CN102981347A - 用于视频监控系统的susan自动对焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于视频监控系统的SUSAN自动对焦方法，用以保持光学镜头位置不变，沿光轴调整图像探测器靶面位置至最佳成像位置，包括以下步骤：利用改进的SUSAN边缘提取算法作为自动对焦过程的清晰度评价函数；利用自适应变步长爬山算法作为自动对焦过程的最佳清晰度值位置搜索算法。本发明的用于视频监控系统的SUSAN自动对焦方法，通过将SUSAN算子进行改进作为自动对焦过程的清晰度评价函数，不仅具有良好的单峰性，无偏性及尖锐性，还兼顾了抗噪性强、实时性好。将该方法应用于视频监控系统的自动对焦，可实现系统的快速准确的自动对焦。

Description

用于视频监控系统的SUSAN自动对焦方法

技术领域

本发明涉及一种用于视频监控系统的自动对焦方法，特别涉及一种用于视频监控系统的SUSAN自动对焦方法。

背景技术

随着电子技术、图像处理技术的不断发展，机器人视觉及数字视频系统在日常生活中得到了广泛应用。能够清晰成像则是对视频监控系统的基本要求，而自动对焦技术是系统获取清晰图像的重要前提和保障，因此自动对焦技术已成为机器人视觉及数字视频系统的关键技术。清晰度评价函数性能的优劣会对视频监控系统的对焦效果产生直接影响，所以应该根据系统的实际性能要求合理的对清晰度评价函数进行选择。性能优良的评价函数应该具有良好的无偏性、单峰性，较高的灵敏度，此外对于存在噪声干扰的实时视频系统还应该具有较好的实时性和一定的抗噪性。

目前常用的图像清晰度评价函数主要分为频域和空域两类。频域评价函数虽然具有一定的抗噪性，但是需要进行空域到频域的转换，计算复杂，运算量大，往往很难满足系统的实时性要求；而常用的Tenengrad、空间梯度、方差函数等空域评价函数虽然计算量小，但是抗噪性较差。因而有必要研究一种既能满足系统实时性要求又具备一定抗噪性的整体性能优良的清晰度评价函数。

SUSAN算子，在边缘检测的准确性、实时性与抗噪性方面具有突出表现。SUSAN是Smallest Univalue Segment Assimilating Nucleus（最小核值相似区）的缩写，是由英国学者Smith等提出来的。它是一种基于灰度特征点的获取方法，由于采用的模板为圆形模板，对图像边缘方向性要求不高，同时具有运算简单，抗噪性强等特点，将其运用到自动对焦算法中，可以在很大程度上提高图像边缘识别的准确性与滤除噪声干扰的能力；其计算速度快的特点，使其更适用于实时图像处理系统。本发明提出的基于SUSAN算子的清晰度评价函数，就是利用了SUSAN算子的上述特点，通过对SUSAN边缘检测算法进行改进后作为图像清晰度评价函数应用到自动对焦算法中。

发明内容

本发明的目的是为了解决当前的自动对焦算法运算量与抗噪性不能兼顾的问题，而提出的一种用于视频监控系统的SUSAN自动对焦方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种用于视频监控系统的SUSAN自动对焦方法，用以保持光学镜头位置不变，沿光轴调整图像探测器靶面位置至最佳成像位置，包括以下步骤：

步骤i：利用改进的SUSAN边缘提取算法作为自动对焦过程的清晰度评价函数；

步骤ii：利用自适应变步长爬山算法作为自动对焦过程的最佳清晰度值位置搜索算法。

在上述技术方案中，步骤i具体包括以下的步骤：

（1）计算出当前帧用于参与清晰度评价值计算的图像窗口内每个像素点的核值相似区值，计算式为：

$n\left(r_0\right)=\underset{r}{\mathrm{\Σ}}c(r,r_0)---\left(1\right)$

其中：

$c(r,r_0)=\left\{\begin{array}{cc}1,& |I\left(r\right)-I\left(r_0\right)|\≤t\\ 0,& |I\left(r\right)-I\left(r_0\right)|>t\end{array}\right.$ ；

