一種紅外自動對焦系統(tǒng)及快速自動對焦方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種紅外自動對焦系統(tǒng)，包括數(shù)字處理單元、綜合控制單元、位置控制伺服系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)；所述的數(shù)字處理單元包括圖像采集模塊、紅外圖像特性分析模塊、特性量化存儲單元和位置信息存儲單元；所述的位置控制伺服系統(tǒng)包括運(yùn)動控制單元、方向控制模塊和運(yùn)動使能模塊，所述的運(yùn)動控制單元上連接有溫度檢測模塊；所述的電機(jī)系統(tǒng)包括電機(jī)驅(qū)動模塊、直流電機(jī)、限位模塊和角度測量模塊，所述的角度測量模塊與運(yùn)動控制單元連接；還公開了其快速自動對焦方法；本發(fā)明采用閉環(huán)反饋運(yùn)動控制技術(shù)，有效提高電機(jī)運(yùn)動控制的精度，進(jìn)而有效提高對焦精度，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。
【專利說明】
一種紅外自動對焦系統(tǒng)及快速自動對焦方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于紅外成像技術(shù)和自動控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于紅外熱像儀的 自動對焦系統(tǒng)，以及其快速自動對焦方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在八十年代中期出現(xiàn)了自動對焦技術(shù)(Automatic Focusing，簡稱AF)，并被用于 照相機(jī)、攝像機(jī)、顯微鏡、掃描儀等各種精密儀器中。隨著微電子技術(shù)、超大規(guī)模集成電路技 術(shù)、信號處理技術(shù)的快速發(fā)展，在以數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)為代表的現(xiàn)代成像系統(tǒng)中出現(xiàn)了非 TTL式自動對焦、TTL自動對焦、多點(diǎn)自動對焦、全息自動對焦（Hologram AF)、臉部對焦等 多種自動對焦技術(shù)。
[0003] 自動對焦技術(shù)從原理上可大致分為三大類:一是基于測距原理的自動對焦技術(shù)， 通過發(fā)射紅外線(或其它射線），根據(jù)被攝體的反射確定被攝體的距離，然后根據(jù)測得的結(jié) 果調(diào)整鏡頭組合，實(shí)現(xiàn)自動對焦;二是基于視頻信號分析的自動對焦技術(shù)，對準(zhǔn)確對焦圖像 的模擬視頻信號和離焦圖像的模擬視頻信號進(jìn)行鑒別，根據(jù)視頻信號中高頻分量的電平幅 度變化，實(shí)現(xiàn)自動對焦;三是基于數(shù)字圖像處理的自動對焦技術(shù)，以CCD(或CMOS)獲取的圖 像作為對焦的基本信息，以圖像分析和處理為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)自動對焦。其中基于數(shù)字圖像處理 的自動對焦技術(shù)代表了智能化自動對焦的發(fā)展方向。
[0004] 目前，自動對焦技術(shù)主要應(yīng)用于可見光系統(tǒng)。紅外成像系統(tǒng)與可見光成像系統(tǒng)的 不同之處在于:一是紅外波段波長較長，紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，控制精度要求高；二是受 現(xiàn)有技術(shù)、工藝的制約，紅外探測器的像元較少、均勻性差、像元間存在串音，導(dǎo)致景物邊緣 粗糙，圖像中的噪聲較大;三是紅外探測是基于溫度差異，一定程度上紅外圖像反應(yīng)的是物 體熱分布圖像，而不是我們視覺看到的物體外形圖。
[0005]由于紅外波段波長較長，紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，控制精度要求高，傳統(tǒng)的自動調(diào) 焦技術(shù)不可能直接運(yùn)用于紅外系統(tǒng)，基于測距原理的自動對焦技術(shù)不適合遠(yuǎn)距離觀測的紅 外系統(tǒng);基于模擬視頻信號分析的自動對焦技術(shù)因原始信息取自模擬信號且沒有利用視頻 信號中豐富的圖像信息等不足也不適和運(yùn)用于紅外系統(tǒng)。
