CN104079832A - 一种一体化摄像机自动跟踪聚焦方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种一体化摄像机自动跟踪聚焦方法及系统，设置目标物区域，并使目标物区域的FV值所占比重大于非目标物区域的FV值所占比重，驱动聚焦镜片运动，再进行搜索终结判断，最后完成聚焦。克服了传统的“爬山法”会导致摄像机成像时存在聚焦位置与实际期望不一致的问题，聚焦的速度快，耗时短。聚焦后进行目标物区域跟踪，这样就可以估计目标物的运动或者位置，使得聚焦的方向和聚焦的区域可以得到确认，在目标物区域模糊或者目标物位移超过一定阈值的情况下重新触发聚焦，保证自动聚焦准确。采用了变步长搜索的方法，可以提高效率，加快自动聚焦的速度。采用了峰值区域FV阈值的自适应估计算法，使得自动聚焦更加快捷。

Description

一种一体化摄像机自动跟踪聚焦方法及系统

技术领域

本发明涉及成像领域的自动聚焦技术，具体地涉及一种一体化摄像机自动跟踪聚焦方法及系统。

背景技术

近年来，可变倍一体化摄像机产品丰富起来，自动聚焦模块已成为其中的一个主要的功能模块。该模块通过调节聚焦电机改变聚焦镜片位置使得图像清晰度描述值达到最大，即到达聚焦位置。图像清晰度描述值用图像FV(Focus Value)表示，常用的清晰度描述算子为统计得到的图像的高频能量的大小。

一般在对一个目标进行聚焦操作时，聚焦镜片位置与图像FV的对应关系曲线(称为搜索曲线)呈现如图1所示的单峰形状，S1和S3表示远焦区域，S2表示近焦区域，S表示整个聚焦范围。传统的聚焦算法是沿着使得FV增大的方向小步推进聚焦镜片，直到找到图像FV峰值来确定聚焦位置点，即“爬山法”。在摄像机的实际使用中，由于不同倍率下场景景深差异很大、在聚焦范围内存在前后多个目标物等原因，会导致搜索曲线呈现图2所示的多峰特性。

针对图2所示的具有多峰特性的搜索曲线来说，传统“爬山法”会选取图像FV最大的区域作为聚焦区域即图中的实际聚焦位置T2，然而该区域不一定是目标物区域，图2中的期望聚焦位置T1所对应的为目标物区域，因此传统的“爬山法”会导致摄像机成像时存在聚焦位置与实际期望不一致的问题。而且当初始位置离聚焦位置比较远时，沿着使得图像FV增大的方向小步推进聚焦镜片，聚焦的速度慢耗时长。综上，如何快速、准确的完成自动聚焦是急需解决的问题。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中用于自动聚焦的方法速度慢耗时长，摄像机成像时存在聚焦位置与实际期望不一致的问题，从而提出一种一体化摄像机自动跟踪聚焦方法及系统。

为解决上述技术问题，本发明的提供如下技术方案：

一种一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，包括如下步骤：

S1：设置当前帧图像中的目标物区域，计算当前帧图像的FV值，其中目标物区域的FV值所占比重大于非目标物区域的FV值所占比重；

S2：根据搜索方向和搜索步长驱动聚焦镜片运动到达当前搜索位置；

S3：计算当前帧图像的FV值，并判断搜索是否终结，是则进入S4，否则返回步骤S2；

S4：驱动聚焦镜片到最大FV值所对应的位置，完成聚焦。

上述一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，所述步骤S1中具体包括如下步骤：

S11：将当前帧图像划分为M×N个区块，设定所述目标物区域所占的区块；

S12：以每一区块的高频能量作为该区块的FV值；

S13：以每一区块FV值的加权和作为当前帧图像的FV值，并设定目标物区域所占区块的权重值大于非目标物区域所占区块的权重值。

上述一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，还包括如下步骤：

S5：对聚焦后获取的图片进行目标物区域跟踪，当目标物区域的位移超出第一阈值Ty或者缩放比例超出第二阈值Ry时重新进入步骤S1。

上述一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，所述步骤S3具体包括如下步骤：

S31：判断是否确定最大FV值或者已经完成了整个搜索区域的搜索，是进入S4，否则继续步骤S32；

S32：判断搜索是否达到搜索区域的边界，是则设定搜索方向为反方向，否则继续步骤S33；

S33：获取峰值区域的FV阈值，当前帧图像的FV值大于所述FV阈值时，设定搜索步长为小步，当前帧图像的的FV值小于所述FV阈值时，设定搜索步长为长步；

S34：返回步骤S2。

上述一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，所述步骤S33中获取峰值区域的FV阈值的具体步骤如下：

S331：获取初始时连续m次搜索得到的当前帧图像的FV值，其中m为大于或等于3的整数；

S332：判断m个FV值的连续变化幅度，

若连续变化幅度小于设定阈值，则将m个FV值取平均再加上增量FV_z作为峰值区域的FV阈值；

若连续变化幅度大于或等于设定阈值，则选取其中最小的FV值作为峰值区域的FV阈值。

上述一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，所述步骤S5中目标物区域跟踪具体包括如下步骤：

S51：获取前帧图像中目标物区域特征信息和当前帧图像信息,所述目标物区域特征包括第一特征和第二特征，所述第一特征为目标物区域中心位置，所述第二特征为目标物区域内的亮度分布；

