CN116336960A - 一种基于光学快速轴向扫描的深度信息提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光学快速轴向扫描的深度信息提取方法，工作过程如下：S1：CCD相机置于透镜的焦面上，电控变焦透镜置于透镜前方，待观测物体置于电控变焦透镜变焦区域内。S2：由工作站计算机控制CCD相机和电控变焦透镜的同步。控制电控变焦透镜的驱动电流，驱动电流每增大一步，工作站计算机程序同步触发CCD相机采集图像。S3：输送给电控变焦透镜的驱动电流在0‑150mA范围内以固定的步长渐进增大，成像焦点在一定范围内渐进式轴向移动，CCD相机同步获取不同聚焦深度的图片序列，通过超像素方差索引提取在焦信息。该方法只通过改变施加在电控变焦透镜两端的电流大小即可控制聚焦深度，使得聚焦速度更快，能更好地应用于生活中所需的各种场景。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像领域，特别是涉及一种基于光学快速轴向扫描的深度信息提取方法。
背景技术
物体深度信息提取在物体三维形貌测量工作中起着支撑作用，物体深度信息提取技术是对物体的表面进行测量从而得到物体轮廓信息，进而通过三维重建算法恢复物体形貌。物体深度信息提取得到的数据，可用于分析平面度、粗糙度、翘曲度等物体表面质量指标。随着现代科学技术的发展，物体深度信息提取技术被广泛应用于工业制造、智能识别、卫星导航、虚拟现实、医学设备等各个领域。精密测量设备的研发与制造能力是国家核心竞争力的重要体现，但国家对精密测量设备的需求与我国现有的技术水平不足之间的矛盾日益突出，使我国在关键技术领域被“卡脖子”，制约了我国科技工业的发展。传统聚焦法在测量物体时结构简单、测量结果精确，具有广阔的应用前景。但其需要通过移动物体来采集图像序列，测量过程耗时较长，也不能对运动物体进行测量。而且系统需要机械位移部件，还会带来可靠性问题。因此，有必要研究出一种扫描速度快、精度高、且无需移动物体的深度测量方法。
发明内容
基于此，有必要针对上述提到的问题，提供一种基于光学快速轴向扫描的深度信息提取方法。
一种基于光学快速轴向扫描的深度信息提取方法，所述方法通过由CCD相机、电控变焦透镜、工作站构成的光学轴向扫描模块实现，工作过程如下：
S1：CCD相机置于透镜的焦面上，电控变焦透镜置于透镜前方，待观测物体置于电控变焦透镜变焦区域内。
S2：由工作站计算机控制CCD相机和电控变焦透镜的同步。控制电控变焦透镜的驱动电流，驱动电流每增大一步，工作站计算机程序同步触发CCD相机采集图像。
S3：输送给电控变焦透镜的驱动电流在0-150mA范围内以固定的步长渐进增大，成像焦点在一定范围内渐进式轴向移动，CCD相机同步获取不同聚焦深度的图片序列，通过超像素方差索引提取在焦信息。
优选的，S1中CCD相机的镜头与电控变焦透镜的焦点在同一水平线上，目的是使CCD相机和电控变焦透镜同步工作时，保证CCD相机采集一系列图片序列的清晰度，如果两者不在同一水平线上，则会引起图片序列的模糊。
优选的，S2中的电控变焦透镜为液体透镜，改变驱动电流可改变液体交界面的曲率，进而改变液体透镜的焦距。
优选的，S3中透镜的景深非常小，在获取被测物的图像时，只有处于景深范围内的区域才能够在CCD相机上清晰成像，而景深以外的区域则聚焦模糊，因此需要改变电控变焦透镜的焦距，拍摄一组图像序列。聚焦距离就是物体表面的深度信息。因此，只要对图像序列清晰区域进行提取，即可确定物体表面的位置信息。
优选的，S3中通过超像素方差索引方法提取在焦信息，将图像分割为一系列超像素，对超像素范围内各元素求方差，给定一阈值。若超像素方差大于阈值，则认为该点为聚焦清晰区域；反之，则认为是离焦区域。基于此方法便可获取整个图像序列的在焦信息。
本发明的有益效果是：
本发明通过结合电控变焦透镜与CCD相机实现光学快速轴向扫描和不同聚焦图片序列采集，并将电流大小与焦点深度关系对应，在快速采集图片的同时能准确获取图像中物体的空间位置信息，优势在于能够同时实现光学快速轴向扫描和三维成像在焦深度信息提取。该发明将有助于3D建模、场景识别、光学成像等领域的发展。
附图说明
图1为本发明一实施例中的整套成像装置的结构示意图；
图中：1、CCD相机；2、电控变焦透镜；3、工作站。
图2为超像素方差索引方法提取图像在焦信息原理说明图；