[0006] 因此，有必要開發(fā)基于數(shù)字圖像處理的自動對焦方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的之一在于提供一種紅外自動對焦系統(tǒng)，該系 統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)紅外成像系統(tǒng)的快速精確定焦，提升紅外成像系統(tǒng)的成像效果。
[0008] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種紅外自動對焦系統(tǒng)，包括順序 連接的數(shù)字處理單元、綜合控制單元、位置控制伺服系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng);所述的數(shù)字處理單元 包括圖像采集模塊、紅外圖像特性分析模塊、特性量化存儲單元和位置信息存儲單元;所述 的位置控制伺服系統(tǒng)包括運(yùn)動控制單元、方向控制模塊和運(yùn)動使能模塊，所述的運(yùn)動控制 單元上連接有溫度檢測模塊;所述的電機(jī)系統(tǒng)包括電機(jī)驅(qū)動模塊、直流電機(jī)、限位模塊和角 度測量模塊，所述的角度測量模塊與運(yùn)動控制單元連接。
[0009]所述的一種紅外自動對焦系統(tǒng)，其運(yùn)動控制單元包括順序連接的上位機(jī)、單片機(jī) 和光電隔離模塊，所述的電機(jī)驅(qū)動模塊為與光電隔離模塊連接的H驅(qū)動橋，所述的直流電機(jī) 和單片機(jī)之間連接有增量式光電編碼器。
[0010]為滿足前視紅外系統(tǒng)(FLIR)，在快速運(yùn)動的目標(biāo)的清晰成像、寬溫度泛圍穩(wěn)定工 作等方面對快速、自動調(diào)焦具有現(xiàn)實(shí)的需求，本發(fā)明的目的之二在于提供一種用于紅外熱 像儀的快速自動對焦方法，其能夠?qū)崿F(xiàn)在無人工干預(yù)的條件下，使紅外熱像儀能夠根據(jù)目 標(biāo)景物的特性進(jìn)行自動補(bǔ)償，獲得清晰的紅外圖像。
[0011]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種紅外自動對焦系統(tǒng)的快速自動 對焦方法，步驟包括:a)、數(shù)字處理單元接收到自動對焦指令后向位置控制伺服系統(tǒng)發(fā)出理 想無究遠(yuǎn)處位置給定信號;b)、位置控制伺服系統(tǒng)根據(jù)溫度條件解算，控制電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn) 動，到位后將回告信號發(fā)往綜合控制單元;c)、綜合控制單元開啟圖像采集并進(jìn)行紅外圖像 特性分析，將該位置的紅外圖像的特性指標(biāo)及位置信息存儲在相關(guān)的存儲器中，完成第一 點(diǎn)的運(yùn)算;d)、綜合控制單元依次在全量程內(nèi)對各點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算及存儲，最后根據(jù)存儲器中內(nèi) 各點(diǎn)的特性指標(biāo)，判定最優(yōu)位置;e)、電機(jī)系統(tǒng)控制直流電機(jī)運(yùn)動到位。
[0012]所述的一種紅外自動對焦系統(tǒng)的自動對焦方法，其電機(jī)系統(tǒng)的控制方法為:上位 機(jī)通過串口向單片機(jī)發(fā)送控制命令，單片機(jī)接收到控制命令后通過運(yùn)算比較判斷，然后輸 出PffM脈沖波形和轉(zhuǎn)向信號，經(jīng)過光電隔離模塊后輸出給H驅(qū)動橋驅(qū)動直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，增量 式光電編碼器將直流電機(jī)的位置回饋給單片機(jī)實(shí)現(xiàn)位置反饋控制。
[0 013 ]所述的一種紅外自動對焦系統(tǒng)的快速自動對焦方法，其控制命令包括正反調(diào)焦、 停機(jī)、變焦和位置命令。
[0014] 所述的一種紅外自動對焦系統(tǒng)的快速自動對焦方法，其位置反饋控制包括零位的 確定，變焦控制，正/反轉(zhuǎn)及快速制動停機(jī)。
[0015] 其中，所述零位的確定采用機(jī)械零位作為系統(tǒng)零位點(diǎn)，系統(tǒng)上電時直流電機(jī)以一 個固定的低速度運(yùn)行到機(jī)械零位。
[0016] 其中，所述的變焦控制為：電機(jī)驅(qū)動模塊接收到上位機(jī)的變焦命令后，比較兩個不 同焦距位置差值選擇不同加減速度和最高速度，并實(shí)時反饋電機(jī)位置，采用增量式PID控制 算法，實(shí)現(xiàn)精確控制；
