一種基于可見(jiàn)光及近紅外的仿生視覺(jué)成像技術(shù)的制作方法

本專利涉及一種可見(jiàn)光及近紅外的仿生視覺(jué)成像技術(shù)，屬于仿生視覺(jué)成像技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：仿生視覺(jué)技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展較為迅速的一個(gè)研究領(lǐng)域，它實(shí)際上就是采用先進(jìn)的光學(xué)元件設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)的光學(xué)成像裝置去模擬人類視覺(jué)成像系統(tǒng)，其中較為關(guān)鍵的技術(shù)是利用圖像傳感器實(shí)現(xiàn)類似視網(wǎng)膜感光成像的功能以及利用變焦鏡頭實(shí)現(xiàn)類似于晶狀體焦距調(diào)節(jié)的功能。目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)這兩個(gè)方面進(jìn)行了許多研究，這其中包括設(shè)計(jì)單通道單波段光學(xué)系統(tǒng)并利用高分辨率CCD或CMOS對(duì)目標(biāo)物體成像以及使用基于圖像處理的被動(dòng)式自動(dòng)調(diào)焦算法控制變焦鏡頭進(jìn)行焦距調(diào)節(jié)。2009年，ChristianSiagian等基于仿生視覺(jué)設(shè)計(jì)了一種機(jī)器人定位系統(tǒng)；2010年，毛曉波等根據(jù)人類視覺(jué)系統(tǒng)的特點(diǎn)，構(gòu)建了一種廣域監(jiān)視與局部精確跟蹤相結(jié)合的仿生視覺(jué)系統(tǒng)，并利用攝像機(jī)圖像采集單元實(shí)現(xiàn)所需功能；2010年，山峰等介紹了一種單目仿生眼系統(tǒng)，并驗(yàn)證了系統(tǒng)的響應(yīng)速度；2013年，王魏等提出了一種多光譜成像系統(tǒng)；2014年，張雄等提出了一種仿生復(fù)眼系統(tǒng)；2015年，李偉龍等提出了一種基于仿生視覺(jué)的無(wú)人機(jī)自主定位路標(biāo)獲取方法；2016年，基于人眼視覺(jué)特性的圖像處理算法進(jìn)行了研究。雖然以上研究都取得了一定成果，但是作為仿生視覺(jué)技術(shù)而言，這些系統(tǒng)在獲取圖像時(shí)的使用場(chǎng)景受到了一定的限制。即成像裝置都是在白天光照較理想的情況下進(jìn)行工作，一旦在夜晚沒(méi)有光照的環(huán)境下就不能繼續(xù)工作，無(wú)法對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行觀測(cè)。因此，需要一種能有效地在任何使用場(chǎng)景都能夠獲取圖像并對(duì)目標(biāo)物體成像以及使用基于圖像處理的被動(dòng)式自動(dòng)調(diào)焦算法控制變焦鏡頭進(jìn)行焦距調(diào)節(jié)的技術(shù)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種基于可見(jiàn)光及近紅外的仿生視覺(jué)成像技術(shù),包括可見(jiàn)光及近紅外同口徑雙波段成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：液體變焦透鏡，作為變焦執(zhí)行機(jī)構(gòu)；棱鏡，作為分光元件；該系統(tǒng)內(nèi)置近紅外光源，使系統(tǒng)的近紅外成像通道不受外部光照條件的影響，從而使整個(gè)系統(tǒng)在白天及夜晚都能對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行觀測(cè)；然后，根據(jù)仿生視覺(jué)成像系統(tǒng)視場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)物體位置的不斷變化，利用自動(dòng)調(diào)焦算法實(shí)現(xiàn)成像系統(tǒng)焦距的快速調(diào)節(jié)；最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可見(jiàn)光及近紅外仿生視覺(jué)成像系統(tǒng)的實(shí)際成像效果，得出量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)，該技術(shù)中所述自動(dòng)調(diào)焦算法能在1050ms內(nèi)完成一次自動(dòng)調(diào)焦過(guò)程。所述可見(jiàn)光及近紅外同口徑雙波段成像系統(tǒng)中，兩波段光束由同一光路采集，先經(jīng)過(guò)液體變焦鏡頭，再由棱鏡分光后入射到各自的探測(cè)器中。