一種快速自適應(yīng)自動(dòng)聚焦方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明屬于光電產(chǎn)品應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種快速自適應(yīng)自動(dòng)聚焦方法。通過(guò)計(jì)算圖像的梯度，來(lái)實(shí)現(xiàn)熱像儀的準(zhǔn)確聚焦；首先根據(jù)監(jiān)控目標(biāo)選取聚焦區(qū)域，通過(guò)移動(dòng)調(diào)焦電機(jī)，在不同位置對(duì)聚焦區(qū)域內(nèi)圖像計(jì)算其梯度，通過(guò)比較梯度值大小，移動(dòng)電機(jī)，直至獲得最大梯度，此時(shí)電機(jī)位置即為目標(biāo)清晰成像位置。主要應(yīng)用于紅外熱像儀自動(dòng)聚焦系統(tǒng)中，自適應(yīng)選取視場(chǎng)中某個(gè)具有足夠大小的區(qū)域作為對(duì)焦區(qū)域，使該區(qū)域的景物具有明顯邊緣和紋理特征，利用改進(jìn)的laplace函數(shù)對(duì)成像的清晰度進(jìn)行評(píng)估，優(yōu)化搜索策略，采取定步長(zhǎng)、變步長(zhǎng)相結(jié)合，改進(jìn)的爬山法和遍歷搜索相結(jié)合的方式，在保證聚焦精度的前提下，提高聚焦速率，實(shí)現(xiàn)紅外熱像儀快速準(zhǔn)確的自動(dòng)聚焦。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種快速自適應(yīng)自動(dòng)聚焦方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光電產(chǎn)品應(yīng)用【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種快速自適應(yīng)自動(dòng)聚焦方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 圖像采集過(guò)程中，能否自動(dòng)聚焦得到清晰圖像，是對(duì)圖像進(jìn)行分析處理的首要步 驟。傳統(tǒng)的手動(dòng)調(diào)焦方式，主要依靠人的目測(cè)和手調(diào)，不僅繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng)，調(diào)整精度受人的主 觀(guān)影響較大。因此選擇一種抗干擾性好、精度較高、穩(wěn)定性強(qiáng)且實(shí)時(shí)性好的聚焦方法具有重 要意義。
[0003] 自動(dòng)聚焦方式主要包括基于測(cè)距的方法和基于圖像處理的方法。基于圖像處理的 智能化方法有著體積小、速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。但是，由于成像目標(biāo) 和成像條件的復(fù)雜性，現(xiàn)有數(shù)字成像系統(tǒng)中的自動(dòng)聚焦技術(shù)仍存在各種各樣的缺點(diǎn)。在如 何選擇聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)和聚焦區(qū)域、如何進(jìn)行反饋控制和如何提高聚焦搜索速度等方面，還 有諸多問(wèn)題有待解決。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外公開(kāi)文獻(xiàn)中報(bào)道的基于圖像的自動(dòng)聚焦技術(shù)，針對(duì)特定 環(huán)境：如干擾較小，圖像較清晰等，聚焦效果較好。但是當(dāng)成像目標(biāo)和成像條件較差，聚焦往 往耗時(shí)較長(zhǎng)且聚焦經(jīng)常失敗。
[0004] 因此，亟需研制一種快速自適應(yīng)自動(dòng)聚焦方法，在保證聚焦精度的前提下，提高聚 焦速率，實(shí)現(xiàn)紅外熱像儀快速準(zhǔn)確的自動(dòng)聚焦。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種快速自適應(yīng)自動(dòng)聚焦方法，從而在保證聚焦 精度的前提下，提高聚焦速率，實(shí)現(xiàn)紅外熱像儀快速準(zhǔn)確的自動(dòng)聚焦。
