CN103973982A - 一种自动聚焦激光夜视设备及聚焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明的自动聚焦激光夜视设备，包括可见光镜头、CCD摄像机、控制模块、变焦电机和变倍电机，在昼间，自动聚焦模块选取图像中心周围区域作为图像是否聚焦清晰的判断区域；在夜间，自动聚焦模块选取去除图像中心区域后的环状区域作为图像是否聚焦清晰的判断区域。本发明的聚焦方法，包括：a)接收命令；b)判断是否为变倍停止命令；c)获取昼夜状态；d)选取昼间图像判断区域；e)选取夜间图像判断区域；f)计算判断区域的Sobel算子；g)确定聚焦清晰位置。本发明的自动聚焦激光夜视设备和聚焦方法，无须手动控制变焦就能获得昼间和夜间同样清晰的视频监控图像，大大减少了人员的操作，满足日益提高的监控要求。

Description

一种自动聚焦激光夜视设备及聚焦方法

技术领域

本发明涉及一种自动聚焦激光夜视设备及聚焦方法，更具体的说，尤其涉及一种昼间和夜间选取不同的图像判断区域并利用Sobel算子进行图形清晰度判断的自动聚焦激光夜视设备及聚焦方法。

背景技术

目前远距离激光夜视设备的成像镜头大部分为长焦镜头，一般不具有自动聚焦功能，在调节镜头变倍时需要手动操作才可聚焦清晰。对于具有自动聚焦功能的激光夜视仪也只能保证白天的聚焦效果，到了夜间摄像机转为黑白图像后继续采用白天彩色状态时的自动聚焦算法或者聚焦参数图像效果自然不是很理想。当采用红外激光作为照明光源后，因摄像机上安装了响应激光波长频率的滤光片必然导致摄像机输出图像的灰度值与白天的灰度值存在一定的差异，尤其当激光光斑均匀性较差图像中央亮度偏大时，应用相同的自动聚焦算法或者聚焦参数必然导致聚焦不够清晰。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种昼间和夜间选取不同的图像判断区域并利用Sobel算子进行图形清晰度判断的自动聚焦激光夜视设备及聚焦方法。

本发明的自动聚焦激光夜视设备，包括可见光镜头、CCD摄像机和控制模块，所述可见光镜头上设置有变焦电机和变倍电机，CCD摄像机位于可见光镜头后方用于将光信号转化为模拟视频信号，控制模块连接有区分昼间和夜间的光线检测装置、实现夜间照明的激光照明器；其特别之处在于：所述控制模块连接有自动聚焦模块，CCD摄像机与自动聚焦模块相连接，以传输模拟视频信号；

变倍电机和变焦电机采用两种驱动方式，在第一种驱动方式下：自动聚焦模块与变倍电机和变焦电机均相连接，以实现可见光镜头的变倍、变焦动作；在第二种驱动方式下：控制模块与变倍电机相连接，以实现变倍动作，控制模块和自动聚焦模块均与变焦电机相连接，以实现变焦动作；

自动聚焦模块将模拟视频信号转化为数字信号，在昼间和夜间采用不同的方法进行聚焦；在昼间，自动聚焦模块选取图像中心周围区域作为图像是否聚焦清晰的判断区域；在夜间，自动聚焦模块选取去除图像中心区域后的环状区域作为图像是否聚焦清晰的判断区域。

CCD摄像机由于接收透过可见光镜头的光线，并将其转化为模拟视频信号。控制模块、自动聚焦模块均具有检测、运算和控制作用，控制模块通过光线检测装置可判断当前是白昼还是黑夜，如果为夜间则开启激光照明器进行激光照明，以获取夜间的清晰图像。控制模块与自动聚焦模块相连接，在第一种驱动方式下：自动聚焦模块对变倍电机和变焦电机进行控制，以实现可见光镜头的变倍和聚焦动作。在第二种驱动方式下：控制模块7与变倍电机3相连接，实现镜头的变倍动作；控制模块和自动聚焦模块均与变焦电机相连接，以实现自动聚焦动作。由于自动聚焦模块在昼间选取图像中心周围区域作为图像是否聚焦清晰的判断区域，在夜间选取去除图像中心周围区域的剩余部分作为图像是否聚焦清晰的判断区域，使得昼间和夜间不同光线照射条下图像均能聚焦清晰，解决了现有自动聚焦激光夜视仪夜间成像通常不清晰的缺点。

