CN101729780A - 光学成像系统的自动调焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光学成像系统的自动调焦方法，该方法使用一套包括CCD、图像采集卡、变焦镜头和计算显示系统在内的数字成像系统；将CCD采集的图像经图像采集卡进行数字化处理；选择合理的对焦窗口，对图像进行预处理阶段；运用对焦深度法，通过选择合理的调焦判据，运用软件编程先进行粗调焦，再进行细调焦，直至找到最佳焦面；通过程序给单片机控制指令，驱动变焦镜头电机带动镜头到成像最佳平面位置，通过测试窗口显示出最佳焦平面图像。运用粗调焦时，选择的控制电机的步距大，减小调焦时间，进行细调焦时，选择的控制电机的步距小，合理控制系统的误差。

Description

光学成像系统的自动调焦方法

技术领域

本发明涉及一种光学成像系统的自动调焦方法。

背景技术

自动调焦是利用现代电子技术和机械控制方法代替人眼检测被摄目标体的聚焦清晰与否，并代替人用手工调节焦点，使得物体能够在像面上清晰成像。

传统的自动调焦方式有：

(1)测距法：包括激光测距、红外测距和超声波测距，都是通过接收反射波来达到测量目标的距离和方位，然后通过计算机自动调焦。

(2)焦点检测法：它利用两路对称的光学镜头来对被摄目标的聚焦程度对比，只有聚焦清晰时，两路光学镜头的成像才能够一致。

以上两种方法自动聚焦的机构与控制电路设计复杂，精度低，重复性差。

随着计算机的飞跃发展和微电子技术工艺上的突破，图像可以作为数字信号在计算机平台上实现各种变换和处理，由此出现了基于图像处理的数字化自动聚焦方式。

在基于数字图像处理自动调焦系统中，一种方法是离焦深度法(DFD，DepthFrom Defocus)，该方法通过获取两幅或以上不同离焦位置的图像，事先对成像系统建立合适的数学模型，结合成像系统的各种参数，推算出目标物体的离焦深度，从而判断出焦点位置实现调焦。另一种方法则是，通过计算机(或者专用的电路系统)采集到一系列的数字图像，对每一帧图像进行处理，判断调焦是否准确，即成像是否清晰，并给出反馈信号控制镜头的运动，直到采集的图像达到最清晰，最终完成调焦，这种方法通常称为对焦深度法(DFF，Depth FromFocus)。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是传统自动聚焦的机构与控制电路设计复杂，精度低，重复性差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种光学成像系统的自动调焦方法，包括首先利用光学耦合元件CCD采集图像，该自动调焦方法还包括以下步骤：

图像采集卡将光学耦合元件CCD采集的模拟图像信号转换为数字信号；

图像处理系统内的软件采用中值滤波法进行图像预处理，采用中央选择法进行对焦窗口选择；

图像处理系统利用对焦深度法，根据判据函数值，且运用全局搜索法控制镜头电机进行粗调焦处理；

图像处理系统利用对焦深度法，根据判据函数值，控制镜头电机进行细调焦处理；

图像显示器将图像处理结果显示。

进一步，所述的中值滤波法是用一个有奇数点的滑动窗口，将该窗口中心点的值用窗口各点的中值代替；取窗口长度为奇数m，将该m个点值按其大小排序，取序号为中心点值作为滤波输出；所述中值滤波法提供数学模型为：y_i＝Med{f_i-v，f_i-v+1，…，f_i，…，f_i+v-1，f_i+v}i∈Z， $v=\frac{m-1}{2}.$

进一步，所述的粗调焦处理中所使用判据函数的数学模型为：

$F\left(k\right)=\mathrm{\Σ\Σ}{[g(x,y)-\frac{1}{M\×N}\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}g(x,y)]}^2;$ 其中g(x，y)表示像素(x，y)的灰度值，取M×N个像素的对焦窗口，在经过函数变换后，当F(k)值最大时，图像达到最清晰。

进一步，所述的细调焦处理中所使用判据函数的数学模型为：

$F\left(k\right)=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}{\{4g(x,y)-g(x,y+1)-g(x,y-1)-g(x+1,y)-g(x-1,y)\}}^2,$ 其中g(x，y)表示像素(x，y)的灰度值，g(x，y+1)表示像素(x，y+1)的灰度值，g(x，y-1)表示像素(x，y-1)的灰度值，g(x+1，y)表示像素(x+1，y)的灰度值，g(x-1，y)表示像素(x-1，y)的灰度值；当F(k)值最大时，表示图像在此位置时达到最清晰。

