CN111510631A - 一种快速自动调焦方法和调焦装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速自动调焦装置,包括光圈步进电机、焦距步进电机、电机驱动模块、图形处理单元、定位单元、通信装置、图像识别单元、电源模块、显示模块、数据处理单元;所述的光圈步进电机、焦距步进电机分别与所述的电机驱动模块连接;所述的电机驱动器、图形处理单元、定位单元、通信装置、图像识别单元、电源模块分别与所述的数据处理单元连接。通过本发明,可以实现各种场景下光圈值、焦距值动态设置保证良好的成像效果。

Description

一种快速自动调焦方法和调焦装置
技术领域
本发明涉及便携式铁路检测设备领域,具体是一种快速自动调焦方法和调焦装置。
背景技术
随着我国铁路大提速、高速铁路及客运专线的发展, 接触网在电气化铁路中占有十分重要的地位。提高接触网的运行可靠性成为铁路安全运输的重要环节。
接触网安全巡检装置指为完成指定区段的接触网状态检测,采用便携式图像采集装置,临时安装于运行中的电力机车或动车组的驾驶室司机台上,对接触网周及周边状态进行图像采集。在线或离线分析接触悬挂部件技术状态、接触网线路周边外部环境,有无侵入限界、妨碍供电安全运行的障碍物等。
现在接触网安全巡检装置在运行过程中,由于环境复杂(阴天、雨天、晴天、正常光、逆光)及场景复杂(遂道内、遂道外、桥遂等)各种情况下光照强度不一样。目前铁路部门所使用接触网巡检装置均采用人工方式光圈、焦距调节。此种方法很难在快速运动的车辆上短时间内快速调节设置参数到位。或者上车就固定光圈值、焦距而忽略各种场景、天气情况。这样就导致采集的图像质量无法保证。出现图像曝光过度,图像成像不清。后期缺陷识别难度增大,甚至遗漏重大的缺陷故障。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种快速自动调焦装置,包括光圈步进电机、焦距步进电机、电机驱动模块、图形处理单元、定位单元、通信装置、图像识别单元、电源模块、显示模块、数据处理单元;所述的光圈步进电机、焦距步进电机分别与所述的电机驱动模块连接;所述的电机驱动器、图形处理单元、定位单元、通信装置、图像识别单元、电源模块分别与所述的数据处理单元连接。
优选的,所述的电机驱动模块包括电机驱动器和U型光耦,所述的电机驱动器、U型光耦分别与所述的数据处理单元连接,所述的U型光耦用于监控光圈步进电机和焦距步进电机的各自的运动速度和运动方向。
优选的,所述的定位单元包括GPS模块、A-GPS模块;所述的A-GPS模块、GPS模块分别与所述的数据处理单元连接。
优选的,所述的图形处理单元包括分析处理模块,所述的分析处理模块用于计算图像的灰度值、图像的边缘锐利度和判断图像是否清晰。
一种快速自动调焦方法,包括如下步骤:
步骤一,利用相机获取目标图像数据,通过分析处理模块采用图形算法判断输入目标图像是否对焦清晰,若不清晰,则计算该图像的边缘锐利度;
步骤二,根据边缘锐利度,相机与目标的相对位置不变,通过调焦获取n张目标图像数据,计算每张目标图像的相对模糊率,其中值最小的相对模糊率对应的目标图像的焦距为相机与目标的焦距,完成调焦;
步骤三:通过分析处理模块采用图形算法计算输入目标图像的灰度值,判断目标图像是否曝光过度或欠曝,若目标图形曝光过度或欠曝,则通过调节光圈,使目标图像的灰度值落入到设定的参考值,完成光圈调节。
进一步的,所述的调焦包括如下过程:相机与目标的相对位置不变,调焦的步长为delta_a, 焦距范围为[a,b],每调焦一次则都目标进行成像一次,设总共成像n次,每次成像对应一个焦距fn,再利用图像算法计算n张图像的相对模糊率Rk(k=1..n),计算最小模糊率Rmin以及对应的模糊率最小的图像,最后得到该图像对应的焦距f,即为相机成像的焦距。