[0006] 為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：
[0007] -種快速自適應(yīng)自動(dòng)聚焦方法，通過(guò)計(jì)算圖像的梯度，來(lái)實(shí)現(xiàn)熱像儀的準(zhǔn)確聚焦； 首先根據(jù)監(jiān)控目標(biāo)選取聚焦區(qū)域，通過(guò)移動(dòng)調(diào)焦電機(jī)，在不同位置對(duì)聚焦區(qū)域內(nèi)圖像計(jì)算 其梯度，通過(guò)比較梯度值大小，移動(dòng)電機(jī)，直至獲得最大梯度，此時(shí)電機(jī)位置即為目標(biāo)清晰 成像位置；調(diào)焦電機(jī)提供兩檔速率，第一檔速率對(duì)應(yīng)快速移動(dòng)，第二檔速率對(duì)應(yīng)慢速移動(dòng)， 調(diào)焦電機(jī)以第一檔速率在規(guī)定時(shí)間T內(nèi)所走的距離為一個(gè)大步長(zhǎng)，調(diào)焦電機(jī)以第二檔速率 在規(guī)定時(shí)間T內(nèi)移動(dòng)所走的距離為一個(gè)小步長(zhǎng)。
[0008] 具體包括以下步驟：
[0009] (1)聚焦清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)：
[0010] 圖像紋理豐富程度通過(guò)計(jì)算圖像邊緣梯度來(lái)定量計(jì)算，采用拉普拉斯聚焦評(píng)價(jià)函 數(shù)：
[0011]

【權(quán)利要求】
1. 一種快速自適應(yīng)自動(dòng)聚焦方法，其特征在于： 通過(guò)計(jì)算圖像的梯度，來(lái)實(shí)現(xiàn)熱像儀的準(zhǔn)確聚焦；首先根據(jù)監(jiān)控目標(biāo)選取聚焦區(qū)域，通 過(guò)移動(dòng)調(diào)焦電機(jī)，在不同位置對(duì)聚焦區(qū)域內(nèi)圖像計(jì)算其梯度，通過(guò)比較梯度值大小，移動(dòng)電 機(jī)，直至獲得最大梯度，此時(shí)電機(jī)位置即為目標(biāo)清晰成像位置；調(diào)焦電機(jī)提供兩檔速率，第 一檔速率對(duì)應(yīng)快速移動(dòng)，第二檔速率對(duì)應(yīng)慢速移動(dòng)，調(diào)焦電機(jī)以第一檔速率在規(guī)定時(shí)間T 內(nèi)所走的距離為一個(gè)大步長(zhǎng)，調(diào)焦電機(jī)以第二檔速率在規(guī)定時(shí)間T內(nèi)移動(dòng)所走的距離為一 個(gè)小步長(zhǎng)； 具體包括以下步驟： (1) 聚焦清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)： 圖像紋理豐富程度通過(guò)計(jì)算圖像邊緣梯度來(lái)定量計(jì)算，采用拉普拉斯聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)： M N = {[2C(x.ι·) -G(.v,v+.step) -G(x,v-siep)]1 +[2G(.v, )·') -Gix+step,y) -G(x-siep,j·)]2 } x=l.v=l 其中，M，N是圖像高度和寬度，G(x，y)是對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的灰度值；step是采樣間隔，根據(jù) 具體輸入圖像選??； (2) 聚焦區(qū)域選擇： 聚焦區(qū)域是圖像后續(xù)處理所關(guān)注的目標(biāo)存在區(qū)域，根據(jù)監(jiān)控目標(biāo)不同，采取兩種不同 聚焦窗口 ：區(qū)域中心法和下三角品字形法；兩種聚焦窗口都是矩形； 針對(duì)空中目標(biāo)，采用區(qū)域中心法，目標(biāo)成像于視場(chǎng)中心；以圖像的幾何中心作為聚焦窗 口中心，以圖像高度和寬度大小的一半作為聚焦窗口的長(zhǎng)度和寬度的尺寸； 針對(duì)地物目標(biāo)，采用下三角品字形法，目標(biāo)成像于視場(chǎng)中心和視場(chǎng)下方，將圖像在高度 上三等分，聚焦區(qū)域包括兩部分：第一部分是長(zhǎng)度為圖像長(zhǎng)度，寬度為圖像寬度的三分之一 的矩形區(qū)域，對(duì)應(yīng)整個(gè)圖像的最下面三分之一區(qū)域；第二部分是寬度為三分之一的圖像高 