[0017] 其中，所述的正/反轉(zhuǎn)及快速制動停機(jī)為:位置控制伺服系統(tǒng)發(fā)送停機(jī)命令后，電 機(jī)驅(qū)動模塊記錄當(dāng)前碼值并停止PWM輸出，使直流電機(jī)工作于再生發(fā)電制動狀態(tài)，當(dāng)直流電 機(jī)速度為零時，比較當(dāng)前碼值與發(fā)停機(jī)命令碼值的差值，對直流電機(jī)進(jìn)行反向微調(diào)焦，使直 流電機(jī)最終精確停止在指定圖像清晰位置。
[0018] 本發(fā)明的有益效果是:采用閉環(huán)反饋運(yùn)動控制技術(shù)，可以有效提高電機(jī)運(yùn)動控制 的精度;采用的焦距評價函數(shù)具有無偏性、單峰性、靈敏度高、信噪比較高、計算量小等特 點(diǎn)，可以有效提尚對焦精度和對焦速度;結(jié)構(gòu)組成簡單，具有更尚的可靠性和實(shí)用性。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)原理框圖； 圖2是本發(fā)明運(yùn)動控制單元的原理框圖； 圖3是本發(fā)明的編碼器邊沿捕獲中斷程序框圖； 圖4是本發(fā)明的roi算法流程圖。
[0020] 各附圖標(biāo)記為：1 一數(shù)字處理單元，2-位置控制伺服系統(tǒng)，3-電機(jī)系統(tǒng)，4 一綜合 控制單兀，201 -上位機(jī)，202-單片機(jī)，203-H驅(qū)動橋，204-直流電機(jī)，205-增量式光電編 碼器，206-光電隔離模塊。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0022] 參照圖1所示，本發(fā)明公開了一種紅外自動對焦系統(tǒng)，包括數(shù)字處理單元1、位置控 制伺服系統(tǒng)2、直流電機(jī)系統(tǒng)3和綜合控制單元4。
[0023] 所述的數(shù)字處理單元1包括圖像采集模塊、紅外圖像特性分析模塊、特性量化存儲 單元和位置信息存儲單元;所述的位置控制伺服系統(tǒng)2包括運(yùn)動控制單元、方向控制模塊和 運(yùn)動使能模塊，所述的運(yùn)動控制單元上連接有溫度檢測模塊;所述的電機(jī)系統(tǒng)3包括電機(jī)驅(qū) 動模塊、直流電機(jī)204、限位模塊和角度測量模塊，所述的限位模塊包括限位A模塊和限位B 模塊，所述的角度測量模塊與運(yùn)動控制單元連接。
[0024]數(shù)字處理單元1接收到自動對焦指令后向位置控制伺服系統(tǒng)2發(fā)出理想無究遠(yuǎn)處 位置給定信號，位置控制伺服系統(tǒng)2根據(jù)溫度條件解算，然后控制電機(jī)系統(tǒng)3進(jìn)行運(yùn)動，到位 后將回告信號發(fā)往綜合控制單元4,綜合控制單元4開啟圖像采集并進(jìn)行紅外圖像特性分 析，將該位置的紅外圖像的特性指標(biāo)及位置信息存儲在相關(guān)的存儲器中，完成第一點(diǎn)的運(yùn) 算，綜合控制單元4依次在全量程內(nèi)對各點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算及存儲，最后根據(jù)存儲器中內(nèi)各點(diǎn)的特 性指標(biāo)，判定最優(yōu)位置，電機(jī)系統(tǒng)3控制直流電機(jī)204運(yùn)動到位。
[0025] 參照圖2所示，所述的運(yùn)動控制單元包括順序連接的上位機(jī)201、單片機(jī)202和光電 隔離模塊206,所述的電機(jī)驅(qū)動模塊為與光電隔離模塊206連接的H驅(qū)動橋203,所述的直流 電機(jī)204和單片機(jī)202之間連接有增量式光電編碼器205。
[0026] 控制過程為：上位機(jī)201通過串口向單片機(jī)202發(fā)送控制命令（包括正反調(diào)焦，停 機(jī)，變焦、位置等命令），單片機(jī)202接收到控制命令后通過運(yùn)算比較判斷，然后輸出PffM脈沖 波形和轉(zhuǎn)向信號，經(jīng)過光電隔離模塊206后輸出給H驅(qū)動橋203驅(qū)動直流電機(jī)204運(yùn)轉(zhuǎn)，直流 電機(jī)204的位置通過增量式光電編碼器205回饋給單片機(jī)202實(shí)現(xiàn)位置反饋控制。
