CN102053339B

CN102053339B - 自动聚焦方法

Info

Publication number: CN102053339B
Application number: CN201010555348.9A
Authority: CN
Inventors: 苏伟博
Original assignee: Tianjin Yaan Technology Co Ltd
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2010-11-23
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2030-11-23
Also published as: CN102053339A

Abstract

本发明属于视觉测量技术领域，具体为一种自动聚焦方法。该方法提出基于改进DCT变换设计图像清晰度评价函数，以反映图像的细节信息突出高频能量，并且考虑到图像的清晰度还与图像自身的亮度和灰度级有很大的关系，故引入相对清晰度的概念。同时该方法在分析了聚焦窗口的选取对于聚焦结果影响的基础上，提出了一种尺度变化的窗口选择策略。实验结果证明改进后的图像清晰度判据效果有了较大的改善。其次，该方法在实际应用中考虑到图像清晰度判据的局部极大值难以避免，结合镜头的回传信息，提出一种全范围粗调大步长聚焦，局部细调小步长聚焦的改进爬山法搜索策略；再次，该方法提出当拍摄场景发生变化或者镜头变倍时启动自动聚焦。

Description

自动聚焦方法

技术领域

本发明属于视觉测量技术领域，具体涉及一种自动聚焦方法。

背景技术

随着数字成像技术向自动化和智能化发展，自动聚焦技术的应用范围也在不断扩大，并在自动化、高精度、高稳定性等方面都取得了很大进展，已广泛应用于照相机、摄像机、显微镜、扫描仪等各种精密仪器中。自动聚焦分为主动和被动两种方式，主动方式主要指通过测距(比如利用红外测距)并使用一定的数学模型来计算出实际应取得焦距；被动方式指利用所获取图像的自有信息来分析聚焦方向，经过焦距的反复调节获取最清晰的图像，通常称为“爬山法”。前者由于需要额外的设备，在有些场合下使用受到限制；对于后者，目前的问题主要集中在两个方面：一是用于判断图像是否清晰的清晰度判据的获取，二是在获取该判据后如何实现自动聚焦，要求判据对图像的变化敏感，并且计算量不能太大，以保证系统能很快确定下一步骤聚焦的方向。由于镜头系统在数学上可以等效于一个低通系统，散焦模糊图像可以认为是由于清晰图像的高频分量受到了损失，所以研究的方向几乎都基于这个假设来进行。对图像高频分量能量的分析和计算可以从空域和频域两部分来考虑，简单的可以用梯度能量作判据，也可以用边缘检测的方法获得判据。在频域可以基于傅里叶变换获得判据，傅里叶变换由于需要复数参与运算，所以计算量较大。DCT变换是最接近K-L变换的，可以聚集最多的能量，因此离散余弦变换是一种较好的算法。

传统的基于DCT变换的图像清晰度判据仅仅是把变换后的高频分量的能量作为聚焦值，当离准焦位置很远时，使用高频能量判据可以很好的体现细节的变化，但当图像接近于清晰时，细节的变化体现在更多的低频分量变成高频分量，而这里所定义的判据仅仅去除了直流分量，没有体现出这种变化。成像平面在远离聚焦位置变化焦距时，细节的变化往往是粗尺度上的，使用全局的高频分量能量作判据即可很好的体现细节的变化。而图像接近于清晰时，细节固然会更加丰富，但是其频率变化对于全局只是由低阶高频分量变为高阶高频分量，基于DCT的方法只能去除零频分量，因此非零频分量的能量和并没有任何改变。全局DCT变换的方法就难以体现局部细节的变换信息。在得到图像清晰度判据后，接下来就要实现自动聚焦，普通的爬山法搜索算法会受到图像清晰度判据的局部极值干扰而不能准确对焦。

通过检索，尚未发现与本专利申请相同的公开技术文件。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种自动聚焦方法，本方法能够极大提高自动对焦的可靠性，同时回传指令时间对应电机的步长和搜索的次数也是可以调节的，因此，针对实际的系统，具有相当的灵活性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种自动聚焦方法，包括以下步骤：

(1)获取图像清晰度判据；

(2)采用爬山法搜索策略实现自动对焦；

(3)启动自动聚焦。

而且，所述步骤(1)中获取图像清晰度判据是采用改进的DCT变换的方法，即首先给变换后的高频分量的系数乘以一个较大的权重，然后引入相对清晰度进行判别。

而且，对于N×N的像素数据经DCT变换后成为N×N个变换系数，(u，v＝0，1，…，N-1)，随着u，v的增加，相应系数分别代表逐步增加的水平空间频率和垂直空间频率分量的大小，该权重设计为对应变换域系数到零频的距离，该距离为

