CN101660946B - 热像仪自动聚焦方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种热像仪自动聚焦方法及装置，属于红外图像处理技术领域。本发明公开了一种红外探测器输出的复合视频信号经视频解码器输出数字图像数据给微处理器，或者红外探测器输出高精度数字信号经解串器给微处理器，微处理器计算清晰度评价函数值，并根据所得到的清晰度评价函数值的变化趋势驱动电机带动红外镜头移动到最佳聚焦位置的方法及装置。其有益效果为：微处理器能够准确快速地找到最佳聚焦位置，减少反复的手动操作，减少人工干预，提高成像质量增强使用方便性。

Description

热像仪自动聚焦方法及装置 

技术领域

本发明涉及一种热像仪自动聚焦装置，属于红外图像处理技术领域。 

背景技术

获得清晰的图像是各种数字成像设备的最基本要求，摄像镜头多组镜片中专门设有一组聚焦镜片，通过改变聚焦组镜片的位置即可达到聚焦目的，自动聚焦可以代替人工完成此过程，从而节省大量时间，提高成像质量。自动聚焦可分为主动式和被动式两类。主动式自动聚焦是利用发射红外线或超声波来度量被摄物的距离，并使用一定的数学模型计算出最佳聚焦位置，该方式需要额外的测距设备，适用范围相对较小。被动方式指利用所获取图像的自有信息判断图像是否清晰，并给出反馈信号控制镜头运动，这种基于图像处理的自动聚焦算法的实现不需要额外的信号源和相应接收传感器，有利于缩小器件体积和降低成本，所以被广泛的采用。 

由于热像仪所用红外镜头制造材料与普通可见光镜头不同，所以通常采用手动转动镜头或者手动控制直流电机带动镜头来获得聚焦清晰的图像，这种方法调节过程长，聚焦精度受操作人员主观影响较大；红外热成像反映了物体表面的温度分布，目标的热图像和人眼所能看到的可见光图像不同，可见光镜头通常采用步进电机带动，搜索算法通常针对步进电机控制，所以现有的应用于CCD可见光图像的被动式自动聚焦技术并不适用于热像仪。 

发明内容

本发明是针对现有技术所存在的缺点，而提供了一种针对热像仪自动聚焦方法及装置的技术方案，采用该方案可以提高成像质量，减少反复的手动操作，增强使用方便性。 

本发明的热像仪自动聚焦方法是通过如下技术措施实现的：红外探测器输出的复合视频信号经视频解码器输出数字图像数据给微处理器，或者红外探测器输出高精度数字信号经解串器给微处理器，微处理器计算清晰度评价函数值，并根据所得到的清晰度评价函数值的变化趋势驱动电机带动红外镜头移动到最佳聚焦位置，微处理器计算清晰度评价函数值时，首先对选择的聚焦区域，对图像进行预处理，采用差分模板算子检测边缘灰度变化，对边缘梯度值进行阈值处理，舍掉过大或过小的值后计算边缘总和得到清晰度评价函数值，差分模板算子包含两组3x3矩阵，分别为X方向及Y方向，将之与图像做平面卷积，即可分别得出X方向及Y方向的灰度差分近似值，以F(x，y)代表点(x，y)的原始图像灰度： 

X方向： $\left[\begin{array}{ccc}+4& -1& -3\\ +1& 0& -1\\ +1& 0& -1\end{array}\right]$ Y方向： $\left[\begin{array}{ccc}+4& +1& +1\\ -1& 0& 0\\ -3& -1& -1\end{array}\right]$

计算每个点(x，y)的卷积累加再取平均即可得到清晰度评价函数值E； 

Gx＝4*F(x，y)-F(x+1，y)-3*F(x+2，y)+F(x，y+1)-F(x+2，y+1)+F(x，y+2)-F(x+2，y+2)， 

Gy＝4*F(x，y)-F(x，y+1)-3*F(x，y+2)+F(x+1，y)-F(x+1，y+2)+F(x+2，y)-F(x+2，y+2)， 

$E=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}G(x,y)/n,T_1>G(x,y)>T_2,$