[0027]直流電機(jī)204的控制主要用到5個捕捉/比較模塊，每個模塊都可以配置為獨(dú)立工 作，有六種工作方式:邊沿觸發(fā)捕捉，軟件定時器，高速輸出，頻率輸出，8位脈寬調(diào)制器和16 位脈寬調(diào)制器;兩個模塊設(shè)置為8位PWM輸出，H驅(qū)動橋203和兩個模塊設(shè)置為邊沿觸發(fā)(正沿 或負(fù)沿)捕捉方式，接編碼器的A、B路脈信號，在A或B路脈沖的邊沿觸發(fā)中斷，中斷服務(wù)子程 序如圖3所示。
[0028]所述的位置反饋控制主要包括三個方面：（1)零位的確定；（2)變焦控制；（3)正、反 轉(zhuǎn)及快速制動停機(jī)。
[0029] (1)零位的確定：只有保證機(jī)構(gòu)零位的固定不變，才能保證電機(jī)運(yùn)行中，每個碼值 對應(yīng)一個固定的機(jī)械位置。為了保證零位點(diǎn)可靠性，本發(fā)明采用機(jī)械零位作為系統(tǒng)零位點(diǎn)； 系統(tǒng)每次上電時直流電機(jī)204首先運(yùn)行機(jī)械零位；由于溫度的變化對電機(jī)的性能影響很大， 同樣的電壓在不同溫度下電機(jī)運(yùn)行速度相差很大，因此系統(tǒng)采用速度閉環(huán)控制;使每次上 電時電機(jī)都以一個固定的低速度運(yùn)行到機(jī)械零位。
[0030] (2)變焦控制：當(dāng)接收到上位機(jī)201的變焦命令后，通過比較兩個不同焦距位置差 值，將電機(jī)運(yùn)行分為三個階段，加速階段，勻速階段，減速階段。根據(jù)差值大小選擇不同加減 速度和最高速度，并實(shí)時反饋電機(jī)位置，參照圖4所示，采用增量式PID控制算法實(shí)現(xiàn)精確控 制。
[0031] 增量式PID控制算法公式為： 上式中：
(3)正、反轉(zhuǎn)及快速制動悍機(jī)：艿J尋找圖傢凊晰的怔置，耑安電機(jī)止反運(yùn)轉(zhuǎn)并能根據(jù) 上位機(jī)201的停機(jī)命令快速準(zhǔn)確停機(jī)。本發(fā)明采用再生發(fā)電制動，能使直流電機(jī)204快速停 機(jī)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)送停機(jī)命令后，立刻記錄當(dāng)前碼值，并停止PWM輸出，使電機(jī)工作于再生發(fā)電制 動狀態(tài)。
[0032]電機(jī)工作在正、反轉(zhuǎn)再生發(fā)電制動狀態(tài)時，S1~S4開關(guān)管關(guān)閉，電機(jī)繞組的自感電 動勢和反電勢之和大于電源電壓，電流經(jīng)過續(xù)流二極管將能量回饋電源，電流的路線和方 向如途中虛線。這時電機(jī)受到制動力矩的作用，電流和速度迅速衰減為零。當(dāng)電機(jī)速度為零 時，比較當(dāng)前碼值與發(fā)停機(jī)命令碼值的差值，對電機(jī)進(jìn)行反向微調(diào)焦，使電機(jī)最終精確停止 在指定圖像清晰位置。
[0033] 所述數(shù)字處理平臺采用FPGA+DSP構(gòu)架，F(xiàn)PGA選用ACTEL公司的APA600，DSP是TI公 司的F2812。因此數(shù)字外理單元采用C言語編寫，嵌入到DSP控制器中，無需額外硬件開銷。
[0034]上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，以及部分運(yùn)用的實(shí)施例，對于 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和 改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種紅外自動對焦系統(tǒng)，其特征在于:包括順序連接的數(shù)字處理單元（1)、綜合控制 單元(4)、位置控制伺服系統(tǒng)（2)和電機(jī)系統(tǒng)(3);所述的數(shù)字處理單元（1)包括圖像采集模 塊、紅外圖像特性分析模塊、特性量化存儲單元和位置信息存儲單元;所述的位置控制伺服 系統(tǒng)(2)包括運(yùn)動控制單元、方向控制模塊和運(yùn)動使能模塊，所述的運(yùn)動控制單元上連接有 溫度檢測模塊;所述的電機(jī)系統(tǒng)(3)包括電機(jī)驅(qū)動模塊、直流電機(jī)(204)、限位模塊和角度測 量模塊，所述的角度測量模塊與運(yùn)動控制單元連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紅外自動對焦系統(tǒng)，其特征在于，所述的運(yùn)動控制單元包 括順序連接的上位機(jī)(201)、單片機(jī)(202)和光電隔離模塊(206)，所述的電機(jī)驅(qū)動模塊為與 光電隔離模塊(206)連接的Η驅(qū)動橋(203)，所述的直流電機(jī)(204)和單片機(jī)(202)之間連接 有增量式光電編碼器(205)。