进一步的,所述的光圈调节包括如下过程:首先进行角度与光圈大小的标定,测量出光圈最小到光圈最大的长度,并且测量出镜头周长;360/光圈度数=镜头周长/光圈长度,即得到出光圈对应最大度数,同样量出不同光圈刻度值对应的长度,得到不同光圈值对应的度数;最后得到光圈值与角度值的对应关系;通过调节角度,即可得到对应的光圈。
进一步的,所述的参考值设定包括如下过程:求取目标图像中亮度平均值avg,求取avg到a的距离o(a) ,o(a)为亮度的权重分数;求取整张图像的灰度均方值S;统计图像中灰度区间,并计算权值L;综合权值o(s)+S+L 即为图像灰度的参考值
本发明的有益效果是:本发明利用在镜头端增加两个步进电机结合图像算法实现各种场景下光圈值、焦距值动态设置保证良好的成像效果。
本发明的定位模块使用GPS+AGPS模块并结合线路基础数据库和图像识别算法精准定位。保证在各种情况下进行光圈值、焦距的调节。
附图说明
图1为一种快速自动调焦装置的原理图;
图2为一种快速自动调焦方法的原理图;
图3为焦距自动调焦原理图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案,但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示,本发明提供的一种快速自动调焦装置,包括光圈步进电机、焦距步进电机、电机驱动模块、图形处理单元、定位单元、通信装置、图像识别单元、电源模块、显示模块、数据处理单元;所述的光圈步进电机、焦距步进电机分别与所述的电机驱动模块连接;所述的电机驱动器、图形处理单元、定位单元、通信装置、图像识别单元、电源模块分别与所述的数据处理单元连接。
电机驱动模块包括电机驱动器和U型光耦,所述的电机驱动器、U型光耦分别与所述的数据处理单元连接,所述的U型光耦用于监控光圈步进电机和焦距步进电机的各自的运动速度和运动方向。
定位单元包括GPS模块、A-GPS模块;所述的A-GPS模块、GPS模块分别与所述的数据处理单元连接。
图形处理单元包括分析处理模块,所述的分析处理模块用于计算图像的灰度值、图像的边缘锐利度和判断图像是否清晰。
一种快速自动调焦方法,包括如下步骤:
步骤一,利用相机获取目标图像数据,通过分析处理模块采用图形算法判断输入目标图像是否对焦清晰,若不清晰,则计算该图像的边缘锐利度;
步骤二,根据边缘锐利度,相机与目标的相对位置不变,通过调焦获取n张目标图像数据,计算每张目标图像的相对模糊率,其中值最小的相对模糊率对应的目标图像的焦距为相机与目标的焦距,完成调焦;
步骤三:通过分析处理模块采用图形算法计算输入目标图像的灰度值,判断目标图像是否曝光过度或欠曝,若目标图形曝光过度或欠曝,则通过调节光圈,使目标图像的灰度值落入到设定的参考值,完成光圈调节。
调焦包括如下过程:相机与目标的相对位置不变,调焦的步长为delta_a, 焦距范围为[a,b],每调焦一次则都目标进行成像一次,设总共成像n次,每次成像对应一个焦距fn,再利用图像算法计算n张图像的相对模糊率Rk(k=1..n),计算最小模糊率Rmin以及对应的模糊率最小的图像,最后得到该图像对应的焦距f,即为相机成像的焦距。
光圈调节包括如下过程:首先进行角度与光圈大小的标定,测量出光圈最小到光圈最大的长度,并且测量出镜头周长;360/光圈度数=镜头周长/光圈长度,即得到出光圈对应最大度数,同样量出不同光圈刻度值对应的长度,得到不同光圈值对应的度数;最后得到光圈值与角度值的对应关系;通过调节角度,即可得到对应的光圈。
参考值设定包括如下过程:求取目标图像中亮度平均值avg,求取avg到a的距离o(a) ,o(a)为亮度的权重分数;求取整张图像的灰度均方值S;统计图像中灰度区间,并计算权值L;综合权值o(s)+S+L 即为图像灰度的参考值。
本发明提供一种一款基于不同场景、天气情况自动动态调节镜头光圈、焦距小巧的便携式车载装置。整个装置由拍摄装置、镜头焦距、光圈精准控制装置、固定装置为构成。
镜头端主要功能按给定的参数信息实现精准的光圈、物距转动调节定位功能(为实现不同光照条件下相机自动调节以达到最清晰的画面。在这里通过加上两个步进电机至镜头端分别调节光圈、物距。步进电机输出的是光耦计数值,而用户只需要镜头的光圈值及焦距值,因此需要找到步进电机的光耦计数值与光圈值、焦距值的对应关系)。
