CN105527778A - 电动可调焦液体镜头的自动对焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动可调焦液体镜头的自动对焦方法。本方法首先通过图像传感器获取目标图像，并对图像进行预处理以消除光线及噪声对对焦过程的影响，在由用户选定对焦区域后，追踪单元对对焦区域进行追踪并计算该区域的清晰度值反馈给对焦控制单元，对焦控制单元判断根据此清晰度值的变化情况通过电动可调焦液体镜头驱动器驱动液体镜头改变焦距完成对焦。进行对焦时，由于光学组件不需要任何相对位移因而对焦速度快很多，并且能达到使自动对焦系统结构紧凑、使用寿命长的效果。

Description

电动可调焦液体镜头的自动对焦方法

技术领域

本发明涉及一种电动可调焦液体镜头的自动对焦方法。

技术背景

随着各种成像设备自动化、智能化的迅速发展，自动对焦技术的应用越来越广泛，在传统的自动对焦系统中，自动对焦时通过电机来调节镜头组合图像探测器之间的位置从而在图像探测器（如可见光CCD、CMOS或红外探测器）上获得清晰的图像。因而使得成像系统体积庞大，电机带动镜头移动寻找最佳位置期间功耗较高，对焦时间较长。电动可调焦液体镜头是近年来新兴的一种可变焦镜头，与传统的变焦镜头通过调整两个固定焦距的镜头之间的距离来实现变焦不同，液体镜头通过电场改变液体的压力来调整焦距。根据相关测试，每次的变焦过程所消耗的能量仅为0.1mJ，而变焦所用的时间从最极端的凸面到凹面也仅需几毫秒。请参阅图2，其为一典型电动可调焦液体镜头光焦度与驱动电流的关系示意图。

发明内容

本发明的目的在于针对已有自动对焦系统体积庞大，对焦功耗高、时间长的问题，利用上述新型可调焦液体镜头，提供一种电动可调焦液体镜头的自动对焦方法，使得自动对焦系统体积小更小、功耗更低、对焦更加快速稳定。

根据上述构思，本发明采用如下技术方案：一种电动可调焦液体镜头的自动对焦方法，适用于需要自动对焦的摄像装置中，其特征在于，所述自动对焦方法使得成像系统光学组件在没有任何相对位移的情况下完成对焦，获得清晰的影像，所述方法包含以下步骤：

（A）图像传感器获取图像：可选用任何适配电动可调焦液体镜头的图像传感器来获取图像；

（B）图像预处理：采用邻域平均法去除噪声，灰度变换消除光线的影响，提升图像质量使自动对焦更加精确；

（C）选定对焦区域：由用户在图像显示器上选取需要对焦的区域；

（D）对焦区域追踪：由追踪算法根据用户所选对焦区域的特征实现对对焦区域的跟踪；

（E）计算对焦区域清晰度值：计算图像对焦区域内各像素点的梯度绝对值之和来作为其对焦清晰度值，越清晰的图像边缘越锐利，梯度绝对值之和也应该更大；

（F）对焦控制：对焦控制单元根据对焦区域清晰度值的变化情况判断成像系统焦距应该变大还是变小才能使对焦区域成像清晰并将此焦距改变信号发送给电动可调焦液体镜头驱动器，使液体镜头改变焦距，寻找使对焦区域成像最清晰时的焦距；

（G）液体镜头改变焦距：电动可调焦液体镜头驱动器接受对焦控制步骤产生的焦距改变信号驱动液体镜头改变焦距。

在本发明所述的电动可调焦液体镜头的自动对焦方法自动对焦方法中，所述步骤（D）中对用户选定的对焦区域进行追踪，且步骤（E）中只对此对焦区域进行清晰度值计算，减小了成像画面中其它物体运动对对焦区域自动对焦的干扰，减小了计算量。

在本发明所述的电动可调焦液体镜头的自动对焦方法自动对焦方法中，步骤（F）中的对焦控制算法，所采用的成像系统成像最清晰时的焦距搜索算法包括以下步骤：

①确定液态镜头驱动器电流改变方向，计算当前对焦区域的清晰度值记为v1，然后在当前液体镜头驱动电流的基础上增加一预设较大值large并计算对焦区域的清晰度值记为v2，若v2大于v1则确定驱动器电流改变方向为正向（增大液体可变焦镜头驱动电流，减小其焦距），否则驱动器电流改变方向为负向（减小液体可变焦镜头驱动电流，增大其焦距）。

②按照步骤①中确定的驱动器电流改变方向以预设改变量medium来改变驱动器驱动电流

③对电流改变前后对焦区域图像的清晰度值进行评价直至清晰度值连续n次出现下降的情况，若是则说明成像系统已经错过最佳对焦焦距，进入步骤④，否则返回步骤②；

④改变驱动器电流改变方向，并在medium的基础上减小一值step作为驱动器的电流改变量。

⑤判断medium是否达到一最小值minimum，若是则液体镜头驱动器此时驱动电流对应的焦距即为该对焦控制方法寻找到的成像系统最佳时的焦距，结束对焦。否则返回步骤②。

本发明与现有技术相比较，具有显而易见的突出实质性特点和显著优点：成像系统光学组件在没有任何相对位移的情况下就可以完成对焦，获得清晰的影像，结构更加紧凑，且对焦耗时更少，功耗更低，对焦更加快速稳定。

附图说明

图1为本发明方法的控制操作流程图

图2为可调焦液体镜头光焦度与驱动电流的关系示意图

图3为本发明方法的一个应用实例的系统构成示意图

图4为典型的图像清晰度评价函数曲线

图5为实施例的自动对焦方法的流程图

图6为图5所示的流程图的一个子流程图

图7为自动对焦方法对焦控制单元搜索成像系统成像成清晰焦距的搜索过程示意图

100缺陷零件视觉自动对焦检测系统11电动可调焦液体镜头12定焦镜头13USB2.0工业相机14USB图像传输线15液体镜头驱动器连接线16电动可调焦液体镜头驱动器17PC18零件传送带19缺陷零件

