基于可见光及近红外的仿生视觉成像系统及其调焦方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于可见光及近红外的仿生视觉成像系统，其特征在于：所述系统包括采集模块、变焦执行机构、分光元件、近红外光源组，其中：所述采集模块包括可见光CCD以及近红外光CCD，用于分别采集近红外图像信息和可见光图像信息；所述变焦执行机构将所述自然光传输至所述分光元件；所述分光元件将所述自然光分光后分别入射至所述可见光CCD和近红外光CCD中；所述可见光CCD与近红外光CCD分列于所述分光元件用于接收所述自然光一面的相对两侧；所述可见光CCD与自然光入射方向垂直，并平行于所述变焦执行机构；所述近红外光CCD设置于能够接收到所述分光元件分离的近红外图像信息的位置；所述近红外光CCD周围设置有所述近红外光源组。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种可见光及近红外的仿生视觉成像系统及其调焦方法，属于仿生视觉成像技术应用领域。
技术介绍
仿生视觉技术是近年来发展较为迅速的一个研究领域，它实际上就是采用先进的光学元件设计能实现自适应调节的光学成像装置去模拟人类视觉成像系统，其中较为关键的技术是利用图像传感器实现类似视网膜感光成像的功能以及利用变焦镜头实现类似于晶状体焦距调节的功能。目前，国内外许多学者针对这两个方面进行了许多研究，这其中包括设计单通道单波段光学系统并利用高分辨率CCD或CMOS对目标物体成像以及使用基于图像处理的被动式自动调焦算法控制变焦镜头进行焦距调节。2009年，ChristianSiagian等基于仿生视觉设计了一种机器人定位系统；2010年，毛晓波等根据人类视觉系统的特点，构建了一种广域监视与局部精确跟踪相结合的仿生视觉系统，并利用摄像机图像采集单元实现所需功能；2010年，山峰等介绍了一种单目仿生眼系统，并验证了系统的响应速度；2013年，王魏等提出了一种多光谱成像系统；2014年，张雄等提出了一种仿生复眼系统；2015年，李伟龙等提出了一种基于仿生视觉的无人机自主定位路标获取方法；2016年，基于人眼视觉特性的图像处理算法进行了研究。虽然以上研究都取得了一定成果，但是作为仿生视觉技术而言，这些系统在获取图像时的使用场景受到了一定的限制。即成像装置都是在白天光照较理想的情况下进行工作，一旦在夜晚没有光照的环境下就不能继续工作，无法对目标物体进行观测。针对当前研究的局限性，本专利技术提出了一种基于可见光及近红外的仿生视觉成像系统及方法。
技术实现思路
本申请的目的在于提供了一种基于可见光及近红外的仿生视觉成像系统，其特征在于：所述系统包括采集模块、变焦执行机构、分光元件、近红外光源组，其中：所述采集模块用于采集自然光，并且包括可见光CCD以及近红外光CCD，用于分别采集近红外图像信息和可见光图像信息；所述变焦执行机构将所述自然光传输至所述分光元件；所述变焦执行机构与所述自然光入射方向垂直；所述分光元件将所述自然光分光后分别入射至所述可见光CCD和近红外光CCD中；所述可见光CCD与近红外光CCD分列于所述分光元件用于接收所述自然光一面的相对两侧；所述可见光CCD与自然光入射方向垂直，并平行于所述变焦执行机构；所述近红外光CCD设置于能够接收到所述分光元件分离的近红外图像信息的位置，保证所述可见光CCD和近红外光CCD获得视角完全一致的图像；所述近红外光源组设置于所述近红外光CCD周围；所述近红外光源组中间设置有小孔，所述变焦执行机构设置于孔内。优选地，所述近红外光源组设置为环形。优选地，所述变焦执行机构设置为液体变焦透镜。优选地，所述分光元件设置为棱镜。优选地，所述分光元件、可见光CCD以及近红外CCD设置有保护壳，用于集成封装。优选地，所述变焦执行机构和所述分光元件之间还设置有可调光圈。根据本专利技术的另一方面，提出了一种调焦方法，其特征在于：所述调焦方法由清晰度评价函数及自适应变步长搜索策略构成。优选地，采用Roberts算子建立所述清晰度评价函数，具体方法为：设图像某点(i,j)处的灰度值为g(i,j)，则与其周围八领域的关系可表示为清晰度评价函数理论计算公式为：优选地，所述自适应变步长搜索策略步骤为：Step0:应用所述系统初步成像并采集；Step1:系统起始位置位于远焦点，在液体变焦透镜驱动电流量程内往电流增大方向以大步长进行搜索，并记录相应评价函数值；Step2:根据Step1进行大步长搜索过程，判断采样点的评价函数值是否连续出现三次下降，若是，则进入步骤Step3；若否，则返回步骤Step0继续采集图像；Step3:以大步长输出电流相反方向以中步长进行搜索，并实时计算相应评价函数值；Step4:根据Step3进行中步长搜索过程，判断采样点评价函数值是否出现两次下降，若是，则进入步骤Step5；若否，则返回步骤Step3；Step5:则以中步长输出电流相反方向以小步长进行搜索，并实时计算采样点评价函数值；Step6:根据Step5进行小步长搜索过程，判断评价值是否出现一次下降，若是，进入步骤Step7；否则，返回步骤Step5；Step7：评价值下降前一采样点为焦平面位置；进入步骤Step8；Step8：整个调焦过程结束。应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本专利技术所要求保护内容的限制。附图说明参考随附的附图，本专利技术更多的目的、功能和优点将通过本专利技术实施方式的如下描述得以阐明，其中：图1示出了根据本专利技术的仿生视觉成像系统的光路图；图2示出了根据本专利技术的仿生视觉成像系统的自适应搜索策略流程图；图3示出了根据本专利技术的仿生视觉成像系统的成像图；其中，(a)、(c)为可见光通道在理想光照及低光照下的成像效果，(b)、(d)为近红外通道在理想光照及低光照下的成像效果；图4示出了根据本专利技术的仿生视觉成像系统的清晰度评价函数曲线。