图3为电控变焦透镜的驱动电流与场景深度关系图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例1
图1为本发明整套成像装置的结构示意图。该装置主要包括CCD相机1，电控变焦透镜2，工作站3。
具体实施时，由于相机镜头的景深距离非常小，在获取被测物的图像时，只有处于景深范围内的区域才能够在CCD相机上清晰成像，而景深以外的区域则聚焦模糊，不能清晰成像。由于这一光学特性，需要改变电控变焦透镜焦距，拍摄一组不同聚焦图像序列，使物体表面均处于景深范围内。
将成像目标(本实施例选用长度14.50cm的马克笔)置于旋转台上并固定，计算机控制CCD相机与电控变焦透镜同步，设置延时为50ms，驱动电流在0-150mA范围内以0.1mA的步长渐进增大，成像焦点由远向近渐进式轴向移动，CCD相机同步拍摄整支笔不同聚焦深度的图像序列。
获取图像序列后，需要将每张图像的聚焦清晰区域进行提取。使用超像素方差索引方法将图像分割为一系列超像素，对超像素范围内各元素求方差，给定一阈值。若超像素方差大于阈值，则认为该点为聚焦清晰区域；反之，则认为是离焦区域。基于此方法便可获取整个图像序列的在焦信息。图像在焦提取过程如图2所示，具体过程为：
首先将图像平均分为若干方块，多余部分也视为一个整体。如图2所示为一个图像的3×9像素灰度值区域，将其分割为3个方块，每个方块视为一个超像素区域，数字表示像素的灰度值。之后，对方块内各灰度值求方差，其中第一个方块内各像素方差为73.6，第二个方块内各像素方差为120.7，第三个方块内方差为0.2。最后，假定方差阈值为80，则大于该阈值的区域，即第二个方块范围为聚焦清晰区域，反之则为聚焦模糊区域。
提取图像在焦信息后，还需要获取对应深度信息。由于电控变焦透镜焦距受驱动电流控制，因此需要明确驱动电流与场景深度关系。设计实验方案以测得电控变焦透镜的驱动电流和电控变焦透镜的在焦深度关系。实验方案为：通过光学轴向快速扫描采集一系列在不同焦距下的卷尺的图像，从中选取不同在焦图像，记录下这些图像中卷尺在焦位置的刻度值和对应的图像驱动电流大小，通过几何关系求出场景深度值。结合所得实验数据，绘制CCD相机成像的驱动电流-场景深度关系，如图3所示。实验结果表明，驱动电流与所对应的深度存在线性的关系。
最后，从工作站获取图像序列所对应的驱动电流大小，通过图3中的驱动电流-场景深度关系，即可获得在焦区域和其所对应的深度信息，完成被测物体的在焦深度信息提取。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种基于光学快速轴向扫描的深度信息提取方法，其特征在于：所述方法通过由CCD相机(1)、电控变焦透镜(2)、工作站(3)构成的光学轴向扫描模块实现，包括以下步骤：
S1：CCD相机(1)置于透镜的焦面上，电控变焦透镜(2)置于透镜前方，待观测物体置于电控变焦透镜(2)变焦区域内；
S2：由工作站(3)计算机控制CCD相机(1)和电控变焦透镜(2)的同步，控制电控变焦透镜(2)的驱动电流，驱动电流每增大一步，工作站(3)计算机程序同步触发CCD相机(1)采集图像；
S3：输送给电控变焦透镜(2)的驱动电流在0-150mA范围内以固定的步长渐进增大，成像焦点在一定范围内渐进式轴向移动，CCD相机(1)同步获取不同聚焦深度的图片序列，通过超像素方差索引提取在焦信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学快速轴向扫描的深度信息提取方法，其特征在于：S2中的电控变焦透镜(2)为液体透镜，改变驱动电流可改变液体交界面的曲率，进而改变液体透镜的焦距。
3.根据权利要求1所述的一种基于光学快速轴向扫描的深度信息提取方法，其特征在于：S3中改变电控变焦透镜(2)的焦距，拍摄一组图像序列，聚焦距离就是物体表面的深度信息，只要对图像序列清晰区域进行提取，即可确定物体表面的位置信息。
4.根据权利要求3所述的一种基于光学快速轴向扫描的深度信息提取方法，其特征在于：S3中通过超像素方差索引处理提取在焦信息，将图像分割为一系列超像素，对超像素范围内各元素求方差，
给定一阈值；若超像素方差大于阈值，则认为该点为聚焦清晰区域；
反之，则认为是离焦区域。
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