CN109831609A - Tof深度相机及其自动对焦方法 - Google Patents
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Abstract
一种TOF深度相机及其自动对焦方法，其中所述自动对焦方法包括：获取视场图像；将所述视场图像中的对焦对象与背景图像分离，获得对焦对象图像；根据分离的对焦对象图像获取对焦对象的物距；利用焦距公式计算出与所述物距对应的初始对焦距离；驱动镜头移动到与所述初始对焦距离对应的初始位置处；驱动镜头在所述初始位置来回移动，同步检测对焦对象图像的清晰度；判断图像清晰度是否达到最大值；驱动镜头移动到与所述图像清晰度最大值对应的位置处。本发明的方法提高了TOF相机获得移动对象准确的深度信息或位置信息。
Description
技术领域
本发明涉及TOF技术领域，尤其涉及一种TOF深度相机及其自动对焦方法。
背景技术
TOF(Time-Of-Flight)技术起源较悠久，但是随着近些年来，智能技术以及虚拟现实技术的快速发展和应用，TOF技术以及TOF模组得到极大发展，成为当今成像技术领域的一个研究热点，具有很高的研究价值和广阔的应用前景。
基于TOF技术的相机是一种新型的、小型化三维成像设备，可同时捕捉动态目标的灰度图像和深度信息，因而轻易解决了机器视觉领域的传统难题，使用这些深度信息不但可以轻松的完成目标图像的分割、标记、识别、跟踪等传统应用，并且能在许多新兴领域发挥重要的作用。
采用TOF相机在拍摄的过程中，光源发出经过调制的近红外光，遇到物体后反射至一光感应单元，进一步，通过处理器计算发射光线和接收光线的时间差或相位差来计算人体的深度信息，并且通过接收的光线的感光作用来得到物体的成像，结合深度信息得到深度图像信息。
但是现有的TOF相机在拍摄移动对象时，成像效果会变差，从而不能获得移动对象准确的深度信息或位置信息。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是怎样提高TOF相机获得移动对象准确的深度信息或位置信息。
本发明提供了一种TOF深度相机的自动对焦方法，包括：
获取视场图像；
将所述视场图像中的对焦对象与背景图像分离，获得对焦对象图像；
根据分离的对焦对象图像获取对焦对象的物距；
利用焦距公式计算出与所述物距对应的初始对焦距离；
驱动镜头移动到与所述初始对焦距离对应的初始位置处；
驱动镜头在所述初始位置来回移动，同步检测对焦对象图像的清晰度；
判断图像清晰度是否达到最大值；
驱动镜头移动到与所述图像清晰度最大值对应的位置处。
可选的，利用TOF深度相机获取视场图像时的视场包括对焦区域及背景区域。
可选的，所述视场图像包括深度图像和灰度图像。
可选的，所述将对焦对象与背景图像分离包括将对焦对象的深度图像和灰度图像同时分离，获得对焦对象深度图像和对焦对象灰度图像，并分别保存，所述对焦对象深度图像和对焦对象灰度图像构成对焦对象图像。
可选的，所述物距的获得过程为：根据对焦对象深度图像，提取对焦对象的深度信息，深度信息包括若干深度值分布，然后寻找深度分布中同一深度值最多的点，用这个深度值作为物距。
可选的，所有的深度值都经过变换，转换到了垂直分量，在所有的垂直分量中寻找同一深度值最多的点，用这个深度值作为物距。
可选的，驱动镜头在所述初始位置来回移动的方式采用闭环循环移动的方法。
可选的，通过清晰度评价函数判断图像的清晰度，所述清晰度评价函数采用Laplace和Sobel联合算子对图像清晰度是否达到最大值进行判断。
本发明还提供了一种TOF深度相机，包括：
光源单元，用于产生和发射调制光，对视场进行照明；
光感应单元，用于接收反射光线，产生感应电荷；
镜头，用于将反射的光线聚焦在光感应单元；
