CN106094162B - 一种对焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种对焦方法：以机械臂在Z轴的移动范围来确定成像装置和目标物体之间的间距，成像装置和目标物体之间具有最大间距时机械臂在Z轴上的第一坐标值为Zb，成像装置和目标物体之间具有最小间距时机械臂在Z轴上的第二坐标值为Za；移动机械臂到Zb和Za之间的中心坐标Zn，使得成像装置对目标物体进行图像采集获取图像，得到图像的锐度值A；分别移动机械臂到Zn‑Y和Zn+Y，使得成像装置分别对目标物体进行图像采集获取图像，并得到图像的锐度值B和锐度值C；确定A是否大于B，且大于C，如果是，则确定机械臂所在Zn位置时成像装置相对于目标物体处于最佳拍摄位置。能够在成像装置光圈和焦距固定的情况下进行自动对焦。

Description

一种对焦方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种对焦方法。

背景技术

随着工业4.0的推广和发展，使智慧工厂成为了制造厂商的发展方向。自动化生产如果能做到柔性化，那生产效率会大大提高，生产成本也会大大降低。

用视觉来扫码，定位，识别等作为自动化生产的重要一环已经是很普遍了，而视觉要做到快速，精准的话，所拍摄影像的质量至关重要。所拍影像的质量，跟工业相机的分辨率，视场，曝光时间，镜头的光圈，焦距以及光源的选择有很大的关系。在选定相机和光源，并设好相应的参数后，针对所拍物体我们需要手动去调节镜头的光圈和对焦环。那造成在产线生产的产品变化时，在抓取产品的装置或相机高度有变化时，在没有电脑和显示器观察所拍影像质量时，手动调节镜头的光圈和对焦环显然很难快速达到我们对影像清晰度的调整。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种对焦方法，能够在成像装置光圈和焦距固定的情况下进行自动对焦，以使拍摄的图像清晰。

本发明实施例提供了一种对焦方法，该方法包括：

步骤1、以机械臂在Z轴的移动范围来确定成像装置和目标物体之间的间距，成像装置和目标物体之间具有最大间距时机械臂在Z轴上的第一坐标值为Zb，成像装置和目标物体之间具有最小间距时机械臂在Z轴上的第二坐标值为Za；

步骤2、移动机械臂到第一坐标值Zb和第二坐标值Za之间的中心坐标Zn，使得成像装置对目标物体进行图像采集获取图像，得到图像的第一锐度值；

步骤3、分别移动机械臂到第一偏移坐标Zn-1＝Zn-Y和第二偏移坐标Zn+1＝Zn+Y，使得成像装置分别对目标物体进行图像采集获取图像，并分别得到图像的第二锐度值和第三锐度值；

步骤4、确定第一锐度值是否大于第二锐度值，且大于第三锐度值，如果是，则确定机械臂所在Zn位置时成像装置相对于目标物体处于最佳拍摄位置。

如果第一锐度值大于第二锐度值，但小于第三锐度值，则，将第二坐标值Za重新赋值为第一偏移坐标Zn-1＝Zn-Y，第一坐标值Zb的值不变，返回执行步骤2至步骤4，直至第一锐度值大于第二锐度值，且大于第三锐度值。

如果第一锐度值大于第三锐度值，但小于第二锐度值，则将第一坐标值Zb重新赋值为第二偏移坐标Zn+1＝Zn+Y，第二坐标值Za的值不变，返回执行步骤2至步骤4，直至第一锐度值大于第二锐度值，且大于第三锐度值。

优选地，根据点锐度公式得到图像中每个像素点的锐度值，将图像中每个像素点的锐度值求平均，得到图像的锐度值；

其中，Gx表示当前像素点x的灰度；G(m)表示像素点x周边8个邻域像素中第m点的灰度；表示像素点x的8个邻域像素与该像素点x灰度之差的绝对值，并且将每个差值的绝对值进行距离加权，像素点m距离x近则权大，像素点m距离x远则权小；D(m)为整数。

进一步地，所述机械臂在Z轴的移动范围根据机械臂的固有设计确定。

本发明的有益效果在于，不需要手动去调节镜头的光圈和对焦环，只需要调节机械臂Z轴上的位置，获取图像在成像装置和目标物体之间具有不同间距时的锐度值，通过锐度值的比较，自动对焦，得到成像装置拍摄物体的最佳位置。

