CN104601886A - 一种用于红外图像电机调焦的控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明适用于红外成像技术领域，尤其涉及一种用于红外图像电机调焦的控制方法及装置，包括：步骤1，当电机启动后，驱动电机反转，并调节镜头的焦距回到最小值位置；步骤2，当镜头调焦回到最小位置时，读取红外图像，根据所述红外图像生成评价函数，并判断评价函数的爬升阶段；步骤3，当确认评价函数处于爬升阶段时，在爬升阶段的阈值范围内搜索评价函数的最大峰值出现的首次位置；步骤4，根据最大峰值出现的首次位置，按照下列公式计算评价函数在阈值范围内最大峰值的精确位置：步骤5，根据计算的最大峰值位置，驱动电机反转至Max_loca位置，调焦完成。从而提高了记步法电机调焦算法搜索判断评价函数最大值的准确性与精确性。

Description

一种用于红外图像电机调焦的控制方法及装置

技术领域

本发明属于红外成像技术领域，尤其涉及一种用于红外图像电机调焦的控制方法及装置。

背景技术

近年来红外光电成像系统已广泛应用于工业、农业、医疗等各个领域。作为一种获取图像信息的工具，它可以用于生成过程监控、工况检测、图像拍摄显微观察、医学图像分析、地质遥感、气象遥感和成像导引等多个方面。

现有的红外图像自动对焦评价函数最大值的搜索与判断方法及装置，通常是采用爬山法电机控制算法。然而，如图1所示，当评价函数的峰值区间比较小，曲线并不在整个焦距区间为一个严格单调的递增区间和一个严格单调的递减区间。表现为函数取现在小于某个焦距阈值A和大于某个焦距阈值B，斜率为零，即水平，此时，无法采用爬山法电机控制算法。其次，针对信噪比低、边缘模糊等因素使得边缘化的图像波动较大时，进而使得评价函数曲线本身并不平滑，并且有较大抖动，这样就给极值的判断带来了干扰，此种情况，也无法采用爬山法电机控制算法。最后，针对层次很弱、目标图像与背景对比度很低的情况，评价函数的最大值与最小值之差小，评价函数峰值不明显。

这些都导致可见光的自动对焦不能直接移植到红外成像系统中，本发明需要一种新的红外图像自动对焦评价函数最大值的搜索与判断方法，解决因红外图像自身固有性质所引起的函数曲线抖动，单调性差、存在大区间内水平，从而不能正确、精准判断焦点位置的位置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于红外图像电机调焦的控制方法及装置，旨在解决现有的红外图像自动对焦时，针对被观察目标的自动聚焦适应性不强引发的某些目标聚焦失败；传统的爬山法电机控制算法不适用于红外图像自动聚焦系统；以及最大值遍历电机控制算法耗时过长、导致的精度、可信度不够高的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种红外图像自动对焦评价函数最大值的搜素与判断方法，包括如下步骤：

步骤1，当电机启动后，驱动所述电机反转，并调节镜头的焦距回到最小值位置；

步骤2，当镜头调焦回到最小位置时，读取红外图像，根据所述红外图像生成评价函数，并判断评价函数的爬升阶段；

步骤3，当确认评价函数处于爬升阶段时，在爬升阶段的阈值范围内搜索评价函数的最大峰值出现的首次位置；

步骤4，根据最大峰值出现的首次位置，按照下列公式计算评价函数在阈值范围内最大峰值的精确位置：

$\mathrm{Max}\_\mathrm{loca}=\frac{1}{n}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Max}\_\mathrm{loca}\_i$

式中，Max_loca为评价函数的最大峰值位置，Max_loca_i为阈值范围内第i次搜索最大峰值，n为大于零的整数；

步骤5，根据计算的最大峰值的精确位置，驱动电机反转至最大峰值精确位置，调焦完成。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述步骤1的具体包括： 