处理单元，用于根据发射光和接收光的时间差或相位差来计算深度信息，并结合感应电荷得到的成像，获得视场图像；
分离单元，用于将所述视场图像中的对焦对象与背景图像分离，获得对焦对象图像；
物距获取单元，用于根据分离的对焦对象图像获取对焦对象的物距；
焦距获取单元，用于利用焦距公式计算出与所述物距对应的初始对焦距离；
图像清晰度比较单元，用于在镜头在所述初始位置来回移动，同步检测对焦对象图像的清晰度，并判断图像清晰度是否达到最大值；
控制单元，用于驱动所述镜头在所述初始位置来回移动，并且驱动镜头移动到与所述图像清晰度最大值对应的位置处。
可选的，所述处理单元获取视场图像时的视场包括对焦区域及背景区域。
可选的，所述视场图像包括深度图像和灰度图像。
可选的，所述分离单元将对焦对象与背景图像分离包括将对焦对象的深度图像和灰度图像同时分离，获得对焦对象深度图像和对焦对象灰度图像，并分别保存，所述对焦对象深度图像和对焦对象灰度图像构成对焦对象图像。
可选的，所述物距获取单元根据对焦对象深度图像，提取对焦对象的深度信息，深度信息包括若干深度值分布，然后寻找深度分布中同一深度值最多的点，用这个深度值作为物距。
可选的，所有的深度值都经过变换，转换到了垂直分量，在所有的垂直分量中寻找同一深度值最多的点，用这个深度值作为物距。
可选的，所述控制单元驱动镜头在所述初始位置来回移动的方式采用闭环循环移动的方法。
可选的，所述图像清晰度比较单元通过清晰度评价函数判断图像的清晰度，所述清晰度评价函数采用Laplace和Sobel联合算子对图像清晰度是否达到最大值进行判断。
与现有技术相比，本发明技术方案具有以下优点：
本发明的TOF深度相机的自动对焦方法，包括：获取视场图像；将所述视场图像中的对焦对象与背景图像分离，获得对焦对象图像；根据分离的对焦对象图像获取对焦对象的物距；利用焦距公式计算出与所述物距对应的初始对焦距离；驱动镜头移动到与所述初始对焦距离对应的初始位置处；驱动镜头在所述初始位置来回移动，同步检测对焦对象图像的清晰度；判断图像清晰度是否达到最大值；驱动镜头移动到与所述图像清晰度最大值对应的位置处。本发明通过前述过程TOF深度相机可以实时在拍摄过程中进行自动对焦，当采用TOF相机对视场中移动对象进行拍照或拍摄，可以获得清晰的深度图像，提高了移动对象深度信息的精确度和位置的精确度。
进一步，通过一个TOF相机获得的视场图像能同时包括深度图像和灰度图像，使得***的结构较为简单，并且后续的对焦对象图像容易分离(包括分离得到对焦对象深度图像和对焦对象灰度图像，)，计算量小，对焦对象深度图像和对焦对象灰度图像精度高，提高了自动对焦时的效率和精度。
进一步，所述将对焦对象与背景图像分离包括将对焦对象的深度图像和灰度图像同时分离，获得对焦对象深度图像和对焦对象灰度图像，并分别保存，所述对焦对象深度图像用于后续确定对焦对象的物距，所述对焦对象灰度图形可以用于图像清晰度的检测，便于后续快速和精确获得图像清晰度最佳或最好对应的镜头位置。
附图说明
图1为TOF深度相机的自动对焦过程的流程示意图；
图2为本发明实施例TOF深度相机的结构示意图。
具体实施方式
如背景技术所言，现有的TOF深度相机在拍摄移动对象时，成像效果会变差，从而不能获得移动对象准确的深度信息或位置信息。
研究发现，现有的TOF深度相机在进行拍摄移动对象时，因焦距固定使光感应单元(Sensor)脱离像平面而导致的显示效果变差，或者因温升效应引起的镜头光学特性改变而导致成像效果会变差，从而不能获得移动对象准确的深度信息或位置信息。
