CN103945133A - 一种可见光镜头的自动聚焦装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明的一种可见光镜头的自动聚焦装置，包括FPGA控制器、视频输入电路、电源管理模块、电机驱动电路以及串口通信电路；FPGA控制器通过电机驱动电路驱使聚焦电机运动至最佳聚焦位置。本发明的聚焦方法，包括：a).确定最远距离清晰位置，设电机位置为；b).确定最近距离清晰位置，设电机位置为；c).确定、两点之间为聚焦的局部全程；d).判断是否有触发信号产生；f).求一次聚焦清晰点；g).求二次聚焦清晰点；h).求三次聚焦清晰点。本发明的聚焦装置和方法，避免了以往聚焦电机最大行程的聚焦方式，具有聚焦速度快的特点；通过逐渐减小聚焦电机的速度和步长，逐次逼近聚焦位置，使得最终的聚焦位置更加准确、图像更加清晰。

Description

一种可见光镜头的自动聚焦装置及方法

技术领域

本发明涉及一种可见光镜头的自动聚焦装置及方法，更具体的说，尤其涉及一种聚焦行程短、逐次逼近成像清晰位置的可见光镜头的自动聚焦装置及方法。 

背景技术

自动聚焦(AutoFocus，AF)技术是指镜头自动对所拍摄的物体进行调焦，从而获得最清晰的图像。如图1所示，给出了现有自动聚焦方法的原理图，其具备以下几个单元：成像光学镜头、成像器件、自动聚焦单元、处理器、电机驱动单元。在自动聚焦系统中，首先要根据获得的图像信息来判断系统目前是否处于正确聚焦状态，若系统偏离正焦状态，系统给出控制策略去驱动电机，带动镜头移动，在尽量短的时间内，使整个系统达到正确聚焦状态。因此自动聚焦系统中一般有两个模块组成——分析模块和控制模块。分析模块判断一幅图像是否清晰聚焦，控制模块运用分析模块提供的信息，调整系统的状态，使输入图像很好的聚焦。

采用基于图像处理的自动聚焦方法，首先对采集到的图像进行清晰度评价，然后根据清晰度评价值控制驱动模块，驱动模块调整成像系统镜头的焦距，之后重复以上步骤有限次数，直至清晰度评价值达到一个合适的范围，停止焦距调整，从而最后实现自动聚焦的目的。从频域的角度分析，一般的，准确对焦的图像与离焦的图像相比具有更多的高频成分。在对焦范围内寻找最佳对焦位置的方法之一是计算对焦过程中获得的图像序列的高频成分值，这个值被称为对焦评价函数值。自动聚焦的过程就是求聚焦评价函数最大值的过程。

现有的自动聚焦方法存在诸多的不足之处，远距离夜视系统使用的长焦镜头多为手动聚焦，即使有个别镜头支持自动聚焦功能，其聚焦速度以及效果也存在一定差异。通常在聚焦电机聚焦的过程中，需要对全程进行搜索，使得聚焦速度较低。在聚焦电机运动的过程中，由于齿轮之间的缝隙，电机在转动过程中产生的误差将会使镜头达不到最佳位置。在控制镜头反向转动时，此误差更加明显。所以即使针对相同型号的不同机器，仍然需要出厂前微调补偿值，这就会使调试比较繁琐。 

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种聚焦行程短、逐次逼近成像清晰位置的可见光镜头的自动聚焦装置及方法。

本发明的可见光镜头的自动聚焦装置，包括具有采集、运算和控制作用的FPGA控制器，FPGA控制器连接有视频输入电路、电源管理模块、电机驱动电路以及串口通信电路；其特别之处在于：电机驱动电路的输出端连接有变倍电机和聚焦电机，变倍电机、聚焦电机分别驱使可见光镜头的变倍镜组、聚焦镜组运动；视频输入电路用于将模拟视频信号转化为数字信号并输入至FPGA控制器，FPGA控制器根据输入的数字信号对图像清晰度进行判断；FPGA控制器通过电机驱动电路驱使聚焦电机运动至最佳聚焦位置。