S52：根据目标物区域第一特征最相似原理获取当前帧图像中目标物区域中心位置；

S53：根据目标物区域第二特征最相似原理获取当前帧图像中目标物区域；

S54：计算前帧图像和当前帧图像的目标物区域中心位置的位移T，计算前帧图像和当前帧图像的目标物区域的缩放比例R；

S55：若位移T超出第一阈值Ty或者缩放比例R超过第二阈值Ry判定需要重新触发聚焦，进入步骤S1，否则保存当前帧的目标物区域特征信息。

上述一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，所述步骤S52获取当前帧图像的目标物区域中心位置的过程为：

S521：获取当前帧图像中所有与目标物区域具有相同形状的n个区块组成的候选区；

S522：获取前帧图像中目标物区域内n个区块的亮度(L1，L2，…Ln)及当前帧图像中第i个候选区域内n个区块的亮度(L1i，L2i，…Lni)；

S523：计算当前帧图像中第i个候选区域内n个区块的亮度与前帧图像中目标物区域内n个区块的亮度绝对差之和SAD，选取该SAD最小的候选区域，采用如下公式计算：

$\stackrel{\‾}{i}=\arg \underset{i}{\min }\underset{w=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{abs}(\mathrm{Lw}-\mathrm{Lwi})$

以上公式中，Lw是指前帧图像目标物区域内的第w个区块亮度，Lwi是指当前帧图像中第i个候选区域内第w个区块的亮度；第个候选区域的中心位置就是当前帧图像的目标物区域中心位置。

上述一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，所述步骤S53中获取当前帧图像中目标物区域的过程为：

S531：获取前帧图像中目标物区域内的归一化直方图，获取当前帧图像中第j个候选区内的归一化直方图；

S532：计算当前帧图像中第j个候选区内归一化直方图与前帧图像中目标物区域内的归一化直方图的绝对差之和SAD，并选取该SAD最小的候选区，采用如下公式计算：

$\stackrel{\‾}{j}=\arg \underset{j}{\min }\underset{k=0}{\overset{\mathrm{LumMax}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{abs}(\mathrm{hist}\left(k\right)-{\mathrm{hist}}_j\left(k\right))$

以上公式中，k表示直方图上每个灰度的级别，LumMax表示最大的灰度级别，hist(k)表示前帧图像中目标物区域内归一化直方图上灰度级别为k时候的取值，hist_j(k)表示当前帧图像中第j个候选区内归一化直方图上灰度级别为k时候的取值，第个候选区就是当前帧图像的目标物区域。

上述一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，所述步骤S5中所述第一阈值Ty为两个区块，所述第二阈值Ry选取1.2。

上述一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，所述步骤S1之前还包括如下步骤：

S0：根据最近聚焦跟踪曲线和最远聚焦跟踪曲线获取摄像机在当前变倍倍率下的聚焦范围，以所述聚焦范围作为搜索区域。

上述一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，所述步骤S31中所述长步为所述搜索区域总长的1/32，所述小步为所述长步的1/16。

一种一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，包括如下模块：

目标物区域设置模块，用于设置当前帧图像中的目标物区域，计算当前帧图像的FV值，其中目标物区域的FV值所占比重大于非目标物区域的FV值所占比重；

搜索模块，用于根据搜索方向和搜索步长驱动聚焦镜片运动到达当前搜索位置；

计算及判断模块，用于计算当前帧图像的FV值，并判断搜索是否终结；

聚焦模块，用于在所述计算及判断模块判断搜索终结后驱动聚焦镜片到最大FV值所对应的位置，完成聚焦。

上述一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，所述目标物区域设置模块具体包括：

区块划分子模块，用于将当前帧图像划分为M×N个区块，设定所述目标物区域所占的区块；

区块FV值计算子模块，以每一区块的高频能量作为该区块的FV值；

当前帧图像的FV值计算子模块，以每一区块FV值的加权和作为当前帧图像的FV值，并设定目标物区域所占区块的权重值大于非目标物区域所占区块的权重值。

上述一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，还包括：

目标物区域跟踪模块，用于对聚焦后获取的图片进行目标物区域跟踪，当目标物区域的位移超出第一阈值Ty或者缩放比例超出第二阈值Ry时重新触发聚焦。

上述一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，所述计算及判断模块具体包括：

搜索终结判断子模块，用于在确定最大FV值或者已经完成了整个搜索区域的搜索后进入聚焦模块：

搜索方向设定子模块，用于在搜索达到搜索区域的边界后设定搜索方向为反方向；

搜索步长设定子模块，用于获取峰值区域的FV阈值，当前帧图像的FV值大于所述FV阈值时，设定搜索步长为小步，当前帧图像的的FV值小于所述FV阈值时，设定搜索步长为长步。

上述一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，搜索步长设定子模块具体包括：

初始搜索子模块，用于获取初始时连续m次搜索得到的当前帧图像的FV值，其中m为大于或等于3的整数；

FV阈值获取子模块，判断m个FV值的连续变化幅度，

若连续变化幅度小于设定阈值，则将m个FV值取平均加上增量FV_z作为峰值区域的FV阈值；

若连续变化幅度大于或等于设定阈值，则选取其中最小的FV值作为峰值区域的FV阈值。

上述一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，所述目标物区域跟踪模块具体包括：

特征信息获取子模块，用于获取前帧图像中目标物区域特征信息和当前帧图像信息,所述目标物区域特征包括第一特征和第二特征，所述第一特征为目标物区域中心位置，所述第二特征为目标物区域内的亮度分布；