所述电机为调焦电机，当所述调焦电机启动后，控制调焦电机反转，以最快的转速带动镜头回零位。

进一步，所述步骤2的具体步骤包括：

步骤2.1，镜头调到零位后，将评价函数在零位时的评价函数值与零位时的图像标准差之积，存于变量Min；

步骤2.2，设置变量Max_Hori与Max_Hori_Dly，所述调焦电机每经过一个步长时间，则将评价函数在对应的步长时间形成评价函数值Focus与每帧图像标准差σ之积存于变量Max_Hori，并将Max_Hori当前值存入变量Max_Hori_Dly；

步骤2.3，当变量Min、Max_Hori、Max_Hori_Dly满足如下公式时，

设置计数器X，调焦电机每经过一个步长时间，则检查是否满足上述公式，

如果满足，则计数器每次加1，当计数器X的值等于阈值x时，则判定评价函数进入爬升阶段；如果不满足上述公式，计数器清零。

进一步，所述步骤3的具体包括： 

根据设置变量Max与计数器Y，在搜索评价函数最大值过程中，当调焦电机每经过一个步长时间，如果有评价函数值Focus大于变量Max，则将评价函数此时的值赋予给Max，同时将计数器Y清零；如果有评价函数值Focus小于变量Max；每次经过步长时间都保持原值，则计数器自动加1，直到计数器Y的数值达到阈值y，则判定经过了评价函数的最大值，从而反向返回计数器Y数值的步长时间回到最大值。

本发明的另一目的在于提供一种红外图像自动对焦评价函数最大值的搜素与判断装置，包括：包括启动单元、判定单元、搜索单元、计算单元与调焦单元；

所述启动单元，其用当电机启动后，驱动所述电机反转，并调节镜头的焦距回到最小值位置；

所述判定单元，其用于当镜头调焦回到最小位置时，读取红外图像，根据所述红外图像生成评价函数，并判断评价函数的爬升阶段；

所述搜索单元，其用于当确认评价函数处于爬升阶段时，在爬升阶段的阈 值范围内搜索评价函数的最大峰值出现的首次位置；

所述计算单元，其用于根据最大峰值出现的首次位置，按照下列公式计算评价函数在阈值范围内最大峰值的精确位置：

$\mathrm{Max}\_\mathrm{loca}=\frac{1}{n}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Max}\_\mathrm{loca}\_i$

式中，Max_loca为评价函数的最大峰值位置，Max_loca_i为阈值范围内第i次搜索最大峰值，n为大于零的整数；

所述调焦单元，其用于根据计算的最大峰值精确位置，驱动电机反转至最大峰值精确位置，调焦完成。

进一步，所述判定单元包括第一判断单元、第二判断单元与第三判断单元；

所述第一判断单元，其用于镜头调到零位后，将评价函数在零位时的评价函数值与零位时的图像标准差之积，存于变量Min；

所述第二判断单元，其用于设置变量Max_Hori与Max_Hori_Dly，所述调焦电机每经过一个步长时间，则将评价函数在对应的步长时间形成评价函数值Focus与每帧图像标准差σ之积存于变量Max_Hori，并将Max_Hori当前值存入变量Max_Hori_Dly；

所述第三判断单元，其用于当变量Min、Max_Hori、Max_Hori_Dly满足如下公式时，

设置计数器X，调焦电机每经过一个步长时间，则检查是否满足上述公式，

如果满足，则计数器每次加1，当计数器X的值等于阈值x时，则判定评价函数进入爬升阶段；如果不满足上述公式，计数器清零。

进一步，所述搜索单元包括第一搜索单元与第二搜索单元；

所述第一搜索单元，其用于根据设置变量Max与计数器Y，在搜索评价函数最大值过程中，当调焦电机每经过一个步长时间，如果有评价函数值Focus大于变量Max，则将评价函数此时的值赋予给Max，同时将计数器Y清零；

