一种基于液体透镜的仿生视觉快速调焦方法技术

本发明专利技术提供了一种基于液体变焦透镜的快速调焦方法，其特征在于，包括步骤：a)对前方固定距离目标物体进行标定；b)通过标定将激光位移传感器测得的数值进行分析；c)获得仿生视觉成像系统不同工作距离与液体变焦透镜所需调节信息之间的曲线关系，得到大步长调焦方程；d)启动成像装置控制系统；e)控制系统根据所述大步长调焦方程，驱动液体变焦镜头调节焦距，使系统成像位置快速调整到预正焦点；f)系统采集图像；g)判断采集图像的清晰度是否符合标准，若不符合，在预正焦点附近采用小步长调焦算法，继续采集图像；c)直至获取到符合标准的清晰图像，调焦结束。

Bionic vision rapid focusing method based on liquid lens

The invention provides a quick focusing method of liquid zoom lens based on, is characterized by comprising the steps of: a) in front of the fixed distance object calibration; b) will conduct numerical analysis through calibration of laser displacement sensor measured; c) curves of different bionic vision imaging system working distance and the liquid zoom lens the need to adjust the information between the obtained long step focusing equation; d) start imaging device control system; E) control system according to the size of focusing equation, drive the liquid zoom lens zoom imaging system to quickly adjust the position of the pre f) system is the focus; image acquisition; g) to determine the clarity of the image acquisition whether conforms to the standard, if not match, uses small focusing algorithm in the vicinity of pre positive focus, continue to collect image; c) until the acquisition to meet the standard of clear image Focus end.