目标物区域中心位置获取子模块，用于根据目标物区域第一特征最相似原理获取当前帧图像中目标物区域中心位置；

目标物区域获取子模块，用于根据目标物区域第二特征最相似原理获取当前帧图像中目标物区域；

位移和缩放比例计算子模块，用于计算前帧图像和当前帧图像的目标物区域中心位置的位移T，计算前帧图像和当前帧图像的目标物区域的缩放比例R；

触发聚焦判断子模块，用于当位移T超出第一阈值Ty或者缩放比例R超过第二阈值Ry判定需要重新触发聚焦，进入目标物区域设置模块。

上述一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，所述目标物区域中心位置获取子模块具体包括：

候选区获取子模块，用于获取当前帧图像中所有与目标物区域具有相同形状的n个区块组成的候选区；

区块亮度获取子模块，用于获取前帧图像中目标物区域内n个区块的亮度(L1，L2，…Ln)及当前帧图像中第i个候选区域内n个区块的亮度(L1i，L2i，…Lni)；

目标物区域中心位置计算子模块，用于计算当前帧图像中第i个候选区域内n个区块的亮度与前帧图像中目标物区域内n个区块的亮度绝对差之和SAD，选取该SAD最小的候选区域，采用如下公式计算：

$\stackrel{\‾}{i}=\arg \underset{i}{\min }\underset{w=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{abs}(\mathrm{Lw}-\mathrm{Lwi})$

以上公式中，Lw是指前帧图像目标物区域内的第w个区块亮度，Lwi是指当前帧图像中第i个候选区域内第w个区块的亮度；第个候选区域的中心位置就是当前帧图像的目标物区域中心位置。

上述一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，所述目标物区域获取子模块具体包括：

归一化直方图获取子模块，用于获取前帧图像中目标物区域内的归一化直方图，获取当前帧图像中第j个候选区内的归一化直方图；

目标物区域计算子模块，用于计算当前帧图像中第j个候选区内归一化直方图与前帧图像中目标物区域内的归一化直方图的绝对差之和SAD，并选取该SAD最小的候选区，采用如下公式计算：

$\stackrel{\‾}{j}=\arg \underset{j}{\min }\underset{k=0}{\overset{\mathrm{LumMax}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{abs}(\mathrm{hist}\left(k\right)-{\mathrm{hist}}_j\left(k\right))$

其中，k表示直方图上每个灰度的级别，LumMax表示最大的灰度级别，hist(k)表示前帧图像中目标物区域内归一化直方图上灰度级别为k时候的取值，hist_j(k)表示当前帧图像中第j个候选区内归一化直方图上灰度级别为k时候的取值，第个候选区就是当前帧图像的目标物区域。

上述一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，所述目标物区域跟踪模块中，所述第一阈值Ty为两个区块，所述第二阈值Ry选取1.2。

上述一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，还包括：

聚焦范围获取模块，用于根据最近聚焦跟踪曲线和最远聚焦跟踪曲线获取摄像机在当前变倍倍率下的聚焦范围，以所述聚焦范围作为搜索区域。

上述一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，搜索步长设定子模块中，所述长步为所述搜索区域总长的1/32，所述小步为所述长步的1/16。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦方法及系统，设置目标物区域，并使目标物区域的FV值所占比重大于非目标物区域的FV值所占比重，根据搜索方向和搜索步长驱动聚焦镜片运动到达当前搜索位置，再进行判断搜索是否终结，最后完成聚焦。在自动聚焦搜索时，由于在计算图像FV值时目标物区域的FV值所占比重大于非目标物区域的FV值所占比重，能够保证最终得到的FV峰值是和目标物区域相对应，使搜索曲线呈现实际聚焦位置和期望聚焦位置一致的结果，克服了传统的“爬山法”会导致摄像机成像时存在聚焦位置与实际期望不一致的问题，聚焦的速度快，耗时短。

(2)本发明所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦方法及系统，对聚焦后获取的图片进行目标物区域跟踪，当目标物区域的位移超出第一阈值Ty或者缩放比例超出第二阈值Ry时重新触发聚焦，这样就可以估计目标物的运动或者位置，使得聚焦的方向和聚焦的区域可以得到确认，在目标物区域模糊或者目标物位移超过一定阈值的情况下重新触发聚焦，保证自动聚焦准确。

(3)本发明所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦方法及系统,在搜索时，当前帧图像的FV值大于所述FV阈值时，设定搜索步长为小步，当前帧图像的的FV值小于所述FV阈值时，设定搜索步长为长步，采用了变步长搜索的方法，可以提高效率，加快自动聚焦的速度。

(4)本发明所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦方法及系统,获取峰值区域的FV阈值时，采用了峰值区域FV阈值的自适应估计算法，使得自动聚焦更加快捷。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是“爬坡法”搜索曲线呈现单峰特性时的形态示例；

图2是搜索曲线呈现多峰特性时的形态示例；

图3是本发明一个实施例的一种一体化摄像机自动跟踪聚焦方法的流程图；

图4是本发明一个实施例的图像分块示意图；

图5是本发明一个实施例的目标物区域所占分块示意图；

图6是本发明一个实施例的搜索并判断是否终结流程图；

图7是本发明一个实施例的聚焦镜片位置从近焦区域开始搜索的示意图；

图8是本发明一个实施例的聚焦镜片位置从远焦区域开始搜索的示意图；

图9是本发明一个实施例的目标物区域跟踪流程图；

图10是本发明一个实施例的目标物区域跟踪中心位置搜索示意图；

图11是本发明一个实施例的目标物区域跟踪目标物区域搜索示意图；

图12是本发明一个实施例的聚焦范围获取示意图；

图13是本发明一个实施例的一体化摄像机自动跟踪聚焦系统框图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，如图3所示，包括如下步骤：