所述第二搜索单元，其用于根据设置变量Max与计数器Y，在搜索评价函数最大值过程中，当调焦电机每经过一个步长时间，如果有评价函数值Focus小于变量Max；每次经过步长时间都保持原值，则计数器自动加1，直到计数器Y的数值达到阈值y，则判定经过了评价函数的最大值，从而反向返回计数器Y数值的步长时间回到最大值。

本发明的有益效果是：在红外图像系统中，针对与对比度低、信噪比低的目标，该方法仍然能够准确的聚焦、目标适应性强；相对于传统的搜索最大值调焦电机控制法，通过记步法可以有效地回避最大值抖动的问题，因为传统基于判别最大值的调焦电机控制算法，也是通过微调，进行一次最大值判断，所说误差大；而采用记步法电机调焦算法，只针对某次最大值出现位置、不关心最大值的值是多大，并且经过最大值小范围领域内的多次微调，得到的最大值出现概率最高的位置，从而增加了记步法电机调焦算法搜索判断函数评价最大值的准确性与精确性。

附图说明

图1是本发明提供的高对比度的评价函数图；

图2是本发明提供的一种红外图像自动对焦评价函数最大值的搜素与判断方法的流程图；

图3是本发明提供的低对比度的评价函数图；

图4是本发明提供的峰值搜索判断函数图；

图5是本发明提供的峰值位置概率统计图；

图6是本发明提供的一种红外图像自动对焦评价函数最大值的搜素与判断框架结构图；

图7是本发明提供的判断单元的结构框架图；

图8是本发明提供的搜索单元的结构框架图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1启动单元,2、判定单元，21、第一判定单元，22、第二判定单元，23、第三判断单元，3、搜索单元、31、第一搜索单元，32、第二搜素单元，4、计算单元，5、调焦单元。 

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2所示，为本发明实施例提供的一种文件夹清理方法的实现流程图，详述如下：

步骤1，当电机启动后，驱动所述电机反转，并调节镜头的焦距回到最小值位置；

优选的，所述步骤1的具体包括： 

所述电机为调焦电机，当所述调焦电机启动后，控制调焦电机反转，以最快的转速带动镜头回零位。

步骤2，当镜头调焦回到最小位置时，读取红外图像，根据所述红外图像生成评价函数，并判断评价函数的爬升阶段；

如图1所示，本发明提供的高对比度的评价函数图；如图3所示，本发明提供的低对比度的评价函数图；

在图1中实际状态聚焦过程中评价函数曲线并不可能向理想状态下那样平滑(虚线)，而在空间域、时间域上小范围的波动(实线)。即使通过高斯滤波、时域迭代滤波，这些抖动仍不能消除，因为它们是由红外图像自身的固有特性决定的，比如信噪比低、焦距行程、目标图像与背景对比度低、边缘较模糊等等。并且，对于温度多值丰富的目标，类似这种质量的曲线，在自动对焦过程中使用本专利独创的焦点搜索算法也稳定且精准。但是，对于场景层次单一，对比度不够明显的目标场景，评价函数呈如图2所示。

在图2中可以看到，当焦距小于A和大于B时，称之为近似水平区段。函 数曲线在垂直方向上抖动。由于对比度不够明显，所以评价函数峰值亦不明显，这种情况下，利用记步法电机调焦算法，可能会出现误判、漏判的情况。所以，需要在尽量不放大水平区间抖动的前提下，放大峰值区段，提高函数曲线最大值。

当焦距处于近似水平区段时图像模糊，对应的边缘图非零点较多、值偏小且较均匀；而在正确焦点位置附近的时图像清晰，对应的边缘图零点较多、值偏大且不均匀。根据边缘图像在对焦过程中的这一特性，可采用标准差σ对边缘图的锐利程度进行表征。即将每帧图像的标准差σ作为系数，与评价函数做乘积。

标准差σ的在垂直方向上的抖动要小，即对评价函数曲线来讲要更加的平滑。这种方法较单纯对Robert评焦函数作平方的方法，能做到在放大评价函数曲线峰值的前提下，尽量不放大近似水平区段的垂直抖动，进而使得优化以后评价函数峰值明显放大，抖动被轻微放大。如此，Robert评价函数得以优化。

