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一種用于相機的自動聚焦方法與流程

發布時間:2020-07-09 13:50:57 已有: 人閱讀

  隨著社會的發展和科技的進步,人們生活水平有了很大的改善。國家在發展經濟的同時,也加大對于社會公共安全防范產業的投入和產品研發。我國正在構建平安城市、智慧城市項目。在這個項目中,安防監控系統是其中不可或缺的一環。

  在安防監控系統中,監控攝像機已經成為關鍵設備之一。早期的監控攝像機需要人為對其進行手動聚焦,耗費人們大量精力。隨著工業技術的發展和數字圖像處理技術的成熟,早期的監控攝像機已經不能滿足人們的需求,人們需要一種自動聚集的方式來代替人工操作。于是,基于數字圖像處理技術的自動聚焦技術得到快速的發展。

  數字圖像處理的自動聚焦方法主要是通過圖像傳感器將得到圖像,利用清晰度評價函數計算圖像的清晰度評價函數值,在計算出相應的函數值之后,根據函數值的大小驅動電機,使攝像機鏡頭與槍機內傳感器的位置滿足光學高斯公式,最后得到最佳聚焦點。

  自動聚焦技術的研究可以追溯到19世紀末,隨著計算機技術和圖像處理理論的發展,自動聚焦技術得到快速崛起,自動聚焦技術應用的產品在人們日常生活也隨處可見。

  綜上所述,現有技術存在的問題是:常見的自動聚焦技術產品采用單行程搜索方法,在鏡頭的單行程中搜索圖像最佳清晰點位置,控制鏡頭向最佳清晰位置運動。但是,鏡頭在搜索最佳清晰位置時,往往會因為相機的結構組成和相機在采集圖像的過程中存在噪聲的原因,鏡頭聚焦過程中出現虛焦或者聚焦不上的現象,影響產品的最后結果;并且鏡頭在大幅度離焦狀態下,聚焦緩慢,花費大量的時間,影響產品的實時性。

  針對現有技術存在的問題,本發明采用一種改進的爬坡算法進行自動聚焦的方法。步進電機驅動鏡頭從鏡頭的放大端進行出發,當步進電機運動一個步長以后,就計算當前位置所對應的圖像的聚焦評價函數值。通過計算不同位置的圖像聚焦評價函數值,判斷鏡頭的運動方向,當出現準峰值時,判斷鏡頭接下來幾幀圖像的聚焦評價函數值,如果鏡頭接下來幾幀圖像的聚焦評價函數值沒有準峰值對應的聚焦評價函數值大,則將準峰值記為峰值,驅動鏡頭到峰值位置,如果鏡頭接下來幾幀圖像聚焦評價函數值沒有準峰值對應的聚焦評價函數值大,則繼續搜索準峰值,選取最大的準峰值,將其記為峰值,驅動鏡頭到峰值位置。

  本發明是這樣實現的,一種用于相機的自動聚焦方法,所述用于相機的自動聚焦方法采用爬坡策略,通過對鏡頭整個行程搜索待測物的清晰度評價函數值,選擇最佳函數值,控制電機運動到所述的最佳函數值,實現聚焦。

  進一步,在步驟一中,獲取圖像清晰度判據包括:在晴朗天氣環境中獲取圖像清晰度判據和在霧天的環境中獲取圖像清晰度判據;在霧天的環境中,通過修改圖像前景的顯示閾值,增加圖像清晰度評價函數值,用于防止搜索算法找不到聚焦清晰點而不能停止。

  所述獲取圖像紋理點數的方法為:采用十字形鄰域算子,計算十字形鄰域中的四個鄰域點與中間點的差,若存在差值大于閾值的點,則該點判為紋理點;對整幅圖像上的所有像素點進行紋理點判斷,將判為紋理的像素點的個數累加,累加結果作為聚焦函數的返回值,將返回值繪成聚焦函數曲線;聚焦曲線上峰值點所對應的聚焦位置即為聚焦清晰位置;