其中G(x，y)＝|Gx|+|Gy|，n为比例因子，与聚焦区域内的像素总个数成正比，T1，T2是灰度差分的大小阈值，这两个值根据图像质量和热像仪机芯的不同而稍有不同，需要经过试验预先设定。 

上述微处理器是通过如下方式驱动电机带动红外镜头移动到最佳聚焦位置：先以大步长逼近最佳聚焦位置并记录当前镜头位置，再以小步长精确定位。 

上述 

本发明中的热像仪自动聚焦装置是通过如下方式实现的：它包括微处理器，视频输入电路，电机驱动电路，串口通讯电路，所述微处理器包括图像采集模块、图像清晰度判断模块、UART通讯模块、电机控制模块；所述图像采集模块用于接收热像仪输出的经过处理的红外图像，并根据预先 设定的聚焦窗口将需要的数字信号读入内存，所述图像清晰度判断模块用于根据读入内存的数字信号，计算清晰度评价函数值；所述的电机控制模块与电机驱动电路连接，并根据所得到的清晰度评价函数值的变化趋势驱动电机带动红外镜头移动到最佳聚焦位置；所述UART通讯模块用于与外部的通讯。 

上述的视频输入电路可以接收热像仪的模拟视频信号，也可以接收热像仪的数字视频信号。 

本发明的进一步改进还有，它还设置有异步串行通讯接口，控制参数可以根据使用环境通过该串口进行设定。 

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于采用了微处理器计算清晰度评价函数值，并根据所得到的清晰度评价函数值的变化趋势驱动电机带动红外镜头移动到最佳聚焦位置的方法和装置，它能够大大提高成像质量，减少反复的手动操作，增强使用方便性。 

附图说明

图1为本发明实施方式的硬件原理框图。 

图2为本发明具体实施方式的主程序流程图。 

图中，1、视频输入电路，2、微处理器，3、电机驱动电路，4、串口通讯电路，5、电源管理模块，6、SRAM，7、FLASH，8、图像采集模块，9、UART通讯模块，10、图像清晰度判断模块，11、电机控制模块。 

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过一个具体实施方式，对本方案进行阐述。 

一种热像仪自动聚焦方法，红外探测器输出的复合视频信号经视频解码器输出数字图像数据给微处理器，或者红外探测器输出高精度数字信号经解串器给微处理器2，微处理器2计算清晰度评价函数值，并根据所得到的清晰度评价函数值的变化趋势驱动电机带动红外镜头移动，先以大步长逼近最佳聚焦位置并记录当前镜头位置，再以小步长精确定位，直到找到最佳聚焦位置。微处理器2计算清晰度评价函数值时，首先对选择的聚焦区域，对图像进行预处理，采用差分模板算子检测边缘灰度变化，对边缘梯度值进行阈值处理，舍掉过大或过小的值后计算边缘总和得到清晰度评价函数值。差分模板算子包含两组3x3矩阵，分别为X方向及Y方向，将之与图像做平面卷积，即可分别得出X方向及Y方向的灰度差分近似值，以F(x，y)代表点(x，y)的原始图像灰度：

X方向： $\left[\begin{array}{ccc}+4& -1& -3\\ +1& 0& -1\\ +1& 0& -1\end{array}\right]$ Y方向： $\left[\begin{array}{ccc}+4& +1& +1\\ -1& 0& 0\\ -3& -1& -1\end{array}\right]$

计算每个点(x，y)的卷积累加再取平均即可得到清晰度评价函数值E； 

Gx＝4*F(x，y)-F(x+1，y)-3*F(x+2，y)+F(x，y+1)-F(x+2，y+1)+F(x，y+2)-F(x+2，y+2)， 

Gy＝4*F(x，y)-F(x，y+1)-3*F(x，y+2)+F(x+1，y)-F(x+1，y+2)+F(x+2，y)-F(x+2，y+2)， 

$E=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}G(x,y)/n{,T}_1>G(x,y)>T_2,$