附图说明

图1为本发明实施例对焦方法的流程示意图。

图2为本发明实施例机械臂在Z轴上的坐标与成像装置所拍摄图像锐度值的关系示意图。

图3为本发明实施例锐度计算加权矩阵示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明所述方案作进一步地详细说明。

本发明通过在Z轴方向移动机械臂，使得成像装置相对于目标物体在Z轴方向移动，在成像装置与目标物体之间具有不同间距的情况下，获取图像，并计算图像的锐度值，通过图像各个锐度值的比较，得到成像装置的最佳拍摄位置。这里，介绍一下机械臂与成像装置和目标物体之间的位置关系。机械臂分为上视觉和下视觉两种角度。上视觉具体为成像装置位于机械臂上，成像装置的镜头朝下，目标物体固定于工作机台上，镜头的正下方，通过移动机械臂，调整成像装置的镜头与目标物体之间的距离。下视觉具体为成像装置固定在工作机台上，成像装置的镜头朝上，机械臂抓取目标物体，使得目标物***于镜头的正上方，通过移动机械臂，调整目标物体与成像装置的镜头之间的距离。总之，无论是上视觉还是下视觉，在Z轴方向移动机械臂，调整的都是在Z轴方向成像装置与目标物体之间的距离。

本发明提供的一种对焦方法的流程示意图如图1所示，该方法包括：

步骤1、以机械臂在Z轴的移动范围来确定成像装置和目标物体之间的间距，成像装置和目标物体之间具有最大间距时机械臂在Z轴上的第一坐标值为Zb，成像装置和目标物体之间具有最小间距时机械臂在Z轴上的第二坐标值为Za；

步骤2、移动机械臂到第一坐标值Zb和第二坐标值Za之间的中心坐标Zn，使得成像装置对目标物体进行图像采集获取图像，得到图像的锐度值A；

其中，锐度就是画面边缘清晰还是模糊，锐度越高，边缘越清晰，画面主体和背景的边界越明显。也就是说，锐度越高，图像越清晰。

步骤3、分别移动机械臂到Zn-1＝Zn-Y和Zn+1＝Zn+Y，使得成像装置分别对目标物体进行图像采集获取图像，并分别得到图像的锐度值B和锐度值C；

步骤4、确定锐度值A是否大于锐度值B，且大于锐度值C，如果是，则确定机械臂所在Zn位置时成像装置相对于目标物体处于最佳拍摄位置。

如果锐度值A大于锐度值B，但小于锐度值C，则，将第二坐标值Za重新赋值为Zn-1＝Zn-Y，第一坐标值Zb的值不变，返回执行步骤2至步骤4，直至锐度值A大于锐度值B，且大于锐度值C。

如果锐度值A大于锐度值C，但小于锐度值B，则将第一坐标值Zb重新赋值为Zn+1＝Zn+Y，第二坐标值Za的值不变，返回执行步骤2至步骤4，直至锐度值A大于锐度值B，且大于锐度值C。

其中，得到图像的锐度值的方法包括：根据点锐度公式 得到图像中每个像素点的锐度值，将图像中每个像素点的锐度值求平均，得到图像的锐度值；

其中，Gx表示当前像素点x的灰度；G(m)表示像素点x周边8个邻域像素中第m点的灰度；表示像素点x的8个邻域像素与该像素点x灰度之差的绝对值，并且将每个差值的绝对值进行距离加权，像素点m距离x近则权大，像素点m距离x远则权小；D(m)为整数。

至此，完成本发明中通过在Z轴方向移动机械臂实现自动对焦的方案。

为清楚说明本发明，下面列举具体场景进行说明。

实施例一

1)机械臂在Z轴方向的移动范围是根据机械臂的固有设计来确定的，也就是说，机械臂上下移动有两个端点，机械臂向上最多可以移动到Zb，此时，成像装置和目标物体具有最大间距，机械臂向下最多可以移动到Za，此时，成像装置和目标物体具有最小间距。机械臂的初始可移动范围为[Za，Zb]。