视频输入电路将模拟的视频信号转化为数字视频信号，并输入至FPGA控制器中，FPGA控制器对输入的数字视频信号中图像的清晰度进行判断。FPGA控制器通过电机驱动电路驱使变倍电机和聚焦电机运动，以分别实现变倍和聚焦动作。FPGA控制器根据判断出的图像的清晰度，驱使聚焦电机运动至最佳的聚焦位置处，以实现云台运动或变倍后的清晰成像。

本发明的可见光镜头的自动聚焦装置的聚焦方法，其特征在于，包括以下步骤：a).确定最远距离清晰位置，通过变倍电机的驱动，使可见光镜头对准长焦状态下监测场景的最远距离；然后在聚焦电机的驱动下自检全程，确定出使监控目标清晰成像时聚焦电机的位置，设此时聚焦电机的位置为                                               ；b).确定最近距离清晰位置，通过变倍电机的驱动，使可见光镜头对准长焦状态下监测场景的最近距离；然后在聚焦电机的驱动下自检全程，确定出使监控目标清晰成像时聚焦电机的位置，设此时聚焦电机的位置为；c).确定聚焦的局部全程，步骤a)和步骤b)所确定的、两点之间的范围即为聚焦电机自动聚焦的局部全程；d).判断是否有触发信号产生，如果存在触发信号，则直行步骤e)；如果不存在触发信号，则继续判断；e).运动至最近的局部端点，根据聚焦电机当前所处的位置，驱使聚焦电机运动至距离电机最近的局部端点上；f).求一次聚焦清晰点，聚焦电机以初始速度、初始步长由步骤e)中确定的局部端点向另一个局部端点运动的过程中，通过实时分析图像的清晰度，确定出使图像最清晰的聚焦电机的位置，设此时聚焦电机的位置为；g).求二次聚焦清晰点，设步骤f)中使图像最清晰的位置的前后位置分别为、，聚焦电机以速度、步长由位置运动至位置的过程中，通过实时分析图像的清晰度，确定出使图像最清晰的聚焦电机的位置，设此时聚焦电机的位置为；其中，＜，＜；h).求三次聚焦清晰点，设步骤f)中使图像最清晰的位置的前后位置分别为、，聚焦电机以速度、步长由位置运动至位置的过程中，通过实时分析图像的清晰度，确定出使图像最清晰的聚焦电机的位置，设此时聚焦电机的位置为,聚焦电机所处的位置既为使可见光镜头聚焦清晰的位置；其中，＜，＜。

本发明的可见光镜头的自动聚焦装置的聚焦方法，步骤f)、g)和h)图像清晰度的判断过程中，是通过求取图像的聚焦评价函数来确定的，聚焦评价函数取值的大小与图像聚焦清晰度成正比；步骤f)、g)和h)在对图像的聚焦评价函数求取的过程中，所选取的图像的评价窗口为图像的中心区域、由中心和四个顶角形成的五点区域或者为用户选取的自适应连通区域。

本发明的可见光镜头的自动聚焦装置的聚焦方法，所述＝，＝；＝，＝。

本发明的有益效果是：本发明的可见光镜头的自动聚焦装置和聚焦方法，通过确定可见光镜头在长焦状态下最远距离、最近距离可清晰成像时，聚焦电机的位置和，以、两点之间的范围为聚焦电机运动的局部全程，避免了以往聚焦电机最大行程的聚焦方式，使得本发明的聚焦方法具有聚焦速度快的特点；在聚焦的过程中，通过逐渐减小聚焦电机的速度和步长，采用逐次逼近的方法使聚焦电机逐渐运动至最佳成像位置处，使得最终的聚焦位置更加准确、图像更加清晰。同时可以省略微调过程，减少人工干预。同时避免了使聚焦陷入振荡，使得聚焦速度快且准确度高。

