CN104580917A - 一种快速自动聚焦方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速自动聚焦方法及装置，所述方法包括如下步骤：步骤A，将摄像头采集图像的窗口划分为多个子窗口；步骤B，控制电机驱动摄像头采集图像，计算机计算各个子窗口当前的调焦评价函数值；步骤C，判断是否存在子窗口当前的调焦评价函数值小于上一次的调焦评价函数值；若是则执行步骤D，否则执行步骤B；步骤D，计算该子窗口当前采集的图像的调焦评价函数值；步骤E，判断子窗口当前的调焦评价函数值是否小于上一次的图像的调焦评价函数值，若是，则执行步骤F，否则执行步骤D；步骤F，控制电机驱动摄像头通过相应子窗口采集图像，计算相应的调焦评价函数值，并执行步骤E直至聚焦完成。发明的聚焦速度快及聚焦的稳定性好。

Description

一种快速自动聚焦方法及装置

技术领域

本发明涉及视频监控技术领域，具体涉及视频监控时一种自动聚焦的方法及一种自动聚焦装置。

背景技术

随着国内安防行业快速发展，视频监控已在我们的生活中变得越来越重要；同时，国内外自动变焦镜头的发展，使得行业内对自动聚焦技术的需求更加迫切。

在用调焦评价函数值进行自动对焦时，广泛采用的是爬山搜索算法寻找最佳聚焦点。爬山搜索算法寻找最佳聚焦点的过程包括：驱动聚焦镜头的步进电机从起始位置出发；以等步进向前驱动聚焦镜头，每走一步计算一次图像的调焦评价函数值，若调焦评价函数值增大，说明电机驱动方向正确，当调焦评价函数值上一次出现减小现象时，说明镜头已经越过最佳聚焦点；电机立刻反转运行，带动镜头向相反方向移动。同理，当调焦评价函数值再次出现减小时，电机又一次反转运行，如此反复搜索，最后在最佳聚焦点处停止，即当前调焦评价函数值与上一次调焦评价函数值相等。所述调焦评价函数值由离散小波变换计算得到。

由于现有技术中需要在最佳聚焦点附近进行多次来回移动聚焦镜头，导致聚焦速度慢。而且聚焦过程多次往返，导致对焦过程平滑性不好。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种快速自动聚焦方法及装置，该快速自动聚焦方法及装置，能够减少移动聚焦镜头的次数，从而提高聚焦的速度及聚焦的平滑性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种快速自动聚焦方法，

其应用于视频监控装置的计算机中，包括如下步骤：

步骤A，根据图像清晰度对摄像头采集图像的窗口划分成多个子窗口；

步骤B，控制电机驱动摄像头沿着预定方向通过整个窗口采集图像，并采用小波变换分别计算各个子窗口当前采集的图像的第一调焦评价函数值；

步骤C，将各个子窗口当前采集的图像的第一调焦评价函数值分别与其上一次采集的图像的第一调焦评价函数值进行大小比较，并判断是否存在至少一个子窗口当前采集的图像的第一调焦评价函数值小于上一次采集的图像的第一调焦评价函数值；若是则执行步骤D，否则执行步骤B；

步骤D，控制电机驱动摄像头沿着预定方向的反方向通过当前采集的图像的第一调焦评价函数值小于上一次采集的第一调焦评价函数值对应的子窗口采集图像；并采用小波变换计算该子窗口当前采集的图像的第二调焦评价函数值；

步骤E，判断该子窗口当前采集的图像的第二调焦评价函数值是否小于上一次采集的图像的第二调焦评价函数值，若是，则执行步骤F，否则执行步骤D；

步骤F，控制电机驱动摄像头沿着预定方向通过所述子窗口采集图像，计算相应的第二调焦评价函数值，并执行步骤E直至聚焦完成。

优选地，在步骤F之后还包括：

步骤G，监控聚焦点，并通过小波变换计算该聚焦点的第三聚焦评价函数值；

步骤H，将第三聚焦评价函数值分别与聚焦完成时聚焦点的第二聚焦评价函数值进行作差；

步骤I，分别判断各作差得到的绝对值是否在阈值范围内，若是，则控制电机停止运动，否则，执行步骤B。

优选地，在步骤D中通过电机驱动摄像头沿着预定方向的反方向采集图像时的步长小于在步骤B中通过电机驱动摄像头沿着预定方向采集图像时的步长，并且在步骤F中通过电机驱动摄像头沿着预定方向采集图像时的步长小于在步骤D中通过电机驱动摄像头沿着预定方向的反方向采集图像时的步长。

