基于LED的小目標主動式三角對焦技術研究

白雪劍,陳友華,周 巡,黃保青,尚 琰,林 聰,張 瑞

(1.中北大學信息與通信工程學院,山西 太原 030051；2.山西省光電信息與儀器工程技術研究中心,山西 太原 030051)

1 引 言

隨著集成電路和計算機技術的快速發展,自動對焦技術越來越廣泛地應用于自動化生產、工業檢測等領域[1-2]。在圖像采集系統中,自動對焦是指通過調整鏡頭組與探測器之間的位置,在圖像探測器上獲得清晰圖像的過程。自動對焦技術根據評價信息是否來自于被測對象,可分為被動式對焦和主動式對焦兩類[3-5]。被動式調焦技術需要通過相機連續拍攝多幅圖像,通過分析不同位置圖像的清晰度來確定焦平面的位置。這種對焦方法需要處理大量的圖像數據,對焦時間較長。主動式對焦技術是將光波或輻射波發送到被測物體上,根據接收到的反射波來測量目標的距離,然后由計算機控制自動對焦[6]。主動式對焦方法不需要大量的圖像數據運算,可以在一定程度上克服被動調焦的缺陷。激光三角測距方法具有結構簡單、測試速度快、使用方便等優點[7-11],因而常被用于主動式對焦方法中。

在典型的激光三角測距法中,光源通常采用具有較小發散角且光斑能量集中的激光光源,這使得激光三角測距法有著精度高、分辨率高、適用范圍廣的特點[12-13]。但當被測目標物形狀不規則或尺寸較小時,激光光源發散角小、方向性強的特性會導致準確對焦的范圍較小,易導致目標丟失,因而也局限了激光三角測距法的適用范圍。以全自動綜合驗光儀對人眼對焦測距為例,由于人眼角膜并非是常規表面[14-15],且眼球上真正可以對焦的部分只有角膜頂部很小的一片區域,因此采用以激光器作為光源的常規激光三角測距方法可能會導致對焦時目標丟失而難以測距。

針對全自動綜合驗光儀這一特殊需求,綜合LED光源具有體積小、發散角大的特性,本文采用LED代替傳統激光三角測距法中的激光器作為光源,建立了基于LED的小目標主動式三角對焦法調焦模型并進行了實驗。實驗結果表明,模型的實際測試值與理論分析值基本一致,實現了對于具有非常規表面小目標物體的精準對焦測距,拓寬了激光三角測距法的應用范圍。

2 模型建立

2.1 調焦原理

以全自動驗光儀為例,驗光儀自動對焦測距系統光路主要由LED、濾光片、聚焦透鏡、線陣CCD等構成,單色紅外LED發射中心波長為940 nm的光束,經過被檢測的人眼發生反射,反射光束透過濾光片消除環境中可見光等雜光的干擾后,再經過聚焦透鏡在線陣CCD上呈現一個光斑。當人眼偏離準確對焦平面時,CCD上的光斑會偏離準確對焦時的光斑位置,系統調焦過程就是根據在不同離焦情況下光斑中心位置不同,測出光斑中心位置偏移像素數,乘以像素尺寸計算出光斑在CCD移動的距離,進而計算出人眼的離焦量。根據計算出的離焦量調節步進電機,以實現自動驗光儀對人眼的準確對焦。此外,還有一個角膜測量系統用于輔助準確對焦,當目標人眼位于靶環中央圓心處時,此處即為準確對焦平面。驗光儀自動對焦測距系統結構圖如圖1所示。

圖1 驗光儀自動對焦測距系統結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the structure of the autofocus ranging system of the refractometer

2.2 光斑中心求解

在自動對焦系統中,光斑位置是決定系統對焦精準度的關鍵因素。常用的光斑中心檢測算法有質心法和圓擬合法。當系統位于焦平面附近時,光斑聚焦程度較好,是一個小光斑,當離焦量較大時,實際光斑圖像可能是一個橢圓或者不規則圖形,因此采用圓擬合的中心檢測算法并不合適。在實時跟蹤對焦過程中,質心法能夠明確表示光斑的運動,該過程計算量小,不受光斑形狀和大小的影響,因而采用質心法來確定光斑位置效果較好。