在聚焦的过程中，采用聚焦评价函数对图像聚焦的清晰度进行判断，易于识别出清晰的图像。在选取评价窗口时，可选取中心区域、由中心和四个顶角形成的五点区域或者为用户选取的自适应连通区域，区域的大小根据目标的实际情况进行调整，采用这种方法得到的自动聚焦方法往往更具灵活性。

本发明的可见光镜头的自动聚焦装置和聚焦方法，提供了多种触发方式，多种感兴趣区域控制，其聚焦效率也较一般夜视仪高，且改进了聚焦量程以及聚焦电机补偿的方式，使得聚焦方式灵活、速度快且聚焦准确度高。

附图说明

图1为现有自动聚焦方法的原理图；

图2为本发明的可见光镜头的自动聚焦装置的原理图；

图3为本发明的可见光镜头的自动聚焦方法的原理图。

图中：1 FPGA控制器，2电源管理模块，3串口通信电路，4视频输入电路，5电机驱动电路，6变倍电机，7聚焦电机。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示，给出了本发明的可见光镜头的自动聚焦装置的原理图，其包括FPGA控制器1、电源管理模块2、串口通信电路3、视频输入电路4、电机驱动电路5、变倍电机6、聚焦电机7；FPGA控制器1具有图像的采集、图像清晰度的判断、对外的通信与聚焦电机的控制的作用，视频输入电路4用于将输入的复合模拟视频信号转化为8位数字信号，同时给出行场同步信号以供后面处理。电源管理模块2给整个装置的工作提供电能，FPGA控制器1通过串口通信电路3与外部设备实现通信。FPGA控制器1通过电机驱动电路5驱使变倍电机6和聚焦电机7进行工作，变倍电机6、聚焦电机7可分别驱使可见光镜头上的变倍镜组和聚焦镜组运动，以实现变倍、聚焦动作。

FPGA控制器1将数字信号读入内存后，通过计算出图像清晰度评价函数值，做出图像清晰度的判断，根据图像的清晰度给出聚焦电机7的控制方向，FPGA控制器1用于实现图像的采集、图像清晰度的判断、对外的通信、聚焦电机控制信号的输出，直到找到最佳聚焦点的位置完成自动聚焦功能。

本发明的可见光镜头的自动聚焦装置的聚焦方法，包括以下步骤：

a).确定最远距离清晰位置，通过变倍电机的驱动，使可见光镜头对准长焦状态下监测场景的最远距离；然后在聚焦电机的驱动下自检全程，确定出使监控目标清晰成像时聚焦电机的位置，设此时聚焦电机的位置为；

b).确定最近距离清晰位置，通过变倍电机的驱动，使可见光镜头对准长焦状态下监测场景的最近距离；然后在聚焦电机的驱动下自检全程，确定出使监控目标清晰成像时聚焦电机的位置，设此时聚焦电机的位置为；

c).确定聚焦的局部全程，步骤a)和步骤b)所确定的、两点之间的范围即为聚焦电机自动聚焦的局部全程；

通过步骤a)、b)和c)所确定出的局部全程至，不仅能满足可见光镜头在长焦状态下远、近监测场景的聚焦清晰，还能满足在广角以及长焦与广角之间监测场景的图像聚焦清晰要求，同时使得本发明的聚焦方法具有较短的聚焦行程，提高了聚焦速度，特别对于景深较大的镜头此方法有很高的效率。

d).判断是否有触发信号产生，如果存在触发信号，则直行步骤e)；如果不存在触发信号，则继续判断；

常用的自动聚焦触发方式有以下三种：（1）实时判断图像的清晰度，在清晰度评价函数低于一定值时，认为此时场景发生了改变，需要再次启动自动聚焦；（2）在控制云台转动结束时，对改变的场景启动自动聚焦；（3）在点击变倍控制命令后，在变倍结束时启动自动聚焦。