优选地，所述步骤C中还包括：步骤C1，判断当前采集的图像的第一调焦评价函数值小于上一次采集的图像的第一调焦评价函数值的子窗口是否为位于中心的子窗口，若是，则执行步骤D，否则执行步骤C2；

步骤C2，控制电机驱动摄像头缩短运动步长，并沿着预定方向通过整个窗口采集图像，直至位于中心的子窗口的第一调焦评价函数值出现减少。

本发明还提供一种与以上所述快速自动聚焦方法对应的快速自动聚焦装置，其应用于视频监控装置的计算机中，包括，

划分模块，其用于根据图像清晰度对摄像头采集图像的窗口划分成多个子窗口；

第一控制及计算模块，其用于控制电机驱动摄像头沿着预定方向通过整个窗口采集图像，并采用小波变换分别计算各个子窗口当前采集的图像的第一调焦评价函数值；

第一比较模块，其用于将各个子窗口当前采集的图像的第一调焦评价函数值分别与其上一次采集的图像的第一调焦评价函数值进行大小比较，并判断是否存在至少一个子窗口当前采集的图像的第一调焦评价函数值小于上一次采集的图像的第一调焦评价函数值，若判断的结果为时则执行第二控制及计算模块，否则执行第一控制及计算模块；

第二控制及计算模块，其用于控制电机驱动摄像头沿着预定方向的反方向通过当前采集的图像的第一调焦评价函数值小于上一次采集的第一调焦评价函数值对应的子窗口采集图像；并采用小波变换计算该子窗口当前采集的图像的第二调焦评价函数值；

第二比较模块，其用于判断该子窗口当前采集的图像的第二调焦评价函数值是否小于上一次采集的图像的第二调焦评价函数值，若是则执行第三控制及计算模块，否则执行第二控制及计算模块；

第三控制及计算模块，其用于控制电机驱动摄像头沿着预定方向通过所述子窗口采集图像，计算相应的第二调焦评价函数值，并执行第二比较模块直至聚焦完成。

优选地，所述快速自动聚焦装置：

监控模块，其用于监控聚焦点，并通过小波变换计算该聚焦点的第三聚焦评价函数值；

作差模块，其用于将第三聚焦评价函数值分别与聚焦完成时聚焦点的聚焦评价函数值进行作差；

判断模块，其用于判断分别各作差得到的绝对值是否在阈值范围内；若是，则控制电机停止运动，否则，执行第一控制及计算模块。

本发明的有益效果：

与现有技术相比，本发明的快速自动聚焦方法及装置通过将采集图像的窗口划分呈多个子窗口，并在通过计算各个子窗口的调焦评价函数值来确定最佳聚焦点可能存在的子窗口，然后仅需通过存在最佳聚焦点的子窗口进行聚焦得到最佳聚焦点，从而使得在对最佳聚焦点的预测，并在未达到最佳聚焦点之前就减小电机移动步长，使电机达到最佳聚焦点总的行驶路程减小，因此提高了聚焦的速度，并且使得聚焦过程中视频从模糊到清晰平滑自然地过渡。另外，通过将窗口划分成多个子窗口分别计算调焦评价函数值，使得计算得到的聚焦点更稳定。

附图说明

图1为本发明的实施例中一种快速自动聚焦方法的流程图；

图2为本发明的实施例中窗口划分示意图；

图3为本发明的实施例中快速自动聚焦装置的结构示意图。

图中：1、摄像头；2、电机；3、计算机；31、划分模块；32、第一控制及计算模块；33、第一比较模块；34、第二控制及计算模块；35、第二比较模块；36、第三控制及计算模块；37、监控模块；38、作差模块；39、判断模块。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

参照图1，本实施例所述的一种快速自动聚焦方法，其应用于视频监控装置的计算机中，包括如下步骤：

步骤A，根据图像清晰度对摄像头采集图像的窗口划分成多个子窗口。如图2所述，例如我们可把窗口划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五个子窗口。其中Ⅲ子窗口采集图像的清晰度最佳，因此该子窗口通常是监控所关注的区域，所以其位于整个窗口的中间位置并所占的面积最大，而其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ等子窗口则作为聚焦辅助窗口。通常情况下，最佳聚焦点也应该是使Ⅲ子窗口内的图像更清晰。需要说明的是也可根据使用者人为的划分，例如其最关注的区域作为最大子窗口通常落在整个窗口的中心，其余子窗口是落在最大子窗口的周边，例如其次关注的区域划划分成两个位于最大子窗口两边，然后是最大子窗口下方的区域，最不关注的区域则落在了最大子窗口的上方。