本发明的自动聚焦激光夜视设备，所述激光夜视设备设置于云台上，控制模块连接有驱使云台运动的运动机构。

本发明的自动聚焦激光夜视设备，所述自动聚焦模块由FPGA芯片组成，控制模块由微控制器组成；控制模块与自动聚焦模块通过RS232通讯线相连接。

本发明的自动聚焦激光夜视设备的聚焦方法，其特别之处在于，通过以下步骤来实现：a).接收命令，变倍电机和变焦电机采用第一种驱动方式的情况下：自动聚焦模块接收控制模块发送的命令；变倍电机和变焦电机采用第二种驱动方式的情况下：自动聚焦模块接收变倍电机的驱动信号；b).判断是否为变倍停止，变倍电机和变焦电机采用第一种驱动方式的情况下：自动聚焦模块判断步骤a)中接收到的命令是否为可见光镜头变倍停止命令，如果为变倍停止命令，则执行步骤c)，如果不为变倍停止命令，则执行步骤a)；变倍电机和变焦电机采用第二种驱动方式的情况下：自动聚焦模块判断步骤a)中接收到的变倍电机的驱动信号是否达到停止时刻，如果达到停止时刻，则执行步骤c)，如果没有达到停止时刻，则执行步骤a)；c).获取昼夜状态，自动聚焦模块获取控制模块所检测的昼间和夜间信号，判断当前时刻是否为昼间状态；如果当前为昼间，则执行步骤d)；如果当前为夜间，则执行步骤e)；d).选取昼间图像判断区域，自动聚焦模块选取图像中心点周围的区域作为图形清晰度的判断区域，执行步骤f)；e).选取夜间图像判断区域，自动聚焦模块选取去除图像中心区域后的环状区域作为图像是否清晰的判断区域；f).计算Sobel算子，在变焦电机驱使变焦镜片由变焦起点向变焦终点运动的过程中，不断获取CCD摄像机输出的图像帧，选取出图像判断区域，并计算出图像判断区域的Sobel算子数值；g).确定聚焦清晰位置，将步骤f)中获取的所有图像判断区域的Sobel算子进行排序，具有最大Sobel算子数值的图像所对应的聚焦位置，即为聚焦清晰位置；通过变焦电机驱使可见光镜头运动至具有最大Sobel算子的位置处，即实现了清晰聚焦。

本发明的自动聚焦激光夜视设备的聚焦方法，步骤d)和步骤e)中选取的判断区域的面积为整个图像面积的40%～60%；步骤e)中所去除的图像中心区域占整个图像面积的5%～15%。

本发明的有益效果是：本发明的自动聚焦激光夜视设备和聚焦方法，根据激光夜视仪在昼间和夜间不同光线照射条下的成像特点，自动聚焦模块在昼间选取图像中心周围区域作为图像是否聚焦清晰的判断区域，在夜间选取去除图像中心周围区域的剩余部分作为图像是否聚焦清晰的判断区域，兼顾了夜视仪在自然光和红外激光作为光源下的，解决了现有自动聚焦激光夜视仪夜间成像通常不清晰的缺点。本发明的自动聚焦激光夜视设备和聚焦方法，无须手动控制变焦就能获得昼间和夜间同样清晰的视频监控图像，大大减少了人员的操作，满足日益提高的监控要求。

附图说明

图1为本发明的第一种自动聚焦激光夜视设备的原理图；

图2为本发明的第二种自动聚焦激光夜视设备的原理图；

图3为本发明的第一种自动聚焦激光夜视设备的聚焦方法的流程图；

图4为本发明的第二种自动聚焦激光夜视设备的聚焦方法的流程图。

图中：1可见光镜头，2变焦电机，3变倍电机，4 CCD摄像机，5自动聚焦模块，6光线检测装置，7控制模块，8激光照明器，9运动机构。

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1所示，给出了本发明的第一种自动聚焦激光夜视设备的原理图，其包括控制模块7、自动聚焦模块5、可见光镜头1、CCD摄像机4、变倍电机3、变焦电机2、光线检测装置6、激光照明器8以及运动机构9；所示的自动聚焦模块5和控制模块7均具有信号检测、数据运算和控制输出的作用，自动聚焦模块5可有FPGA芯片构成，控制模块7可有微控制器组成。CCD摄像机4位于可将光镜头1的后方，用于将接收的光线信号转化为模拟视频信号，并输入至自动聚焦模块5中。变焦电机2和变倍电机3均设置于可见光镜头1上，可分别驱使变焦透镜组和变倍透镜组运动，以实现可见光镜头1的聚焦和变倍作用。

所示的光线检测装置6、激光照明器8和运动机构9均与控制模块7相连接，控制模块7可通过光线检测装置6检测当前时刻是处于白昼还是黑夜，以给自动聚焦模块5在白昼也黑夜时采用不同的图像处理方法提供依据。在夜间，控制模块7控制激光照明器8发出红外激光信号进行照明，以便获取清晰的图像。自动聚焦模块5将接收的模拟视频信号转化为数字图像信号，以便对图像的清晰程度进行判断。