步骤3，当确认评价函数处于爬升阶段时，在爬升阶段的阈值范围内搜索评价函数的最大峰值出现的首次位置；

步骤4，根据最大峰值出现的首次位置，按照下列概率统计学公式计算评价函数在阈值范围内最大峰值的精确位置：

$\mathrm{Max}\_\mathrm{loca}=\frac{1}{n}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Max}\_\mathrm{loca}\_i$

式中，Max_loca为评价函数的最大峰值位置，i为阈值范围内第i次搜索；

如图5所示，本发明提供的峰值位置概率统计图；在本实例中，评价函数真正的最大值及其邻域也是在不停抖动的。评价函数曲线的抖动影响了最大值辨识的可信度。但即便是抖动，最大值及其邻域抖动的峰值也要比非最大值处大。通过步骤3并不能完全精确定位最大值的准确位置，因为在抖动干扰的影响下通过1次搜索可能有较大误差。但是根据统计学的统计概率，若评价函数是无偏性的，真正的焦点位置必定是最大值出现频率最高的位置。

步骤5，根据计算的最大峰值位置，驱动电机反转至Max_loca位置，调焦完成。

如图4所示，为本发明提供的峰值搜索判断函数图；所述步骤2的具体步骤包括：

步骤2.1，镜头调到零位后，将评价函数在零位时的评价函数值与零位时的图像标准差之积，存于变量Min；

步骤2.2，设置变量Max_Hori与Max_Hori_Dly，所述调焦电机每经过一个步长时间，则将评价函数在对应的步长时间形成评价函数值Focus与每帧图像标准差σ之积存于变量Max_Hori，并将Max_Hori当前值存入变量Max_Hori_Dly；

步骤2.3，当变量Min、Max_Hori、Max_Hori_Dly满足如下公式时，

设置计数器X，调焦电机每经过一个步长时间，则检查是否满足上述公式，

如果满足，则计数器每次加1，当计数器X的值等于阈值x时，则判定评价函数进入爬升阶段；如果不满足上述公式，计数器清零。

进一步，所述步骤3的具体包括： 

根据设置变量Max与计数器Y，在搜索评价函数最大值过程中，当调焦电机每经过一个步长时间，如果有评价函数值Focus大于变量Max，则将评价函数此时的值赋予给Max，同时将计数器Y清零；如果有评价函数值Focus小于变量Max；每次经过步长时间都保持原值，则计数器自动加1，直到计数器Y的数值达到阈值y，则判定经过了评价函数的最大值，从而反向返回计数器Y数值的步长时间回到最大值。

如图6所示，本发明的提供一种红外图像自动对焦评价函数最大值的搜素与判断装置，包括：包括启动单元1、判定单元2、搜索单元3、计算单元4与调焦单元5；

所述启动单元，其用当电机启动后，驱动所述电机反转，并调节镜头的焦 距回到最小值位置；

所述判定单元，其用于当镜头调焦回到最小位置时，读取红外图像，根据所述红外图像生成评价函数，并判断评价函数的爬升阶段；

所述搜索单元，其用于当确认评价函数处于爬升阶段时，在爬升阶段的阈值范围内搜索评价函数的最大峰值出现的首次位置；

所述计算单元，其用于根据最大峰值出现的首次位置，按照下列公式计算评价函数在阈值范围内最大峰值的精确位置：

$\mathrm{Max}\_\mathrm{loca}=\frac{1}{n}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Max}\_\mathrm{loca}\_i$