  所述獲取圖像清晰度判據方法還包括統計前景點數,將當前幀與背景幀作差,統計大于閾值的前景點數,將前景點數作為聚焦函數的返回值;

  所述統計前景點數還包括統計聚焦全程中圖像的均值和方差,將統計的均值作為背景,方差作為前景閾值。

  首先將相機鏡頭移動到鏡頭的放大端,控制鏡頭在測量量程中進行局部最大值的搜索,判斷下一幀持續判斷的幀數,若在該范圍內沒有出現大于準峰值的點,則準峰值點判為峰值點,否則若出現大于準峰值的點,則繼續尋找新的準峰值點;當出現峰值點時,控制驅動電機使鏡頭定位在圖像最清晰位置。

  進一步,所述峰值搜索策略下的相機的聚焦位置包括相機處于聚焦區和相機處于散焦區,初始狀態默認處于散焦區;

  所述大變倍下峰值搜索策略,聚焦曲線的清晰區域范圍窄,在聚焦點附近突然出現尖峰,而在散焦區波形變化平緩;

  大變倍情況下,相機初始位于散焦區,此時峰值搜索策略為計算相鄰幀間聚焦函數值的變化率,若變化率達到5%,則聚焦位置變為聚焦區;

  進入聚焦區域后,峰值搜索策略變為尋找局部最大值,該局部范圍設為準峰值出現后持續判斷的幀數,若在該范圍內沒有出現大于準峰值的點,則準峰值點判為峰值點,否則若出現大于準峰值的點,則繼續尋找新的準峰值點;

  當找到峰值點后,記錄該峰值點位置為正向聚焦位置,然后發送反向聚焦指令,繼續搜索局部峰值,并將本次搜索到的峰值記為反向聚焦位置,然后,將正向、反向兩次得到的聚焦位置取平均值,得到的平均值即為聚焦清晰點位置;

  所述小變倍下峰值搜索策略下的聚焦曲線清晰區域寬,峰值附近存在明顯的爬坡過程,所述小變倍下峰值搜索策略同樣分為進入聚焦區域判斷和峰值搜索兩部分。

  進一步,進入聚焦區域的判斷方法為分別記錄聚焦曲線上坡與下坡的幀數,當上坡/下坡的幀計數器達到閾值時,說明進入/離開聚焦區域,所述幀計數器的更新機制包括:

  進一步,所述獲取圖像紋理點數的方法中,采取以十字形為域獲取圖像邊緣紋理的方法,并將圖像紋理點數作為聚焦評價函數值,點(x,y)是否為紋理點定義為:

  其中,thr為紋理點閾值,默認為16;若點(x,y)為紋理點,則圖像的聚焦評價函數值累加1,依次判斷每一個像素點,進而獲得整個圖像的聚焦評價函數值。

  進一步,所述爬坡算法采用相機從聚焦位置的一端走向另一端的過程中,當發現聚焦清晰點的位置后,則控制相機停到聚焦清晰點位置上。

  本發明提供的用于相機的自動聚焦方法通過計算相機獲得的圖像清晰度評價函數,采用爬坡算法進行峰值搜索,得到圖像最清晰位置,通過控制相機使相機向圖像最清晰位置運動,最后達到聚焦的目的。數字圖像處理的用于相機的自動聚焦方法通過圖像傳感器將得到圖像,利用清晰度評價函數計算圖像的清晰度評價函數值,在計算出相應的函數值之后,根據函數值的大小驅動電機,使攝像機鏡頭與相機內傳感器的位置滿足光學高斯公式,最后得到最佳聚焦點。

  通過采用爬坡算法進行自動聚焦,可以在30ms內完成整個聚焦的搜索。通過安裝此爬坡算法的用于相機的自動聚焦方法的鏡頭與聚集算法的鏡頭的對比,發現安裝此爬坡算法的用于相機的自動聚焦方法的鏡頭比聚集算法的鏡頭進行目標聚焦花費的時間少3~5ms,對于不同距離的目標進行聚焦測試, 90%以上的聚焦操作都可以獲得清晰的目標圖像。