作为一种优选方案，所述的软件包括图像采集模块、图像预处理模块、评价算法模块、对焦搜索模块和结果输出模块。

本发明的有益效果在于：

本发明技术方案提供一套包括CCD、图像采集卡、变焦镜头和计算显示系统在内的数字成像系统；将CCD采集的图像经图像采集卡进行数字化处理；选择合理的对焦窗口，对图像进行预处理阶段；运用对焦深度法，通过选择合理的调焦判据，运用软件编程先进行粗调焦，再进行细调焦，直至找到最佳焦面；通过程序给单片机控制指令，驱动变焦镜头电机带动镜头到成像最佳平面位置，通过测试窗口显示出最佳焦平面图像。运用粗调焦时，选择的控制电机的步距大，减小调焦时间，进行细调焦时，选择的控制电机的步距小，合理控制系统的误差。本发明可以避开复杂的机构和电路设计，在调焦过程中可以通过修改程序的调焦判据和参数，随时比较调焦结果，更改方便。

说明书附图

下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案作进一步详细描述。

图1为对焦深度法示意图。

图2为基于CCD的自动调焦系统框图。

图3为软件流程。

图4为评价算法模块流程图。

图5为对焦搜索模块流程图。

图6为粗细调焦结合的像面搜索方式图。

图7为自动调焦系统测试窗口图。

具体实施方式

如图1所示，对焦深度法(DFF，Depth From Focus)是通过计算机(或者专用的电路系统)采集到一系列的数字图像，对每一帧图像进行处理，判断调焦是否准确，即成像是否清晰，并给出反馈信号控制镜头的运动，直到采集的图像达到最清晰，最终完成调焦。

如图2所示，整个对焦系统可分为三个模块：一是成像系统，它是一个光学耦合元件CCD摄相机加上可变的镜头，图像采集卡完成视频信号的模数转换并采集入计算机。第二个组成部分是数字成像系统与PC计算机之间的驱动接口电路，该电路负责把计算机输入的控制电平信号翻译成成像系统可以接受的逻辑电平信号，并使电平信号相匹配。第三部分是一个通用的PC计算机。该对焦系统的工作模式如下所述：目标经过镜头成像，此图像由光学耦合元件CCD接收并输出与图像光强度对应的视频信号图像。经图像采集卡输入到与图像采集卡相连接的计算机上，对图像进行去除噪声的预处理。调焦分为粗调焦和细调焦两个阶段，分别利用不同的调焦判据。图像间的比较结果将通过串口发给单片机一个控制字，单片机接到指令后，控制电机的运动方向和时间，控制镜头向聚焦更加清晰的方向运动，直到找到最佳位置。图像处理的结果可通过测试窗口显示出来。

在转换过程中，信号不可避免带来了噪声，故需要对图像进行预处理。本发明利用VC6.0++强大的图像处理功能，以VC6.0++作为编程工具完成图像预处理和采集窗口选择。对图像的去噪采用了中值滤波，对焦区域选择中央64×64的对焦窗口，保证成像主体在对焦窗口所占的成分足够大，又节省计算时间。其中中值滤波是用一个有奇数点的滑动窗口，将该窗口中心点的值用窗口各点的中值代替；取窗口长度为奇数m，将该m个点值按其大小排序，取序号为中心点值作为滤波输出；该中值滤波所采用的数学模型为：y_i＝Med{f_i-v，f_i-v+1，…，f_i，…，f_i+v-1，f_i+v}i∈Z， $v=\frac{m-1}{2}.$

接着，开始粗调焦阶段。根据选择的判据函数，设定好电机的步距，对每一个位置计算函数值，比较找出最大值，记住电机在最大值时的位置，控制镜头电机到该位置，此位置距离最佳图像位置在很小的范围。在粗调焦时采用了全局搜索法，即从初始位置到末端位置全局寻找最佳像面的位置，以保证系统的可靠性。所述的粗调焦处理中所使用判据函数的数学模型为：

$F\left(k\right)=\mathrm{\Σ\Σ}{[g(x,y)-\frac{1}{M\×N}\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}g(x,y)]}^2;$ 其中g(x，y)表示像素(x，y)的灰度值，取M×N个像素的对焦窗口，在经过函数变换后，当F(k)值最大时，图像达到最清晰。