目标物确定后,不同的光圈值、焦距值图像的成像效果不一样。最终利用GPU进行图像边缘锐利清晰度识别确定图像画质,最终自动调节此画质对应的光圈值、焦距值的光藕计数值。
主机内主要由GPS用于连接卫星获取当前设备所在的经纬度信息并结合AGPS信息和图像能遂道特征的识别进出遂道,能快速重新设置光圈值、曝光时间量等信息以保证图像良好的成像质量。
GPS+AGPS定位模块获取不定场景的定位信息,结合图像算法判断图片质量,重新设置镜头光圈、曝光时间参数等保证成像的清晰。
镜头光圈、对焦精准定位依靠步进电机配合减速箱来实现。将两个步进电机连接至步进电机驱动板后,安装至定制外壳内,将外壳安装至相机的镜头部分,使步进电机齿轮与相机镜头咬合。驱动电机时支持按串口指令中的参数从启动速度加速到指定速度。同时每个每只电机使用两个U型光耦进行运动速度和方向的监控。两个光耦的相位差为90度。具体工作原理如图3所示。
本***的自动对焦功能由两个功能模块构成,一个是分析处理模块,一个是控制驱动模块。
分析处理模块由纯图像算法进行实现判断输入图像是否对焦清晰,如果对焦不清晰则该模块同时测算出这幅图像的离焦程序;
相机与目标的相对位置不变,调焦的步长为delta_a, 焦距范围为[a,b],每调焦一次则都目标进行成像一次,设总共成像n次,每次成像对应一个焦距fn,再利用图像算法计算n张图像的相对模糊率Rk(k=1..n),计算最小模糊率Rmin以及对应的模糊率最小的图像,最后得到该图像对应的焦距f,即为相机成像最有的焦距。
模糊率RK( k=1….n)的算法思路。
在对焦目标处取适当roi,并对该roi图像进行laplace计算,并进行阈值过滤,再统计边缘点的个数n。并计算roi的的像素个数m,则1-n/m 代表模糊率k。
分析处理模块由纯图像算法进行实现判断输入图像的灰度值计算,判断图像是否曝光过度、欠曝等各种情况。并将信息反馈给单片机控制模块。控制驱动模块则根据此信息重新设置光圈值的大小。最终使目标图像处于成像清晰的效果。
对焦准确的图像清晰度较高,层次鲜明,对比度高。图像清晰度评价算法有很多种,本***主要思路是考察图像的领域对比度,即相邻像素间的灰度特征的梯度差;基于铁路行业特征,我们采用方差方法。对焦清晰的图像相比对焦模糊的图像,它的数据之间的灰度差异更大,即它的方差也应该较大,通过图像灰度数据的方差来衡量图像的清晰度,方差越大,表示清晰度越好。
步进电机自动调节镜头的光圈大小,事先对光圈进行角度与光圈大小的标定工作。
标定的思路:
手动将光圈调到最小值,并标定下来,然后将光圈调到最大值,测量角度。每个一个刻度都进行一次角度的测试。最终找到光圈值与角度值的对应关系。将所有数值的对应关系存档。
在实际应用有一组光圈大小与角度对应关系的参考表格,客户使用过程中,根据天气状况设置光圈大小,只需要在程序界面点击调节角度,此角度信息会传给镜头单片机程序,此数据会转换成光藕步长,并自动将光圈调节到指定的位置后进行图像的采集。
采集到图像传到计算模块进行图像亮度的识别,最终给出一个参考给用户是否按此亮度进行后期图像采集。如放弃重复前面的步骤进行设置直至合适的光圈大小。
要想在遂道内取得良好的图像效果,在进入遂道时就需要对光圈大小重新快速进行设置。然GPS定位进入遂道环境后信号较差。为准确的识别到设备进出遂道,我们增加AGPS辅助定位功能,结合基础数据实现精准定位。
AGPS即辅助全球卫星定位***。它是结合GSM/GPRS与传统卫星定位,利用基地台代送辅助卫星信息,以缩减GPS芯片获取卫星信号的延迟时间、受遮盖的室内也能基地台讯号弥补、减轻GPS芯片对卫星的依赖度等等。因此在进入遂道周围环境较差的情况下也能提供范围更广,速度更愉快的位服务,一般误差在10米以内。本***中采用了采用带用AGPS功能的硬件模块并将4G天线信号外置设置上大大提高了信号的接受度。当设备在进入遂道前,就能进行初步的定位,结合图像识别遂道特征。这时进行光圈值的自动设置,并结合图像识别算法调整到最佳状态。