在實際應用中,散射弱光的強度低于光斑中心規則部分的強度,當光斑圖像信號較強的時候,噪聲信號也相對較強,因此可以根據光斑圖像的灰度最大值來調整閾值,以達到濾除衍射、散射等干擾光線的目的。假設現有圖像f(x,y),其灰度最大值為

fmax(x,y),閾值為T,采用閾值分割后的圖像為g(x,y),有:

(1)

(2)

(3)

求解光斑質心的方法使用的是以灰度為權值的灰度重心法。假設采集的圖像數據位于二維平面坐標系中,記為g(x,y),大小為M×N,則重心計算時的光斑中心(x0,y0)公式為:

(4)

(5)

2.3 數學模型

驗光儀自動對焦系統與傳統激光三角測距不同的地方在于傳統的激光三角測距中物像關系是以反射面到透鏡的距離作為物距,驗光儀自動對焦系統需要對人眼進行對焦測距,人眼是一非常規表面,角膜頂部凹凸不平,入射光線打在該表面會產生漫反射現象,物點移動到LED位置,所以需要從LED處開始計算物距。

圖2所示,LED與法線夾角為θ;反射光束的軸線GB與法線夾角為α;CCD與反射光束軸線GB夾角為β;從反射面到透鏡光學中心的距離GD記為物距a;光線通過透鏡在CCD上成像距離DB記為像距b;光斑在CCD平面上的移動距離為x;實際面與參考面之間的距離為y;透鏡焦距為f;過A點向光軸作垂線,垂足為C;過點E向光軸作垂線,垂足為F。

圖2 驗光儀系統測距示意圖Fig.2 Schematic diagram of distance measurement of refractometer system

由圖2可知,有三角關系:

(6)

其中,BC=xcosβ,AC=xsinβ,CD=b-xcosβ

EF=EGsin(α+θ),GF=EGcos(α+θ),

將上述條件代入式(5)有:

(7)

計算可得:

(8)

取清晰對焦時模擬人眼所在平面為參考面,當實際平面在參考平面下時取“-”,在參考面上時取“+”,其中a、b、β、α、θ在系統光路確定后都是已知的常數。

由于驗光儀自動對焦系統是以LED到透鏡距離作為物距,故新的測距公式可表示為:

(9)

同樣,取清晰對焦時模擬人眼所在平面為參考面,實際面在參考面下時取“-”,在參考面上時取“+”,其中a、b、β、α、θ在系統光路確定后都是已知的常數。

3 實驗結果及分析

3.1 實驗過程

為驗證基于LED的小目標三角測距法自動對焦數學模型的正確性,對該系統進行了實驗研究,自動對焦系統測試平臺如圖3所示。實驗中選用的光源為單色紅外LED,中心波長940 nm；透鏡焦距20 mm；CCD為線陣CCD器件,型號是TCD1501,共5000像素,單個像素大小為8 μm。實驗中我們先手動控制驗光儀對模擬眼準確對焦,再通過線陣CCD與計算機相連,找到此時光斑中心所在像素點位置,記為零點。保持此時驗光儀系統的垂直高度不變,在以模擬眼為中心的軸線上前后移動驗光儀,來模擬離焦時的情況。記錄不同離焦距離時CCD上光斑相對零點移動的像素個數及驗光儀系統相對移動距離。

圖3 自動調焦系統平臺Fig.3 Automatic focusing system platform

3.2 實驗結果分析

實驗中將示波器與計算機同時與CCD連接,既能取到CCD上光斑對應像素點的電壓值,又能確定系統移動時像素點的移動方向和像素點移動個數。實驗中將示波器采集圖像的積分時間設為500 μs,CCD數據輸出波形圖如圖4所示。