根据镜头电机此时的位置，进行细调焦的算法选择和计算。进一步减少电机运动的步距，比较每一个位置函数计算的结果，找出最大值，控制镜头电机到最佳像面位置，在细调焦时采用了三点比较法，节省了调焦时间。所述的细调焦处理中所使用判据函数的数学模型为：

$F\left(k\right)=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}{\{4g(x,y)-g(x,y+1)-g(x,y-1)-g(x+1,y)-g(x-1,y)\}}^2,$ 其中g(x，y)表示像素(x，y)的灰度值，g(x，y+1)表示像素(x，y+1)的灰度值，g(x，y-1)表示像素(x，y-1)的灰度值，g(x+1，y)表示像素(x+1，y)的灰度值，g(x-1，y)表示像素(x-1，y)的灰度值；当F(k)值最大时，表示图像在此位置时达到最清晰。

找到最佳像面位置后，如图7将图像在测试窗口显示出来。本发明使得调焦更加智能化，调焦判据更加灵活多样，利用计算机可以方便的对运动执行机构进行控制，避开复杂的调焦电路和机构。

图3为本发明软件的工作流程图，本发明软件是由图像采集模块、图像预处理模块、评价算法模块、对焦搜索模块和结果输出模块组成，具体如下所述：采集卡初始化经过判断，如果是错误情况，给出错误提示；如果是正常，开始进行串口初始化，如果串口初始化错误，给出错误提示；如果串口正常，采集卡采集图像，之后进行图像处理，同时显示图像，图像处理完毕进行结果保存，然后对结果进行比较处理，结果比较处理的结果为变焦位置处理提供依据，变焦位置处理之后，一方面对变焦位置进行保存，另一方面驱动变焦，之后从采集图像步骤到驱动变焦步骤重复进行。

图4为本发明软件中的评价算法模块工作流程图，图5为本发明软件中的对焦搜索模块工作流程图，图6是粗细调焦结合搜索方式图。

本发明保护范围包括但不限于上述实施方式，凡是依据本发明技术方案原理所作的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光学成像系统的自动调焦方法，包括首先利用光学耦合元件CCD采集图像，其特征在于，该自动调焦方法还包括以下步骤：

图像采集卡将光学耦合元件CCD采集的模拟图像信号转换为数字信号；

图像处理系统内的软件采用中值滤波法进行图像预处理，采用中央选择法进行对焦窗口选择；

图像处理系统利用对焦深度法，根据判据函数值，且运用全局搜索法控制镜头电机进行粗调焦处理；

图像处理系统利用对焦深度法，根据判据函数值，控制镜头电机进行细调焦处理；

图像显示器将图像处理结果显示。

2.根据权利要求1所述光学成像系统的自动调焦方法，其特征在于，所述的中值滤波法是用一个有奇数点的滑动窗口，将该窗口中心点的值用窗口各点的中值代替；

取窗口长度为奇数m，将该m个点值按其大小排序，取序号为中心点值作为滤波输出；

所述中值滤波法提供数学模型为：y_i＝Med{f_i-v，f_i-v+1，...，f_i，...，f_i+v-1，f_i+v}

i∈Z， $v=\frac{m-1}{2}.$

3.根据权利要求1所述光学成像系统的自动调焦方法，其特征在于，所述的粗调焦处理中所使用判据函数的数学模型为：

$F\left(k\right)=\mathrm{\Σ\Σ}{[g(x,y)-\frac{1}{M\×N}\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}g(x,y)]}^2;$ 其中g(x，y)表示像素(x，y)的灰度值，取M×N个像素的对焦窗口，在经过函数变换后，当F(k)值最大时，图像达到最清晰。

4.根据权利要求1所述光学成像系统的自动调焦方法，其特征在于，所述的细调焦处理中所使用判据函数的数学模型为：

$F\left(k\right)=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}{\{4g(x,y)-g(x,y+1)-g(x,y-1)-g(x+1,y)-g(x-1,y)\}}^2,$ 其中g(x，y)表示像素(x，y)的灰度值，g(x，y+1)表示像素(x，y+1)的灰度值，g(x，y-1)表示像素(x，y-1)的灰度值，g(x+1，y)表示像素(x+1，y)的灰度值，g(x-1，y)表示像素(x-1，y)的灰度值；当F(k)值最大时，表示图像在此位置时达到最清晰。

5.根据权利要求1所述光学成像系统的自动调焦方法，其特征在于：所述的软件包括图像采集模块、图像预处理模块、评价算法模块、对焦搜索模块和结果输出模块。

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