所述同口徑雙波段成像系統(tǒng)包括液體變焦鏡頭和棱鏡，分別作為變焦執(zhí)行機(jī)構(gòu)及分光元件，同時(shí)該系統(tǒng)內(nèi)置近紅外光源，整個(gè)系統(tǒng)集成封裝，在體積上相比于現(xiàn)階段多光譜成像系統(tǒng)有了很大的改善。所述可見(jiàn)光及近紅外同口徑雙波段成像系統(tǒng)，兩波段光束由同一光路采集，先經(jīng)過(guò)液體變焦鏡頭，再由棱鏡分光后入射到各自的探測(cè)器中，從而使兩個(gè)CCD可以獲得視角完全一致的圖像。所述自動(dòng)調(diào)焦算法由清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)及自適應(yīng)變步長(zhǎng)搜索策略構(gòu)成；當(dāng)可見(jiàn)光和近紅外成像裝置對(duì)目標(biāo)物體初步成像之后，根據(jù)目標(biāo)物體的位移變化實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的焦距，使成像始終保持在最佳清晰度。在自動(dòng)調(diào)焦過(guò)程中，圖像清晰度是判斷是否聚焦準(zhǔn)確的重要指標(biāo)，一幅清晰度較好的圖像，應(yīng)該具有最大評(píng)價(jià)函數(shù)值。所述清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)，以Roberts算子建立圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)，假設(shè)圖像某點(diǎn)處的灰度值為,則與其周圍八領(lǐng)域的關(guān)系可表示為：評(píng)價(jià)函數(shù)理論計(jì)算公式為：在自動(dòng)調(diào)焦過(guò)程中，極值搜索策略，也是影響自動(dòng)調(diào)焦算法性能的重要因素；所述搜索策略采用自適應(yīng)變步長(zhǎng)極值搜索策略，收斂速度快、準(zhǔn)確率高；傳統(tǒng)爬山搜索策略的主要缺陷是步長(zhǎng)確定主觀性很強(qiáng)，如步長(zhǎng)過(guò)小，采集處理圖像花費(fèi)時(shí)間較多，調(diào)焦實(shí)時(shí)性差，且易受外界噪聲、環(huán)境變化等影響，步長(zhǎng)選的過(guò)大，雖然速度會(huì)有所提升，但調(diào)焦精度較低。所述自適應(yīng)變步長(zhǎng)極值搜索策略，結(jié)合液體透鏡響應(yīng)速度快、變焦平滑等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)整個(gè)搜索過(guò)程，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：步驟(1):系統(tǒng)起始位置位于遠(yuǎn)焦點(diǎn)，在液體變焦透鏡驅(qū)動(dòng)電流量程內(nèi)往電流增大方向以大步長(zhǎng)進(jìn)行搜索，并記錄相應(yīng)評(píng)價(jià)函數(shù)值。步驟(2):根據(jù)步驟(1)進(jìn)行大步長(zhǎng)搜索過(guò)程，如采樣點(diǎn)的評(píng)價(jià)函數(shù)值連續(xù)出現(xiàn)三次下降，以大步長(zhǎng)輸出電流相反方向以中步長(zhǎng)進(jìn)行搜索，并實(shí)時(shí)計(jì)算相應(yīng)評(píng)價(jià)函數(shù)值。步驟(3):根據(jù)步驟(2)進(jìn)行中步長(zhǎng)搜索過(guò)程，如果采樣點(diǎn)評(píng)價(jià)函數(shù)值出現(xiàn)兩次下降，則以中步長(zhǎng)輸出電流相反方向以小步長(zhǎng)進(jìn)行搜索，并實(shí)時(shí)計(jì)算采樣點(diǎn)評(píng)價(jià)函數(shù)值。步驟(4):如焦點(diǎn)附近的小步長(zhǎng)搜索，出現(xiàn)一次下降就認(rèn)為評(píng)價(jià)值下降前一采樣點(diǎn)為焦平面位置，同時(shí)整個(gè)調(diào)焦過(guò)程結(jié)束。所述自適應(yīng)變步長(zhǎng)極值搜索策略，在遠(yuǎn)離焦平面且容易出現(xiàn)局部極值的區(qū)域采用大步長(zhǎng)搜索，而液體變焦透鏡驅(qū)動(dòng)電流單調(diào)輸出，會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生離焦-正焦-離焦成像效果，從而有效避免了由于局部極值引起的焦平面誤判。本發(fā)明提供一種能有效地在任何使用場(chǎng)景都能夠獲取圖像并對(duì)目標(biāo)物體成像以及使用基于圖像處理的被動(dòng)式自動(dòng)調(diào)焦算法控制變焦鏡頭進(jìn)行焦距調(diào)節(jié)的技術(shù)。應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說(shuō)明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。