步骤B，控制电机驱动摄像头沿着预定方向通过整个窗口采集图像，并通采用小波变换分别计算各个子窗口当前采集的图像的第一调焦评价函数值。例如该预定方向为由图2中的Ⅱ子窗口朝着Ⅳ子窗口的方向运动。摄像头在运动的过程中，各子窗口采集的图像也会发生变化，所以各个子窗口内的图像及其聚焦函数值也会随之发生变化。

步骤C，将各个子窗口当前采集的图像的第一调焦评价函数值分别与其上一次采集的图像的第一调焦评价函数值进行大小比较，并判断是否存在至少一个子窗口当前采集的图像的第一调焦评价函数值小于上一次采集的图像的第一调焦评价函数值；若是则说明在最佳聚焦点存在于当前采集的图像的第一调焦评价函数值小于上一次采集的图像的第一调焦评价函数值的子窗口内，此时执行步骤D，即说明仅需通过存在有最佳聚焦点的子窗口计算最佳聚焦点。例如摄像头运动至某一位置时，图2中的Ⅲ子窗口的第一调焦评价函数值第一次出现的下降，而其他的子窗口则还未出现下降。否则执行步骤B，继续查找可能存在最佳聚焦点的子窗口。

所述步骤C中还包括：步骤C1，判断当前采集的图像的第一调焦评价函数值小于上一次采集的图像的第一调焦评价函数值的子窗口是否为位于中心的子窗口，若是，则执行步骤D，否则，说明是中心的子窗口周边的子窗口出现调焦评价函数值下降，因此执行步骤C2；步骤C2，控制电机驱动摄像头缩短运动步长，并沿着预定方向通过整个窗口采集图像，直至位于中心的子窗口的第一调焦评价函数值出现减少。需要说明的是，当有窗口的调焦评价函数值下降时存在两种策略：一、当周围子窗口的调焦评价函数值下降，则减小电机驱动步长而方向不变；二、中心子窗口评调焦价函数值下降时，减小电机驱动步长，同时改变电机驱动方向。

步骤D，控制电机驱动摄像头沿着预定方向的反方向通过当前采集的图像的第一调焦评价函数值小于上一次采集的第一调焦评价函数值的子窗口采集图像；并采用小波变换计算该子窗口当前采集的图像的第二调焦评价函数值。通过步骤C得出可能存在最佳聚焦点的子窗口时，例如在Ⅲ子窗口内，所述摄像头仅需对Ⅲ子窗口计算第二调焦评价函数值来得出最佳聚焦点，该过程还可以采用爬山搜索法如步骤D至步骤F。由于步骤D中采集图像的区域小于步骤B的区域，所以在步骤D中通过电机驱动摄像头沿着预定方向的反方向采集图像时的步长小于在步骤B中通过电机驱动摄像头沿着预定方向采集图像时的步长；例如步骤D中电机驱动摄像头运动的步长仅为步骤B中步长的小于等于二分之一至二十分之一，还可以根据采集图像的窗口确定。

所述第一调焦评价函数及第二调焦评价函数可采用《基于二维小波变换的图像处理算法研究》(《气象水文海洋仪器》2009年02期，作者：白文峰、南莉俊)或者《小波变换在图像处理中的应用》(《电脑编程技巧与维护》2011年18期，作者：于海珠、郭辉、管玉玲)或者《小波变换在图像处理中的应用》(《哈尔滨工程大学》2009年，作者：沈飞)等其他期刊所述的小波变换函数计算得到。

步骤E，判断子窗口当前采集的图像的第二调焦评价函数值是否小于上一次采集的图像的第二调焦评价函数值，若是，则说明摄像头已经超过最佳聚焦点，所以执行步骤F使得摄像头去靠近最佳聚焦点，否则执行步骤D继续靠近最佳聚焦点。

例如，当摄像头从第一位置运动至第二位置时，所述Ⅲ子窗口的第二调焦评价函数值增大；若摄像头从第二位置运动至第三位置时，所述Ⅲ子窗口的第二调焦评价函数值减少，则说明最佳聚焦点存在于第一位置与第三位置之间，此时可以执行步骤F；若摄像头从第二位置运动至第三位置时，所述Ⅲ子窗口的第二调焦评价函数值还是增大，则说明最佳聚焦点可能还未到达，此时执行步骤D继续靠近聚焦点。