S1：设置当前帧图像中的目标物区域，计算当前帧图像的FV值，其中目标物区域的FV值所占比重大于非目标物区域的FV值所占比重。

S2：根据搜索方向和搜索步长驱动聚焦镜片运动到达当前搜索位置。最初由用户给出一个搜索方向，搜索步长设定为小步。

S3：计算当前帧图像的FV值，并判断搜索是否终结，是则进入S4，否则返回步骤S2。

S4：驱动聚焦镜片到最大FV值所对应的位置，完成聚焦。

步骤S1具体包括如下过程：

S11：将当前帧图像划分为M×N个区块，如图4所示，M×N取6×4。其中在初始设定所述目标物区域所占的区块由用户圈定，如图5所示。

S12：以每一区块的高频能量作为该区块的FV值，本实施例采用累计亮度的高通滤波器输出绝对值作为高频能量。

S13：以每一区块FV值的加权和作为当前帧图像的FV值，并设定目标物区域所占区块的权重值大于非目标物区域所占区块的权重值，本实施例中给出目标物区域所占区块的权重与非目标物区域所占区块的权重比为3:1。

本实施例还包括：

S5：对聚焦后获取的图片进行目标物区域跟踪，当目标物区域的位移超出第一阈值Ty或者缩放比例超出第二阈值Ry时重新进入步骤S1。

如图6所示，步骤S3具体过程如下：

S31：判断是否确定最大FV值或者已经完成了整个搜索区域的搜索，是进入S4，否则继续步骤S32。

S32：判断搜索是否达到搜索区域的边界，是则设定搜索方向为反方向，否则继续步骤S33。

S33：获取峰值区域的FV阈值，当前帧图像的FV值大于所述FV阈值时，说明聚焦镜片位置处于近焦区域，如图7所示，F为FV阈值，全程设定搜索步长为小步。当前帧图像的的FV值小于所述FV阈值时，说明聚焦镜片位置处于远焦区域，如图8所示，T3-T4区域为远焦区域，搜索步长设定为长步。

S34：返回步骤S2。

所述步骤S33具体过程如下：

S331：在搜索初始阶段，搜索步长采用小步进行搜索，获取初始时连续m次搜索得到的当前帧图像的FV值，其中m为大于或等于3的整数。

S332：根据连续m次搜索得到的当前帧图像的FV值，进行峰值区域的FV阈值估计：

判断m个FV值的连续变化幅度，

若连续变化幅度小于设定阈值，则将m个FV值取平均再加上增量FV_z作为峰值区域的FV阈值，例如FV值的变化在5％以内，将m个FV值取平均后乘以1.1作为峰值区域的FV阈值；

若连续变化幅度大于或等于设定阈值，则选取其中最小的FV值作为峰值区域的FV阈值，例如FV值的变化大于5％，直接选取m个FV值中最小的FV值作为峰值区域的FV阈值。

如图9所示，所述步骤S5具体包括如下过程：

S51：获取前帧图像中目标物区域特征信息和当前帧图像信息,目标物区域在相邻的图像帧中是连续变化的，并且目标物的运动一般仅为平移和缩放。所述目标物区域特征包括第一特征和第二特征，所述第一特征为目标物区域中心位置，所述第二特征为目标物区域内的亮度分布。

S52：根据目标物区域第一特征最相似原理获取当前帧图像中目标物区域中心位置。

S53：根据目标物区域第二特征最相似原理获取当前帧图像中目标物区域。

S54：计算前帧图像和当前帧图像的目标物区域中心位置的位移T，计算前帧图像和当前帧图像的目标物区域的缩放比例R。

用前帧图像目标物区域中心位置减去当前帧图像的目标物区域中心位置得到的区块作为位移T。

获取前帧图像和当前帧图像的目标物区域的缩放比例R的过程为：

获取当前帧图像的目标物区域大小Size_n和前帧图像的目标物区域大小Size_s。

前帧图像和当前帧图像的目标物区域的大小比例R采用如下公式计算：

R＝MAX(Size_s,Size_n)/MIN(Size_s,Size_n)。

S55：若位移T超出第一阈值Ty或者缩放比例R超过第二阈值Ry判定需要重新触发聚焦，进入步骤S1，否则保存当前帧的目标物区域特征信息。

在目标物区域跟踪的同时监视图像的FV值，如果聚焦完成后FV值的比例变动超过一定阈值，例如1.5同样触发聚焦。考虑到目标物区域移出视野导致跟踪失效时，此时可由图像的FV值变化触发聚焦。

根据目标物区域的运动方向确定搜索方向，当目标物变大时搜索向聚焦近端推进，反之则聚焦远端推进，若大小未变则维持原搜索方向。

步骤S52具体包括如下过程：

如图10所示，实线框内的区域表示前帧图像得到的目标物区域，黑色区块为目标物区域中心位置，可以根据目标物区域的像素坐标取平均得到，一定范围内为目标物区域的中心位置的搜索区域，本实施例中目标物区域移动了两个区块的位移，如点线框内的区域所示，虚线框内的区域表示一种可能的候选区。

S521：获取当前帧图像中所有与目标物区域具有相同形状的n个区块组成的候选区。

S522：获取前帧图像中目标物区域内n个区块的亮度(L1，L2，…Ln)及当前帧图像中第i个候选区域内n个区块的亮度(L1i，L2i，…Lni)。

S523：计算当前帧图像中第i个候选区域内n个区块的亮度与前帧图像中目标物区域内n个区块的亮度绝对差之和SAD，选取该SAD最小的候选区域，采用如下公式计算：

$\stackrel{\‾}{i}=\arg \underset{i}{\min }\underset{w=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{abs}(\mathrm{Lw}-\mathrm{Lwi})$

以上公式中，Lw是指前帧图像目标物区域内的第w个区块亮度，Lwi是指当前帧图像中第i个候选区域内第w个区块的亮度；第个候选区域的中心位置就是当前帧图像的目标物区域中心位置。