附圖說(shuō)明參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中：圖1為本發(fā)明中可見(jiàn)光及近紅外簡(jiǎn)易光路圖；圖2為本發(fā)明中系統(tǒng)實(shí)物圖；圖3為本發(fā)明中成像系統(tǒng)可見(jiàn)光通道顏色轉(zhuǎn)換效率映射表；圖4為本發(fā)明中成像系統(tǒng)近紅外通道顏色轉(zhuǎn)換效率映射表；圖5為本發(fā)明中自適應(yīng)性變步長(zhǎng)搜索策略基本流程圖；圖6為本發(fā)明中系統(tǒng)成像圖；圖7為本發(fā)明中清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)曲線圖。具體實(shí)施方式通過(guò)參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開(kāi)的示范性實(shí)施例；可以通過(guò)不同形式來(lái)對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說(shuō)明書(shū)的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。本發(fā)明提供一種基于可見(jiàn)光及近紅外的仿生視覺(jué)成像技術(shù),包括可見(jiàn)光及近紅外同口徑雙波段成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：液體變焦透鏡，作為變焦執(zhí)行機(jī)構(gòu)；棱鏡，作為分光元件；該系統(tǒng)內(nèi)置近紅外光源，使系統(tǒng)的近紅外成像通道不受外部光照條件的影響，從而使整個(gè)系統(tǒng)在白天及夜晚都能對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行觀測(cè)；然后，根據(jù)仿生視覺(jué)成像系統(tǒng)視場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)物體位置的不斷變化，利用自動(dòng)調(diào)焦算法實(shí)現(xiàn)成像系統(tǒng)焦距的快速調(diào)節(jié)；最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可見(jiàn)光及近紅外仿生視覺(jué)成像系統(tǒng)的實(shí)際成像效果，得出量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，所述自動(dòng)調(diào)焦算法能在1050ms內(nèi)完成一次自動(dòng)調(diào)焦過(guò)程。所述可見(jiàn)光及近紅外同口徑雙波段成像系統(tǒng)包括液體變焦鏡頭和棱鏡，分別作為變焦執(zhí)行機(jī)構(gòu)及分光元件，同時(shí)該系統(tǒng)內(nèi)置近紅外光源，整個(gè)系統(tǒng)集成封裝，在體積上相比于現(xiàn)階段多光譜成像系統(tǒng)有了很大的改善，實(shí)際系統(tǒng)如圖2所示。所述可見(jiàn)光及近紅外同口徑雙波段成像系統(tǒng)，為保證各波段的視場(chǎng)一致性，兩波段光束由同一光路采集，先經(jīng)過(guò)液體變焦鏡頭，再由棱鏡分光后入射到各自的探測(cè)器中，從而使兩個(gè)CCD可以獲得視角完全一致的圖像，如圖1所示；其中，可見(jiàn)光和近紅外通道的顏色轉(zhuǎn)換效率映射表(LUT)分別如圖3、4所示。所述可見(jiàn)光及近紅外同口徑雙波段成像系統(tǒng)，所述自動(dòng)調(diào)焦算法由清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)及自適應(yīng)變步長(zhǎng)搜索策略構(gòu)成；當(dāng)可見(jiàn)光和近紅外成像裝置對(duì)目標(biāo)物體初步成像之后，根據(jù)目標(biāo)物體的位移變化實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的焦距，使成像始終保持在最佳清晰度。在自動(dòng)調(diào)焦過(guò)程中，圖像清晰度是判斷是否聚焦準(zhǔn)確的重要指標(biāo)，一幅清晰度較好的圖像，應(yīng)該具有最大評(píng)價(jià)函數(shù)值。