  為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白,以下結合實施例,對本發明進行進一步詳細說明。應當理解,此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明,并不用于限定本發明。

  現有技術存在的問題是:常見的自動聚焦技術產品采用單行程搜索方法,在鏡頭的單行程中搜索圖像最佳清晰點位置,控制鏡頭向最佳清晰位置運動。但是,鏡頭在搜索最佳清晰位置時,往往會因為相機的結構組成和相機在采集圖像的過程中存在噪聲的原因,鏡頭聚焦過程中出現虛焦或者聚焦不上的現象,影響產品的最后結果;并且鏡頭在大幅度離焦狀態下,聚焦緩慢,花費大量的時間,影響產品的實時性。

  本發明實施例提供的用于相機的自動聚焦方法,采用爬坡策略,通過對鏡頭整個行程搜索待測物的清晰度評價函數值,選擇最佳函數值,控制電機運動到所述的最佳函數值,實現聚焦。

  在S101中,獲取圖像清晰度判據主要針對正常天氣情況下,當面對霧天大變倍等環境時,通過增加前景閾值的方法,獲取圖像清晰度評價函數值。

  其中,獲取圖像紋理點數的方法為:采用“十”字形鄰域算子,計算“十”字形鄰域中的四個鄰域點與中間點的差,若存在差值大于閾值的點,則該點判為紋理點;對整幅圖像上的所有像素點進行紋理點判斷,將判為紋理的像素點的個數累加,該累加結果作為聚焦函數的返回值,該返回值繪成聚焦函數曲線;聚焦曲線上峰值點所對應的聚焦位置即為聚焦清晰位置;

  其中,獲取圖像清晰度判據方法是統計前景點數,即將當前幀與背景幀作差,統計大于閾值的前景點數,將前景點數作為聚焦函數的返回值;統計前景點數還包括統計聚焦全程中圖像的均值和方差,將統計的均值作為背景,方差作為前景閾值。

  所述S102中峰值搜索策略下的相機的聚焦位置有兩種,一種是相機處于聚焦區,一種是處于散焦區,初始狀態默認處于散焦區;

  大變倍情況下,聚焦曲線的清晰區域范圍窄,表現為在聚焦點附近突然出現尖峰,而在散焦區波形變化平緩;

  大變倍情況下,相機初始位于散焦區,此時峰值搜索策略為計算相鄰幀間聚焦函數值的變化率,若變化率達到5%,則聚焦位置變為聚焦區;

  進入聚焦區域后,峰值搜索策略變為尋找局部最大值,該局部范圍設為準峰值出現后持續判斷的幀數,若在該范圍內沒有出現大于準峰值的點,則準峰值點判為峰值點,否則若出現大于準峰值的點,則繼續尋找新的準峰值點;

  當找到峰值點后,記錄該峰值點位置為正向聚焦位置,然后發送反向聚焦指令,繼續搜索局部峰值,并將本次搜索到的峰值記為反向聚焦位置,然后,將正向、反向兩次得到的聚焦位置取平均值,得到的平均值即為聚焦清晰點位置;

  小變倍下的聚焦曲線清晰區域較寬,峰值附近存在明顯的爬坡過程,其聚焦策略同樣分為進入聚焦區域判斷和峰值搜索兩部分。

  進入聚焦區域的判斷方法為分別記錄聚焦曲線上坡與下坡的幀數,當上坡/ 下坡的幀計數器達到閾值時,說明進入/離開聚焦區域,所述幀計數器的更新機制包括如下內容:

  進入聚焦區域后,峰值搜索策略變為尋找局部峰值,小變倍下的局部峰值搜索策略同權利要求12-13所述的大變倍下的局部峰值搜索策略。

  本發明實施例提供的算法模塊可以利用現用的機器組件,不需要為自動聚焦算法模塊增加其他的組件。利用該算法模塊可以快速地完成待測物的聚焦行為。

  為實現上述的發明目的,本發明提出一種自動聚焦算法。該算法采用爬坡策略,通過對鏡頭整個行程搜索待測物的清晰度評價函數值,選擇最佳函數值,控制相機運動到該值,從而到達聚焦的目的。