其中G(x，y)＝|Gx|+|Gy|，n为比例因子，与聚焦区域内的像素总个数成正比，T1，T2是灰度差分的大小阈值，这两个值根据图像质量和热像仪机芯的不同而稍有不同，需要经过试验预先设定。 

本发明实现上述方法对应的装置的技术方案为：一种热像仪自动聚焦装置，如图1所示，它包括微处理器2，视频输入电路1，电机驱动电路3，串口通讯电路4，所述微处理器2包括图像采集模块8、图像清晰度判断模块10、UART通讯模块9、电机控制模块11；所述图像采集模块8用于接收热像仪输出的经过处理的红外图像，并根据预先设定的聚焦窗口将需要的数字信号读入内存，所述图像清晰度判断模块10用于根据读入内存的数字信号，计算清晰度评价函数值；所述的电机控制模块11与电机驱动电路3连接，并根据所得到的清晰度评价函数值的变化趋势驱动电机带动红外镜头移动到最佳聚焦位置；所述UART通讯模块9用于与外部的通讯。视频输入电路1可以接收热像仪的模拟视频信号，也可以接收热像仪的数字视频信号。它还设置有异步串行通讯接口，控制参数可以根据使用环境通过所 述异步串行通讯接口进行设定。 

图2所示为自动聚焦装置的主程序流程图，系统初始化后，从UART通讯模块9等待接收命令，如果有设置命令，则根据新的设定值重新设置参数，如果没有串口命令，则采集一帧图像，判断是否需要自动聚焦，如果需要，则运行搜索算法，驱动电机到最佳聚焦位置。 

数字图像处理理论认为，图像聚焦程度(即图像是否清晰)主要由光强分布中高频分量的多少决定，图像模糊的本质是高频分量的损失，完全聚焦的图像比离焦的图像包含更多的细节和信息量，一幅图像是否聚焦，反映在空域上是图像的边界及细节部分是否清晰，离焦量越小，图像边缘越锋利，灰度变化越剧烈，其微分值就越大，本发明就是根据这一特点，采用像素差分模板对图像进行边缘纹理提取并累加，从而计算出清晰度评价函数。T1，T2是灰度差分的大小阈值，经过阈值化处理后，可以有效的降低噪声。 

理想的清晰度评价函数具有单峰性和单调性，单峰性是指在调节范围内只有一个极值，达到这个极值时对应于最佳成像位置，单调性是指在极值两侧要么单调递增要么单调递减。而实际的聚焦评价函数由于受噪声的干扰，会有一些局部峰值，这些局部峰值会影响爬山搜索算法的准确性，本方案采用优化的爬山算法，先采用大步长粗略的找到峰值范围，再以小步长精确定位，同时对边缘检测后的值采用阈值化处理，可以进一步减小局部峰值的干扰。 

本发明采用的优化的爬山搜索方法如下： 

在预定的透镜驱动范围内，设定聚焦方向，先以较大的步长驱动电机转动，每走一步就采集一帧图像，计算清晰度评价函数值，如果计算所得的函数值逐渐增大，说明电机驱动方向正确，继续沿同一方向带动镜头移动，如果函数值第一次减小时，说明有可能已经越过最佳聚焦点，为了排除局部峰值干扰，此时驱动电机再前行一步，如果函数值进一步降低，说明确实已经越过了峰值，驱动电机后退两个步长，大致回到峰值点附近，再以小步长驱动电机，以同样的方法找到最佳镜头位置，得到聚焦清晰的图像。在电机运行过程中，如果检测到已经达到镜头限定位置，则改变方 向继续搜索。采用大小步长二次搜索的方法，既可以保证聚焦速度，又可以保证精确定位到清晰度评价函数的峰值点。 