圖4 CCD數據輸出波形圖Fig.4 Oscilloscope waveform

圖4中曲線①表示CCD上對應像素點的電壓值,該電壓值值與對應像素點在積分時間內受到的光照強度成正比。圖4(a)表示自動驗光儀系統在準確對焦人眼位置時CCD上的光斑情況,可以看出此時光斑聚焦效果很好且像差較小,主峰細高、旁瓣低,可以清晰地分辨出光斑中心的準確位置。圖4(b)表示自動驗光儀系統向靠近人眼方向移動到達測量極限范圍時的波形圖,圖4(c)表示自動驗光儀向遠離人眼方向移動到達測量極限范圍時候的波形圖。圖4(b)、4(c)兩幅圖的變化范圍即驗光儀系統的最大行程,可以看出均未超過CCD的量程范圍,可以說明自動驗光儀系統的行程范圍在CCD的量程范圍之內。

實驗中記錄每次移動時光斑在CCD上移動的像素個數及驗光儀相對移動距離ΔY。用光斑在CCD上移動的像素個數乘每個像素尺寸大小得到光斑在CCD上移動距離ΔX。本次實驗共采集15組數據,如圖5所示。

圖5 光斑在CCD上移動距離于驗光儀相對移動距離關系圖Fig5 The relationship between the moving distance of the light spot on the CCD and the relative moving distance of the refractor

使用MATLAB畫出光斑在CCD上移動距離ΔX和自動驗光儀相對移動距離ΔY的散點圖(圖中②表示),根據實驗數據擬合曲線(圖中③表示),并且根據式(9)三角測距原理推導得到的理想曲線(圖中①表示)。實驗中取驗光儀系統向靠近人眼方向移動為正值,向遠離人眼方向移動為負值。

根據系統設定要求,三維自動跟蹤軸向對焦需要在[-5 mm,10 mm]范圍之內對人眼進行精確的對焦跟蹤。從上圖中曲線可以看出,CCD上光斑移動距離ΔX較小,即在焦面附近時,驗光儀實際移動距離與理想曲線更為接近,效果較好；當光斑移動距離ΔX較大時,實際情況與理想曲線偏離稍大,系統最大偏離度為18 %,該誤差結果在整個系統所允許的誤差范圍之內。同時,實驗中多次移動自動驗光儀系統也并未出現目標丟失的情況,可以對目標表面準確測距。由上述實驗測量結果可知,在焦平面[-5 mm,10 mm]范圍之內,推導出的理想公式與實際系統測試結果符合程度較好,證明了該驗光儀自動對焦測距系統模型的實用性。說明基于LED的小目標三角測距自動調焦方法適用于工程中對于非常規小目標物體被測表面的自動對焦。

實驗中造成誤差的原因有以下幾點,首先是驗光儀實際移動距離ΔY在[-5 mm,10 mm]范圍之內時,實驗裝置沒有精確考慮z軸方向存在的機械回程差,在離焦量較大時會產生較大誤差。二是本次測試實驗中的成像系統采用單透鏡成像,單透鏡球差較大導致離焦時CCD上光斑變大。三是質心提取方法也可能存在誤差,擬合中心偏差導致在計算CCD上光斑實際距離時會出現誤差。未來的工作中,我們會在這些問題上繼續改進,以提高整個系統測試的精確度。

4 結 論

本文提出了一種基于LED的小目標主動式三角調焦模型,從理論推導和實驗驗證兩方面對于該方法測量小目標和非常規表面物體距離的能力進行了驗證,證明了該方法的實用性、拓寬了激光三角測距方法的應用范圍。該模型提升了傳統激光三角測距方法在非常規物體平面或者小被測物體測量時的精確度,仍然保留了傳統激光三角測距方法結構簡單、測試速度快的優點。下一步將對系統進行進一步的優化,盡可能讓精度提高,效果變好。