为此，本发明提供了一种TOF深度相机以及自动对焦方法，其中所述自动对焦方法包括：获取视场图像；将所述视场图像中的对焦对象与背景图像分离，获得对焦对象图像；根据分离的对焦对象图像获取对焦对象的物距；利用焦距公式计算出与所述物距对应的初始对焦距离；驱动镜头移动到与所述初始对焦距离对应的初始位置处；驱动镜头在所述初始位置来回移动，同步检测对焦对象图像的清晰度；判断图像清晰度是否达到最大值；驱动镜头移动到与所述图像清晰度最大值对应的位置处。本发明通过前述过程TOF深度相机可以实时在拍摄过程中进行自动对焦，当采用TOF相机对视场中移动对象进行拍照或拍摄，可以获得清晰的深度图像，提高了移动对象深度信息的精确度和位置的精确度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在详述本发明实施例时，为便于说明，示意图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明的保护范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
图1为本发明实施例TOF深度相机的自动对焦过程的流程示意图；图2为本发明实施例TOF深度相机的结构示意图。
参考图1，TOF深度相机的自动对焦方法，包括步骤：
步骤S101，获取视场图像；
步骤S102，将所述视场图像中的对焦对象与背景图像分离，获得对焦对象图像；
步骤S103，根据分离的对焦对象图像获取对焦对象的物距；
步骤S104，利用焦距公式计算出与所述物距对应的初始对焦距离；
步骤S105，驱动镜头移动到与所述初始对焦距离对应的初始位置处；
步骤S106，驱动镜头在所述初始位置来回移动，同步检测对焦对象图像的清晰度；
步骤S107，判断图像清晰度是否达到最大值；
步骤S108，驱动镜头移动到与所述图像清晰度最大值对应的位置处。
下面对前述过程进行详细的描述。
参考图1，进行步骤S101，获取视场图像。
本实施例中，利用TOF深度相机获取视场中的图像，所述视场包括对焦区域及背景区域，对焦区域中具有对焦对象，背景区域具有与对焦对象对应的背景，采用TOF深度相机进行拍摄时，对焦区域中的对焦对象和背景区域中的背景均成像在TOF深度相机中。
通过TOF深度相机获得的视场图像包括深度图像和灰度图像。深度图像包括深度信息，深度图像的每个像素点的灰度值可用于表征场景中某一点距离TOF深度相机的远近。灰度图像包括灰度信息。。本申请中通过一个TOF相机获得的视场图像能同时包括深度图像和灰度图像，使得***的结构较为简单，并且后续的对焦对象图像容易分离(包括分离得到对焦对象深度图像和对焦对象灰度图像)，计算量小，对焦对象深度图像和对焦对象灰度图像精度高，提高了自动对焦时的效率和精度。
本实施例中，请参考图2，所述TOF深度相机包括：光源单元201，光感应单元202，处理单元204，镜头203，分离单元206，物距获取单元207，焦距获取单元208，图像清晰度比较单元209，控制单元205。所述光源单元201用于产生和发射调制光，对视场进行照明；所述镜头203用于将反射的光线聚焦在光感应单元202，所述光感应单元202用于接收反射光线，产生感应电荷；所述处理单元204用于获得视场图像；所述分离单元206用于将所述视场图像中的对焦对象与背景图像分离，获得对焦对象图像；所述物距获取单元207用于根据分离的对焦对象图像获取对焦对象的物距；所述焦距获取单元208用于利用焦距公式计算出与所述物距对应的初始对焦距离；所述图像清晰度比较单元209用于检测图像清晰度，并判断图像清晰度是否达到最大值；所述控制单元205用于驱动所述镜头在所述初始位置来回移动，并且驱动镜头移动到与所述图像清晰度最大值对应的位置处。