步骤S53具体包括如下过程：

如图11所示，以新的目标物区域中心位置的前帧目标物轮廓等距向外扩充作为搜索区域，本实施中扩充1个区块，搜索区域为点线框内的区域，实线框所示的区域为新的目标物区域中心位置的前帧目标物轮廓，虚线框内的区域表示一种可能的候选区域。

S531：获取前帧图像中目标物区域内的归一化直方图，获取当前帧图像中第j个候选区内的归一化直方图。

S532：计算当前帧图像中第j个候选区内归一化直方图与前帧图像中目标物区域内的归一化直方图的绝对差之和SAD，并选取该SAD最小的候选区，采用如下公式计算：

$\stackrel{\‾}{j}=\arg \underset{j}{\min }\underset{k=0}{\overset{\mathrm{LumMax}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{abs}(\mathrm{hist}\left(k\right)-{\mathrm{hist}}_j\left(k\right))$

以上公式中，k表示直方图上每个灰度的级别，LumMax表示最大的灰度级别，hist(k)表示前帧图像中目标物区域内归一化直方图上灰度级别为k时候的取值，hist_j(k)表示当前帧图像中第j个候选区内归一化直方图上灰度级别为k时候的取值，第个候选区就是当前帧图像的目标物区域。

本实施例中步骤S5中所述第一阈值Ty为两个区块，所述第二阈值Ry选取1.2。

所述步骤S1之前还包括如下步骤：

S0：根据最近聚焦跟踪曲线和最远聚焦跟踪曲线获取摄像机在当前变倍倍率下的聚焦范围，以所述聚焦范围作为搜索区域。如图12所示，聚焦范围通过查询最近聚焦距离跟踪曲线(near曲线)和最远聚焦跟踪曲线(far曲线)上当前变倍倍率(ZoomRatio)对应的最近聚焦和最远聚焦位置(F_near、F_far)得到。这样的跟踪曲线是镜头模组的配套技术参数，表示不同倍率下聚焦指定物距物体的聚焦镜片位置。

所述步骤S31中根据经验值长步设为搜索区域总长的1/32，小步则设为长步的1/16。

本发明所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，设置目标物区域，并使目标物区域的FV值所占比重大于非目标物区域的FV值所占比重，根据搜索方向和搜索步长驱动聚焦镜片运动到达当前搜索位置，再进行判断搜索是否终结，最后完成聚焦。在自动聚焦搜索时，由于在计算图像FV值时目标物区域的FV值所占比重大于非目标物区域的FV值所占比重，能够保证最终得到的FV峰值是和目标物区域相对应，使搜索曲线呈现实际聚焦位置和期望聚焦位置一致的结果，克服了传统的“爬山法”会导致摄像机成像时存在聚焦位置与实际期望不一致的问题，聚焦的速度快，耗时短。对聚焦后获取的图片进行目标物区域跟踪，当目标物区域的位移超出第一阈值Ty或者缩放比例超出第二阈值Ry时重新触发聚焦，这样就可以估计目标物的运动或者位置，使得聚焦的方向和聚焦的区域可以得到确认，在目标物区域模糊或者目标物位移超过一定阈值的情况下重新触发聚焦，保证自动聚焦准确。在搜索时，当前帧图像的FV值大于所述FV阈值时，设定搜索步长为小步，当前帧图像的的FV值小于所述FV阈值时，设定搜索步长为长步，采用了变步长搜索的方法，可以提高效率，加快自动聚焦的速度。获取峰值区域的FV阈值时，采用了峰值区域FV阈值的自适应估计算法，使得自动聚焦更加快捷。

实施例2

本实施例提供一种一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，如图13所示，包括如下模块：

目标物区域设置模块，用于设置当前帧图像中的目标物区域，计算当前帧图像的FV值，其中目标物区域的FV值所占比重大于非目标物区域的FV值所占比重。

搜索模块，用于根据搜索方向和搜索步长驱动聚焦镜片运动到达当前搜索位置。

计算及判断模块，用于计算当前帧图像的FV值，并判断搜索是否终结。

聚焦模块，用于驱动聚焦镜片到最大FV值所对应的位置，完成聚焦。

所述目标物区域设置模块具体包括：

区块划分子模块，用于将当前帧图像划分为M×N个区块，设定所述目标物区域所占的区块。

区块FV值计算子模块，以每一区块的高频能量作为该区块的FV值。

当前帧图像的FV值计算子模块，以每一区块FV值的加权和作为当前帧图像的FV值，并设定目标物区域所占区块的权重值大于非目标物区域所占区块的权重值。

一体化摄像机自动跟踪聚焦系统还包括：

目标物区域跟踪模块，用于对聚焦后获取的图片进行目标物区域跟踪，当目标物区域的位移超出第一阈值Ty或者缩放比例超出第二阈值Ry时重新触发聚焦。

所述计算及判断模块具体包括：

搜索终结判断子模块，用于在确定最大FV值或者已经完成了整个搜索区域的搜索后进入完成聚焦模块。

搜索方向设定子模块，用于在搜索达到搜索区域的边界后设定搜索方向为反方向。

搜索步长设定子模块，用于获取峰值区域的FV阈值，当前帧图像的FV值大于所述FV阈值时，设定搜索步长为小步，当前帧图像的的FV值小于所述FV阈值时，设定搜索步长为长步。

