CN105245781B - 一种简易电动镜头的聚焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种简易电动镜头的聚焦方法，图像获取单元通过电动镜头获得视频图像并标定聚焦评价值排名前列的像素块，通过多轮渐进的搜索方式，次轮就基本上确定最佳聚焦评价值所在位置，最后一轮只要聚焦评价值优于次轮即可完成聚焦，克服了简易电动镜头回程差导致的聚焦位置难以确定的问题。

Description

一种简易电动镜头的聚焦方法

技术领域

本发明涉及监控摄像技术领域，尤其涉及一种简易电动镜头的聚焦方法。

背景技术

监控摄像机是用在安防方面的准摄像机，从外形上主要区分为枪式、半球、高速球型，广泛应用于学校、公司、银行、交通、平安城市等多个安保领域。监控摄像机布置在被监视场所的某一位置上，使其视场角能覆盖整个被监视的各个部位，为了使摄像机观察的距离更远、更清楚，节省摄像机的数量，通常在摄像机上加装可变焦距的镜头，通过自动聚焦技术便可实现摄像机有针对性的监控。

现有的自动聚焦技术主要是使用各种评价算法，对当前的图像特征进行提取，计算出当前的聚焦评价值，根据聚焦评价值驱动电机反复运动，从而找到最佳的焦点，达到自动聚焦的目的。所有的自动聚焦技术都是基于上述原理和方法。人们致力于对各种评价算法的研究，以获得最佳的聚焦点，同时也在不断改善各种聚焦装置和方法以期获得更好的效果和速度。如申请号为200810163495.4的发明专利公开了一种摄像快速自动聚焦方法及其摄像装置，其通过评价算法计算聚焦评价值，再通过预设的聚焦评价值和聚焦评价值的变化率和凹凸性作为判断准则，改变不同聚焦区间的电机步长，以提高聚焦速度，达到快速聚焦的目的。申请号为201310601499.7的发明专利公开了一种监控摄像设备及其自动变焦镜头的聚焦控制方法、装置，其根据镜头不同的变倍，划定不同的聚焦边界，对应的变倍只在相应的聚焦边界中移动电机，从而快速定位聚焦点，加快聚焦速度。

上述两个专利所述的技术方案，对于较为精密的电动镜头或者增加细分电路的电动镜头是可行的，但是对于较为廉价的简易电动镜头，效果却难言理想。简易的电动镜头与精细的一体摄像机镜头如日本腾龙、富士能等的较精密电动镜头相比，价格较低，制造工艺相对简单，其存在较大的回程差，回程差是指电机皮带与齿轮之间存在咬合间隙，当控制器发送脉冲让电机运动时，其不能准确响应该控制命令，导致电机没有产生相应运动，即命令位置与实际位置不相符，不同的电动电机因制作工艺的精密程度不同，有的可能需要发送十几个脉冲或几十个脉冲，电机才能响应响应的运动，这种现象造成了电机较大的失步，从而导致了基于精确控制电机聚焦位置算法的失效，如前面所述申请号为201310601499.7的发明专利，在这种情况下，简易电动镜头变倍电机因为有较大的回程差，其变倍位置本身就是不确定的值，那么根据电机变倍位置来判断变倍值大小的方式，从而确定聚焦边界也是不准确的，在使用简易电动镜头的情况下，这种方法几乎是不可能实现准确聚焦的。精密的电动镜头会把这种回程差控制得很小，而简单电动镜头因价格和制造工艺问题，回程差一般较大，因此不能使用在需要不断变焦聚焦的应用中，但其可以替代传统的定焦或手动变焦镜头，解决工程施工中聚焦调试困难，调试时间长，使用一段时间后聚点偏无法纠正的问题，减少了工程施工项目重复调试的人力和物力的浪费。因此有必要对简易电动镜头的聚焦方法进行改进。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于存在较大回程差的简易电动镜头的聚焦方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下方案实现：

一种简易电动镜头的聚焦方法，包括如下步骤：

S1：将图像获取单元获得的图像划分为多个像素块，计算每个像素块的聚焦评价值，标定聚焦评价值排名前列的10～30个像素块，记录这些像素块的位置；

S2：确定最大的聚焦位置以及三次搜索间隔，分别为一次搜索间隔、二次搜索间隔和三次搜索间隔；

S3：驱动聚焦电机按照一次搜索间隔进行移动，直至运行完整个行程，每运行完一个间隔，获取当前聚焦位置和此位置对应的已进行标定的像素块的聚焦评价值总和，最终记录下整个行程中最大的聚焦评价值Q1和其对应的聚焦位置F1；

S4：基于电动镜头参数确定搜索幅度Fs，将搜索范围定位在F1-Fs～F1+Fs之间，改变搜索间隔为二次搜索间隔，按照步骤S3的步骤，获得最大的聚焦评价值Q2和其对应的聚焦位置F2；