式中，Max_loca为评价函数的最大峰值位置，Max_loca_i为阈值范围内第i次搜索最大峰值，n为大于零的整数；

所述调焦单元，其用于根据计算的最大峰值精确位置，驱动电机反转至最大峰值精确位置，调焦完成。

如图7所示，本发明提供的判断单元的结构框架图。所述判定单元2包括第一判断单元21、第二判断单元22与第三判断单元23；

所述第一判断单元21，其用于镜头调到零位后，将评价函数在零位时的评价函数值与零位时的图像标准差之积，存于变量Min；

所述第二判断单元22，其用于设置变量Max_Hori与Max_Hori_Dly，所述调焦电机每经过一个步长时间，则将评价函数在对应的步长时间形成评价函数值Focus与每帧图像标准差σ之积存于变量Max_Hori，并将Max_Hori当前值存入变量Max_Hori_Dly；

所述第三判断单元23，其用于当变量Min、Max_Hori、Max_Hori_Dly满足如下公式时，

设置计数器X，调焦电机每经过一个步长时间，则检查是否满足上述公式，

如果满足，则计数器每次加1，当计数器X的值等于阈值x时，则判定评价函数 进入爬升阶段；如果不满足上述公式，计数器清零。

如图8所示，本发明提供的搜索单元的结构框架图，所述搜索单元3包括第一搜索单元31与第二搜索单元32；

所述第一搜索单元31，其用于根据设置变量Max与计数器Y，在搜索评价函数最大值过程中，当调焦电机每经过一个步长时间，如果有评价函数值Focus大于变量Max，则将评价函数此时的值赋予给Max，同时将计数器Y清零；

所述第二搜索单元32，其用于根据设置变量Max与计数器Y，在搜索评价函数最大值过程中，当调焦电机每经过一个步长时间，如果有评价函数值Focus小于变量Max；每次经过步长时间都保持原值，则计数器自动加1，直到计数器Y的数值达到阈值y，则判定经过了评价函数的最大值，从而反向返回计数器Y数值的步长时间回到最大值。

本发明实施例提供的装置可以应用在前述对应的方法实施例中，详情参见上述实施例的描述，在此不再赘述。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘，硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种用于红外图像电机调焦的控制方法，其特征在于，包括：

步骤1，当电机启动后，驱动所述电机反转，并调节镜头的焦距回到最小值位置；

步骤2，当镜头调焦回到最小位置时，读取红外图像，根据所述红外图像生成评价函数，并判断评价函数的爬升阶段；

步骤3，当确认评价函数处于爬升阶段时，在爬升阶段的阈值范围内搜索评价函数的最大峰值出现的首次位置；

步骤4，根据最大峰值出现的首次位置，按照下列公式计算评价函数在阈值范围内最大峰值的精确位置：

$\mathrm{Max}\_\mathrm{loca}=\frac{1}{n}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\max \_\mathrm{loca}\_i$

式中，Max_loca为评价函数的最大峰值位置，Max_loca_i为阈值范围内第i次搜索最大峰值，n为大于零的整数；

步骤5，根据计算的最大峰值的精确位置，驱动电机反转至最大峰值精确位置，调焦完成。

2.根据权利要求1所述的一种用于红外图像电机调焦的控制方法，其特征在于，所述步骤1的具体包括：

所述电机为调焦电机，当所述调焦电机启动后，控制调焦电机反转，以最快的转速带动镜头回零位。

3.根据权利要求1所述的一种用于红外图像电机调焦的控制方法，其特征在于，所述步骤2的具体步骤包括：

步骤2.1，当镜头调到零位后，将评价函数在零位时的评价函数值与零位时的图像标准差之积，存于变量Min；

步骤2.2，设置变量Max_Hori与Max_Hori_Dly，所述调焦电机每经过一个步长时间，将评价函数在对应的步长时间形成评价函数值Focus与每帧图像标准差σ之积存于变量Max_Hori，并将Max_Hori当前值存入变量Max_Hori_Dly；

步骤2.3，当变量Min、Max_Hori、Max_Hori_Dly满足如下公式时，

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Max}\_\mathrm{Hori}>\mathrm{Min}\\ \mathrm{Max}\_\mathrm{Hori}>\mathrm{Max}\_\mathrm{Hori}\_\mathrm{Dly}\end{array}\right.$