具体实施方式通过参考示范性实施例，本专利技术的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本专利技术并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本专利技术的具体细节。在下文中，将参考附图描述本专利技术的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。本专利技术根据多光谱成像技术原理，设计了以液体变焦透镜和棱镜作为变焦执行机构及分光元件的同口径双波段成像系统，通过内置近红外光源组使系统的近红外成像通道不受外部光照条件的影响，从而使整个系统在白天及夜晚都能对目标物体进行观测。如图1所示，为根据本专利技术的仿生视觉成像系统的光路图；所述系统包括采集模块101、变焦执行机构102、分光元件103、近红外光源组104，其中：所述采集模块用于采集自然光105，并且包括可见光CCD106以及近红外光CCD107，用于分别采集近红外图像信息和可见光图像信息；所述变焦执行机构将所述自然光传输至所述分光元件；所述变焦执行机构与所述自然光入射方向垂直；所述分光元件将所述自然光分光后分别入射至所述可见光CCD和近红外光CCD中；所述可见光CCD与近红外光CCD分列于所述分光元件用于接收所述自然光一面的相对两侧；所述可见光CCD与自然光入射方向垂直，并平行于所述变焦执行机构；所述近红外光CCD设置于能够接收到所述分光元件分离的近红外图像信息的位置，保证所述可见光CCD和近红外光CCD获得视角完全一致的图像；所述近红外光源组设置于所述近红外光CCD周围；所述近红外光源组中间设置有小孔，所述变焦执行机构设置于孔内，保证系统在低光照环境下，也能实现近红外图像采集及观测。根据本专利技术的一个实施例，所述近红外光源组设置为环形。根据本专利技术的一个实施例，所述变焦执行机构设置为液体变焦透镜。根据本专利技术的一个实施例，所述分光元件设置为棱镜。成像装置中使用液体变焦镜头和棱镜，分别作为变焦执行机构及分光元件，同时设置近红外光源组，最终将整个系统集成封装。从而在体积上相比于现阶段多光谱成像系统有了很大的改善。根据本专利技术的一个实施例，所述棱镜、可见光CCD、近红外CCD设置有保护壳，用于集成封装。根据本专利技术的一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于可见光及近红外的仿生视觉成像系统，其特征在于：所述系统包括采集模块、变焦执行机构、分光元件、近红外光源组，其中：所述采集模块用于采集自然光，并且包括可见光CCD以及近红外光CCD，用于分别采集近红外图像信息和可见光图像信息；所述变焦执行机构将所述自然光传输至所述分光元件；所述变焦执行机构与所述自然光入射方向垂直；所述分光元件将所述自然光分光后分别入射至所述可见光CCD和近红外光CCD中；所述可见光CCD与近红外光CCD分列于所述分光元件用于接收自然光一面的相对两侧；所述可见光CCD与自然光入射方向垂直，并平行于所述变焦执行机构；所述近红外光CCD设置于能够接收到所述分光元件分离的近红外图像信息的位置，保证所述可见光CCD和近红外光CCD获得视角完全一致的图像；所述近红外光源组设置于所述近红外光CCD周围；所述近红外光源组中间设置有小孔，所述变焦执行机构设置于孔内。

【技术特征摘要】
1.一种基于可见光及近红外的仿生视觉成像系统，其特征在于：所述系统包括采集模块、变焦执行机构、分光元件、近红外光源组，其中：所述采集模块用于采集自然光，并且包括可见光CCD以及近红外光CCD，用于分别采集近红外图像信息和可见光图像信息；所述变焦执行机构将所述自然光传输至所述分光元件；所述变焦执行机构与所述自然光入射方向垂直；所述分光元件将所述自然光分光后分别入射至所述可见光CCD和近红外光CCD中；所述可见光CCD与近红外光CCD分列于所述分光元件用于接收自然光一面的相对两侧；所述可见光CCD与自然光入射方向垂直，并平行于所述变焦执行机构；所述近红外光CCD设置于能够接收到所述分光元件分离的近红外图像信息的位置，保证所述可见光CCD和近红外光CCD获得视角完全一致的图像；所述近红外光源组设置于所述近红外光CCD周围；所述近红外光源组中间设置有小孔，所述变焦执行机构设置于孔内。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述近红外光源组设置为环形。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述变焦执行机构设置为液体变焦透镜。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述分光元件设置为棱镜。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述分光元件、可见光CCD以及近红外CCD设置有保护壳，用于集成封装。6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述变焦执行机构和所述分光元件之间还设置有可调光圈。7.一种适用于权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝连庆，褚翔，娄小平，孟晓辰，樊凡，董明利，孙婷，
申请(专利权)人：北京信息科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11