所述调制光为红外光，在具体的实施例中所述调制光可以为激光，在一实施例中，所述光源单元201产生的调制光为100～150MHz的脉冲光。在一实施例中，所述光源单元201包括光源和与光源连接的驱动电路，所述光源用于产生光线，所述光源包括发光二级管或者垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)。所述驱动电路用于驱动所述光源工作，产生调制光。所述驱动电路可以驱动所述光源产生和发射恒定功率或不同功率的调制光。
所述调制光的调制方式分为脉冲光调制和连续波调制两种。其中脉冲光调制时通过直接测量光的飞行时间来获得距离信息。连续波调制时是以入射光信号与参考信号为计算对象，通过采样和卷积等方法，得到连续调制波信号的位移，进而获取相机到目标的距离。
所述光感应单元202用于感应反射光线，产生感应电荷，所述光感应单元202通常包括像素矩阵阵列。所述处理单元204与光源单元201和光感应单元202连接，所述处理单元204根据发射光和接收光的时间差或相位差来计算深度信息，并结合感应电荷得到的成像，获得视场图像。所述视场图像包括深度图像和灰度图像。
在一实施例中，所述光源单元201发出的调制光被目标对象反射后被光感应单元202捕获或感应，所述处理单元204根据调制光由发出到捕获的这段时间或者相位差来计算目标对象与TOF相机的距离，获得目标对象的深度信息，所述处理单元204在获得目标对象深度信息的同时，还根据感应电荷获得目标对象的灰度信息。
所述镜头203用于将反射的光线聚焦在光感应单元202。所述镜头203还用于过滤掉与光源单元201发射的调制光频率和波长不同的光。
所述TOF深度相机包括控制单元205，所述控制单元205驱动所述镜头203移动。具体的，当所述物距获取单元207根据分离的对焦对象图像获取对焦对象的物距，所述焦距获取单元207利用焦距公式计算出与所述物距对应的初始对焦距离后，所述控制单元205驱动镜头移动到与所述初始对焦距离对应的初始位置处；所述控制单元205还可以驱动镜头在所述初始位置来回移动，在一实施例中，所述控制单元205驱动镜头在所述初始位置来回移动的方式采用闭环循环移动的方法；当图像清晰度比较单元209判断图像清晰度是否达到最大值，所述控制单元205还可以驱动镜头移动到与所述图像清晰度最大值对应的位置处
所述分离单元206用于将所述视场图像中的对焦对象与背景图像分离，获得对焦对象图像。所述分离单元206将对焦对象与背景图像分离包括将对焦对象的深度图像和灰度图像同时分离，获得对焦对象深度图像和对焦对象灰度图像，并分别保存，所述对焦对象深度图像和对焦对象灰度图像构成对焦对象图像。
所述物距获取单元207根据分离的对焦对象图像获取对焦对象的物距。在一实施例中，所述物距获取单元207根据对焦对象深度图像，提取对焦对象的深度信息，深度信息包括若干深度值分布，然后寻找深度分布中同一深度值最多的点，用这个深度值作为物距。所有的深度值都经过变换，转换到了垂直分量，在所有的垂直分量中寻找同一深度值最多的点，用这个深度值作为物距。
所述焦距获取单元208利用焦距公式计算出与所述物距对应的初始对焦距离。
所述图像清晰度比较单元209检测图像清晰度，并判断图像清晰度是否达到最大值。在一实施例中，所述图像清晰度比较单元209通过清晰度评价函数判断图像的清晰度，所述清晰度评价函数采用Laplace和Sobel联合算子对图像清晰度是否达到最大值进行判断。
继续参考图1，进行步骤S102，将所述视场图像中的对焦对象与背景图像分离，获得对焦对象图像。
本实施例中，所述对焦对象为需要拍摄的目标图像，背景图像相应的为拍摄对焦图形时对应的背景图像。
将视场图像中的对焦对象和背景图像分离可以采用现有的图像分离方法。
在一实施例中，所述将对焦对象与背景图像分离包括将对焦对象的深度图像和灰度图像同时分离，获得对焦对象深度图像和对焦对象灰度图像，并分别保存，所述对焦对象深度图像和对焦对象灰度图像构成对焦对象图像。所述对焦对象深度图像包括对焦对象的深度信息，所述对焦对象灰度图像包括对焦对象的灰度信息。