S5：改变搜索间隔为三次搜索间隔，搜索范围为F1-Fs～F1+Fs，驱动聚焦电机按照三次搜索间隔移动，每移动一次间隔，获取当前的聚焦评价值，若此聚焦评价值大于Q2时，则停止电机，完成聚焦操作；若搜索一遍后没有存在聚焦评价值大于Q2时，则把当前搜索到的最大聚焦评价值，赋给Q2，再次启动来回搜索，直至搜索到聚焦评价值大于Q2值，停止电机，完成聚焦。

步骤S3中所获得的简易电动镜头最大的聚焦评价值Q1和其对应的聚焦位置F1，事实上并不是聚焦的最佳点，因为，其一，运行间隔较大，不能保证Q1即为最佳聚焦点；其二，经过一个聚焦行程，当前的聚焦位置已经不在F1上，根据背景技术中所述的简易电动镜头会产生较大的回程差，聚焦位置不能准确定位，因此也不可能再次准确返回到F1的聚焦点上。记录下大概的Q1的最大位置F1后，即可判断出实际最佳的聚焦点肯定在F1附近，因此根据建议电动镜头参数，确定搜索幅度Fs，Fs即为回程差，然后将再次搜索范围定位在F1-Fs～F1+Fs。聚焦电机运行到F1+Fs位置时，因为回程差的关系，这个位置可能不准确，不过不影响最终结果，因为这个范围包含了最佳聚焦点位置。按照同样的步骤进行二次，三次的搜索，最终确定最佳聚焦点。

最大聚焦位置可以根据电动镜头聚焦电机的规格参数来确定。例如，当电动镜头聚焦电机的规格参数总行程为3480步，可取其回程差为总行程的5％，回程差约为3480*5％＝174步，则纠正后的行程为3480+174＝3654步，也即是最大的聚焦位置为3654，聚焦电机的最大聚焦位置可从电机的规格参数说明中获取。聚焦过程中共需要确定三次搜索范围，第一次搜索范围为粗略确定最佳聚焦点的位置，因此可取总行程的1％作为第一次搜索间隔；第二次搜索间隔可为第一次的1/2，第三次搜索间隔为第一次的1/4，这样可以保证搜索间隔越来越精细，足以保证搜索到最佳的聚焦位置。对于搜索间隔，可根据电动镜头的具体的参数予以确定，可以适当将第一次搜索间隔扩大为0.5～2％，第二次搜索间隔扩大为1/3～2/3，第三次搜索间隔扩大为1/5～3/4，以上给出的只是例子说明，本发明并不做限定。

步骤S1中，通过相邻像素灰度方差法SMD获得每个像素块的聚焦评价值，通过如下公式实现：

Q＝Σ|I(x，y)-I(x，y-1)|Σ|I(x，y)-I(x+1，y)|，式中，Q为SMD的清晰度函数，即聚焦评价值，I(x，y)对应于x，y位置像素的灰度值或亮度分量值。

图像单元获取图像，一幅图像，部分细节不丰富的画面对获取最佳的聚焦评价值没有太多帮助，反而会产生干扰，因此需要标定细节最丰富的像素块。如一副图像可分为200个像素块，每个像素块有32*32个像素，则通过上述公式获得每个像素块的聚焦评价值，通过相邻像素点的亮度值作差运算，取绝对值，再把所有计算结果求和，值越大，表明该图像的清晰度越高。

步骤S2中，所述一次搜索间隔大于二次搜索间隔，所述二次搜索间隔大于三次搜索间隔。

每次搜索间隔越来越小，其中一次搜索间隔可以较大，用于确定大概的最佳聚焦点，而通过二次搜索间隔需要满足实际图像质量需要，三次搜索间隔小于二次搜索间隔，以期获得更好的聚焦评价值。二次搜索间隔和三次搜索间隔定得较小，搜索时间较长，最佳聚焦评价值获得到的最好，反之，二次搜索间隔和三次搜索间隔定得较大，搜索时间较短，最佳聚焦评价值次之，因此，二次搜索间隔和三次搜索间隔需要根据实际电动镜头的参数来确定，以取得速度和质量之间的平衡。

在进行步骤S3操作前，控制聚焦电机回到初始位置。

本发明采用多伦渐进式搜索方法，因此在开始搜索前，聚焦电机回到初始位置有利于避免重复搜索相同的行程，缩短聚焦所用的时间。

当步骤S2中的搜索间隔大于三个时，按照S3～S4步骤进行搜索，当最后一轮搜索获取的聚焦评价值优于倒数第二轮搜索获取的聚焦评价值时即可停机。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明针对简易电动镜头存在较大回程差、传统聚焦方式需要来回反复确认最佳聚焦点、聚焦不准确的问题，提出了多轮渐进的搜索方式，次轮基本上确定最佳聚焦评价值所在位置，最后一轮只要聚焦评价值由于次轮即可认定聚焦成功，克服了简易电动镜头回程差导致的聚焦位置难于确定问题；

