CN103747174A - 一种多目标自由聚焦方法及其应用装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多目标自由聚焦方法及其应用装置。一种多目标自由聚焦方法，包括下列步骤：1）实时选取任意感兴趣的目标，跟踪；2）系统响应，目标区域内的清晰度评价函数，找出峰值清晰图像；3）采取自适应变步长全局搜索策略，回查峰值，找到立即停止聚焦电机。一种多目标自由聚焦方法的应用装置，包括：光学聚焦组件：主图像输出，根据电机驱动信号进行相应反应；图像采集卡及软件处理界面：目标区域选择、传输驱动电机信号；图像算法及电机驱动控制器：目标区域内的峰值清晰图像查找、全局搜索策略、自适应保护机制。利用清晰度评价函数和自适应变步长全局搜索策略，提高了目标探测识别及跟踪搜索能力。

Description

一种多目标自由聚焦方法及其应用装置

技术领域

本发明属于光学成像领域，涉及一种目标聚焦方法及其应用装置，特别是多目标自由聚焦方法及其应用装置。

背景技术

随着军用武器的不断改装，可见光跟踪系统面临严峻的挑战，对其性能指标和环境适应性要求越来越苛刻。与此同时，目标运动速度越来越快，体积越来越小，增大了光电系统探测、跟踪的难度。于是，自动聚焦技术产生并迅速发展。

自动聚焦是目前光学成像系统的一项不可或缺的重要技术，应用产品越来越广泛，例如数码相机、光学镜头、显微镜、扫描仪、数字视频平台等精密仪器，几乎涉及到所有领域。

在成像方面的自动聚焦技术目前主要分两大趋势：以整幅图像作为评价窗口进行的全局聚焦和对图像划分区域的局部窗口聚焦，全局聚焦的缺点是一方面计算量大，另一方面对于背景占很大比例的小目标图像不适用，再者对于前景丰富的图像非目标具有很强的干扰性，聚焦结果很大可能背离原始意图。基于以上全局聚焦的诸多缺陷，出现了局部窗口聚焦的研究。聚焦区域的选择直接影响到聚焦算法的速度和精度，好的局部窗口聚焦函数一方面大大减少数据处理量，加快聚焦速度，另一方面消除了非感兴趣区域的噪声干扰，提高聚焦精度。但目前研究的局部窗口划分都不太理想，有人将图像划分为固定两块区域：上区和下区，默认为上区；有人考虑到了背景所占比例大的情况，分别对操作器、目标和背景局部区域聚焦并进行对比，从中找出最清晰位置，其缺陷是针对应用环境定性划分，并未针对划分窗口进行论述；有人提出了高斯非均匀采样函数，主要针对目标较小且偏离中心区域的图像，根据梯度函数提取目标，但这种目标确定法明显具有固定性，或许客户关注的并不是梯度函数确定的目标，对于前景丰富的图像不适用。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提供一种多目标自由聚焦方法及其应用装置，利用清晰度评价函数和自适应变步长全局搜索策略，提高了目标探测识别及跟踪搜索能力。

一种多目标自由聚焦方法，包括下列步骤：1）、当外界有鼠标条件下，用鼠标人工干预具体的聚焦位置，在图像界面上自由选择视场内的任何单目标进行自动聚焦，可人在回路实时选取任意感兴趣的目标，从多目标中灵活提取单目标进行实时跟踪，目标可以随时改变，并不受算法内部函数值的选择影响，具有很强的人机交互性；2）、系统响应，通过硬件电路和软件程序启动聚焦电机，同时开始目标区域内的清晰度评价函数，一个像素清晰度值由其周围的8个像素对应的四个算子绝对值和来计算，找出峰值清晰图像；3）、采取自适应变步长全局搜索策略，回查峰值，找到立即停止聚焦电机，因视场分长焦区域、短焦区域和无效区域，长焦区域(即小视场)和短焦区域(即大视场)分别有聚焦清晰位置，而无效区内几乎图像不存在，所以在无效区域电机大步长全速前进，在长焦区域和短焦区域根据当前视频帧图像峰值和聚焦算法输出峰值之间的绝对值差选择变步长搜索。

一种多目标自由聚焦方法的应用装置，包括：

光学聚焦组件：主要功能是图像输出，根据电机驱动信号进行相应反应；

图像采集卡及软件处理界面：主要进行图像采集、图像滤波、图像分割即目标区域选择、传输驱动电机信号；

图像算法及电机驱动控制器：通过TMS320DM642及TMS320F2812两个主芯片搭建的硬件电路和对二者烧写的程序来实现，主要包括目标区域内的峰值清晰图像查找、全局搜索策略、自适应保护机制。

本发明采用多目标自由聚焦算法和自适应变步长全局搜索策略，通过人在回路提取单目标，利用同步检测法防止视场切换后窗口内无目标，采取峰值自适应调整保护机制消除搜索无法收敛到聚焦点的缺点。

