CN102946515B - 一种用于红外成像设备的全自动对焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于红外成像设备的全自动对焦装置及方法，以自主设计的图像质量判断方法改善了对焦精度，并提高了针对弱目标（即对比度低的目标）的对焦能力，大大避免了对焦失败情况的发生，同时通过改良电机驱动算法减少了对焦到位所需时间，提高了对焦的稳定性；并且在此基础上，通过加入智能模式识别方法，实现了“全自动对焦”，即全程无须人为干预，自动判断当前场景图像特征并启动对焦过程，从而使产品不仅可用于常见红外观察、测量、警戒等领域，亦可方便应用于无人值守下的图像采集、记录和分析，这在民用市场中的安防警戒、森林防火、工业测温等行业，军用市场中的高原监控、海岛警戒、无人机巡察等方面均有较好的应用前景。

Description

一种用于红外成像设备的全自动对焦方法

技术领域

本发明涉及一种用于红外成像设备的全自动对焦装置及方法。

背景技术

自动对焦是现代光学成像系统的一项重要技术，在它出现之前使用者在观察不同目标时需要不断以手动方式调整镜头焦距以获得清晰的成像效果，同时由于人眼辨识能力的强弱，往往还无法调节至最佳。自动对焦技术的出现弥补了这个缺陷，他以自动方式快速、准确驱动电机至最佳对焦位置，让用户可以方便、迅捷的观察和识别目标。

当前自动对焦技术已成为相机、摄像机、手机等产品的标准配置，但在红外热成像产业，由于其较高的技术门槛，加之红外图像自身的弱对比度、低信息量、少轮廓特征的特点，尚未出现大量的应用；但是，作为一种行业趋势，针对红外成像的自动对焦技术已被业内许多公司列入了科研计划，甚至如行业领头羊的高德、大立、艾睿、波普等公司均已有相关产品出现，但是在对焦精度、对焦速度和稳定性三个关键性能均处于摸索阶段；同时，当前行业内研究的技术多属于“半自动对焦”，即需要用户进行手动开启，才能进行自动对焦的处理。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于红外成像设备的全自动对焦装置，以解决现有技术中对焦方法在对焦精度、对焦速度和稳定性方面的不足，同时提供一种使用该装置的方法。

为了实现以上目的，本发明所提供的用于红外成像设备的全自动对焦装置 的技术方案如下：一种用于红外成像设备的全自动对焦装置，该装置包括用于驱动调焦电机的自动调焦系统，所述自动调焦系统设有自动对焦开关和全自动对焦开关，所述自动调焦系统包括依次连接的用于缓存数字图像信号的FIFO缓存器、用于处理数据的DSP微处理器和用于与调焦电机驱动连接的通讯控制模块，所述DSP微处理器与通讯控制模块双向通讯连接。

所述自动调焦系统还包括A/D转换器，所述A/D转换器的输出端与FIFO缓存器的信号输入端连接。

本发明所提供的用于红外成像设备的全自动对焦方法的技术方案如下：一种用于红外成像设备的全自动对焦方法，该方法包括如下步骤：

（1）启动调焦，使其处于起始状态：向近处驱动调焦电机，并实时获取视频流中的数字图像，对图像进行特征提取，同时依据提取特征进行运动趋势判断：当过程中出现差值连续大于设定值的次数达到设定次数时，转入状态三；对设定次数的特征值进行统计，当其中处于第一设定范围的个数小于其中处于第二设定范围时，转入状态二；当移动步长超过最大步长限定时，转入状态二；

（2）状态二：驱动电机持续向远处，过程中对图像进行特征提取，并依据提取特征进行运动趋势判断：当过程中出现差值连续大于设定值的次数达到设定次数时，转入状态三；当移动步长超过最大步长限定时，对焦失败，停止电机，并停止自动对焦；

