CN103354599A - 一种应用于动光源场景的自动聚焦方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于动光源场景的自动聚焦方法：A、将图像区域划分成若干个图像子区域；B、利用聚焦评价函数计算每个图像子区域当前的聚焦评价值FCV_cur，并且根据前一帧的聚焦评价值FV_pre计算每个图像子区域的聚焦评价值变化率δ；C、根据聚焦评价值变化率确定该图像子区域是否存在动光源，如果存在转D；否则转E；D、按照聚焦评价值变化率δ从大到小依次修正所述存在动光源的图像子区域的FV_cur'=FV_pre(1+δ′)；其中δ′为当前被修正区域聚焦评价值变化率和其相邻子区域当前的聚焦评价值变化率的均值；E、根据每个图像子区域的评价值FV_cur计算整个图像的聚焦评价值。本发明实现了具有动光源场景的自动聚焦，实际效果非常理想。

Description

一种应用于动光源场景的自动聚焦方法和装置

技术领域

本发明涉及视频监控摄像机领域，尤其涉及一种对于动光源场景的自动聚焦方法和装置。

背景技术

自动聚焦是决定图像质量的重要因素，是获取清晰图像的第一步。聚焦性能取决于调焦评价函数的准确性和有效性，即评价函数必须具有无偏性好、单峰性强和较好的抗噪性能。图像模糊的本质是高频分量的损失，聚焦图像比离焦图像包含更多的信息和细节，这是设计聚焦评价函数的基础。聚焦评价函数的选择是一体化摄像机实现对焦，以获取高质量图像很重要的依据。

如图1所示，该图显示了夜间具有动态光源下的聚焦评价曲线（又称清晰度评价曲线）。横坐标表示焦点位置的相对值，纵坐标表示根据聚焦评价函数计算得到的图像聚焦评价值（聚焦评价值，又称清晰度评价值）。该曲线显示了两个波峰，根据该曲线，摄像机会选择波峰1对应的位置作为最终的焦点位置完成聚焦，因为该位置的清晰度评价值最高。但通过实际图像的验证，波峰1对应的位置不是图像最清晰的位置，图像最清晰的位置实际上位于图1中标示的位置2。之所以发生聚焦评价函数在本例中失效，主要是因为自动聚焦过程中，环境中的动态光源发生了由亮到灭的切换，位置2所对应的图片局部区域的亮度低于波峰1位置图片局部区域的亮度，从而导致位置2的图片的聚焦评价值小于波峰1位置图片的聚焦评价值，引起自动聚焦算法的失效。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种应用于动态光源场景的自动聚焦方法和装置。

该应用于动光源场景的自动聚焦方法包括如下步骤：

A、将图像区域划分成若干个图像子区域；

B、利用聚焦评价函数计算每个图像子区域当前的聚焦评价值FV_cur，并且根据每个图像子区域前一帧的聚焦评价值FV_pre和当前的聚焦评价值FV_cur计算每个图像子区域的聚焦评价值变化率δ，所述聚焦评价值变化率 $\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{FV}}_{\mathrm{cur}}-{\mathrm{FV}}_{\mathrm{pre}}}{{\mathrm{FV}}_{\mathrm{pre}}};$

C、根据每个图像子区域的聚焦评价值变化率δ确定所述图像子区域是否存在动光源，如果存在，则转步骤D；否则转步骤E；

D、按照聚焦评价值变化率从大到小的顺序依次修正所述存在动光源的图像子区域当前的聚焦评价值，修正后的聚焦评价值FV_cur′=FV_pre(1+δ′)；其中δ′为当前被修正区域聚焦评价值变化率和其相邻子区域当前的聚焦评价值变化率的均值；

E、根据每个图像子区域当前的聚焦评价值计算整个图像的聚焦评价值；

F、判断聚焦是否结束，如果是，则流程结束，否则返回步骤B。

优选地，根据每个图像子区域的聚焦评价值变化率δ确定该区域是否存在动光源具体为：如果该图像子区域的聚焦评价值变化率δ的绝对值大于第一预设门限值或者，该图像子区域的聚焦评价值变化率δ的绝对值大于第二预设门限值且该图像子区域的聚焦评价值变化趋势与周边其他区域相反，则确定该图像子区域存在动光源。