假设本发明实施例中Za＝50cm，Zb＝150cm。

2)移动机械臂到第一坐标值Zb和第二坐标值Za之间的中心位置Zn，

Zn＝(Zb+Za)/2＝(50+150)/2＝100cm，

此时，成像装置对目标物体进行拍摄，获取图像，然后根据获取的图像计算得到图像的锐度值A。

如果f(z)表示机械臂在Z轴上的坐标值为z时，所拍摄图像的锐度值，则f(Zn)＝A，Zn＝100cm。

3)由于要找成像装置的最佳拍摄位置，成像装置在该最佳拍摄位置上，拍摄图像，得到的锐度值应该是最大的，因此，要从Zn＝100cm的位置上，上下移动机械臂相同的距离Y，即机械臂在Z轴上的坐标分别为Zn-1＝Zn-Y和Zn+1＝Zn+Y，根据f(Zn-1)的值，f(Zn+1)的值以及f(Zn)的值来判断f(Zn)是否是最大，如果是，则确定机械臂所在Zn位置时成像装置相对于目标物体处于最佳拍摄位置。否则，需要继续调整，重新定义机械臂上下可移动的范围，即，将Za或者Zb重新赋值，进一步缩小机械臂上下可移动的范围，重复步骤2)至步骤3)，直至寻找到成像装置的最佳拍摄位置。

其中，Y值一般为在中心坐标附近浮动的微小值，可以是毫米级，本发明实施例中假设Y＝5cm。

移动机械臂到Zn-1＝Zn-Y＝95cm，此时，成像装置对目标物体进行拍摄，获取图像，然后根据获取的图像计算得到图像的锐度值B；

移动机械臂到Zn+1＝Zn+Y＝105cm，此时，成像装置对目标物体进行拍摄，获取图像，然后根据获取的图像计算得到图像的锐度值C。

第一种情况，假设机械臂在Z轴上的坐标与成像装置所拍摄图像锐度值的关系示意图，如图2所示。图2中，f(Zn)＝A最大，大于f(Zn-1)＝B，且大于f(Zn+1)＝C。因此可以确定机械臂所在Zn＝100cm的位置，是成像装置相对于目标物体处于最佳的拍摄位置。

第二种情况，

4)假设锐度值B<A<C，则，将Za重新赋值为Za＝Zn-1＝Zn-Z＝95cm，Zb的值不变，仍然为Zb＝150cm。

5)移动机械臂到Zb＝150cm和Za＝95cm之间的中心位置Zn，

Zn＝(Zb+Za)/2＝(150+95)/2＝122.5cm，

此时，成像装置对目标物体进行拍摄，获取图像，然后根据获取的图像计算得到图像的锐度值A’。即，f(Zn)＝A’，Zn＝122.5cm。

6)移动机械臂到Zn-1＝Zn-Y＝122.5-5＝117.5cm，此时，成像装置对目标物体进行拍摄，获取图像，然后根据获取的图像计算得到图像的锐度值B’；

移动机械臂到Zn+1＝Zn+Y＝122.5+5＝127.5cm，此时，成像装置对目标物体进行拍摄，获取图像，然后根据获取的图像计算得到图像的锐度值C’。

此时，根据f(Zn-1)＝B’的值，f(Zn+1)＝C’的值以及f(Zn)＝A’的值来判断f(Zn)＝A’是否是最大，如果是，则确定机械臂所在Zn＝122.5cm位置时成像装置相对于目标物体处于最佳拍摄位置。否则，需要继续调整，重新定义机械臂上下可移动的范围，即，将Za或者Zb重新赋值，进一步缩小机械臂上下可移动的范围，重复步骤2)至步骤3)，直至寻找到成像装置的最佳拍摄位置。

第三种情况，

4’)假设锐度值B>A>C，则，将Zb重新赋值为Zb＝Zn+1＝Zn+Y＝105cm，Za的值不变，仍然为Za＝50cm。

5’)移动机械臂到Zb＝105cm和Za＝50cm之间的中心位置Zn，

Zn＝(Zb+Za)/2＝(105+50)/2＝77.5cm，

此时，成像装置对目标物体进行拍摄，获取图像，然后根据获取的图像计算得到图像的锐度值A”。即，f(Zn)＝A”，Zn＝77.5cm。

6’)移动机械臂到Zn-1＝Zn-Y＝77.5-5＝72.5cm，此时，成像装置对目标物体进行拍摄，获取图像，然后根据获取的图像计算得到图像的锐度值B”；

移动机械臂到Zn+1＝Zn+Y＝77.5+5＝82.5cm，此时，成像装置对目标物体进行拍摄，获取图像，然后根据获取的图像计算得到图像的锐度值C”。

此时，根据f(Zn-1)＝B”的值，f(Zn+1)＝C”的值以及f(Zn)＝A”的值来判断f(Zn)＝A”是否是最大，如果是，则确定机械臂所在Zn＝77.5cm位置时成像装置相对于目标物体处于最佳拍摄位置。否则，需要继续调整，重新定义机械臂上下可移动的范围，即，将Za或者Zb重新赋值，进一步缩小机械臂上下可移动的范围，重复步骤2)至步骤3)，直至寻找到成像装置的最佳拍摄位置。