对于第（1）种自动聚焦方法，如果场景内有人或者车辆进入或离开，此时图像的评价函数将会发生改变，实际是不需要进行再次聚焦的。如果场景内流动性较大，自动聚焦启动将会比较频繁，因此采用第一种方式判断有一定的局限。采用第（2）种或者第（3）种方式则不会产生此类问题，但也存在长时间不控制无法启动自动聚焦过程的问题。

考虑到上述情况，易于采用变倍停止触发以及场景变化触发两种触发方式，可由用户需要进行选择。变倍停止触发方式是由主控电路给出自动聚焦开始命令；场景变化触发方式首先判断感兴趣区域内的图像直方图变化，当直方图的变化量超过一定阈值的时候即启动自动聚焦。

e).运动至最近的局部端点，根据聚焦电机当前所处的位置，驱使聚焦电机运动至距离电机最近的局部端点上；

f).求一次聚焦清晰点，聚焦电机以初始速度、初始步长由步骤e)中确定的局部端点向另一个局部端点运动的过程中，通过实时分析图像的清晰度，确定出使图像最清晰的聚焦电机的位置，设此时聚焦电机的位置为；

g).求二次聚焦清晰点，设步骤f)中使图像最清晰的位置的前后位置分别为、，聚焦电机以速度、步长由位置运动至位置的过程中，通过实时分析图像的清晰度，确定出使图像最清晰的聚焦电机的位置，设此时聚焦电机的位置为；其中，＜，＜；

h).求三次聚焦清晰点，设步骤f)中使图像最清晰的位置的前后位置分别为、，聚焦电机以速度、步长由位置运动至位置的过程中，通过实时分析图像的清晰度，确定出使图像最清晰的聚焦电机的位置，设此时聚焦电机的位置为,聚焦电机所处的位置既为使可见光镜头聚焦清晰的位置；其中，＜，＜。

步骤f)、g)和h)图像清晰度的判断过程中，是通过求取图像的聚焦评价函数来确定的，聚焦评价函数取值的大小与图像聚焦清晰度成正比；步骤f)、g)和h)在对图像的聚焦评价函数求取的过程中，所选取的图像的评价窗口为图像的中心区域、由中心和四个顶角形成的五点区域或者为用户选取的自适应连通区域。

从频域的角度分析，一般的，准确对焦的图像与离焦的图像相比具有更多的高频成分。在对焦范围内寻找最佳对焦位置的方法之一是计算对焦过程中获得的图像序列的高频成分值，这个值被称为聚焦评价函数值，自动聚焦的过程就是求聚焦评价函数最大值的过程。

大多数场合的视频监控应用只需要重点区域进行监控即可，不需要针对全摄像区域进行聚焦调节。当评价区域过大，甚至将整幅图像作为评价窗口进行全场评价，一方面计算的数据量必然很大，在监控目标运动速度较快的情况下，全场评价可能会导致系统无法进行聚焦或者聚焦速度远远达不到要求；另一方面当选取的窗口中目标相对背景偏小时，背景在评价中可能占主导地位，使原本针对目标的聚焦变成为针对背景的聚焦。因此只能将视场包含目标的部分区域作为评价窗口进行评价。

本发明的聚焦方法中，采用中心区域聚焦、五点聚焦以及自适应选择感兴趣区域三种方式进行自动聚焦。考虑到可以通过云台控制使被监控的目标始终处于摄像图像的中心区域，选择一种方式是把搜索评价区域设置在图像中心区域一定大小的矩形范围；当观测近景目标特别镜头处于长焦端时，提供了中心点以及四角共五块区域进行判断；在自适应选择感兴趣区域时，区域的选择采用以下方法：对采集到的图像进行处理，采用图像分割算法得到几个连通域作为目标区域。在每次聚焦过程同时找到此场景中图像数据变化较为敏感的区域作为感兴趣区域，区域的大小根据目标的实际情况进行调整，采用这种方法得到的自动聚焦方法往往更具灵活性。