而且，所述相对清晰度进行判别采用系数修正的交流分量和直流分量的比。

而且，所述步骤(2)是采用改进的爬山法搜索策略实现自动对焦，具体实施步骤包括：

a查询步进电机当前行程；

b根据当前步进电机行程值，驱动步进电机到达距离当前行程最近的一端，最小行程处或者最大行程处；

c驱动电机从最小行程处或者最大行程处，到达最大行程处或者最小行程处走完全程，调节回传指令时间使其对应于一个较大的电机步长，此时采用全局的改进DCT算法获得图像清晰度判据，记录下图像最清晰时的聚焦值的最大值和由回传指令得到的镜头的位置；

d驱动镜头回到聚焦值最大值的前一站，以此为起点，以聚焦值最大值的后一站为终点，调节回传指令时间使其对应于一个小步长，走完全程，此时采用局部的改进DCT算法获得图像清晰度判据，记录下聚焦值的最大值和镜头的位置；

e重复执行步骤d，直到对应的步长小于设定值，搜索结束，最后驱动镜头停止在聚焦值最大值处，实现准确对焦。

而且，所述全局的改进DCT算法是选取整幅图像作DCT变换，或者是选取图像的中心区域，或者是选取中心区域再加上四个对角上的矩形区域应用改进的DCT算法。

而且，所述局部的改进DCT算法是对选取的全局区域进行分解，窗口尺度大小可以是8、16、32，对选取的窗口应用改进的DCT算法，对结果再做全局累加。

而且，所述步骤(3)是当检测到拍摄场景发生变化或者是镜头变倍发生时启动自动聚焦；拍摄场景发生变化的检测是统计场景直方图，利用当前场景直方图和上次场景直方图进行匹配。

本发明的优点及有益效果是：

(1)本发明通过给DCT变换后的高频分量乘以一个较大的权重，可以突出高频分量的作用，尤其在图像接近于清晰时，可以提升图像清晰度判据曲线的陡峭程度。

(2)本发明通过引入相对清晰度的概念，可以避免聚焦图像和离焦图像在亮度和灰度级方面相差较大时出现的误判断，提高了算法的健壮性。

(3)本发明通过引入尺度变化的窗口选择策略，可以影响DCT判据的性能，选取合适恰当的窗口，可以减小算法的计算量，提高算法的健壮性。

(4)本发明涉及的改进爬山法搜索策略，由于利用了镜头的回传信息，可以大幅度的减小驱动电机的次数，避免了电机的盲目反转，确保算法找到正确的对焦点，不会受到对焦评价函数值局部波动的影响，也能有效的排除干扰，能够极大提高自动对焦的可靠性，同时回传指令时间对应电机的步长和搜索的次数也是可以调节的，因此，针对实际的系统，具有相当的灵活性。

附图说明

图1为本发明自动聚焦硬件实现框图；

图2为本发明自动聚焦启动示意图；

图3为本发明自动聚焦示意图；

图4为本发明两种替代全局区域的选择方法(左图是中心区域选择法，右图是多区域选择法)；

图5为本发明改进的DCT算法流程图；

图6为本发明改进的爬山法搜索策略流程图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种自动聚焦系统，包括如下步骤：

(1)获取图像清晰度判据：

a如图1所示，图像采集模块采集视频，经A/D转化为数字视频信号，通过图像处理模块，获得图像清晰度判据，以及由此推导出需发送的的聚焦搜索策略每一次发送的指令，镜头电机驱动模块响应指令驱动聚焦电机做相应的移动，采集的视频帧大小为720*576，为了减小计算量，并有效代替全局区域，可采用中心区域选择法(或者多区域选择法)替代全局区域。如图4左，小矩形大小为64*64。本实施例的图像采集采用sony FCB-EX1010P摄像机，A/D是tvp5147，D/A是saa7121，图像处理选用TI DM642开发板，镜头电机驱动模块采用ARM11控制器，镜头系统选用富士能D32×10R4D-V41镜头。

b根据DCT变换公式对全局区域进行DCT变换，得到变换域系数矩阵F(u，v)，

当然这里采用的是DCT变换的快速算法，其中二维DCT变换表达式为：

F (0,0) = \frac{1}{N} Σ_{x = 0}^{N - 1} Σ_{y = 0}^{N - 1} f (x, y), (x, y = 0,1 . . . N - 1), - - - (1)

F (u, 0) = \frac{\sqrt{2}}{N} Σ_{x = 0}^{N - 1} Σ_{y = 0}^{N - 1} f (x, y) \cos [\frac{(2 x + 1) uπ}{2 N}], (x, y, u = 0,1 . . . N - 1), - - - (2)

F (0, v) = \frac{\sqrt{2}}{N} Σ_{x = 0}^{N - 1} Σ_{y = 0}^{N - 1} f (x, y) \cos [\frac{(2 y + 1) vπ}{2 N}], (x, y, v = 0,1 . . . N - 1), - - - (3)