3. -種如權(quán)利要求1所述紅外自動對焦系統(tǒng)的快速自動對焦方法，其特征在于，步驟包 括： a) 、數(shù)字處理單元（1)接收到自動對焦指令后向位置控制伺服系統(tǒng)(2)發(fā)出理想無究遠(yuǎn) 處位置給定信號； b) 、位置控制伺服系統(tǒng)(2)根據(jù)溫度條件解算，控制電機(jī)系統(tǒng)(3)進(jìn)行運(yùn)動，到位后將回 告信號發(fā)往綜合控制單元(4); C)、綜合控制單元(4)開啟圖像采集并進(jìn)行紅外圖像特性分析，將該位置的紅外圖像的 特性指標(biāo)及位置信息存儲在相關(guān)的存儲器中，完成第一點(diǎn)的運(yùn)算； d) 、綜合控制單元(4)依次在全量程內(nèi)對各點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算及存儲，最后根據(jù)存儲器中內(nèi)各 點(diǎn)的特性指標(biāo)，判定最優(yōu)位置； e) 、電機(jī)系統(tǒng)(3)控制直流電機(jī)(204)運(yùn)動到位。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種紅外自動對焦系統(tǒng)的快速自動對焦方法，其特征在于，所 述電機(jī)系統(tǒng)(3)的控制方法為： 上位機(jī)(201)通過串口向單片機(jī)(202)發(fā)送控制命令，單片機(jī)(202)接收到控制命令后 通過運(yùn)算比較判斷，然后輸出PWM脈沖波形和轉(zhuǎn)向信號，經(jīng)過光電隔離模塊(206)后輸出給Η 驅(qū)動橋(203)驅(qū)動直流電機(jī)(204)運(yùn)轉(zhuǎn)，增量式光電編碼器(205)將直流電機(jī)(204)的位置回 饋給單片機(jī)(202)實(shí)現(xiàn)位置反饋控制。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種紅外自動對焦系統(tǒng)的快速自動對焦方法，其特征在于，所 述的控制命令包括正反調(diào)焦、停機(jī)、變焦和位置命令。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種紅外自動對焦系統(tǒng)的快速自動對焦方法，其特征在于，所 述的位置反饋控制包括零位的確定，變焦控制，正/反轉(zhuǎn)及快速制動停機(jī)。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種紅外自動對焦系統(tǒng)的快速自動對焦方法，其特征在于，所 述零位的確定采用機(jī)械零位作為系統(tǒng)零位點(diǎn)，系統(tǒng)上電時直流電機(jī)(204)?-個固定的低 速度運(yùn)行到機(jī)械零位。8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種紅外自動對焦系統(tǒng)的快速自動對焦方法，其特征在于，所 述的變焦控制為：電機(jī)驅(qū)動模塊接收到上位機(jī)(201)的變焦命令后，比較兩個不同焦距位置 差值選擇不同加減速度和最高速度，并實(shí)時反饋電機(jī)位置，采用增量式PID控制算法，實(shí)現(xiàn) 精確控制； 所述增量式PID控制算法公式為:= ^ +ifez_i 上式49.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種紅外自動對焦系統(tǒng)的快速自動對焦方法，其特征在于，所 述的正/反轉(zhuǎn)及快速制動停機(jī)為:位置控制伺服系統(tǒng)(2)發(fā)送停機(jī)命令后，電機(jī)驅(qū)動模塊記 錄當(dāng)前碼值并停止PWM輸出，使直流電機(jī)(204)工作于再生發(fā)電制動狀態(tài)，當(dāng)直流電機(jī)(204) 速度為零時，比較當(dāng)前碼值與發(fā)停機(jī)命令碼值的差值，對直流電機(jī)(204)進(jìn)行反向微調(diào)焦， 使直流電機(jī)(204)最終精確停止在指定圖像清晰位置。
【文檔編號】G02B7/36GK105938233SQ201610344272
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】余徽, 張智杰, 王鵬, 趙坤, 陳華旺, 王晨晟
【申請人】湖北久之洋紅外系統(tǒng)股份有限公司