（3）状态三：过程中对图像进行特征提取，并依据提取特征进行运动趋势判断，如有连续2次差值在第三设定范围间，进入状态四；

（4）状态四：驱动电机向上一状态运动的反方向运动预定步长后停止电机，并停止自动对焦；

（5）当最近一次自动对焦停止时保存当时的图像和特征参数，即保存历史 图像状态；

（6）实时采集运行中的热像仪图像，计算图像特征参数，进行特征提取；

（7）将特征提取步骤得到的图像与历史图像依据相似性原理进行匹配，得到其相似性参数；比较当前得到的特征参数与历史特征参数得到其差值，在相似性参数和特征参数均超过预设阈值时，启动调焦，否则进入下一次特征提取。

步骤（6）中计算图像特征参数时，其公式如下：

$\begin{array}{cc}V=\frac{\sqrt{\mathrm{\Σ}{(i(x+1,y)-i(x,y))}^2}}{n}& |i(x+1)-i\left(\right|x>)T\end{array}$

其中，i是图像上某个像素位置的灰度值，n是被计算的像素个数之和。

本发明用于红外成像设备的全自动对焦装置及方法以自主设计的图像质量判断方法改善了对焦精度，并提高了针对弱目标（即对比度低的目标）的对焦能力，大大避免了对焦失败情况的发生，同时通过改良电机驱动算法减少了对焦到位所需时间，提高了对焦的稳定性；并且在此基础上，通过加入智能模式识别方法，实现了“全自动对焦”，即全程无须人为干预，自动判断当前场景图像特征并启动对焦过程，从而使产品不仅可用于常见红外观察、测量、警戒等领域，亦可方便应用于无人值守下的图像采集、记录和分析，这在民用市场中的安防警戒、森林防火、工业测温等行业，军用市场中的高原监控、海岛警戒、无人机巡察等方面均有较好的应用前景。

附图说明

图1为本发明全自动对焦装置的原理框图；

图2为本发明自动调焦系统的硬件原理图；

图3为本发明全自动对焦方法的流程图。

具体实施方式

本发明用于红外成像设备的全自动对焦装置的原理框图如图1所示，由图可知，该方法的自动对焦分为两种模式：其一是“自动对焦”模式，此模式在人工判断需要对焦时开启，每次开启只运行一次对焦流程至对焦到位停止；其二是“全自动对焦”模式，开启后实时自适应判断当前场景特征并自动启动对焦流程，全程无须人工干预。

其中，两种模式均用到的对焦流程如下所述：自动调焦系统通过热像仪实时获取视频流中的数字或模拟图像（同时具备两类接口的处理能力），经过分析确定驱动电机状态（正转、反转和停止），并驱动电机以改变镜头焦距，直到判断当前为准焦位置时停止电机，对焦完毕。

本发明的自动对焦装置包括用于驱动调焦电机的自动调焦系统，自动调焦系统设有自动对焦开关和全自动对焦开关，所述自动调焦系统包括依次连接的用于缓存数字图像信号的FIFO缓存器、用于处理数据的DSP微处理器和用于与调焦电机驱动连接的通讯控制模块，所述DSP微处理器与通讯控制模块双向通讯连接，自动调焦系统还包括A/D转换器，A/D转换器的输出端与FIFO缓存器的信号输入端连接，如图2所示。A/D转换器负责将热像仪输出的模拟视频流转为数字信号后送入缓存器，若热像仪具备输出数字视频条件则直接进入缓存器，不需要A/D转换器；FIFO缓存器负责接收数字信号，缓存整帧后送至DSP微处理器；DSP微处理器为核心处理单元，它接收来自缓存器的视频数据，根据当前选择的模式进行处理和分析后确定电机驱动状态，将状态信息发给通讯控制模块，同时它接收来自通讯控制模块的“自动对焦”和“全自动对焦”模式开关命令；通讯控制接收一方面根据来自微处理器的电机驱动信号进行电机驱动，一方面接收外部的模式开关命令，并发给微处理器。

如图3所示为本发明用于红外成像设备的全自动对焦方法的流程图，在对 焦过程中，电机来回最多移动三次直至停止，具体的对焦过程参见如下过程：

（1）启动调焦，使其处于起始状态：向近处驱动电机，过程中对图像进行特征提取，并依据提取特征进行运动趋势判断，得到三种判断结果：当过程中出现差值连续大于200的次数达到4次时，认为当前处于爬坡期，转入状态三状态；对20次特征值进行统计，当其中处于<5～20>的个数小于其中处于<-5～-20>时，认为调焦方向错误，图像正趋于模糊，则转入状态二状态；当移动步长超过最大步长限定时，认为已到达焦程最右侧，转入状态二；