2.通过多轮渐进搜索方式，克服简易电动镜头存在较大回程差、聚焦位置难于确定问题，使得简易电动镜头应用于普通枪型摄像机中，大大降低了应用成本。

附图说明

图1为实施例1流程图。

具体实施方式

为了让本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

实施例1

如图1所示，一种简易电动镜头的聚焦方法，包括如下步骤：

S1：将图像获取单元获得的图像划分为多个像素块，按照如下公式计算每个像素块的聚焦评价值Q，Q＝Σ|I(x，y)-I(x，y-1)|Σ|I(x，y)-I(x+1，y)|，标定聚焦评价值排名前20的像素块，记录这20个像素块的位置；

S2：控制聚焦电机回到初始位置，根据聚焦电机的最大聚焦位置，确定一次搜索间隔、二次搜索间隔和三次搜索间隔，一次搜索间隔为聚焦电机总行程的1％，二次搜索间隔为一次搜索间隔的1/2，三次搜索间隔为一次搜索间隔的1/4；

S3：驱动聚焦电机运行一个一次搜索间隔，停止电机，获取之前标定位置的20个像素块聚焦评价值总和，记录当前的聚焦评价值和其对应的聚焦位置，再次运行一个一次搜索间隔，获得聚焦评价值和其对应的聚焦位置，如此运行完整个聚焦电机的行程，记录下最大的聚焦评价值Q1和其对应的聚焦位置F1；

S4：基于电动镜头参数确定搜索幅度Fs，将搜索范围A定位在F1-Fs～F1+Fs之间，改变搜索间隔为二次搜索间隔，按照步骤S3步骤，获得最大的聚焦评价值Q2和其对应的聚焦位置F2；

S5：改变搜索间隔为三次搜索间隔，搜索范围为A，驱动聚焦电机按照三次搜索间隔移动，每移动一次间隔，获取当前的聚焦评价值Q，若Q值大于Q2时，则停止电机，完成聚焦操作；若搜索一遍后没有存在聚焦评价值Q大于Q2时，则把当前搜索到的最大Q值，赋给Q2，再次启动来回搜索，直至搜索到Q值大于Q2值，停止电机，完成聚焦。若搜索次数超限，则停止电机，退出搜索。

Claims (5)

1.一种简易电动镜头的聚焦方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将图像获取单元获得的图像划分为多个像素块，计算每个像素块的聚焦评价值，标定聚焦评价值排名前列的10～30个像素块，记录这些像素块的位置；

S2：确定最大的聚焦位置以及三次搜索间隔，分别为一次搜索间隔、二次搜索间隔和三次搜索间隔；

S3：驱动聚焦电机按照一次搜索间隔进行移动，直至运行完整个行程，每运行完一个间隔，获取当前聚焦位置和此位置对应的已进行标定的像素块的聚焦评价值总和，最终记录下整个行程中最大的聚焦评价值Q1和其对应的聚焦位置F1；

S4：基于电动镜头参数确定搜索幅度Fs，将搜索范围定位在F1-Fs～F1+Fs之间，改变搜索间隔为二次搜索间隔，按照步骤S3的步骤，获得最大的聚焦评价值Q2和其对应的聚焦位置F2；

S5：改变搜索间隔为三次搜索间隔，搜索范围为F1-Fs～F1+Fs，驱动聚焦电机按照三次搜索间隔移动，每移动一次间隔，获取当前的聚焦评价值，若此聚焦评价值大于Q2时，则停止电机，完成聚焦操作；若搜索一遍后没有存在聚焦评价值大于Q2时，则把当前搜索到的最大聚焦评价值，赋给Q2，再次启动来回搜索，直至搜索到聚焦评价值大于Q2值，停止电机，完成聚焦。

2.根据权利要求1所述的简易电动镜头的聚焦方法，其特征在于，步骤S1中，通过相邻像素灰度方差法SMD获得每个像素块的聚焦评价值，通过如下公式实现：

Q＝Σ|I(x，y)-I(x，y-1)|+Σ|I(x，y)-I(x+1，y)|，式中，Q为SMD的清晰度函数，即聚焦评价值，I(x，y)对应于x，y位置像素的灰度值或亮度分量值。

3.根据权利要求1所述的简易电动镜头的聚焦方法，其特征在于，步骤S2中，所述一次搜索间隔大于二次搜索间隔，所述二次搜索间隔大于三次搜索间隔。

4.根据权利要求1所述的简易电动镜头的聚焦方法，其特征在于，在进行步骤S3操作前，控制聚焦电机回到初始位置。

5.根据权利要求1所述的简易电动镜头的聚焦方法，其特征在于，当步骤S2中的搜索间隔大于三个时，按照S3～S4步骤进行搜索，当最后一轮搜索获取的聚焦评价值优于倒数第二轮搜索获取的聚焦评价值时即可停机。