I(r₀)为SUSAN算子模板在图像窗口上所覆盖区域的中心像素灰度值；

I(r)为SUSAN算子模板在图像窗口上所覆盖区域的任一非中心像素灰度值；

t为灰度相似度设定阈值；

（2）对图像窗口内每个像素点的边缘性进行判定，计算式为：

$R\left(r_0\right)=\left\{\begin{array}{cc}g-n\left(r_0\right),& n\left(r_0\right)\≤g\\ 0,& n\left(r_0\right)>g\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中：

g为边缘性判定阈值；

（3）计算当前帧整个图像窗口的清晰度评价值，计算式为：

$V=\underset{r_0\∈\mathrm{Re\; ct}}{\mathrm{\Σ}}\left|R\left(r_0\right)\right|---\left(3\right);$

其中：Rect为图像对焦窗口矩形区域。

在上述技术方案中，t为6-16之间的整数。g为2-25之间的整数。

在上述技术方案中，步骤ii具体包括以下的步骤：

（1）根据当前系统特性参数，设置变量初始值：将探测器步长S设为初始步长S₀，允许最小步长S_min，探测器可移动位置最小值P_min，探测器可移动位置最大值P_max，开始对焦时探测器当前所处位置P₀，初始移动方向为正方向；

（2）探测器初始对焦位置设定：若P₀与P_max距离大于初始步长S₀，则探测器位置P=P₀；反之，将探测器初始位置向负方向移动一个S0的距离， P=P₀-S₀；

（3）利用SUSAN清晰度评价函数计算探测器处于当前位置时图像清晰度评价值V₁；

（4）预先判断探测器继续按照设定方向移动一个步长S后是否会超出移动范围{P_min,P_max}，若超出范围，则进行步骤（5），若未超出，则跳过步骤（5），直接执行步骤（6）；

（5）预先判断S/2是否小于最小步长S_min，若是，则说明探测器移动范围边界处即为清晰度值最大值处，跳转至步骤（9）；若否，则将当前步长减半，并将探测器沿与当前移动方向相反的方向移动，即S= -S/2；

（6）令P=P+S，并将探测器移动至位置P处；

（7）利用SUSAN清晰度评价函数计算探测器处于当前位置时图像清晰度评价值V₂；

（8）若V₂>V₁，则说明移动方向正确，应沿原来方向继续移动，跳转至步骤（4）；反之，则说明应该减小步长，沿相反方向移动，继续进行更细微搜索，跳转至步骤（5）；

（9）对焦结束。

在上述技术方案中，该方法适用的视频监控系统包括：

光学镜头，位置固定，用于将监测目标投影在像面上；

图像探测器，用于将图像信号转换为数字信号，可在可控对焦装置带动下沿光轴方向滑动；

可控对焦装置，包括串口收发模块、电机和传动机构，可根据中央处理单元发出的控制指令，带动图像探测器沿光轴进行移动；

中央处理单元，用于对图像探测器转换的数字信号进行采集，显示，对焦运算和对焦控制指令的收发。

在上述技术方案中，所述的图像探测器为CCD或CMOS相机。

在上述技术方案中，所述的电机为步进电机。

在上述技术方案中，所述的中央处理单元为具有串口收发模块、且能够进行图像数据采集、显示和对焦算法处理的控制板或工控计算机。

本发明的有益效果是：

本发明的用于视频监控系统的SUSAN自动对焦方法，通过将SUSAN算子进行改进作为自动对焦过程的清晰度评价函数，不仅具有良好的单峰性，无偏性及尖锐性，还兼顾了抗噪性强、实时性好。将该方法应用于视频监控系统的自动对焦，可实现系统的快速准确的自动对焦。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1 为本发明的用于视频监控系统的SUSAN自动对焦方法的步骤流程示意图；