基于同样的构思，本发明还提供一种应用于动光源场景的自动聚焦装置，该装置位于摄像机上，该装置包括：图像分割模块，用于将图像区域划分成若干个图像子区域；第一聚焦评价值计算模块，用于根据聚焦评价函数计算每个图像子区域当前的聚焦评价值FV_cur；聚焦评价值变化率δ计算模块，用于根据每个图像子区域前一帧的聚焦评价值FV_pre和当前的聚焦评价值FV_cur计算每个图像子区域的聚焦评价值变化率δ，所述聚焦评价值变化率动光源判断模块，用于根据每个图像子区域的聚焦评价值变化率δ确定所述图像子区域是否存在动光源；聚焦评价值修正模块，用于按照聚焦评价值变化率从大到小的顺序依次修正所述存在动光源的图像子区域当前的聚焦评价值，修正后的聚焦评价值FV_cur′=FV_pre(1+δ′)；其中δ′为当前被修正区域聚焦评价值变化率和其相邻子区域当前的聚焦评价值变化率的均值；第二聚焦评价值计算模块，用于根据每个图像子区域当前的聚焦评价值计算整个图像的聚焦评价值。

相较于现有技术，本发明针对具有动光源的场景进行了良好的聚焦。

附图说明

图1是动态光源场景下的清晰度评价曲线图。

图2是本发明实施例方法流程图。

图3是本发明实施例图像子区域示例图。

图4是使用本发明技术后清晰度评价曲线和现有的评价曲线比较图。

图5是本发明实施例装置逻辑结构图。

具体实施方式

为解决现有技术中提到的问题，本发明需要对现有的自动聚焦方法进行优化，该优化的方法需要排除动光源对自动聚焦算法的影响，从而使得最终的聚焦评价曲线具有较强的单峰。以下通过具体的实施例来描述本发明。

参考图2，该图为本发明实施例一方法流程图。该自动聚焦方法应用于具有动光源的场景。

步骤21、将图像区域划分成若干个图像子区域。

一般的在利用聚焦评价函数计算图像聚焦评价值时都需要先将图像划分成若干子区域。

步骤22、利用聚焦评价函数计算每个图像子区域当前的聚焦评价值FV_cur，并且根据每个图像子区域前一帧的聚焦评价值FV_pre和当前的聚焦评价值FV_cur计算每个图像子区域的聚焦评价值变化率δ，所述聚焦评价值变化率 $\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{FV}}_{\mathrm{cur}}-{\mathrm{FV}}_{\mathrm{pre}}}{{\mathrm{FV}}_{\mathrm{pre}}}.$

这里的聚焦评价函数为现有的一些聚焦评价函数，比如说Laplace函数和Brenner函数Tenengrad函数、Robert函数和平方梯度函数。利用这些聚焦评价函数计算图像各子区域的聚焦评价值属于现有技术，具体如何计算这里不再详细描述。本步骤中，需要计算各图像子区域的聚焦评价值变化率。该聚焦评价值变化率是指该子区域当前帧的聚焦评价值相对于前一帧聚焦评价值的变化率。该聚焦评价值变化率为评估该图像子区域是否存在动光源提供了依据。

步骤23、根据每个图像子区域的聚焦评价值变化率δ确定所述图像子区域是否存在动光源，如果存在，则转步骤24；否则转步骤25。

确定图像子区域是否存在动光源的方法包括但不限于以下方法：

方法一：如果某个图像子区域的聚焦评价值变化率δ的绝对值大于预设门限值Threshold1，则认为该图像子区域存在动光源；

方法二：如果某个图像子区域的聚焦评价值变化率δ的绝对值大于预设门限值Threshold2，并且该子区域的聚焦评价值变化趋势与周边其他区域的聚焦评价值变化趋势相反，则认为该图像子区域存在动光源。其中，Threshold1大于Threshold2 。Threshold1和Threshold2可以根据经验进行设置。

如果判断出图像子区域存在动光源，则需要对步骤22计算出的该区域当前的聚焦评价值进行修正，否则还是以步骤22中计算出的聚焦评价值作为当前该图像子区域的聚焦评价值。

步骤24、按照聚焦评价值变化率从大到小的顺序依次修正存在动光源的图像子区域当前的聚焦评价值，修正后的聚焦评价值FV_cur′=FV_pre(1+δ′)；其中δ′为被修正区域当前聚焦评价值变化率和其相邻子区域当前的聚焦评价值变化率的均值。

修正具有动光源的图像子区域聚焦评价值的方法，利用了该区域相邻子区域当前的聚焦评价值变化率从而达到了排除动光源对聚焦评价值计算的影响。

但是当多个相邻的图像子区域存在动光源时，后处理的区域会受到先处理区域修正后的聚焦评价值变化率影响。为了不让聚焦评价值变化率小的区域更大程度上受到聚焦评价值变化率大的区域影响，所以按照聚焦评价值变化率，先对存在动光源的图像子区域进行排序，再对排好序的图像子区域依次进行聚焦评价值的修正。排序的依据为：聚焦评价值变化率大的图像子区域在前，聚焦评价值变化率小的在后。