搜索步长设定子模块具体包括：

初始搜索子模块，用于获取初始时连续m次搜索得到的当前帧图像的FV值，其中m为大于或等于3的整数。

FV阈值获取子模块，判断m个FV值的连续变化幅度，

若连续变化幅度小于设定阈值，则将m个FV值取平均加上增量FV_z作为峰值区域的FV阈值；

若连续变化幅度大于或等于设定阈值，则选取其中最小的FV值作为峰值区域的FV阈值。

所述目标物区域跟踪模块具体包括：

特征信息获取子模块，用于获取前帧图像中目标物区域特征信息和当前帧图像信息,所述目标物区域特征包括第一特征和第二特征，所述第一特征为目标物区域中心位置，所述第二特征为目标物区域内的亮度分布。

目标物区域中心位置获取子模块，用于根据目标物区域第一特征最相似原理获取当前帧图像中目标物区域中心位置。

目标物区域获取子模块，用于根据目标物区域第二特征最相似原理获取当前帧图像中目标物区域。

位移和缩放比例计算子模块，用于计算前帧图像和当前帧图像的目标物区域中心位置的位移T，计算前帧图像和当前帧图像的目标物区域的缩放比例R。

触发聚焦判断子模块，用于当位移T超出第一阈值Ty或者缩放比例R超过第二阈值Ry判定需要重新触发聚焦，进入目标物区域设置模块。

所述目标物区域中心位置获取子模块具体包括：

候选区获取子模块，用于获取当前帧图像中所有与目标物区域具有相同形状的n个区块组成的候选区。

区块亮度获取子模块，用于获取前帧图像中目标物区域内n个区块的亮度(L1，L2，…Ln)及当前帧图像中第i个候选区域内n个区块的亮度(L1i，L2i，…Lni)。

目标物区域中心位置计算子模块，用于计算当前帧图像中第i个候选区域内n个区块的亮度与前帧图像中目标物区域内n个区块的亮度绝对差之和SAD，选取该SAD最小的候选区域，采用如下公式计算：

$\stackrel{\‾}{i}=\arg \underset{i}{\min }\underset{w=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{abs}(\mathrm{Lw}-\mathrm{Lwi})$

以上公式中，Lw是指前帧图像目标物区域内的第w个区块亮度，Lwi是指当前帧图像中第i个候选区域内第w个区块的亮度；第个候选区域的中心位置就是当前帧图像的目标物区域中心位置。

所述目标物区域获取子模块具体包括：

归一化直方图获取子模块，用于获取前帧图像中目标物区域内的归一化直方图，获取当前帧图像中第j个候选区内的归一化直方图。

目标物区域计算子模块，用于计算当前帧图像中第j个候选区内归一化直方图与前帧图像中目标物区域内的归一化直方图的绝对差之和SAD，并选取该SAD最小的候选区，采用如下公式计算：

$\stackrel{\‾}{j}=\arg \underset{j}{\min }\underset{k=0}{\overset{\mathrm{LumMax}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{abs}(\mathrm{hist}\left(k\right)-{\mathrm{hist}}_j\left(k\right))$

其中，k表示直方图上每个灰度的级别，LumMax表示最大的灰度级别，hist(k)表示前帧图像中目标物区域内归一化直方图上灰度级别为k时候的取值，hist_j(k)表示当前帧图像中第j个候选区内归一化直方图上灰度级别为k时候的取值，第个候选区就是当前帧图像的目标物区域。

所述目标物区域跟踪模块中，所述第一阈值Ty为两个区块，所述第二阈值Ry选取1.2。

还包括：

聚焦范围获取模块，用于根据最近聚焦跟踪曲线和最远聚焦跟踪曲线获取摄像机在当前变倍倍率下的聚焦范围，以所述聚焦范围作为搜索区域。

搜索步长设定子模块中，所述长步为所述搜索区域总长的1/32，所述小步为所述长步的1/16。

本发明所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，设置目标物区域，并使目标物区域的FV值所占比重大于非目标物区域的FV值所占比重，根据搜索方向和搜索步长驱动聚焦镜片运动到达当前搜索位置，再进行判断搜索是否终结，最后完成聚焦。在自动聚焦搜索时，由于在计算图像FV值时目标物区域的FV值所占比重大于非目标物区域的FV值所占比重，能够保证最终得到的FV峰值是和目标物区域相对应，使搜索曲线呈现实际聚焦位置和期望聚焦位置一致的结果，克服了传统的“爬山法”会导致摄像机成像时存在聚焦位置与实际期望不一致的问题，聚焦的速度快，耗时短。对聚焦后获取的图片进行目标物区域跟踪，当目标物区域的位移超出第一阈值Ty或者缩放比例超出第二阈值Ry时重新触发聚焦，这样就可以估计目标物的运动或者位置，使得聚焦的方向和聚焦的区域可以得到确认，在目标物区域模糊或者目标物位移超过一定阈值的情况下重新触发聚焦，保证自动聚焦准确。在搜索时，当前帧图像的FV值大于所述FV阈值时，设定搜索步长为小步，当前帧图像的的FV值小于所述FV阈值时，设定搜索步长为长步，采用了变步长搜索的方法，可以提高效率，加快自动聚焦的速度。获取峰值区域的FV阈值时，采用了峰值区域FV阈值的自适应估计算法，使得自动聚焦更加快捷。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

Claims (22)

1.一种一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：设置当前帧图像中的目标物区域，计算当前帧图像的FV值，其中目标物区域的FV值所占比重大于非目标物区域的FV值所占比重；

S2：根据搜索方向和搜索步长驱动聚焦镜片运动到达当前搜索位置；

S3：计算当前帧图像的FV值，并判断搜索是否终结，是则进入S4，否则返回步骤S2；

S4：驱动聚焦镜片到最大FV值所对应的位置，完成聚焦。

2.根据权利要求1所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，其特征在于，所述步骤S1中具体包括如下步骤：