综上所述，本发明实施例寻找成像装置最佳拍摄位置的过程，就是不断缩小机械臂在Z轴方向的移动范围，在移动范围内的中心坐标附近寻找图像的最大锐度值，如果机械臂处于移动范围内的中心坐标时，图像的锐度值最大，则确定机械臂所在位置就是成像装置相对于目标物体处于最佳拍摄位置。

实施例二

本发明实施例中对于图像的锐度计算，是通过点锐度加权矩阵的方法得到，具体为：

1)根据成像装置获取的图像，对图像进行点锐度计算，根据点锐度公式得到图像中每个像素点的锐度值；

2)将图像中每个像素点的锐度值求平均，即，将图像中每个像素点的锐度值相加，再除以图像中像素点的个数，得到图像的锐度值得到图像的锐度值。

实施例一中的各个锐度值都是通过上述方法得到。

锐度计算加权矩阵如图3所示。对于像素点x的8个邻域像素中，水平和竖直方向的像素点离像素点x近，取权重D(m)为3；45度和135度方向的像素点离像素点远，取权重D(m)为2。需要注意的是，本发明中D(m)为整数，像素点m距离x近则权大，像素点m距离x远则权小。

本发明锐度值计算方法，测算速度快，并且计算精度更高。

综上，本发明的有益效果是，

一、本发明的对焦方法，只在需要的时候，比如产线生产产品的更换或机械臂等移动操作平台由于长时间运行或操作失误造成撞击后使拍出的影像不清晰等情况下进行。

二、不需要手动调节镜头的光圈和对焦环，就可以实现自动对焦，以使拍摄的图像清晰。

三、自动对焦的过程由于采用了锐度计算加权距阵，且权值都相应的取成整数，使计算速度更快。

四、机械臂初始可移动范围是根据机械臂等可移动操作装置的固有设计来确定的，这使得初始可移动范围不会跨度很大，所以可以使寻找拍摄影像最佳位置的过程更快速和更准确。

五、本发明方法对于产线换产品可以做到无缝连接，真正做到柔性生产。

六、本发明方法不需要专门为获取最佳影像增加电脑和显示器，降低了成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (3)

1.一种对焦方法，该方法包括：

步骤1、以机械臂在Z轴的移动范围来确定成像装置和目标物体之间的间距，成像装置和目标物体之间具有最大间距时机械臂在Z轴上的第一坐标值为Zb，成像装置和目标物体之间具有最小间距时机械臂在Z轴上的第二坐标值为Za；

步骤2、移动机械臂到第一坐标值Zb和第二坐标值Za之间的中心坐标Zn，使得成像装置对目标物体进行图像采集获取图像，得到图像的第一锐度值；

步骤3、分别移动机械臂到第一偏移坐标Zn-1＝Zn-Y和第二偏移坐标Zn+1＝Zn+Y，使得成像装置分别对目标物体进行图像采集获取图像，并分别得到图像的第二锐度值和第三锐度值；Y值为在中心坐标附近浮动的微小值；

步骤4、确定第一锐度值是否大于第二锐度值，且大于第三锐度值，如果是，则确定机械臂所在Zn位置时成像装置相对于目标物体处于最佳拍摄位置；

如果第一锐度值大于第二锐度值，但小于第三锐度值，则，将第二坐标值Za重新赋值为第一偏移坐标Zn-1＝Zn-Y，第一坐标值Zb的值不变，返回执行步骤2至步骤4，直至第一锐度值大于第二锐度值，且大于第三锐度值；

如果第一锐度值大于第三锐度值，但小于第二锐度值，则将第一坐标值Zb重新赋值为第二偏移坐标Zn+1＝Zn+Y，第二坐标值Za的值不变，返回执行步骤2至步骤4，直至第一锐度值大于第二锐度值，且大于第三锐度值。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据点锐度公式 得到图像中每个像素点的锐度值，将图像中每个像素点的锐度值求平均，得到图像的锐度值；

其中，Gx表示当前像素点x的灰度；G(m)表示像素点x周边8个邻域像素中第m点的灰度；表示像素点x的8个邻域像素与该像素点x灰度之差的绝对值，并且将每个差值的绝对值进行距离加权，像素点m距离x近则权大，像素点m距离x远则权小；D(m)为整数。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机械臂在Z轴的移动范围根据机械臂的固有设计确定。