设置计数器X，调焦电机每经过一个步长时间，则检查是否满足上述公式，如果满足，则计数器每次加1，当计数器X的值等于阈值x时，则判定评价函数进入爬升阶段；如果不满足上述公式，计数器清零。

4.根据权利要求1所述的一种用于红外图像电机调焦的控制方法，其特征在于，所述步骤3的具体包括：

设置变量Max与计数器Y，在搜索评价函数最大值过程中，当调焦电机每经过一个步长时间，如果有评价函数值Focus大于变量Max，则将评价函数此时的值赋予给Max，同时将计数器Y清零；如果有评价函数值Focus小于变量Max；每次经过步长时间都保持原值，则计数器自动加1，直到计数器Y的数值达到阈值y，则判定经过了评价函数的最大值，从而反向返回计数器Y数值的步长时间回到最大峰值粗略位置。

5.一种用于红外图像电机调焦的控制装置，其特征在于，包括启动单元、判定单元、搜索单元、计算单元与调焦单元；

所述启动单元，其用当电机启动后，驱动所述电机反转，并调节镜头的焦距回到最小值位置；

所述判定单元，其用于当镜头调焦回到最小位置时，读取红外图像，根据所述红外图像生成评价函数，并判断评价函数的爬升阶段；

所述搜索单元，其用于当确认评价函数处于爬升阶段时，在爬升阶段的阈值范围内搜索评价函数的最大峰值出现的首次位置；

所述计算单元，其用于根据最大峰值出现的首次位置，按照下列公式计算评价函数在阈值范围内最大峰值的精确位置：

$\mathrm{Max}\_\mathrm{loca}=\frac{1}{n}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\max \_\mathrm{loca}\_i$

式中，Max_loca为评价函数的最大峰值位置，Max_loca_i为阈值范围内第i次搜索最大峰值，n为大于零的整数；

所述调焦单元，其用于根据计算的最大峰值精确位置，驱动电机反转至最大峰值精确位置，调焦完成。

6.根据权利要求5所述的一种用于红外图像电机调焦的控制装置，其特征在于，所述判定单元包括第一判断单元、第二判断单元与第三判断单元；

所述第一判断单元，其用于镜头调到零位后，将评价函数在零位时的评价函数值与零位时的图像标准差之积，存于变量Min；

所述第二判断单元，其用于设置变量Max_Hori与Max_Hori_Dly，所述调焦电机每经过一个步长时间，则将评价函数在对应的步长时间形成评价函数值Focus与每帧图像标准差σ之积存于变量Max_Hori，并将Max_Hori当前值存入变量Max_Hori_Dly；

所述第三判断单元，其用于当变量Min、Max_Hori、Max_Hori_Dly满足如下公式时

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Max}\_\mathrm{Hori}>\mathrm{Min}\\ \mathrm{Max}\_\mathrm{Hori}>\mathrm{Max}\_\mathrm{Hori}\_\mathrm{Dly}\end{array}\right.$

设置计数器X，调焦电机每经过一个步长时间，则检查是否满足上述公式，如果满足，则计数器每次加1，当计数器X的值等于阈值x时，则判定评价函数进入爬升阶段；如果不满足上述公式，计数器清零。

7.根据权利要求5所述的一种用于红外图像电机调焦的控制装置，其特征在于，所述搜索单元包括第一搜索单元与第二搜索单元；

所述第一搜索单元，其用于根据设置变量Max与计数器Y，在搜索评价函数最大值过程中，当调焦电机每经过一个步长时间，如果有评价函数值Focus大于变量Max，则将评价函数此时的值赋予给Max，同时将计数器Y清零；

所述第二搜索单元，其用于根据设置变量Max与计数器Y，在搜索评价函数最大值过程中，当调焦电机每经过一个步长时间，如果有评价函数值Focus小于变量Max；每次经过步长时间都保持原值，则计数器自动加1，直到计数器Y的数值达到阈值y，则判定经过了评价函数的最大值，从而反向返回计数器Y数值的步长时间回到最大峰值粗略位置。