附图说明

图1为本发明示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种多目标自由聚焦方法的应用装置，包括下列步骤：（1）、当外界有鼠标条件下，用鼠标人工干预具体的聚焦位置，在图像界面上自由选择视场内的任何单目标进行自动聚焦，实时选取任意感兴趣的目标，从多目标中灵活提取单目标进行实时跟踪，目标可以随时改变，并不受算法内部函数值的选择影响，具有很强的人机交互性；（2）、系统响应，通过硬件电路和软件程序启动聚焦电机，同时开始目标区域内的清晰度评价函数，一个像素清晰度值由其周围的8个像素对应的四个算子绝对值和来计算，找出峰值清晰图像；（3）、采取自适应变步长全局搜索策略，回查峰值，找到立即停止聚焦电机，因视场分长焦区域、短焦区域和无效区域，长焦区域(即小视场)和短焦区域(即大视场)分别有聚焦清晰位置，而无效区内几乎图像不存在，所以在无效区域电机大步长全速前进，在长焦区域和短焦区域根据当前视频帧图像峰值和聚焦算法输出峰值之间的绝对值差选择变步长搜索。

所述步骤（1）中，为避免图像选择区域在视场切换后无搜索目标的异常情况，采取如下同步检测方法：记录下每一幅图像的局部窗口和全局窗口具有的边缘能量，求其电机走一圈的所有视频帧的局部窗口和全局窗口边缘能量峰值，并设置一个门限，若局部窗口的边缘能量峰值高于此阈值则步骤（2）及（3）中采取局部窗口聚焦算法及全局搜索策略，否则步骤（2）及（3）中采取全局窗口聚焦算法及全局搜索策略。

所述步骤（3）中，包括了一种异常情况：当当前视频帧图像峰值和聚焦算法输出峰值之间的绝对值差在规定时间内不小于一规定阈值而导致电机无法停止时，则采取峰值自适应调整保护机制，步骤如下：a、设传入参数峰值为M，微动正常量为s，当前搜索结果值为F；（b）、若M>F则M=M-s，否则M=M+s；（c）、搜索不到，则转向步骤（b）直至电机停止。

一种多目标自由聚焦方法的应用装置，包括：

图像采集卡及软件处理界面1：主要进行图像采集、图像滤波、图像分割即目标区域选择、传输驱动电机信号；

光学组件2：主要功能是图像输出，根据电机驱动信号进行相应反应；

控制器3：通过TMS320DM642及TMS320F2812两个主芯片搭建的硬件电路和对二者烧写的程序来实现，主要包括目标区域内的峰值清晰图像查找、全局搜索策略、自适应保护机制。如图1所示。

Claims (4)

1.一种多目标自由聚焦方法，其特征在于：包括下列步骤：（1）、当外界有鼠标条件下，用鼠标人工干预具体的聚焦位置，在图像界面上自由选择视场内的任何单目标进行自动聚焦，实时选取任意感兴趣的目标，从多目标中灵活提取单目标进行实时跟踪，目标可以随时改变，并不受算法内部函数值的选择影响，具有很强的人机交互性；（2）、系统响应，通过硬件电路和软件程序启动聚焦电机，同时开始目标区域内的清晰度评价函数，一个像素清晰度值由其周围的8个像素对应的四个算子绝对值和来计算，找出峰值清晰图像；（3）、采取自适应变步长全局搜索策略，回查峰值，找到立即停止聚焦电机，因视场分长焦区域、短焦区域和无效区域，长焦区域(即小视场)和短焦区域(即大视场)分别有聚焦清晰位置，而无效区内几乎图像不存在，所以在无效区域电机大步长全速前进，在长焦区域和短焦区域根据当前视频帧图像峰值和聚焦算法输出峰值之间的绝对值差选择变步长搜索。

2.根据权利要求1所述的多目标自由聚焦方法，其特征在于：所述步骤（1）中，为避免图像选择区域在视场切换后无搜索目标的异常情况，采取如下同步检测方法：记录下每一幅图像的局部窗口和全局窗口具有的边缘能量，求其电机走一圈的所有视频帧的局部窗口和全局窗口边缘能量峰值，并设置一个门限，若局部窗口的边缘能量峰值高于此阈值则步骤（2）及（3）中采取局部窗口聚焦算法及全局搜索策略，否则步骤（2）及（3）中采取全局窗口聚焦算法及全局搜索策略。

3.根据权利要求1所述的多目标自由聚焦方法，其特征在于：所述步骤（3）中，包括了一种异常情况：当当前视频帧图像峰值和聚焦算法输出峰值之间的绝对值差在规定时间内不小于一规定阈值而导致电机无法停止时，则采取峰值自适应调整保护机制，步骤如下：a、设传入参数峰值为M，微动正常量为s，当前搜索结果值为F；（b）、若M>F则M=M-s，否则M=M+s；（c）、搜索不到，则转向步骤（b）直至电机停止。

4.一种多目标自由聚焦方法的应用装置，其特征在于：包括：

光学组件（2）：主要功能是图像输出，根据电机驱动信号进行相应反应；

图像采集卡及软件处理界面（1）：主要进行图像采集、图像滤波、图像分割即目标区域选择、传输驱动电机信号；

控制器（3）：通过TMS320DM642及TMS320F2812两个主芯片搭建的硬件电路和对二者烧写的程序来实现，主要包括目标区域内的峰值清晰图像查找、全局搜索策略、自适应保护机制。

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