所述对焦对象深度图像用于后续确定对焦对象的物距，所述对焦对象灰度图形可以用于图像清晰度的检测，便于后续快速和精确获得图像清晰度最佳或最好对应的镜头位置。
进行步骤S103，根据分离的对焦对象图像获取对焦对象的物距。
在一实施例中，所述物距的获得过程为：根据对焦对象深度图像，提取对焦对象的深度信息，深度信息包括若干深度值分布，然后寻找深度分布中同一深度值最多的点，用这个深度值作为物距。
在一实施例中，所有的深度值都经过变换，转换到了垂直分量，在所有的垂直分量中寻找同一深度值最多的点，用这个深度值作为物距，使和镜头平行的平面上所有的点到镜头的距离相等。
进行步骤S104，利用焦距公式计算出与所述物距对应的初始对焦距离。
根据获得的对焦对象的物距，利用焦距公式计算可以得到与所述物距对应的初始对焦距离。
在一实施例中，所述焦距公式为：1/u+1/v＝1/f，其中u为物距，v为像距，f为透镜焦距。
本申请中通过前述获得物距和初始对焦距离的方式简单方便，计算简单，有利于提高TOF深度相机自动对焦时的效率和精度。
进行步骤S105，驱动镜头移动到与所述初始对焦距离对应的初始位置处。
获得初始对焦距离后，驱动镜头移动到与所述初始对焦距离对应的初始位置处。
在一实施例中，驱动所述镜头通过控制单元进行，所述控制单元包括音圈马达。驱动镜头移动到与所述初始对焦距离对应的初始位置处的方式包括：可以设定镜头未调焦前的位置距离光心距离为m，初始对焦距离为由焦距公式得到的像距V，移动距离即为V-m。
进行步骤S106，驱动镜头在所述初始位置来回移动，同步检测对焦对象图像的清晰度。
在镜头到达对应的初始位置后，驱动镜头在所述初始位置来回移动，同步检测对焦对象图像的清晰度，其目的是：通过清晰度的检测能够获知镜头在移动到哪一个位置时，获得图像清晰度最佳或最好，并且本申请中是先将镜头移动到初始位置，然后在进行来回移动，由于镜头已预先移动到与图像清晰度最佳或最好对应位置相近的位置，只需对镜头进行微小的来回移动，即能够获得图像清晰度最佳或最好对应的镜头位置，因而镜头移动的来回距离可以很小，提高了自动对焦时的效率。
在一实施例中，驱动镜头在所述初始位置来回移动的方式采用闭环循环移动的方法。
进行步骤S107，判断图像清晰度是否达到最大值。
本实施例中，通过清晰度评价函数来判断图像的清晰度。在一实施例中，所述清晰度评价函数采用Laplace和Sobel联合算子对图像清晰度是否达到最大值进行判断。
进行步骤S108，驱动镜头移动到与所述图像清晰度最大值对应的位置处。
驱动镜头移动到与所述图像清晰度最大值对应的位置处与驱动镜头移动到与所述初始对焦距离对应的初始位置处的方式类似。
本发明通过前述过程(或各步骤)TOF深度相机可以实时在拍摄过程中进行自动对焦，当采用TOF相机对视场中移动对象进行拍照或拍摄，可以获得清晰的深度图像，提高了移动对象深度信息的精确度和位置的精确度。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (16)
1.一种TOF深度相机的自动对焦方法，其特征在于，包括：
获取视场图像；
将所述视场图像中的对焦对象与背景图像分离，获得对焦对象图像；
根据分离的对焦对象图像获取对焦对象的物距；
利用焦距公式计算出与所述物距对应的初始对焦距离；
驱动镜头移动到与所述初始对焦距离对应的初始位置处；
驱动镜头在所述初始位置来回移动，同步检测对焦对象图像的清晰度；
判断图像清晰度是否达到最大值；
驱动镜头移动到与所述图像清晰度最大值对应的位置处。
2.如权利要求1所述的TOF深度相机的自动对焦方法，其特征在于，其特征在于，利用TOF深度相机获取视场图像时的视场包括对焦区域及背景区域。
