一种基于液体透镜的仿生视觉快速调焦方法

发布时间：2020-02-23 14:15

【摘要】：为了提高仿生视觉系统中调焦方法的实时性,在对基于液体透镜的仿生视觉系统调焦控制方式进行研究的基础上,提出一种改进的快速调焦方法,实现系统焦距快速调节的功能。首先将基于激光位移传感器的主动式调焦结果作为预正焦点的判断准则,然后利用基于Sobel算子的灰度梯度评价函数并结合改进的爬山搜索算法对焦距进行精细调整,最后搭建仿生视觉成像系统实验装置,验证本文方法的准确性及实时性。结果表明,利用提出的快速调焦方法,在调焦过程中对同一场景不同模糊程度24帧图像的处理时间可以达到257 ms,相比于传统的自动调焦方法在速度上有很大提升。
【图文】：

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仿生视觉系统提供了一种全新的快速调焦方法。2仿生视觉快速调焦系统2．1液体变焦透镜工作原理液体变焦透镜是近些年出现的一种新型光学元件，它与传统的变焦镜头不同，不仅调焦响应时间很快(一般十几毫秒)，而且无需调整透镜组的间隔，只需要通过电流或电压驱动信号来控制液体的折射率或镜头表面曲率，从而实现焦距的调节［7］。事实上，有关液体透镜的研究可归结为两大类:一类是渐变折射率透镜，另一类是曲率变化透镜，后者主要是基于电润湿效应及液体填充方式，本文使用的Optotune液体透镜为液体填充方式(图1所示)。图1液体填充式透镜原理Fig．1Workingprincipleofliquid－filledlens液体填充方式是使用光学透明弹性薄膜将液体限制在腔体当中，通过液体的压力来控制薄膜面形变化，透镜的光焦度(焦距倒数)由液体表面曲率和液体—空气两者折射率差来决定。φ=1f=n－1r(1)式中，，f为透镜焦距;r是透镜表面的曲率半径;n为液体的折射率。可变形弹性薄膜用于限制光学液体并在液体腔与外界的压力差下产生所需的面形。当光学液体被注入到液体腔时将产生一个正压力，弹性薄膜受到压力差作用将向外凸起，形成凸透镜;相反地，当光学液体从液体腔被抽出时，将产生负压力形成凹透镜，通过液体的进出控制腔内的压力，从而实现焦距的调节［8］。2．2快速自动调焦方法研究现阶段基于液体透镜的调焦控制方式有手动调节以及基于图像算法两种方法，但这两种方法的不足也是非常明显的，前者由于实时性以及依靠人眼主观意识判断图像清晰度等缺点限制了该方法在仿生视觉领域的应用，后者由于目标物体场景的多样性，会导致图像清晰度评价函数存在局部峰值，因此在调焦算法上很难保证每次正焦点的判断是无误

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清晰度评价函数结合小步长极值搜索算法，使系统焦距快速达到正焦点，获取实时清晰图像，具体实现框图如图2。基于液体透镜的仿生视觉快速调焦系统包括:目标物体、位移传感器、控制系统、驱动器、液体变焦透镜、图像传感器以及支撑结构。图2仿生视觉快速调焦方法实现框图Fig．2FrameworkoftheBionicvisionquickfocusingmethod3快速自动调焦方法理论分析3．1大步长粗调焦过程基于液体透镜的仿生视觉快速调焦方法的关键在于液体变焦透镜的实时控制，故本文的大步长粗调焦实现过程需建立物距－焦距－控制电流三者之间的关系。图3为光学成像简易模型。图3透镜聚焦成像简易模型Fig．3Simplelensfocusingimagingmodel图中，P为目标物体，P'为物体P经透镜成像的聚焦像，此透镜焦距为f，P点与透镜中心的垂直距离为u，聚焦像点P距透镜中的距离为v，透镜光学成像公式如下:1f=1u+1v(2)目标物体在成像面为一幅聚焦像，根据式(2)即可得物距为:u=v·fv－f(3)由上式可知物距与系统的像距、焦距有关。液体变焦透镜的控制方式为电流驱动，透镜内部含有光学补偿透镜组，经理论分析及研究，可经过实验得到物距与液体透镜驱动电流之间的关系曲线，通过实时的物距信息，驱动液体透镜使其焦距进行变化，快速达到系统预正焦点，从而对不同远近的目标物体进行成像。这种大步长调焦方法能避免远离正焦点区域局部极值所造成的干扰以及全局基于图像的自动调焦算法中需进行多次评价函数判别确定系统预正焦点存在的时效性不足等缺点，极大地提高了预正焦点搜索速度，两种方式的对比如图4所示。图4大步长粗调焦过程Fig．4Theprocessoflargesteproughfocusing3．2小步长细调焦过程当系统焦距到达预正焦点之后，需要根据实?

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