步骤25、根据每个图像子区域当前的聚焦评价值计算整个图像的聚焦评价值。

步骤26、判断聚焦是否结束，如果是，则流程结束，否则返回步骤22。

如果图像子区域的聚焦评价值经过修正，则将修正后的聚焦评价值作为该图像子区域当前的聚焦评价值来进行整个图像聚焦评价值的计算。如何根据每个图像子区域的聚焦评价值计算整个图像的聚焦评价值以及聚焦结束与否的判断属于现有技术，不再赘述。

参考图3的具体示例来描述本发明具体实施方式。

首先，该图像区域被划分成5*8个图像子区域。这些图像子区域被描述为（i，j），比如说第1行第1列的子区域表示为图像子区域（1，1），第1行第2列的子区域表示为图像子区域（1，2），以此类推。

利用聚焦评价函数计算图像子区域（i，j）当前的聚焦评价值，再计算该图像子区域（i，j）的聚焦评价值变化率。以图像子区域（3，5）为例，先计算获得其当前的聚焦评价值FV_(3,5)cur，比如说计算得到的FV_(3,5)cur的值为60，然后通过公式计算子区域（3，5）的聚焦评价值变化率

假设该子区域前一帧的聚焦评价值FV_(3,5)pre的值为10，则δ₃₅的值为5。针对图3的40个图像子区域，将获得40个聚焦评价值和40个聚焦评价值变化率。

针对每一个图像子区域的聚焦评价值变化率，根据预定的规则判断在该区域是否存在动光源。比如说动光源存在与否的判断依据为聚焦评价值变化率的绝对值大于3，根据上面计算得到的δ₃₅则确定图像子区域（3，5）存在动光源。通过同样的方法来确定图3中其它图像子区域中是否存在动光源。假设通过判定仅图像子区域（3，5）存在动光源，其余子区域不存在动光源。在这种情况下，需要对图像子区域（3，5）当前的聚焦评价值进行修正。在对子区域（3，5）当前的聚焦评价值进行修正时，需要先计算子区域（3，5）聚焦评价值变化率和其相邻子区域当前的聚焦评价值变化率的均值δ₃₅'。图像子区域（3，5）的相邻子区域可以是（3，4）、（3，6）、（2，5）和（4，5）这四个图像子区域，所以

δ₃₄、δ₃₆、δ₂₅和δ₄₅分别为图像子区域（3，4）、（3，6）、（2，5）和（4，5）的聚焦评价值变化率，若计算得到的δ₃₄、δ₃₆、δ₂₅和δ₄₅的值分别为1，1，1，2，则根据上述公式计算得到δ′₃₅的值为2。利用计算得到的δ′₃₅来修正图像子区域（3，5）当前的聚焦评价值，具体为：FV_(3,5)cur=FV_(3,5)pre*（1+δ′₃₅）=10*（1+2）=30。所以图像子区域（3，5）当前的聚焦评价值由60被修正为了30。

如果除了图像子区域（3，5）存在动光源外，图像子区域（5，2）也存在动光源，则可以再利用同样的方法可以修正图像子区域（5，2）当前的聚焦评价值，图像子区域（5，2）的相邻子区域可以是（5，1）、（5，3）、（4，2）这三个子区域。

但是，如果图像子区域（3，6）也存在动光源的话，则先对图像子区域（3，5）进行聚焦评价值修正还是先对（3，6）进行聚焦评价值将会产生不同的修正结果。为了保证修正后的聚焦评价值变化趋势与实际一致，比如说图像子区域（3，5）修正前的聚焦评价值为60，图像子区域（3，6）修正前的聚焦评价值为100，则修正后的图像子区域（3，6）的聚焦评价值仍应大于修正后的图像子区域（3，5）的聚焦评价值，所以在多个图像子区域具有动光源的时候，按照聚焦评价值变化率从大到小的顺序依次修正存在动光源的图像子区域当前的聚焦评价值。比如说经过步骤22的计算，图像子区域（3，5）的聚焦评价值变化率δ₃₅为5，图像子区域（3，6）的聚焦评价值变化率δ₃₆为8，则按照步骤24的方法先修正图像子区域（3，6）的聚焦评价值，然后再修正图像子区域（3，5）的聚焦评价值。

参见图4，该图为实验得出的针对图1的同样的场景利用本发明的方法获得的聚焦评价曲线。将图4的曲线和图1的进行对比，发现修正后的曲线有明显的改善，满足单峰性和无偏性。

图5是本发明实施例一种应用于动光源场景的自动聚焦装置的逻辑结构图，该装置包括：图像分割模块、第一聚焦评价值计算模块、聚焦评价值变化率δ计算模块、动光源判断模块、聚焦评价值修正模块和第二聚焦评价值计算模块。其中，图像分割模块，用于将图像区域划分成若干个图像子区域；第一聚焦评价值计算模块，用于根据聚焦评价函数计算每个图像子区域当前的聚焦评价值FV_cur；聚焦评价值变化率δ计算模块，用于根据每个图像子区域前一帧的聚焦评价值FV_pre和当前的聚焦评价值FV_cur计算每个图像子区域的聚焦评价值变化率δ，所述聚焦评价值变化率