所示的控制模块7与自动聚焦模块5相连接，可通过RS232通讯线相连接；自动聚焦模块5与变倍电机3和变焦电机2均相连接，在自动聚焦模块5对电机的驱使下可实现可见光镜头的变倍和变焦动作；我们称变倍电机3和变焦电机2的这种驱动方式为第一种驱动方式。在第一种驱动方式下，自动聚焦动作是自动聚焦模块5接收到控制模块7发出的镜头变倍停止命令来触发的。

如图2所示，给出了本发明的第二种自动聚焦激光夜视设备的原理图，除了变焦电机2和变倍电机3的驱动方式与第二种自动聚焦激光夜视设备的不同外，其余的结构和连接关系均相同。所示的控制模块7与变倍电机3相连接，以实现变倍操作；控制模块7不仅与自动聚焦模块5相连接，而且控制模块7和自动聚焦模块5还均与变焦电机2相连接，我们称变倍电机3和变焦电机2的这种驱动方式为第二种驱动方式。这第二种驱动方式下，自动自动聚焦动作是通过自动聚焦模块5检测到镜头变倍电机3的停止电平信号来触发的，一般为变倍电机3驱动信号的下降沿触发。

上面所述的两种自动聚焦激光夜视设备，自动聚焦模块5将模拟视频信号转化为数字信号，在昼间和夜间采用不同的方法进行聚焦；在昼间，自动聚焦模块选取图像中心周围区域作为图像是否聚焦清晰的判断区域；在夜间，自动聚焦模块选取去除图像中心区域后的环状区域作为图像是否聚焦清晰的判断区域。

如图3和图4所示，分别给出了第一、第二种自动聚焦激光夜视设备的聚焦方法的流程图，通过以下步骤来实现：

a).接收命令，变倍电机和变焦电机采用第一种驱动方式的情况下：自动聚焦模块接收控制模块发送的命令；变倍电机和变焦电机采用第二种驱动方式的情况下：自动聚焦模块接收变倍电机的驱动信号；

b).判断是否为变倍停止，变倍电机和变焦电机采用第一种驱动方式的情况下：自动聚焦模块判断步骤a)中接收到的命令是否为可见光镜头变倍停止命令，如果为变倍停止命令，则执行步骤c)，如果不为变倍停止命令，则执行步骤a)；变倍电机和变焦电机采用第二种驱动方式的情况下：自动聚焦模块判断步骤a)中接收到的变倍电机的驱动信号是否达到停止时刻，如果达到停止时刻，则执行步骤c)，如果没有达到停止时刻，则执行步骤a)；

在第一种驱动方式下，利用可见光镜头的变倍停止命令来触发自动聚焦；在第二种驱动方式下，利用变倍电机的驱动信号是否达到停止时刻，如驱动信号的下降沿来触发。

c).获取昼夜状态，自动聚焦模块获取控制模块所检测的昼间和夜间信号，判断当前时刻是否为昼间状态；如果当前为昼间，则执行步骤d)；如果当前为夜间，则执行步骤e)；

d).选取昼间图像判断区域，自动聚焦模块选取图像中心点周围的区域作为图形清晰度的判断区域，执行步骤f)；

在昼间自然光照射的条件下，可选取中心区域作为判断区域，如可选取以图像中心为中心的正方形区域。

e).选取夜间图像判断区域，自动聚焦模块选取去除图像中心区域后的环状区域作为图像是否清晰的判断区域；

在夜间激光补充照明的条件下，为了避免激光照射时中心亮度大的干扰，应将中心区域去除，可选取去除以图像中心为中心的正方形区域后的外围正方形环状区域为判断区域。

步骤d)和步骤e)中所选取的图像判断区域的面积以占整个图像面积的40%～60%为宜；步骤e)中所去除的图像中心区域占整个图像面积的5%～15%为宜。

f).计算Sobel算子，在变焦电机驱使变焦镜片由变焦起点向变焦终点运动的过程中，不断获取CCD摄像机输出的图像帧，选取出图像判断区域，并计算出图像判断区域的Sobel算子数值；

g).确定聚焦清晰位置，将步骤f)中获取的所有图像判断区域的Sobel算子进行排序，具有最大Sobel算子数值的图像所对应的聚焦位置，即为聚焦清晰位置；通过变焦电机驱使可见光镜头运动至具有最大Sobel算子的位置处，即实现了清晰聚焦。