图2 为本发明的用于视频监控系统的SUSAN自动对焦方法适用的视频监控系统的装置结构示意图；

图3 为本发明的用于视频监控系统的SUSAN自动对焦方法一种具体实施方式中，其适用的视频监控系统的装置结构示意图；

图4为本发明的用于视频监控系统的SUSAN自动对焦方法另外一种具体实施方式中，其适用的视频监控系统的装置结构示意图。

具体实施方式

本发明的基本思想是利用改进的SUSAN边缘检测算子作为自动对焦算法清晰度评价函数，将该方法应用到视频监控系统实现系统的快速准确对焦。

如图1和2所示，本发明的用于视频监控系统的SUSAN自动对焦方法适用的视频监控系统包括：

光学镜头，位置固定，用于将监测目标投影在像面上；

图像探测器，用于将图像信号转换为数字信号，可在可控对焦装置带动下沿光轴方向滑动；

可控对焦装置，包括串口收发模块、电机和传动机构，可根据中央处理单元发出的控制指令，带动图像探测器沿光轴进行移动；

中央处理单元，用于对图像探测器转换的数字信号进行采集，显示，对焦运算和对焦控制指令的收发。

本发明的用于视频监控系统的SUSAN自动对焦方法，用以保持光学镜头位置不变，沿光轴调整图像探测器靶面位置至最佳成像位置，其具体包括以下步骤：

步骤i：利用改进的SUSAN边缘提取算法作为自动对焦过程的清晰度评价函数；

步骤ii：利用自适应变步长爬山算法作为自动对焦过程的最佳清晰度值位置搜索算法。

具体的说，步骤i具体包括以下的步骤：

（1）计算出当前帧用于参与清晰度评价值计算的图像窗口内每个像素点的核值相似区值（SUSAN值），计算式为：

$n\left(r_0\right)=\underset{r}{\mathrm{\Σ}}c(r,r_0)---\left(1\right)$

其中：

$c(r,r_0)=\left\{\begin{array}{cc}1,& |I\left(r\right)-I\left(r_0\right)|\≤t\\ 0,& |I\left(r\right)-I\left(r_0\right)|>t\end{array}\right.$ ；

I(r₀)为SUSAN算子模板在图像窗口上所覆盖区域的中心像素灰度值；

I(r)为SUSAN算子模板在图像窗口上所覆盖区域的任一非中心像素灰度值；

t为灰度相似度设定阈值；

（2）对图像窗口内每个像素点的边缘性进行判定，计算式为：

$R\left(r_0\right)=\left\{\begin{array}{cc}g-n\left(r_0\right),& n\left(r_0\right)\≤g\\ 0,& n\left(r_0\right)>g\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中：

g为边缘性判定阈值；

（3）计算当前帧整个图像窗口的清晰度评价值，计算式为：

$V=\underset{r_0\∈\mathrm{Re\; ct}}{\mathrm{\Σ}}\left|R\left(r_0\right)\right|---\left(3\right).$

步骤ii具体包括以下的步骤：

（1）根据当前系统特性参数，设置变量初始值：将探测器步长S设为初始步长S₀(即S=S₀)，允许最小步长S_min，探测器可移动位置最小值P_min，探测器可移动位置最大值P_max，开始对焦时探测器当前所处位置P₀，初始移动方向为正方向（即探测器位置值增大的方向，反之为负方向）；

（2）探测器初始对焦位置设定：若P₀与P_max距离大于初始步长S₀，则探测器位置P=P₀；反之，将探测器初始位置向负方向移动一个S0的距离， P=P₀-S₀；

（3）利用SUSAN清晰度评价函数计算探测器处于当前位置时图像清晰度评价值V₁；

（4）预先判断探测器继续按照设定方向移动一个步长S后是否会超出移动范围{P_min,P_max}，若超出范围，则进行步骤（5），若未超出，则跳过步骤（5），直接执行步骤（6）；

（5）预先判断S/2是否小于最小步长S_min，若是，则说明探测器移动范围边界处即为清晰度值最大值处，跳转至步骤（9）；若否，则将当前步长减半，并将探测器沿与当前移动方向相反的方向移动，即S= -S/2；