参与计算的像素越多，聚焦评价函数的运算时间越长，另一方面如果聚焦窗口过大，引入背景图像太多会引起误判，窗口太小则会导致偏离目标，所以聚焦区域的选择直接影响着聚焦速度和聚焦精度。本方案中采用三种窗口选择方法，一是选择中央区域，这是因为使用者通常会把目标放在画面中心，但是这种方法由于目标的大小不同，窗口大小不好控制；二是为了弥补对中央聚焦的不足，采用多窗口法，除了中心区域外，再以较小的权值将画面中心左上，右上，左下，右下部分区域计算在内；三是用户自己设定感兴趣区域。这些选择方式可以通过串口由用户发送命令设置。 

为了适应不同场合，满足多样化的要求，达到最优化的聚焦效果，本发明还设置了部分附加功能，如图像预滤波，聚焦窗口选择，聚焦评价函数阈值以及搜索步长都可以由用户通过异步串行通信接口设定。由上述描述可见，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步，因此，其具有创造性。 

本发明未经描述的技术特征可以通过现有技术实现，在此不再赘述。当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.一种热像仪自动聚焦方法，其特征是，红外探测器输出的复合视频信号经视频解码器输出数字图像数据给微处理器，或者红外探测器输出高精度数字信号经解串器给微处理器，微处理器计算清晰度评价函数值，并根据所得到的清晰度评价函数值的变化趋势驱动电机带动红外镜头移动到最佳聚焦位置，所述微处理器计算清晰度评价函数值时，首先对选择的聚焦区域，对图像进行预处理，采用差分模板算子检测边缘灰度变化，对边缘梯度值进行阈值处理，舍掉过大或过小的值后计算边缘总和得到清晰度评价函数值，差分模板算子包含两组3x3矩阵，分别为X方向及Y方向，将之与图像做平面卷积，即可分别得出X方向及Y方向的灰度差分近似值，以F(x，y)代表点(x，y)的原始图像灰度：

X方向： $\left[\begin{array}{ccc}+4& -1& -3\\ +1& 0& -1\\ +1& 0& -1\end{array}\right]$ Y方向： $\left[\begin{array}{ccc}+4& +1& +1\\ -1& 0& 0\\ -3& -1& -1\end{array}\right]$

计算每个点(x，y)的卷积累加再取平均即可得到清晰度评价函数值E；

Gx＝4*F(x，y)-F(x+1，y)-3*F(x+2，y)+F(x，y+1)-F(x+2，y+1)+F(x，y+2)-F(x+2，y+2)，

Gy＝4*F(x，y)-F(x，y+1)-3*F(x，y+2)+F(x+1，y)-F(x+1，y+2)+F(x+2，y)-F(x+2，y+2)，

$E=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}G(x,y)/n{,T}_1>G(x,y)>T_2,$

其中G(x，y)＝|Gx|+|Gy|，n为比例因子，与聚焦区域内的像素总个数成正比，T1，T2是灰度差分的大小阈值。

2.根据权利要求1所述的热像仪自动聚焦方法，其特征是，所述微处理器是通过如下方式驱动电机带动红外镜头移动到最佳聚焦位置：先以大步长逼近最佳聚焦位置并记录当前镜头位置，再以小步长精确定位。

3.一种实现权利要求1或2所述方法中的热像仪自动聚焦装置，其特征是，它包括微处理器，视频输入电路，电机驱动电路，串口通讯电路，所述微处理器包括图像采集模块、图像清晰度判断模块、UART通讯模块、电机控制模块；所述图像采集模块用于接收热像仪输出的经过处理的红外图像，并根据预先设定的聚焦窗口将需要的数字信号读入内存，所述图像清晰度判断模块用于根据读入内存的数字信号，计算清晰度评价函数值；所述的电机控制模块与电机驱动电路连接，并根据所得到的清晰度评价函数值的变化趋势驱动电机带动红外镜头移动到最佳聚焦位置；所述UART通讯模块用于与外部的通讯。

4.根据权利要求3所述的热像仪自动聚焦装置，其特征是，所述的视频输入电路可以接收热像仪的模拟视频信号，也可以接收热像仪的数字视频信号。

5.根据权利要求3所述的热像仪自动聚焦装置，其特征是，它还设置有异步串行通讯接口，控制参数可以根据使用环境通过所述异步串行通讯接口进行设定。

Images