【技术实现步骤摘要】

本专利涉及一种主动式与被动式结合的仿生视觉快速调焦方法，属于自动调焦

技术介绍
自动调焦成像系统作为仿生视觉的关键技术应具有抗干扰性好、精度较高、稳定性强及实时性好的特点，它已经广泛应用于相机成像、机器视觉、数字监控以及遥感雷达等领域。尤其是基于主动式测距的自动调焦技术已经发展成熟，但随着集成电路和计算机技术的发展，图像采集和图像处理技术逐步成熟，基于被动式的自动调焦技术也进入快速发展。但是这两种方式各自的不足也很明显，主动式测距法由于精度、体积限制了它在仿生视觉领域的应用，被动式图像处理法则会因为外部环境的多样性及噪声干扰无法确保每次系统的调焦效果为最佳。这些局限性都限制了两种方法的单独应用。而且，传统的仿生视觉系统多是基于工学方法，利用摄像机获得目标图像进行处理。但这种摄像机镜头一般采用定焦镜头，不能够实时调节焦距，也不能对目标物体进行放大及缩小的观测，变焦透镜则可以实现这样的需求。变焦镜头从组成方式及工作原理上可以分为传统变焦距镜头以及液体变焦镜头。传统镜片组合式变焦镜头就是利用改变透镜组之间的间隔来实现焦距的变化，这种方式必须采用特殊驱动电机对独立组件的机械位置提供精准的控制，并且镜头内多个组件的动作必须保证同步，这对系统的机械结构提出了苛刻的要求，移动透镜组改变焦距时，往往也会伴随着像面的移动。因此，还需对像面的移动进行补偿。近年来，随着变焦镜头不断朝着微型化、智能化、稳定化、低功耗、成像质量高的方向发展，这种传统的调焦方式已经很难满足实际需求。液体变焦镜头是指通过模拟人眼晶状体变焦功能，以不同驱动方式改变透镜表面曲率，从而实现透镜焦距大小的变化。它避免了传统调焦系统结构复杂、易磨损和寿命低等缺点，可以实现传统光学元部件难以完成的功能，推动调焦系统向小型化、灵巧化发展，可应用于手机、相机、摄像、显微镜、医疗领域、光学测试设备、光通信和光信息处理、仿生视觉等领域。可以说，随着液体镜头的不断发展，它的应用将会更加广泛。2009年，中国科学院研究生院张薇等以液体透镜(包括折衍混合的液体透镜)为核心元件,设计了可调焦内窥系统、二元变焦内窥系统和连续变焦手机镜头三种不同类型的微型光学系统,在满足系统尺寸及使用功能的基础上,初步实现了系统中无移动组件的调焦、变焦功能。2012年，中国科学院大学张鹰等利用液体透镜设计了一种长焦距变焦系统，该系统可实现2.5倍的可见光变焦，分利用液体透镜变焦范围的基础上有效缩短了系统尺寸，系统总长仅135mm，全视场MTF值高于0.5。2015年，徕卡显微系统(上海)有限公司张祥翔等利用Optotune公司的液体变焦透镜作为显微镜自动调焦装置。并对液体变焦透镜在生物显微镜上的调焦功能进行了实验验证，并获取了系统在不同焦距的图像。实验结果表明，液体变焦透镜可以使系统的景深扩展1mm以上，并且保持了良好的成像质量。同年，上海理工大学潘逸君使用双液体透镜组成变焦系统，得到了一个视场60°，变倍比6.2倍的变焦系统。但以上应用主要依靠人眼观测及主观意识来判断图像清晰度，并没有使系统实时性、精确性增强，也凸显了主动式调焦方法的局限性及不足。
技术实现思路
本申请的目的在于提供了一种基于液体透镜的仿生视觉快速调焦方法，包括步骤：a)对前方固定距离目标物体进行标定；b)通过标定将激光位移传感器测得的数值进行分析；c)获得仿生视觉成像系统不同工作距离与液体变焦透镜所需调节信息之间的曲线关系，得到大步长调焦方程；d)启动成像装置控制系统；e)控制系统根据所述大步长调焦方程，驱动液体变焦镜头调节焦距，使系统成像位置快速调整到预正焦点；f)系统采集图像；g)判断采集图像的清晰度是否符合标准，若不符合，在预正焦点附近采用小步长调焦算法，继续采集图像；h)直至获取到符合标准的清晰图像，调焦结束。优选地，所述大步长调焦方程由物距-焦距-控制电流三者之间的关系决定。优选地，所述调焦算法由基于Sobel算子的灰度梯度函数结合改进的爬山搜索策略组成。优选地，所述液体变焦透镜体积尺寸为45×25.5mm-55×35.5mm，响应时间为1.5ms-3ms。优选地，所述液体变焦透镜为液体填充方式。优选地，所述液体填充方式是使用光学透明弹性薄膜将液体限制在腔体当中，通过液体的压力来控制薄膜面形变化。应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本专利技术所要求保护内容的限制。附图说明参考随附的附图，本专利技术更多的目的、功能和优点将通过本专利技术实施方式的如下描述得以阐明，其中：图1示出了根据本专利技术的调焦方法的步骤流程图；图2示出了根据本专利技术的调焦方法的液体透镜为液体填充方式；图3为光学成像简易模型；图4示出了根据本专利技术的调焦方法的大步长调焦搜索过程和普通调焦搜索过程对比图；图5示出了根据本专利技术的调焦方法的分别应用到的灰度梯度函数、频谱函数、统计学函数、灰度熵函数对同一组图片数据进行计算的评价函数曲线图；图6示出了根据本专利技术的调焦方法的小步长调焦实现过程；图7示出了根据本专利技术的调焦方法的大步长调焦方程式得出方法实验原理图；图8示出了根据本专利技术的调焦方法的用于得出大步长调焦方程式的拟合曲线图；图9示出了根据本专利技术的最后仿生视觉成像系统集成大步长调焦方程式及小步长改进调焦算法，对目标物体成像，实时采集图像效果图，其中：图9(a)为系统初始化时处于深度离焦状；图9(b)为达到预正焦点状态；图9(c)为确定正焦点状态。具体实施方式通过参考示范性实施例，本专利技术的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本专利技术并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本专利技术的具体细节。在下文中，将参考附图描述本专利技术的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。本专利采用基于液体变焦透镜并将主动式和被动式调焦方法相结合的技术，实现仿生视觉系统快速、准确的自动调焦，并清晰成像。如图1所示，为根据本专利技术的调焦方法的步骤流程图，步骤如下：步骤101：对前方固定距离目标物体进行标定；步骤102：通过标定将位移传感器测得的数值进行分析；步骤103：获得仿生视觉成像系统不同工作距离与液体变焦透镜所需调节信息之间的曲线关系，得到大步长调焦方程；步骤104：启动成像装置控制系统；步骤105：控制系统根据所述大步长调焦方程，驱动液体变焦镜头调节焦距，使系统成像位置快速调整到预正焦点；步骤106：系统采集图像；步骤107：判断采集图像的清晰度是否符合标准，若不符合，在预正焦点附近采用小步长调焦算法，继续采集图像；步骤108：直至获取到符合标准的清晰图像，调焦结束。本专利技术采用激光位移传感器与液体变焦透镜作为系统调焦核心元件。激光位移传感器具有：(1)高精度；激光有直线度好的优良特性，激光位移传感器相对于我们已知的超声波传感器有更高的精度，可达±1mm。(2)工作稳定；激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成，激光传感器是新型测量仪表，它具有抗光、电干扰能力强的特点。而液体变焦镜头具有：(1)体积小：它的体积为尺寸48×30.5mm，(2)响应速度快：动态响应时间为2.5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于液体透镜的仿生视觉快速调焦方法，其特征在于，包括步骤：a)对前方固定距离目标物体进行标定；b)通过标定将激光位移传感器测得的数值进行分析；c)获得仿生视觉成像系统不同工作距离与液体变焦透镜所需调节信息之间的曲线关系，得到大步长调焦方程；d)启动成像装置控制系统；e)控制系统根据所述大步长调焦方程，驱动液体变焦镜头调节焦距，使系统成像位置快速调整到预正焦点；f)系统采集图像；g)判断采集图像的清晰度是否符合标准，若不符合，在预正焦点附近采用小步长调焦算法，继续采集图像；h)直至获取到符合标准的清晰图像，调焦结束。

【技术特征摘要】
1.一种基于液体透镜的仿生视觉快速调焦方法，其特征在于，包括步骤：a)对前方固定距离目标物体进行标定；b)通过标定将激光位移传感器测得的数值进行分析；c)获得仿生视觉成像系统不同工作距离与液体变焦透镜所需调节信息之间的曲线关系，得到大步长调焦方程；d)启动成像装置控制系统；e)控制系统根据所述大步长调焦方程，驱动液体变焦镜头调节焦距，使系统成像位置快速调整到预正焦点；f)系统采集图像；g)判断采集图像的清晰度是否符合标准，若不符合，在预正焦点附近采用小步长调焦算法，继续采集图像；h)直至获取到符合标准的清晰图像，调焦结束。2.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：娄小平，褚翔，孟晓辰，祝连庆，董明利，潘志康，樊凡，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11