由于图像越清晰，其Sobel算子越大，图像越模糊，其Sobel算子越小，宜于采用图像判断区域的Sobel算子大小来表征图像的清晰程度。

本发明的自动聚焦激光夜视设备和聚焦方法，根据激光夜视仪在昼间和夜间不同光线照射条下的成像特点，自动聚焦模块在昼间选取图像中心周围区域作为图像是否聚焦清晰的判断区域，在夜间选取去除图像中心周围区域的剩余部分作为图像是否聚焦清晰的判断区域，兼顾了夜视仪在自然光和红外激光作为光源下的，解决了现有自动聚焦激光夜视仪夜间成像通常不清晰的缺点。

Claims (5)

1.一种自动聚焦激光夜视设备，包括可见光镜头（1）、CCD摄像机（4）和控制模块（7），所述可见光镜头上设置有变焦电机（2）和变倍电机（3），CCD摄像机位于可见光镜头后方用于将光信号转化为模拟视频信号，控制模块连接有区分昼间和夜间的光线检测装置、实现夜间照明的激光照明器（8）；其特征在于：所述控制模块连接有自动聚焦模块（5），CCD摄像机与自动聚焦模块相连接，以传输模拟视频信号；

变倍电机和变焦电机采用两种驱动方式，在第一种驱动方式下：自动聚焦模块与变倍电机和变焦电机均相连接，以实现可见光镜头的变倍、变焦动作；在第二种驱动方式下：控制模块与变倍电机相连接，以实现变倍动作，控制模块和自动聚焦模块均与变焦电机相连接，以实现变焦动作；

自动聚焦模块将模拟视频信号转化为数字信号，在昼间和夜间采用不同的方法进行聚焦；在昼间，自动聚焦模块选取图像中心周围区域作为图像是否聚焦清晰的判断区域；在夜间，自动聚焦模块选取去除图像中心区域后的环状区域作为图像是否聚焦清晰的判断区域。

2.根据权利要求1所述的自动聚焦激光夜视设备，其特征在于：所述激光夜视设备设置于云台上，控制模块连接有驱使云台运动的运动机构（9）。

3.根据权利要求1或2所述的自动聚焦激光夜视设备，其特征在于：所述自动聚焦模块（5）由FPGA芯片组成，控制模块（7）由微控制器组成；控制模块与自动聚焦模块通过RS232通讯线相连接。

4.一种基于权利要求1所述的自动聚焦激光夜视设备的聚焦方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：

a).接收命令，变倍电机和变焦电机采用第一种驱动方式的情况下：自动聚焦模块（5）接收控制模块（7）发送的命令；变倍电机和变焦电机采用第二种驱动方式的情况下：自动聚焦模块接收变倍电机（3）的驱动信号；

b).判断是否为变倍停止，变倍电机和变焦电机采用第一种驱动方式的情况下：自动聚焦模块判断步骤a)中接收到的命令是否为可见光镜头变倍停止命令，如果为变倍停止命令，则执行步骤c)，如果不为变倍停止命令，则执行步骤a)；变倍电机和变焦电机采用第二种驱动方式的情况下：自动聚焦模块判断步骤a)中接收到的变倍电机的驱动信号是否达到停止时刻，如果达到停止时刻，则执行步骤c)，如果没有达到停止时刻，则执行步骤a)；

c).获取昼夜状态，自动聚焦模块获取控制模块所检测的昼间和夜间信号，判断当前时刻是否为昼间状态；如果当前为昼间，则执行步骤d)；如果当前为夜间，则执行步骤e)；

d).选取昼间图像判断区域，自动聚焦模块选取图像中心点周围的区域作为图形清晰度的判断区域，执行步骤f)；

e).选取夜间图像判断区域，自动聚焦模块选取去除图像中心区域后的环状区域作为图像是否清晰的判断区域；

f).计算Sobel算子，在变焦电机（2）驱使变焦镜片由变焦起点向变焦终点运动的过程中，不断获取CCD摄像机输出的图像帧，选取出图像判断区域，并计算出图像判断区域的Sobel算子数值；

g).确定聚焦清晰位置，将步骤f)中获取的所有图像判断区域的Sobel算子进行排序，具有最大Sobel算子数值的图像所对应的聚焦位置，即为聚焦清晰位置；通过变焦电机驱使可见光镜头运动至具有最大Sobel算子的位置处，即实现了清晰聚焦。

5.根据权利要求4所述的自动聚焦激光夜视设备的聚焦方法，其特征在于：步骤d)和步骤e)中选取的判断区域的面积为整个图像面积的40%～60%；步骤e)中所去除的图像中心区域占整个图像面积的5%～15%。