（6）令P=P+S，并将探测器移动至位置P处；

（7）利用SUSAN清晰度评价函数计算探测器处于当前位置时图像清晰度评价值V₂；

（8）若V₂>V₁，则说明移动方向正确，应沿原来方向继续移动，跳转至步骤（4）；反之，则说明应该减小步长，沿相反方向移动，继续进行更细微搜索，跳转至步骤（5）；

（9）对焦结束。

下面将结合附图，对本发明的实施方式做进一步的详细说明。

实施例1

结合图3所示，本发明实施例提供了一种用于视频监控系统的SUSAN自动对焦方法，用于实现远程视频监控系统的快速自动对焦。所述的视频监控系统包括光学镜头、具有网络接口的CCD相机、远程计算机及可控对焦装置。其中，光学镜头为与CCD相机光学参数相匹配的定焦光学透镜组，其波段范围为400nm~700nm的可见光波段，焦距为50mm。CCD相机为丹麦JAI公司的CM-140GE的具有网络接口的CCD工业相机，可通过以太网实现图像数据的远程传输。远程计算机为可满足CCD相机视频采集、显示及SUSAN自动对焦计算的PC机或工控机。可控对焦装置包括网络命令收发模块、电机控制模块、步进电机及CCD相机靶面位置传动机构。

具体对焦过程如下：

步骤1）远程计算机通过以太网口1对CCD相机获取的图像数据进行图像采集；

步骤2）远程计算机一方面对采集的远程图像数据进行实时显示，另一方面利用图1所示的SUSAN自动对焦方法对当前帧图像数据进行运算；

步骤3）根据步骤2的运算结果，通过网口2将电机位置命令发送到可控对焦装置；

步骤4）可控对焦装置根据其网络命令收发模块接收到的电机位置命令通过电机控制模块调整步进电机，最终实现CCD相机靶面位置的相应调整。并实时的将步进电机状态信息通过网络收发模块通过网口2反馈给远程计算机。

步骤5）结合SUSAN自动对焦方法，经过多次自适应调整，最终实现远程视频监控系统的自动对焦。

实施例2

结合图4所示，本发明实施例提供了一种用于视频监控系统的SUSAN自动对焦方法，用于实现便携视频监控设备的快速自动对焦。所述的便携视频监控系统包括光学镜头，具有网络接口的CCD相机，具有图像采集、显示及处理功能的中央处理控制板，以及可控对焦装置。其中，光学镜头为与CCD相机光学参数相匹配的定焦光学透镜组，其波段范围为400nm~700nm的可见光波段，焦距为50mm。CCD相机为丹麦CM(B)-140MCL的具有CameraLink接口的CCD工业相机，可通过CameraLink数据接口实现图像数据的短距离传输。中央处理控制板为兼具ARM及DSP处理芯片的控制电路板。DSP用于图像数据的采集及自动对焦算法处理，ARM用于实现液晶屏显示处理芯片的控制以及控制命令的收发。可控对焦装置包括串口命令收发模块、电机控制模块、步进电机及CCD相机靶面位置传动机构。

具体对焦过程如下：

步骤1）中央处理控制板通过以CameraLink口对CCD相机获取的图像数据进行图像采集；

步骤2）中央处理控制板一方面对采集的远程图像数据进行实时显示，另一方面利用图1所示的SUSAN自动对焦方法对当前帧图像数据进行运算；

步骤3）根据步骤2的运算结果，通过串口RS232将电机位置命令发送到可控对焦装置；

步骤4）可控对焦装置根据其串口命令收发模块接收到的电机位置命令通过电机控制模块调整步进电机，最终实现CCD相机靶面位置的相应调整。并实时的将步进电机状态信息通过串口收发模块通过串口RS232反馈给中央处理控制板。

步骤5）结合SUSAN自动对焦方法，经过多次自适应调整，最终实现便携视频监控系统的自动对焦。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种用于视频监控系统的SUSAN自动对焦方法，用以保持光学镜头位置不变，沿光轴调整图像探测器靶面位置至最佳成像位置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤i：利用改进的SUSAN边缘提取算法作为自动对焦过程的清晰度评价函数；