  本發明的自動聚集算法模塊可以搭載本司的重型云臺,應用在視頻監控領域例如碼頭、監獄、銀行等重要場所。通過控制云臺轉動監控不同的目標,并將監控圖像通過網絡顯示出來。當云臺對待測物進行監控時,可以改變鏡頭變倍數值,實現待測目標聚焦。

  圖像清晰度評價函數對自動聚焦算法模塊的性能非常重要,本發明在分析了常見聚焦評價函數的基礎上,采取以十字形為域獲取圖像邊緣紋理的方法,并將圖像紋理點數作為聚焦評價函數值,點(x,y)是否為紋理點定義為:

  其中,thr為紋理點閾值,本文默認為16?芍,若點(x,y)為紋理點,則圖像的聚焦評價函數值累加1,依次判斷每一個像素點,進而獲得整個圖像的聚焦評價函數值。

  均值方差在第一輪中持續累加當前像素點的值和其平方值,用于在第一輪結束時計算圖像中各像素點的均值和方差,并將求得的均值作為背景,方差作為背景差閾值,用于計算前景點數即聚焦評價函數值,第二輪聚焦就是為了找出前景點數最大的點所對應的聚焦位置,而第三輪將在第二輪獲取的聚焦位置附近一定范圍內,尋找最大值,當經過該附近區域后,將二、三兩輪獲得的聚焦位置做平均,該平均值即為聚焦清晰點。

  本發明中可以通過改變鏡頭的變倍數值對待測目標進行聚焦,將鏡頭的變倍范圍分為大變倍區域和小變倍區域,在變倍區域內采用爬坡算法搜索目標最佳聚焦清晰點。

  爬坡算法采用相機從聚焦位置的一端走向另一端的過程中,當發現聚焦清晰點的位置后,則控制相機停到該位置上,不在鏡頭全程范圍內取最佳值。

  在小變倍區域中,整個聚焦過程中,聚焦位置被分為“聚焦區”和“離焦區”兩種,初始位置狀態為離焦區,當滿足一定的判定條件后,進入聚焦區。

  在離焦區,曲線會存在小范圍波動,但不會形成明顯峰值。離焦狀態存在兩個計數器,分別記錄聚焦評價曲線的上升和下降次數,當上升/下降次數達到閾值時,說明已進入/離開聚焦區,由此執行聚焦區判定策略。當曲線出現明顯的上升/下降趨勢時,下降/上升計數清零,也就是說只有當曲線持續的出現上升 /下降時,才會被判為進入/離開聚焦區。

  局部峰值搜索算法具體說來:若判為進入聚焦區,當曲線在上升過程中出現轉折后,將轉折點判為準峰值點,若之后出現的點持續下降或低于準峰值點,則該準峰值點被判為局部峰值點,反之若在此過程中出現高于準峰值點的點,則按上述步驟重新尋找準峰值點,當局部峰值點確認后,發送指令讓相機向反方向聚焦,以同樣的方式再次獲得局部峰值點,然后,兩個局部峰值點取均值作為聚焦清晰點,控制電機,使相機運動到該聚焦清晰點處,此時完成自動聚焦。

  在大變倍區域中,景物拉的較近,而聚焦曲線表現為在聚焦最佳點處出現快速的較為尖銳的峰值,由于峰值出現的非?,使得在聚焦最佳點附近所計算的圖像紋理變化很大,基于此,本發明提出的進入/離開聚焦區的判斷條件為判斷評價函數值的變化率,當變化率達到所設閾值后,判為進入/離開聚焦區。當進入/離開聚焦區后,同樣是采取尋找局部峰值的方法選出最佳聚焦點,發送絕對位置控制指令將相機聚焦到最佳聚焦點。

  本發明提供的用于相機的自動聚焦方法可以自動、快速、精確的調整鏡頭的焦距,實現鏡頭的自動聚焦,獲得清晰的圖像。

  以上所述僅為本發明的較佳實施例而已,并不用以限制本發明,凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等,均應包含在本發明的保護范圍之內。

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