S11：将当前帧图像划分为M×N个区块，设定所述目标物区域所占的区块；

S12：以每一区块的高频能量作为该区块的FV值；

S13：以每一区块FV值的加权和作为当前帧图像的FV值，并设定目标物区域所占区块的权重值大于非目标物区域所占区块的权重值。

3.根据权利要求1或2所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，其特征在于，还包括如下步骤：

S5：对聚焦后获取的图片进行目标物区域跟踪，当目标物区域的位移超出第一阈值Ty或者缩放比例超出第二阈值Ry时重新进入步骤S1。

4.根据权利要求1-3任一所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括如下步骤：

S31：判断是否确定最大FV值或者已经完成了整个搜索区域的搜索，是进入S4，否则继续步骤S32；

S32：判断搜索是否达到搜索区域的边界，是则设定搜索方向为反方向，否则继续步骤S33；

S33：获取峰值区域的FV阈值，当前帧图像的FV值大于所述FV阈值时，设定搜索步长为小步，当前帧图像的的FV值小于所述FV阈值时，设定搜索步长为长步；

S34：返回步骤S2。

5.根据权利要求4所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，其特征在于，所述步骤S33中获取峰值区域的FV阈值的具体步骤如下：

S331：获取初始时连续m次搜索得到的当前帧图像的FV值，其中m为大于或等于3的整数；

S332：判断m个FV值的连续变化幅度，

若连续变化幅度小于设定阈值，则将m个FV值取平均再加上增量FV_z作为峰值区域的FV阈值；

若连续变化幅度大于或等于设定阈值，则选取其中最小的FV值作为峰值区域的FV阈值。

6.根据权利要求2-5任一所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，其特征在于，所述步骤S5中目标物区域跟踪具体包括如下步骤：

S51：获取前帧图像中目标物区域特征信息和当前帧图像信息,所述目标物区域特征包括第一特征和第二特征，所述第一特征为目标物区域中心位置，所述第二特征为目标物区域内的亮度分布；

S52：根据目标物区域第一特征最相似原理获取当前帧图像中目标物区域中心位置；

S53：根据目标物区域第二特征最相似原理获取当前帧图像中目标物区域；

S54：计算前帧图像和当前帧图像的目标物区域中心位置的位移T，计算前帧图像和当前帧图像的目标物区域的缩放比例R；

S55：若位移T超出第一阈值Ty或者缩放比例R超过第二阈值Ry判定需要重新触发聚焦，进入步骤S1，否则保存当前帧的目标物区域特征信息。

7.根据权利要求6所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，其特征在于，所述步骤S52获取当前帧图像的目标物区域中心位置的过程为：

S521：获取当前帧图像中所有与目标物区域具有相同形状的n个区块组成的候选区；

S522：获取前帧图像中目标物区域内n个区块的亮度(L1，L2，…Ln)及当前帧图像中第i个候选区域内n个区块的亮度(L1i，L2i，…Lni)；

S523：计算当前帧图像中第i个候选区域内n个区块的亮度与前帧图像中目标物区域内n个区块的亮度绝对差之和SAD，选取该SAD最小的候选区域，采用如下公式计算：

$\stackrel{\‾}{i}=\arg \underset{i}{\min }\underset{w=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{abs}(\mathrm{Lw}-\mathrm{Lwi})$

以上公式中，Lw是指前帧图像目标物区域内的第w个区块亮度，Lwi是指当前帧图像中第i个候选区域内第w个区块的亮度；第个候选区域的中心位置就是当前帧图像的目标物区域中心位置。

8.根据权利要求6所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，其特征在于，所述步骤S53中获取当前帧图像中目标物区域的过程为：

S531：获取前帧图像中目标物区域内的归一化直方图，获取当前帧图像中第j个候选区内的归一化直方图；

S532：计算当前帧图像中第j个候选区内归一化直方图与前帧图像中目标物区域内的归一化直方图的绝对差之和SAD，并选取该SAD最小的候选区，采用如下公式计算：

$\stackrel{\‾}{j}=\arg \underset{j}{\min }\underset{k=0}{\overset{\mathrm{LumMax}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{abs}(\mathrm{hist}\left(k\right)-{\mathrm{hist}}_j\left(k\right))$

以上公式中，k表示直方图上每个灰度的级别，LumMax表示最大的灰度级别，hist(k)表示前帧图像中目标物区域内归一化直方图上灰度级别为k时候的取值，hist_j(k)表示当前帧图像中第j个候选区内归一化直方图上灰度级别为k时候的取值，第个候选区就是当前帧图像的目标物区域。

9.根据权利要求3-8任一所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，其特征在于：

所述步骤S5中所述第一阈值Ty为两个区块，所述第二阈值Ry选取1.2。

10.根据权利要求1-9任一所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括如下步骤：

S0：根据最近聚焦跟踪曲线和最远聚焦跟踪曲线获取摄像机在当前变倍倍率下的聚焦范围，以所述聚焦范围作为搜索区域。

11.根据权利要求1-10任一所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，其特征在于：

所述步骤S31中所述长步为所述搜索区域总长的1/32，所述小步为所述长步的1/16。

12.一种一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，其特征在于，包括如下模块：

目标物区域设置模块，用于设置当前帧图像中的目标物区域，计算当前帧图像的FV值，其中目标物区域的FV值所占比重大于非目标物区域的FV值所占比重；

搜索模块，用于根据搜索方向和搜索步长驱动聚焦镜片运动到达当前搜索位置；

计算及判断模块，用于计算当前帧图像的FV值，并判断搜索是否终结；

聚焦模块，用于在所述计算及判断模块判断搜索终结后驱动聚焦镜片到最大FV值所对应的位置，完成聚焦。

13.根据权利要求12所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，其特征在于，所述目标物区域设置模块具体包括：