步骤ii：利用自适应变步长爬山算法作为自动对焦过程的最佳清晰度值位置搜索算法。

2.如权利要求1所述的SUSAN自动对焦方法，其特征在于，步骤i具体包括以下的步骤：

（1）计算出当前帧用于参与清晰度评价值计算的图像窗口内每个像素点的核值相似区值，计算式为：

$n\left(r_0\right)=\underset{r}{\mathrm{\Σ}}c(r,r_0)---\left(1\right)$

其中：

$c(r,r_0)=\left\{\begin{array}{cc}1,& |I\left(r\right)-I\left(r_0\right)|\≤t\\ 0,& |I\left(r\right)-I\left(r_0\right)|>t\end{array}\right.$ ；

I(r₀)为SUSAN算子模板在图像窗口上所覆盖区域的中心像素灰度值；

I(r)为SUSAN算子模板在图像窗口上所覆盖区域的任一非中心像素灰度值；

t为灰度相似度设定阈值；

（2）对图像窗口内每个像素点的边缘性进行判定，计算式为：

$R\left(r_0\right)=\left\{\begin{array}{cc}g-n\left(r_0\right),& n\left(r_0\right)\≤g\\ 0,& n\left(r_0\right)>g\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中：

g为边缘性判定阈值；

（3）计算当前帧整个图像窗口的清晰度评价值，计算式为：

$V=\underset{r_0\∈\mathrm{Re\; ct}}{\mathrm{\Σ}}\left|R\left(r_0\right)\right|---\left(3\right);$

其中：Rect为图像对焦窗口矩形区域。

3.如权利要求2所述的SUSAN自动对焦方法，其特征在于，t为6-16之间的整数。

4.如权利要求2所述的SUSAN自动对焦方法，其特征在于，g为2-25之间的整数。

5.如权利要求1所述的SUSAN自动对焦方法，其特征在于，步骤ii具体包括以下的步骤：

（1）根据当前系统特性参数，设置变量初始值：将探测器步长S设为初始步长S₀，允许最小步长S_min，探测器可移动位置最小值P_min，探测器可移动位置最大值P_max，开始对焦时探测器当前所处位置P₀，初始移动方向为正方向；

（2）探测器初始对焦位置设定：若P₀与P_max距离大于初始步长S₀，则探测器位置P=P₀；反之，将探测器初始位置向负方向移动一个S0的距离， P=P₀-S₀；

（3）利用SUSAN清晰度评价函数计算探测器处于当前位置时图像清晰度评价值V₁；

（4）预先判断探测器继续按照设定方向移动一个步长S后是否会超出移动范围{P_min,P_max}，若超出范围，则进行步骤（5），若未超出，则跳过步骤（5），直接执行步骤（6）；

（5）预先判断S/2是否小于最小步长S_min，若是，则说明探测器移动范围边界处即为清晰度值最大值处，跳转至步骤（9）；若否，则将当前步长减半，并将探测器沿与当前移动方向相反的方向移动，即S= -S/2；

（6）令P=P+S，并将探测器移动至位置P处；

（7）利用SUSAN清晰度评价函数计算探测器处于当前位置时图像清晰度评价值V₂；

（8）若V₂>V₁，则说明移动方向正确，应沿原来方向继续移动，跳转至步骤（4）；反之，则说明应该减小步长，沿相反方向移动，继续进行更细微搜索，跳转至步骤（5）；

（9）对焦结束。

6.如权利要求1所述的SUSAN自动对焦方法，其特征在于，该方法适用的视频监控系统包括：

光学镜头，位置固定，用于将监测目标投影在像面上；

图像探测器，用于将图像信号转换为数字信号，可在可控对焦装置带动下沿光轴方向滑动；

可控对焦装置，包括串口收发模块、电机和传动机构，可根据中央处理单元发出的控制指令，带动图像探测器沿光轴进行移动；

中央处理单元，用于对图像探测器转换的数字信号进行采集，显示，对焦运算和对焦控制指令的收发。

7.如权利要求6所述的SUSAN自动对焦方法，其特征在于，所述的图像探测器为CCD或CMOS相机。

8.如权利要求6所述的SUSAN自动对焦方法，其特征在于，所述的电机为步进电机。

9.如权利要求6所述的SUSAN自动对焦方法，其特征在于，所述的中央处理单元为具有串口收发模块、且能够进行图像数据采集、显示和对焦算法处理的控制板或工控计算机。

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