3.如权利要求1所述的TOF深度相机的自动对焦方法，其特征在于，根据发射光和接收光的时间差或相位差来计算深度信息，并结合感应电荷得到的成像，获得视场图像，所述视场图像包括深度图像和灰度图像。
4.如权利要求3所述的TOF深度相机的自动对焦方法，其特征在于，所述将对焦对象与背景图像分离包括将对焦对象的深度图像和灰度图像同时分离，获得对焦对象深度图像和对焦对象灰度图像，并分别保存，所述对焦对象深度图像和对焦对象灰度图像构成对焦对象图像。
5.如权利要求4所述的TOF深度相机的自动对焦方法，其特征在于，所述物距的获得过程为：根据对焦对象深度图像，提取对焦对象的深度信息，深度信息包括若干深度值分布，然后寻找深度分布中同一深度值最多的点，用这个深度值作为物距。
6.如权利要求5所述的TOF深度相机的自动对焦方法，其特征在于，所有的深度值都经过变换，转换到了垂直分量，在所有的垂直分量中寻找同一深度值最多的点，用这个深度值作为物距。
7.如权利要求1所述的TOF深度相机的自动对焦方法，其特征在于，驱动镜头在所述初始位置来回移动的方式采用闭环循环移动的方法。
8.如权利要求1所述的TOF深度相机的自动对焦方法，其特征在于，通过清晰度评价函数判断图像的清晰度，所述清晰度评价函数采用Laplace和Sobel联合算子对图像清晰度是否达到最大值进行判断。
9.一种TOF深度相机，其特征在于，包括：
光源单元，用于产生和发射调制光，对视场进行照明；
光感应单元，用于接收反射光线，产生感应电荷；
镜头，用于将反射的光线聚焦在光感应单元；
处理单元，用于获得视场图像；
分离单元，用于将所述视场图像中的对焦对象与背景图像分离，获得对焦对象图像；
物距获取单元，用于根据分离的对焦对象图像获取对焦对象的物距；
焦距获取单元，用于利用焦距公式计算出与所述物距对应的初始对焦距离；
图像清晰度比较单元，用于在镜头在所述初始位置来回移动，同步检测对焦对象图像的清晰度，并判断图像清晰度是否达到最大值；
控制单元，用于驱动所述镜头在所述初始位置来回移动，并且驱动镜头移动到与所述图像清晰度最大值对应的位置处。
10.如权利要求9所述的TOF深度相机，其特征在于，其特征在于，所述处理单元获取视场图像时的视场包括对焦区域及背景区域。
11.如权利要求10所述的TOF深度相机，其特征在于，所述处理单元根据发射光和接收光的时间差或相位差来计算深度信息，并结合感应电荷得到的成像，获得视场图像，所述视场图像包括深度图像和灰度图像。
12.如权利要求11所述的TOF深度相机，其特征在于，所述分离单元将对焦对象与背景图像分离包括将对焦对象的深度图像和灰度图像同时分离，获得对焦对象深度图像和对焦对象灰度图像，并分别保存，所述对焦对象深度图像和对焦对象灰度图像构成对焦对象图像。
13.如权利要求12所述的TOF深度相机，其特征在于，所述物距获取单元根据对焦对象深度图像，提取对焦对象的深度信息，深度信息包括若干深度值分布，然后寻找深度分布中同一深度值最多的点，用这个深度值作为物距。
14.如权利要求13所述的TOF深度相机，其特征在于，所有的深度值都经过变换，转换到了垂直分量，在所有的垂直分量中寻找同一深度值最多的点，用这个深度值作为物距。
15.如权利要求9所述的TOF深度相机，其特征在于，所述控制单元驱动镜头在所述初始位置来回移动的方式采用闭环循环移动的方法。
16.如权利要求9所述的TOF深度相机，其特征在于，所述图像清晰度比较单元通过清晰度评价函数判断图像的清晰度，所述清晰度评价函数采用Laplace和Sobel联合算子对图像清晰度是否达到最大值进行判断。
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