（2）状态二：驱动电机持续向远处，过程中对图像进行特征提取，并依据提取特征进行运动趋势判断，得到两种判断结果：当过程中出现差值连续大于200的次数达到4次时，认为当前处于爬坡期，转入状态三状态；当移动步长超过最大步长限定时，认为已到达最左侧，图像无明显可对焦目标，对焦失败，停止电机，并停止自动对焦；

（3）状态三：过程中对图像进行特征提取，并依据提取特征进行运动趋势判断，如有连续2次差值在<-50～50>间，认为此时刚刚越过全局峰顶，进入状态四；

（4）状态四：驱动电机向上一状态运动的反方向运动预定步长后停止电机，并停止自动对焦。

当开启“全自动对焦”模式后，要实时进行状态判断，其结果满足对焦要求后进入如上所述的自动对焦处理流程，停止自动对焦后的具体处理步骤如下：

（1）保存历史状态：当最近一次自动对焦停止时保存当时的图像和特征参数；

（2）特征提取：实时采集运行中的热像仪图像，计算图像特征参数，其公式如下：

$\begin{array}{cc}V=\frac{\sqrt{\mathrm{\&Sigma;}{(i(x+1,y)-i(x,y))}^2}}{n}& |i(x+1)-i\left(x\right)|>T\end{array}$

其中，i是图像上某个像素位置的灰度值，当且仅当其与紧随其后灰度值之差的绝对值大于阈值T时，此值才能加入计算中，n是被计算的像素个数之和，此函数用来描述图像的边缘锐度（即清晰度）状况，值越大，说明图像越清晰。

（3）特征判断：将特征提取步骤得到的图像与历史图像依据相似性原理进行匹配，得到其相似性参数；比较当前得到的特征参数与历史特征参数得到其差值，在相似性参数和特征参数均超过预设阈值时，启动调焦，否则进入下一次特征提取。

Claims (2)

1.一种用于红外成像设备的全自动对焦方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)启动调焦，使其处于起始状态：向近处驱动调焦电机，并实时获取视频流中的数字或模拟图像，对图像进行特征提取，同时依据提取特征进行运动趋势判断：当过程中出现差值连续大于设定值的次数达到设定次数时，转入状态三；对设定次数的特征值进行统计，当其中处于第一设定范围的个数小于其中处于第二设定范围的个数时，转入状态二；当移动步长超过最大步长限定时，转入状态二；

(2)状态二：驱动电机持续向远处，过程中对图像进行特征提取，并依据提取特征进行运动趋势判断：当过程中出现差值连续大于设定值的次数达到设定次数时，转入状态三；当移动步长超过最大步长限定时，对焦失败，停止电机，并停止自动对焦；

(3)状态三：过程中对图像进行特征提取，并依据提取特征进行运动趋势判断，如有连续2次差值在第三设定范围间，进入状态四；

(4)状态四：驱动电机向上一状态运动的反方向运动预定步长后停止电机，并停止自动对焦；

(5)当最近一次自动对焦停止时保存当时的图像和特征参数，即保存历史图像状态；

(6)实时采集运行中的热像仪图像，计算图像特征参数，进行特征提取；

(7)将特征提取步骤得到的图像与历史图像依据相似性原理进行匹配，得到其相似性参数；比较当前得到的特征参数与历史特征参数得到其差值，在相似性参数和特征参数均超过预设阈值时，启动调焦，否则进入下一次特征提取。

2.根据权利要求1所述的用于红外成像设备的全自动对焦方法，其特征在于：步骤(6)中计算图像特征参数时，其公式如下：

$V=\frac{\sqrt{\mathrm{\&Sigma;}{(i(x+1,y)-i(x,y))}^2}}{n}$      |i(x+1)-i(x)|>T

其中，i是图像上某个像素位置的灰度值，n是被计算的像素个数之和，T为阈值。