步骤F，控制电机驱动摄像头沿着预定方向通过所述子窗口采集图像，计算相应的第二调焦评价函数值，并执行步骤E直至聚焦完成。聚焦完成则说明已经找到最佳聚焦点。例如当电机运行至最小步长时，摄像头从第一位置运动至第二位置时，所述Ⅲ子窗口的第二调焦评价函数值增大；并且摄像头从第二位置运动至第三位置时，所述Ⅲ子窗口的第二调焦评价函数值减少，此时最佳聚焦点可为第二位置。

由于通过在步骤D至步骤F之间循环时，所述第一位置与第三位置之间的距离越来越小，所述在步骤F中通过电机驱动摄像头沿着预定方向采集图像时的步长小于在步骤D中通过电机驱动摄像头沿着预定方向的反方向采集图像时的步长。

为了保证聚焦点的精确性，在步骤F之后(即在聚焦完成之后)，还可以包括如下步骤：

步骤G，监控聚焦点，并通过小波变换计算该聚焦点的第三聚焦评价函数值；该第三聚焦评价函数值可根据实际需要通过多次计算，例如至少三次。

步骤H，将第三聚焦评价函数值分别与聚焦完成时聚焦点的第二聚焦评价函数值进行作差。

步骤I，判断分别各作差得到的绝对值是否在阈值范围内，若是，则说明对焦过程无干扰对焦成功，并控制电机停止运动，否则说明对焦过程中出现场景变化，需要重新对焦，并执行步骤B。该阈值范围可为小于步骤F中聚焦完成时计算得到的第二调焦评价函数值百分之五至百分之二十。通过步骤G至步骤I使得在聚焦过程中出现突然的场景变化干扰时也能准确聚焦。

参照图3，本发明还提供一种与所述快速自动聚焦方法对应的快速自动聚焦装置，其应用于视频监控装置的计算机3中，包括：

划分模块31，其用于根据图像清晰度对摄像头采集图像的窗口划分成多个子窗口；

第一控制及计算模块32，其用于控制电机2驱动摄像头1沿着预定方向通过整个窗口采集图像，并采用小波变换分别计算各个子窗口当前采集的图像的第一调焦评价函数值；

第一比较模块33，其用于将各个子窗口当前采集的图像的第一调焦评价函数值分别与其上一次采集的图像的第一调焦评价函数值进行大小比较，并判断是否存在至少一个子窗口当前采集的图像的第一调焦评价函数值小于上一次采集的图像的第一调焦评价函数值，若判断的结果为时则执行第二控制及计算模块，否则执行第一控制及计算模块；

第二控制及计算模块34，其用于控制电机驱动摄像头沿着预定方向的反方向通过当前采集的图像的第一调焦评价函数值小于上一次采集的第一调焦评价函数值对应的子窗口采集图像；并采用小波变换计算该子窗口当前采集的图像的第二调焦评价函数值；

第二比较模块35，其用于判断该子窗口当前采集的图像的第二调焦评价函数值是否小于上一次采集的图像的第二调焦评价函数值，若是则执行第三控制及计算模块，否则执行第二控制及计算模块；

第三控制及计算模块36，其用于控制电机驱动摄像头沿着预定方向通过所述子窗口采集图像，计算相应的第二调焦评价函数值，并执行第二比较模块直至聚焦完成。

为了保证聚焦点的精确性，本发明的快速自动聚焦装置还可以包括以下模块：

监控模块37，其用于监控聚焦点，并通过小波变换计算该聚焦点的第三聚焦评价函数值；

作差模块38，其用于将第三聚焦评价函数值分别与聚焦完成时聚焦点的聚焦评价函数值进行作差；

判断模块39，其用于判断分别各作差得到的绝对值是否在阈值范围内；若是，则控制电机停止运动，否则，执行第一控制及计算模块。

综上所述，本发明的快速自动聚焦方法及装置通过将采集图像的窗口划分呈多个子窗口，并在通过计算各个子窗口的调焦评价函数值来确定最佳聚焦点可能存在的子窗口，然后仅需通过存在最佳聚焦点的子窗口进行聚焦得到最佳聚焦点，从而使得在对最佳聚焦点的预测，并在未达到最佳聚焦点之前就减小电机移动步长，使电机达到最佳聚焦点总的行驶路程减小，因此提高了聚焦的速度，并且使得聚焦过程中视频从模糊到清晰平滑自然地过渡。另外，通过将窗口划分成多个子窗口分别计算调焦评价函数值，使得计算得到的聚焦点更稳定。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种快速自动聚焦方法，其应用于视频监控装置的计算机中，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A，根据图像清晰度对摄像头采集图像的窗口划分成多个子窗口；