所述清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)，以Roberts算子建立圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)，假設(shè)圖像某點(diǎn)處的灰度值為,則與其周圍八領(lǐng)域的關(guān)系可表示為：評(píng)價(jià)函數(shù)理論計(jì)算公式為：在自動(dòng)調(diào)焦過(guò)程中，極值搜索策略也是影響自動(dòng)調(diào)焦算法性能的重要因素；所述搜索策略采用自適應(yīng)變步長(zhǎng)極值搜索策略，收斂速度快、準(zhǔn)確率高；所述自適應(yīng)變步長(zhǎng)極值搜索策略，結(jié)合液體透鏡響應(yīng)速度快、變焦平滑等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)整個(gè)搜索過(guò)程，其基本流程如圖5所示，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：步驟(1):系統(tǒng)起始位置位于遠(yuǎn)焦點(diǎn)，在液體變焦透鏡驅(qū)動(dòng)電流量程內(nèi)往電流增大方向以大步長(zhǎng)進(jìn)行搜索，并記錄相應(yīng)評(píng)價(jià)函數(shù)值。步驟(2):根據(jù)步驟(1)進(jìn)行大步長(zhǎng)搜索過(guò)程，如采樣點(diǎn)的評(píng)價(jià)函數(shù)值連續(xù)出現(xiàn)三次下降，以大步長(zhǎng)輸出電流相反方向以中步長(zhǎng)進(jìn)行搜索，并實(shí)時(shí)計(jì)算相應(yīng)評(píng)價(jià)函數(shù)值。步驟(3):根據(jù)步驟(2)進(jìn)行中步長(zhǎng)搜索過(guò)程，如果采樣點(diǎn)評(píng)價(jià)函數(shù)值出現(xiàn)兩次下降，則以中步長(zhǎng)輸出電流相反方向以小步長(zhǎng)進(jìn)行搜索，并實(shí)時(shí)計(jì)算采樣點(diǎn)評(píng)價(jià)函數(shù)值。步驟(4):如焦點(diǎn)附近的小步長(zhǎng)搜索，出現(xiàn)一次下降就認(rèn)為評(píng)價(jià)值下降前一采樣點(diǎn)為焦平面位置，同時(shí)整個(gè)調(diào)焦過(guò)程結(jié)束。所述自適應(yīng)變步長(zhǎng)極值搜索策略，在遠(yuǎn)離焦平面且容易出現(xiàn)局部極值的區(qū)域采用大步長(zhǎng)搜索，而液體變焦透鏡驅(qū)動(dòng)電流單調(diào)輸出，會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生離焦-正焦-離焦成像效果，從而有效避免了由于局部極值引起的焦平面誤判。下面介紹通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可見(jiàn)光及近紅外仿生視覺(jué)成像系統(tǒng)的實(shí)際成像效果，得出量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中所述自動(dòng)調(diào)焦算法能在1050ms內(nèi)完成一次自動(dòng)調(diào)焦過(guò)程。本發(fā)明中自動(dòng)調(diào)焦算法驗(yàn)證所用實(shí)驗(yàn)裝置由一臺(tái)PC機(jī)，一個(gè)液體變焦鏡頭，一個(gè)近紅外和可見(jiàn)光多光譜相機(jī)，一個(gè)定焦鏡頭，一個(gè)近紅外光源組成。裝置中的計(jì)算機(jī)配置IntelCorei7-47903.60GHzCPU，8GB內(nèi)存，Win7操作系統(tǒng)，具備Matlab8.3及VS2010編譯環(huán)境。本發(fā)明中仿生視覺(jué)同口徑雙通道成像系統(tǒng)的實(shí)際成像效果通過(guò)步驟(1)進(jìn)行驗(yàn)證:首先，在理想光照和低光照的環(huán)境下對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)初始成像如圖6所示。其中圖6中(a)、(c)為可見(jiàn)光通道在理想光照及低光照下的成像效果，(b)、(d)為近紅外通道在理想光照及低光照下的成像效果。根據(jù)圖像可知，可見(jiàn)光和近紅外通道都能在光照較理想的情況下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，但是在低光照環(huán)境下，可見(jiàn)光通道就無(wú)法對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行觀測(cè)，然而近紅外通道仍然能對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行觀測(cè)。為進(jìn)一步說(shuō)明圖像的成像質(zhì)量，將圖6所示系統(tǒng)的初始成像圖利用Robert函數(shù)、Laplacian函數(shù)及Variances函數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)值計(jì)算，將評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化，從而更直觀的對(duì)比不同環(huán)境下的成像差異，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，可見(jiàn)光圖像在兩種不同環(huán)境下，三種函數(shù)的評(píng)價(jià)值分別下降了45％、86％和91％，這說(shuō)明可見(jiàn)光成像通道受光照條件的影響較大，一旦在夜晚將無(wú)法對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行觀測(cè)。