区块划分子模块，用于将当前帧图像划分为M×N个区块，设定所述目标物区域所占的区块；

区块FV值计算子模块，以每一区块的高频能量作为该区块的FV值；

当前帧图像的FV值计算子模块，以每一区块FV值的加权和作为当前帧图像的FV值，并设定目标物区域所占区块的权重值大于非目标物区域所占区块的权重值。

14.根据权利要求12或13所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，其特征在于，还包括：

目标物区域跟踪模块，用于对聚焦后获取的图片进行目标物区域跟踪，当目标物区域的位移超出第一阈值Ty或者缩放比例超出第二阈值Ry时重新触发聚焦。

15.根据权利要求12-14任一所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，其特征在于，所述计算及判断模块具体包括：

搜索终结判断子模块，用于在确定最大FV值或者已经完成了整个搜索区域的搜索后进入聚焦模块：

搜索方向设定子模块，用于在搜索达到搜索区域的边界后设定搜索方向为反方向；

搜索步长设定子模块，用于获取峰值区域的FV阈值，当前帧图像的FV值大于所述FV阈值时，设定搜索步长为小步，当前帧图像的的FV值小于所述FV阈值时，设定搜索步长为长步。

16.根据权利要求15所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，其特征在于，搜索步长设定子模块具体包括：

初始搜索子模块，用于获取初始时连续m次搜索得到的当前帧图像的FV值，其中m为大于或等于3的整数；

FV阈值获取子模块，判断m个FV值的连续变化幅度，

若连续变化幅度小于设定阈值，则将m个FV值取平均加上增量FV_z作为峰值区域的FV阈值；

若连续变化幅度大于或等于设定阈值，则选取其中最小的FV值作为峰值区域的FV阈值。

17.根据权利要求13-16任一所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，其特征在于，所述目标物区域跟踪模块具体包括：

特征信息获取子模块，用于获取前帧图像中目标物区域特征信息和当前帧图像信息,所述目标物区域特征包括第一特征和第二特征，所述第一特征为目标物区域中心位置，所述第二特征为目标物区域内的亮度分布；

目标物区域中心位置获取子模块，用于根据目标物区域第一特征最相似原理获取当前帧图像中目标物区域中心位置；

目标物区域获取子模块，用于根据目标物区域第二特征最相似原理获取当前帧图像中目标物区域；

位移和缩放比例计算子模块，用于计算前帧图像和当前帧图像的目标物区域中心位置的位移T，计算前帧图像和当前帧图像的目标物区域的缩放比例R；

触发聚焦判断子模块，用于当位移T超出第一阈值Ty或者缩放比例R超过第二阈值Ry判定需要重新触发聚焦，进入目标物区域设置模块。

18.根据权利要求17所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，其特征在于，所述目标物区域中心位置获取子模块具体包括：

候选区获取子模块，用于获取当前帧图像中所有与目标物区域具有相同形状的n个区块组成的候选区；

区块亮度获取子模块，用于获取前帧图像中目标物区域内n个区块的亮度(L1，L2，…Ln)及当前帧图像中第i个候选区域内n个区块的亮度(L1i，L2i，…Lni)；

目标物区域中心位置计算子模块，用于计算当前帧图像中第i个候选区域内n个区块的亮度与前帧图像中目标物区域内n个区块的亮度绝对差之和SAD，选取该SAD最小的候选区域，采用如下公式计算：

$\stackrel{\‾}{i}=\arg \underset{i}{\min }\underset{w=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{abs}(\mathrm{Lw}-\mathrm{Lwi})$

以上公式中，Lw是指前帧图像目标物区域内的第w个区块亮度，Lwi是指当前帧图像中第i个候选区域内第w个区块的亮度；第个候选区域的中心位置就是当前帧图像的目标物区域中心位置。

19.根据权利要求17所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，其特征在于，所述目标物区域获取子模块具体包括：

归一化直方图获取子模块，用于获取前帧图像中目标物区域内的归一化直方图，获取当前帧图像中第j个候选区内的归一化直方图；

目标物区域计算子模块，用于计算当前帧图像中第j个候选区内归一化直方图与前帧图像中目标物区域内的归一化直方图的绝对差之和SAD，并选取该SAD最小的候选区，采用如下公式计算：

$\stackrel{\‾}{j}=\arg \underset{j}{\min }\underset{k=0}{\overset{\mathrm{LumMax}}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{abs}(\mathrm{hist}\left(k\right)-{\mathrm{hist}}_j\left(k\right))$

其中，k表示直方图上每个灰度的级别，LumMax表示最大的灰度级别，hist(k)表示前帧图像中目标物区域内归一化直方图上灰度级别为k时候的取值，hist_j(k)表示当前帧图像中第j个候选区内归一化直方图上灰度级别为k时候的取值，第个候选区就是当前帧图像的目标物区域。

20.根据权利要求14-19任一所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，其特征在于：

所述目标物区域跟踪模块中，所述第一阈值Ty为两个区块，所述第二阈值Ry选取1.2。

21.根据权利要求12-20任一所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，其特征在于，还包括：

聚焦范围获取模块，用于根据最近聚焦跟踪曲线和最远聚焦跟踪曲线获取摄像机在当前变倍倍率下的聚焦范围，以所述聚焦范围作为搜索区域。

22.根据权利要求12-21任一所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，其特征在于：

搜索步长设定子模块中，所述长步为所述搜索区域总长的1/32，所述小步为所述长步的1/16。