当设备在进入遂道前,就能进行初步的定位,结合图像识别遂道特征。这时自动调节光圈
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式,不应看作是对其他实施例的排除,而可用于各种其他组合、修改和环境,并能够在本文所述构想范围内,通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围,则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种快速自动调焦装置,其特征在于,包括光圈步进电机、焦距步进电机、电机驱动模块、图形处理单元、定位单元、通信装置、图像识别单元、电源模块、显示模块、数据处理单元;所述的光圈步进电机、焦距步进电机分别与所述的电机驱动模块连接;所述的电机驱动器、图形处理单元、定位单元、通信装置、图像识别单元、电源模块分别与所述的数据处理单元连接。
2.根据权利要求1所述的一种快速自动调焦装置,其特征在于,所述的电机驱动模块包括电机驱动器和U型光耦,所述的电机驱动器、U型光耦分别与所述的数据处理单元连接,所述的U型光耦用于监控光圈步进电机和焦距步进电机的各自的运动速度和运动方向。
3.根据权利要求1所述的一种快速自动调焦装置,其特征在于,所述的定位单元包括GPS模块、A-GPS模块;所述的A-GPS模块、GPS模块分别与所述的数据处理单元连接。
4.根据权利要求1所述的一种快速自动调焦装置,其特征在于,所述的图形处理单元包括分析处理模块,所述的分析处理模块用于计算图像的灰度值、图像的边缘锐利度和判断图像是否清晰。
5.一种快速自动调焦方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤一,利用相机获取目标图像数据,对图像数据采用梯度方法或方差方法计算其图像边缘锐利度进行判断输入目标图像是否对焦清晰,若未找到清晰图像则重复采集,并计算;边缘锐利度计算将图像化分成无数多个小矩形区域;计算灰度值最终求平均值;
步骤二,根据边缘锐利度,相机与目标的相对位置不变,通过调焦获取n张目标图像数据,计算每张目标图像的相对模糊率,其中值最小的相对模糊率对应的目标图像的焦距为相机与目标的焦距,根据焦距完成调焦;
步骤三:通过分析处理模块计算输入目标图像的灰度值,判断目标图像是否曝光过度或欠曝,若目标图形曝光过度或欠曝,则通过调节光圈,使目标图像的灰度值落入到设定的参考值,完成光圈调节。
6.根据权利要求5所述的一种快速自动调焦方法,其特征在于,所述的调焦包括如下过程:相机与目标的相对位置不变,调焦的步长为delta_a, 焦距范围为[a,b],其中a 为调焦范围的初始值,b为调焦范围的终值;每调焦一次则都目标进行成像一次,设总共成像n次,每次成像对应一个焦距fn,再计算n张图像的相对模糊率Rk,k=1…n,其中最小模糊率Rmin以及对应的模糊率最小的图像,最后得到该图像对应的焦距f,即为相机成像的焦距。
7.根据权利要求5所述的一种快速自动调焦方法,其特征在于,所述的光圈调节包括如下过程:首先进行角度与光圈大小的标定,获取光圈最小到光圈最大的长度,并且获取镜头周长;360/光圈度数=镜头周长/光圈长度,即得出光圈对应最大度数,同样获取不同光圈刻度值对应的长度,得到不同光圈值对应的度数;最后得到光圈值与角度值的对应关系;通过调节角度,即可得到对应的光圈。
8.根据权利要求5所述的一种快速自动调焦方法,其特征在于,所述的参考值设定包括如下过程:求取目标图像中亮度平均值avg,求取avg到a的距离o(a) ,o(a)为亮度的权重数;求取整张图像的灰度均方值S;统计图像中灰度区间,并计算权值L;综合权值o(a)+S+L即为图像灰度的参考值。
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