步骤B，控制电机驱动摄像头沿着预定方向通过整个窗口采集图像，并采用小波变换分别计算各个子窗口当前采集的图像的第一调焦评价函数值；

步骤C，将各个子窗口当前采集的图像的第一调焦评价函数值分别与其上一次采集的图像的第一调焦评价函数值进行大小比较，并判断是否存在至少一个子窗口当前采集的图像的第一调焦评价函数值小于上一次采集的图像的第一调焦评价函数值；若是则执行步骤D，否则执行步骤B；

步骤D，控制电机驱动摄像头沿着预定方向的反方向通过当前采集的图像的第一调焦评价函数值小于上一次采集的第一调焦评价函数值对应的子窗口采集图像；并采用小波变换计算该子窗口当前采集的图像的第二调焦评价函数值；

步骤E，判断该子窗口当前采集的图像的第二调焦评价函数值是否小于上一次采集的图像的第二调焦评价函数值，若是，则执行步骤F，否则执行步骤D；

步骤F，控制电机驱动摄像头沿着预定方向通过所述子窗口采集图像，计算相应的第二调焦评价函数值，并执行步骤E直至聚焦完成。

2.根据权利要求1所述的快速自动聚焦方法，其特征在于，在步骤F之后还包括：

步骤G，监控聚焦点，并通过小波变换计算该聚焦点的第三聚焦评价函数值；

步骤H，将第三聚焦评价函数值分别与聚焦完成时聚焦点的第二聚焦评价函数值进行作差；

步骤I，分别判断各作差得到的绝对值是否在阈值范围内，若是，则控制电机停止运动，否则，执行步骤B。

3.根据权利要求1所述的快速自动聚焦方法，其特征在于，在步骤D中通过电机驱动摄像头沿着预定方向的反方向采集图像时的步长小于在步骤B中通过电机驱动摄像头沿着预定方向采集图像时的步长，并且在步骤F中通过电机驱动摄像头沿着预定方向采集图像时的步长小于在步骤D中通过电机驱动摄像头沿着预定方向的反方向采集图像时的步长。

4.根据权利要求1所述的快速自动聚焦方法，其特征在于，所述步骤C中还包括：步骤C1，判断当前采集的图像的第一调焦评价函数值小于上一次采集的图像的第一调焦评价函数值的子窗口是否为位于中心的子窗口，若是，则执行步骤D，否则执行步骤C2；

步骤C2，控制电机驱动摄像头缩短运动步长，并沿着预定方向通过整个窗口采集图像，直至位于中心的子窗口的第一调焦评价函数值出现减少。

5.一种快速自动聚焦装置，其应用于视频监控装置的计算机中，其特征在于，包括，

划分模块，其用于根据图像清晰度对摄像头采集图像的窗口划分成多个子窗口；

第一控制及计算模块，其用于控制电机驱动摄像头沿着预定方向通过整个窗口采集图像，并采用小波变换分别计算各个子窗口当前采集的图像的第一调焦评价函数值；

第一比较模块，其用于将各个子窗口当前采集的图像的第一调焦评价函数值分别与其上一次采集的图像的第一调焦评价函数值进行大小比较，并判断是否存在至少一个子窗口当前采集的图像的第一调焦评价函数值小于上一次采集的图像的第一调焦评价函数值，若判断的结果为时则执行第二控制及计算模块，否则执行第一控制及计算模块；

第二控制及计算模块，其用于控制电机驱动摄像头沿着预定方向的反方向通过当前采集的图像的第一调焦评价函数值小于上一次采集的第一调焦评价函数值对应的子窗口采集图像；并采用小波变换计算该子窗口当前采集的图像的第二调焦评价函数值；

第二比较模块，其用于判断该子窗口当前采集的图像的第二调焦评价函数值是否小于上一次采集的图像的第二调焦评价函数值，若是则执行第三控制及计算模块，否则执行第二控制及计算模块；

第三控制及计算模块，其用于控制电机驱动摄像头沿着预定方向通过所述子窗口采集图像，计算相应的第二调焦评价函数值，并执行第二比较模块直至聚焦完成。

6.根据权利要求5所述的快速自动聚焦装置，其特征在于，还包括：

监控模块，其用于监控聚焦点，并通过小波变换计算该聚焦点的第三聚焦评价函数值；

作差模块，其用于将第三聚焦评价函数值分别与聚焦完成时聚焦点的聚焦评价函数值进行作差；

判断模块，其用于分别判断各作差得到的绝对值是否在阈值范围内；若是，则控制电机停止运动，否则，执行第一控制及计算模块。4 -->