

（2）通过两个被摄目标的离焦程度值寻找正焦位置，能够有效保证调焦精度和实时性；

（3）通过最小二乘法拟合精确定位最佳正焦位置，能够进一步提高正焦位置确定的准确性。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。