其中，各步骤中聚焦电机的速度和步长可分别选取为＝，＝；＝，＝，以通过逐次逼近式的聚焦方式，实现对监控场景的清晰聚焦；如图3所示，给出了本发明的可见光镜头的自动聚焦方法的原理图，、两点两侧的、为聚焦电机的最大行程位置处，而、之间的行程要小于、两点之间的形成。聚焦点、、分别为一次、二次、三次聚焦清晰点。 

Claims (4)

1.一种可见光镜头的自动聚焦装置，包括具有采集、运算和控制作用的FPGA控制器（1），FPGA控制器连接有视频输入电路（4）、电源管理模块（2）、电机驱动电路（5）以及串口通信电路（3）；其特征在于：电机驱动电路的输出端连接有变倍电机（6）和聚焦电机（7），变倍电机、聚焦电机分别驱使可见光镜头的变倍镜组、聚焦镜组运动；视频输入电路用于将模拟视频信号转化为数字信号并输入至FPGA控制器，FPGA控制器根据输入的数字信号对图像清晰度进行判断；FPGA控制器通过电机驱动电路驱使聚焦电机运动至最佳聚焦位置。

2.一种基于权利要求1所述的可见光镜头的自动聚焦装置的聚焦方法，其特征在于，包括以下步骤：

a).确定最远距离清晰位置，通过变倍电机的驱动，使可见光镜头对准长焦状态下监测场景的最远距离；然后在聚焦电机的驱动下自检全程，确定出使监控目标清晰成像时聚焦电机的位置，设此时聚焦电机的位置为                                               ；

b).确定最近距离清晰位置，通过变倍电机的驱动，使可见光镜头对准长焦状态下监测场景的最近距离；然后在聚焦电机的驱动下自检全程，确定出使监控目标清晰成像时聚焦电机的位置，设此时聚焦电机的位置为；

c).确定聚焦的局部全程，步骤a)和步骤b)所确定的、两点之间的范围即为聚焦电机自动聚焦的局部全程；

d).判断是否有触发信号产生，如果存在触发信号，则直行步骤e)；如果不存在触发信号，则继续判断；

e).运动至最近的局部端点，根据聚焦电机当前所处的位置，驱使聚焦电机运动至距离电机最近的局部端点上；

f).求一次聚焦清晰点，聚焦电机以初始速度、初始步长由步骤e)中确定的局部端点向另一个局部端点运动的过程中，通过实时分析图像的清晰度，确定出使图像最清晰的聚焦电机的位置，设此时聚焦电机的位置为；

g).求二次聚焦清晰点，设步骤f)中使图像最清晰的位置的前后位置分别为、，聚焦电机以速度、步长由位置运动至位置的过程中，通过实时分析图像的清晰度，确定出使图像最清晰的聚焦电机的位置，设此时聚焦电机的位置为；其中，＜，＜；

h).求三次聚焦清晰点，设步骤f)中使图像最清晰的位置的前后位置分别为、，聚焦电机以速度、步长由位置运动至位置的过程中，通过实时分析图像的清晰度，确定出使图像最清晰的聚焦电机的位置，设此时聚焦电机的位置为,聚焦电机所处的位置既为使可见光镜头聚焦清晰的位置；其中，＜，＜。

3.根据权利要求2所述的可见光镜头的自动聚焦装置的聚焦方法，其特征在于：步骤f)、g)和h)图像清晰度的判断过程中，是通过求取图像的聚焦评价函数来确定的，聚焦评价函数取值的大小与图像聚焦清晰度成正比；步骤f)、g)和h)在对图像的聚焦评价函数求取的过程中，所选取的图像的评价窗口为图像的中心区域、由中心和四个顶角形成的五点区域或者为用户选取的自适应连通区域。

4.根据权利要求2或3所述的可见光镜头的自动聚焦装置的聚焦方法，其特征在于：所述＝，＝；＝，＝。