动光源判断模块，用于根据每个图像子区域的聚焦评价值变化率δ确定所述图像子区域是否存在动光源；聚焦评价值修正模块，用于按照聚焦评价值变化率从大到小的顺序依次修正所述存在动光源的图像子区域当前的聚焦评价值，修正后的聚焦评价值FV_cur′=FV_pre(1+δ′)；其中δ′为当前被修正区域聚焦评价值变化率和其相邻子区域当前的聚焦评价值变化率的均值；第二聚焦评价值计算模块，用于根据每个图像子区域当前的聚焦评价值计算整个图像的聚焦评价值。

动光源判断模块根据每个图像子区域的聚焦评价值变化率δ确定该区域是否存在动光源具体为：如果该图像子区域的聚焦评价值变化率δ的绝对值大于第一预设门限值或者，该图像子区域的聚焦评价值变化率δ的绝对值大于第二预设门限值且该图像子区域的聚焦评价值变化趋势与周边其他区域相反，则确定该图像子区域存在动光源。

本发明实施例对具有动光源的环境达到了良好的聚焦。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (4)

1.一种应用于动光源场景的自动聚焦方法，该方法应用于摄像机，其特征在于，该方法包括如下步骤：

A、将图像区域划分成若干个图像子区域；

B、利用聚焦评价函数计算每个图像子区域当前的聚焦评价值FV_cur，并且根据每个图像子区域前一帧的聚焦评价值FV_pre和当前的聚焦评价值FV_cur计算每个图像子区域的聚焦评价值变化率δ，所述聚焦评价值变化率 $\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{FV}}_{\mathrm{cur}}-{\mathrm{FV}}_{\mathrm{pre}}}{{\mathrm{FV}}_{\mathrm{pre}}};$

C、根据每个图像子区域的聚焦评价值变化率δ确定所述图像子区域是否存在动光源，如果存在，则转步骤D；否则转步骤E；

D、按照聚焦评价值变化率δ从大到小的顺序依次修正所述存在动光源的图像子区域当前的聚焦评价值，修正后的聚焦评价值FV_cur′=FV_pre(1+δ′)；其中δ′为当前被修正区域聚焦评价值变化率和其相邻子区域当前的聚焦评价值变化率的均值；

E、根据每个图像子区域当前的聚焦评价值计算整个图像的聚焦评价值；

F、判断聚焦是否结束，如果是，则流程结束，否则返回步骤B。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据每个图像子区域的聚焦评价值变化率δ确定该区域是否存在动光源具体为：

如果该图像子区域的聚焦评价值变化率δ的绝对值大于第一预设门限值或者，该图像子区域的聚焦评价值变化率δ的绝对值大于第二预设门限值且该图像子区域的聚焦评价值变化趋势与周边其他区域相反，则确定该图像子区域存在动光源。

3.一种应用于动光源场景的自动聚焦装置，该装置位于摄像机上，其特征在于，该装置包括：

图像分割模块，用于将图像区域划分成若干个图像子区域；

第一聚焦评价值计算模块，用于根据聚焦评价函数计算每个图像子区域当前的聚焦评价值FV_cur；

聚焦评价值变化率δ计算模块，用于根据每个图像子区域前一帧的聚焦评价值FV_pre和当前的聚焦评价值FV_cur计算每个图像子区域的聚焦评价值变化率δ，所述聚焦评价值变化率

动光源判断模块，用于根据每个图像子区域的聚焦评价值变化率δ确定所述图像子区域是否存在动光源；

聚焦评价值修正模块，用于按照聚焦评价值变化率从大到小的顺序依次修正所述存在动光源的图像子区域当前的聚焦评价值，修正后的聚焦评价值FV_cur′=FV_pre(1+δ′)；其中δ′为当前被修正区域聚焦评价值变化率和其相邻子区域当前的聚焦评价值变化率的均值；

第二聚焦评价值计算模块，用于根据每个图像子区域当前的聚焦评价值计算整个图像的聚焦评价值。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述根据每个图像子区域的聚焦评价值变化率δ确定该区域是否存在动光源具体为：

如果该图像子区域的聚焦评价值变化率δ的绝对值大于第一预设门限值或者，该图像子区域的聚焦评价值变化率δ的绝对值大于第二预设门限值且该图像子区域的聚焦评价值变化趋势与周边其他区域相反，则确定该图像子区域存在动光源。

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