度，長(zhǎng)度為三分之一的圖像長(zhǎng)度的矩形區(qū)域，而且第二部分的矩形區(qū)域底部與第一部分的 矩形區(qū)域頂部相連接； 對(duì)于輸入視頻幀，計(jì)算上述兩種聚焦區(qū)域的評(píng)價(jià)函數(shù)值，比較兩者大小，選取對(duì)應(yīng)大的 評(píng)價(jià)函數(shù)值的聚焦區(qū)域?yàn)榫劢箙^(qū)域； (3) 確定聚焦搜索策略： 采用改進(jìn)的爬山法與遍歷搜索相結(jié)合的方式進(jìn)行自動(dòng)聚焦； (A)用改進(jìn)的爬山法進(jìn)行自動(dòng)聚焦： A. 1 :從一端開(kāi)始以大步長(zhǎng)移動(dòng)電機(jī)，每移動(dòng)一次，利用步驟（1)中的拉普拉斯聚焦評(píng) 價(jià)函數(shù)計(jì)算該位置對(duì)應(yīng)的圖像梯度值，連續(xù)記錄8個(gè)位置的圖像梯度值； A. 2 :如果連續(xù)8個(gè)位置的圖像梯度值不符合單調(diào)遞增，則重復(fù)步驟A. 1，在調(diào)焦電機(jī)走 完一個(gè)行程前找到符合步驟A. 1中條件的連續(xù)8個(gè)梯度值單調(diào)遞增時(shí)，轉(zhuǎn)步驟A. 3 ;否則轉(zhuǎn) 步驟B; A. 3 :如果連續(xù)8個(gè)位置的圖像梯度值符合單調(diào)遞增，就判定梯度曲線(xiàn)處于上升階段， 然后繼續(xù)以大步長(zhǎng)移動(dòng)電機(jī)并記錄圖像梯度值，如果圖像梯度值達(dá)到最大值后下降，將該 最大值作為候選最大值； A. 4 :再繼續(xù)以大步長(zhǎng)移動(dòng)五步，當(dāng)滿(mǎn)足五步中有三步以上計(jì)算出的梯度值小于該候選 最大值，則確認(rèn)該候選最大值為爬山算法的最大值點(diǎn)，對(duì)應(yīng)電機(jī)位置為聚焦最佳位置，調(diào)節(jié) 電機(jī)，回到聚焦最佳位置，結(jié)束聚焦過(guò)程，輸出圖像； A. 5 :否則，重復(fù)A. 1到A. 4步驟，繼續(xù)使用改進(jìn)的爬山法進(jìn)行搜索； (B)當(dāng)全局搜索后，均沒(méi)有出現(xiàn)滿(mǎn)足改進(jìn)后爬山法的情況，則認(rèn)為改進(jìn)后的爬山法失 效，進(jìn)而利用全局搜索算法進(jìn)行自動(dòng)聚焦： 如調(diào)焦電機(jī)走完一個(gè)行程，沒(méi)有找到符合步驟（A)中條件的改進(jìn)的爬山算法的最大值 點(diǎn)，則從一端開(kāi)始以大步長(zhǎng)移動(dòng)電機(jī)，每移動(dòng)一次，利用步驟（2)中的拉普拉斯聚焦評(píng)價(jià)函 數(shù)計(jì)算該位置對(duì)應(yīng)的圖像梯度值，連續(xù)記錄每個(gè)位置的圖像梯度值，以全程搜索過(guò)程中記 錄的最大值點(diǎn)為全局最大梯度值位置； 將調(diào)焦電機(jī)移動(dòng)到全局最大梯度值位置，在該位置一個(gè)大步長(zhǎng)范圍內(nèi)，以小步長(zhǎng)移動(dòng) 并記錄每次小步長(zhǎng)移動(dòng)后對(duì)應(yīng)位置的圖像梯度值，與全局最大梯度值比較，從中選取最大 值點(diǎn)，此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置為聚焦最清晰位置； 調(diào)節(jié)電機(jī)，回到聚焦最佳位置，結(jié)束聚焦過(guò)程，輸出圖像。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種快速自適應(yīng)自動(dòng)聚焦方法，其特征在于：拉普拉斯聚焦評(píng) 價(jià)函數(shù)中采樣間隔st印=20。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種快速自適應(yīng)自動(dòng)聚焦方法，其特征在于：調(diào)焦電機(jī)每次移 動(dòng)的規(guī)定時(shí)間T=20ms。
【文檔編號(hào)】G02B7/36GK104459940SQ201310447587
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月25日
【發(fā)明者】張挺, 朱敏, 楊樺, 楊金寶 申請(qǐng)人:北京環(huán)境特性研究所