反觀，近紅外圖像在兩種環(huán)境下的評(píng)價(jià)值僅分別下降了0.07％、0.13％和0.14％，可知近紅外成像通道受外部環(huán)境光照條件的影響較小，因此，它在白天及夜晚都能對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行觀測(cè)。然后，在計(jì)算機(jī)上先對(duì)本發(fā)明中清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為成像裝置上可見(jiàn)光通道采集的像素為640×480，由模糊-清晰-模糊組成的一組圖片(23張圖像，其中第12幅是焦平面圖像)。Matlab仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)行生成的評(píng)價(jià)函數(shù)曲線如圖7所示。理想的評(píng)價(jià)函數(shù)應(yīng)具有無(wú)偏性、單峰性、靈敏性等特性；其中，無(wú)偏性、單峰性決定算法的正確與否，靈敏性則是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)的基本要求。由評(píng)價(jià)函數(shù)曲線可知，評(píng)價(jià)函數(shù)曲線基本滿足單峰性、無(wú)偏性及靈敏性，可形成有效的圖像清晰度評(píng)價(jià)。最后，為驗(yàn)證自動(dòng)調(diào)焦算法的實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性，在相同硬件配置，VS2010編譯環(huán)境的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),在固定視場(chǎng)中對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦實(shí)驗(yàn)，并統(tǒng)計(jì)調(diào)焦用時(shí)及焦平面對(duì)應(yīng)的液體變焦透鏡驅(qū)動(dòng)電流大小，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示；表中調(diào)焦用時(shí)均為固定視場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行一次自動(dòng)調(diào)焦過(guò)程的總用時(shí)，包括采集圖像、圖像清晰度計(jì)算并確認(rèn)極值、驅(qū)動(dòng)液體透鏡焦距變化三個(gè)進(jìn)程的時(shí)間；從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出系統(tǒng)可快速、準(zhǔn)確的完成自動(dòng)調(diào)焦進(jìn)程。本發(fā)明目的在于提供一種能有效地在任何使用場(chǎng)景都能夠獲取圖像并對(duì)目標(biāo)物體成像以及使用基于圖像處理的被動(dòng)式自動(dòng)調(diào)焦算法控制變焦鏡頭進(jìn)行焦距調(diào)節(jié)并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證自動(dòng)調(diào)焦算法的實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性的技術(shù)。結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說(shuō)明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說(shuō)明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。附：以下為說(shuō)明書(shū)中提到的表1，表2。表1圖像acbdRobert40250388220743761347012012549170Laplacian286168841273316266891410789Tenengrad16621700146972442039803602907表1為本發(fā)明中初始圖像評(píng)價(jià)函數(shù)值。表2調(diào)焦方法調(diào)焦用時(shí)/ms驅(qū)動(dòng)電流/mA本文算法105078.56表2為本發(fā)明中自動(dòng)調(diào)焦算法實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3