F (u, v) = \frac{2}{N} Σ_{x = 0}^{N - 1} Σ_{y = 0}^{N - 1} f (x, y) \cos [\frac{(2 x + 1) uπ}{2 N}] \cos [\frac{(2 y + 1) vπ}{2 N}], (x, y, u, v = 0,1 . . . N - 1), - - - (4)

式中，f(x，y)为空间域图像在(x，y)处的灰度值，F(u，v)为变换域系数矩阵，N为数字图像的水平和垂直像素数。

c如图5、图6所示，根据下面公式(5)得到高频分量能量和，根据公式(6)得到相对清晰度值，即图像清晰度判据。

E = Σ_{u = 0}^{N - 1} Σ_{v = 0}^{N - 1} \sqrt{u^{2} + v^{2}} | F (u, v) |, ((u, v) &NotEqual; (0,0)), - - - (5)

G = \frac{E}{F (0,0)}, - - - (6)

(2)采用爬山法搜索策略实现自动对焦：

a采用富士能D32×10R4D-V41镜头，系统的聚焦范围经AD对应量化为2000-32000，定义步进电机的结束设定值为101，定义第一次大步长为2000。如图6所示，驱动电机到达当前行程的近端，调节回传指令时间使其对应的步长约为2000，驱动电机走完全程，其中每次指令回传都要根据步骤(1)中的b、c步骤计算图像清晰度判据，记录下图像清晰度判据的最大值和其对应的行程。

b查询到步长大于设定值时，驱动镜头回到图像清晰度判据最大值的前一站，以此为起点，以最大值的后一站为终点，调节回传指令时间使其对应的步长约为500，走完全程。其中每一行程都要计算图像清晰度判据，此时对全局区域进行分解，窗口尺度大小定义为8或者16，对每一窗口应用公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)，其结果进行全局累加，记录下图像清晰度判据的最大值和其对应的行程。

c重复步骤b，减小步长到100。

d查询到步长小于设定值101，驱动镜头回到上次图像清晰度判据最大值所对应的行程处，此时的图像就是最清晰的图像，对焦结束。

(3)启动自动聚焦：

检测变倍是否发生变化，若改变则启动下一次自动聚焦，否则统计当前场景图像直方图，并与上次场景直方图进行比对，若直方图信息变化明显，则启动下一次自动聚焦。注意，本步骤在对焦结束后开始执行，对焦执行时停止。

通过应用本发明所具体实现的实施例，充分说明了本发明提出使用窗口尺度变化的改进DCT算法结合改进的爬山法搜索策略实现自动聚焦是完全正确，并可以具体实现的。通过实施例的测试结果，也说明了应用本发明实现自动聚焦的效果是完全可以满足实际拍摄场景要求的，并且尤为重要的是具有很好的执行效率。

Claims

1.一种自动聚焦方法，其特征在于：包括以下步骤：

⑴获取图像清晰度判据；

⑵采用爬山法搜索策略实现自动对焦；

⑶启动自动聚焦；

所述步骤⑴中获取图像清晰度判据是采用改进的DCT变换的方法，即首先给变换后的高频分量的系数乘以一个较大的权重，然后引入相对清晰度进行判别；

所述权重的设计方法是：对于N×N的像素数据经DCT变换后成为N×N个变换系数，(u,v＝0,1,…,N-1)，随着u，v的增加，相应系数分别代表逐步增加的水平空间频率和垂直空间频率分量的大小，该权重设计为对应变换域系数到零频的距离，该距离为

\sqrt{u^{2} + v^{2}} .

所述步骤⑵是采用改进的爬山法搜索策略实现自动对焦，具体实施步骤包括：

a查询步进电机当前行程；

c驱动电机从最小行程处或者最大行程处，到达最大行程处或者最小行程处走完全程，调节回传指令时间使其对应于一个较大的电机步长,此时采用全局的改进DCT算法获得图像清晰度判据，记录下图像最清晰时的聚焦值的最大值和由回传指令得到的镜头的位置；

2.根据权利要求1所述的一种自动聚焦方法，其特征在于：所述相对清晰度进行判别采用系数修正的交流分量和直流分量的比。

3.根据权利要求1所述的一种自动聚焦方法，其特征在于：所述全局的改进DCT算法是选取整幅图像作DCT变换，或者是选取图像的中心区域，或者是选取中心区域再加上四个对角上的矩形区域应用改进的DCT算法。

4.根据权利要求1所述的一种自动聚焦方法，其特征在于：所述局部的改进DCT算法是对选取的全局区域进行分解，窗口尺度大小可以是8、16、32，对选取的窗口应用改进的DCT算法，对结果再做全局累加。

5.根据权利要求1所述的一种自动聚焦方法，其特征在于：所述步骤⑶是当检测到拍摄场景发生变化或者是镜头变倍发生时启动自动聚焦；拍摄场景发生变化的检测是统计场景直方图，利用当前场景直方图和上次场景直方图进行匹配。