A点：确定液体镜头驱动器电流改变方向位置

B点：改变液体镜头驱动器电流改变方向位置

C点：确定成像系统最佳对焦焦距位置

a区段：确定液体镜头驱动器电流改变方向时驱动器电流的增大量

b区段：开始对焦焦距搜索时液体镜头驱动电流改变量

c区段：当需要改变驱动器电流改变方向时电流改变量递减值

d区段：驱动器电流最小分辨率值。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图详述如下：

实施例一：

参加图1~图7，本电动可调焦液体镜头的自动对焦方法，适用于需要自动对焦的摄像装置中，其特征在于操作步骤如下：

（A）图像传感器获取图像：可选用任何适配电动可调焦液体镜头的图像传感器来获取图像；

（B）图像预处理：采用邻域平均法去除噪声，灰度变换消除光线的影响，提升图像质量使自动对焦更加精确；

（C）选定对焦区域：由用户在图像显示器上选取需要对焦的区域；

（D）对焦区域追踪：由追踪算法根据用户所选对焦区域的特征实现对对焦区域的跟踪；

（E）计算对焦区域清晰度值：计算图像对焦区域内各像素点的梯度绝对值之和来作为其对焦清晰度值，越清晰的图像边缘越锐利，梯度绝对值之和也应该更大；

（F）对焦控制：对焦控制单元根据对焦区域清晰度值的变化情况判断成像系统焦距应该变大还是变小才能使对焦区域成像清晰并将此焦距改变信号发送给电动可调焦液体镜头驱动器，使液体镜头改变焦距，寻找使对焦区域成像最清晰时的焦距；

（G）液体镜头改变焦距：电动可调焦液体镜头驱动器接受对焦控制步骤产生的焦距改变信号驱动液体镜头改变焦距。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

所述的电动可调焦液体镜头的自动对焦方法，其特征在于所述步骤（D）中对用户选定的对焦区域进行追踪，且步骤（E）中只对此对焦区域进行清晰度值计算，减小了成像画面中其它物体运动对对焦区域自动对焦的干扰，减小了计算量。

所述的电动可调焦液体镜头的自动对焦方法，其特征在于所述步骤（F）中的对焦控制算法，所采用的成像系统成像最清晰时的焦距搜索算法包括以下步骤：

①确定液态镜头驱动器电流改变方向；

②按照确定的电流改变方向通过驱动器改变电动可调焦镜头驱动电流；

③对电流改变前后对焦区域图像的清晰度值进行评价判断清晰度值是否连续出现下降的情况，若是进入步骤④否则返回步骤②；

④改变驱动器电流改变方向，减小电流改变量

⑤判断电流改变量是否达到一预设最小值，若是则液体镜头驱动器此时驱动电流对应的焦距即为该对焦控制方法寻找到的成像系统最佳时的焦距，结束对焦。否则返回步骤②。

实施例三：

参阅图3，本项基于电动可调焦液体镜头的自动对焦方法，应用于缺陷零件件视觉自动对焦检测系统100中，以调整成像系统的焦距使零件传送带18上的缺陷零件19在成像系统中成清晰的影像。缺陷零件视觉自动对焦检测系统100包括电动可调焦液体镜头11、定焦镜头12、USB2.0工业相机13、USB图像传输线14、液体镜头驱动器连接线15、电动可调焦液体镜头驱动器16、PC17。

其中电动可调焦镜头11为C接口镜头，这里选用Optotune公司生产的型号为EL-10-30-Ci的C接口电动可调焦液体镜头，其调焦范围为100-200mm对应的驱动器施加电流为0-293mA，且电流越大液体镜头焦距越小。由于接口的问题直接将电动可调焦镜头安装在图像传感器上往往无法成像，因此需要在液体镜头11与USB2.0工业相机13间安装两端都开有C接口的定焦镜头18，这里采用Edmund公司生产的25mm定焦镜头。USB2.0工业相机13通过USB线将采集到的视频发送至PC17处理。电动可调焦液体镜头驱动器16直接连接到PC，在PC端的软件中还可通过操作串口向其发送命令，改变其输出电流控制电动可调焦镜头焦距的改变。该方法的具体处理步骤如下：

（A）通过USB工业相机提供的SDK在PC17上通过编程获得其通过USB线传输的影响；

（B）对步骤（A）中获得的图片进行预处理，通过以下处理来消除光照和噪声的影响，提升获取的图像质量：

①邻域平均法去除噪声。由于图像的分布具有很大的局部相关性，因而相邻的像素间有很大的相关性，而噪声是独立的叠加在图像上，其均值为0，可以用像素邻域内的各像素灰度值得平均值代表原来的灰度值，实现图像的平滑和去除噪声。这里采用带阈值的平均法来消除噪声同时又能使图像不至于出现视觉可见的模糊现象，

g(x,y)为图像上像素点f(x,y)平滑后该点的灰度值，式中S是点邻域中点的坐标集合，但其中不包括(x,y)点，c是集合内坐标点的总数，T是规定的非负阈值，这个表达式表示当一些点和其邻域内的点灰度平均值的差不超过规定的阈值T时，就仍保留灰度值不变，若大于规定阈值就用它们的平均值来代替该点的灰度值。经过这样的平滑处理后，可以滤除脉冲噪声和部分的加性噪声，显著提高图像信噪比。S及T的设置以能消除图像中的噪声且不至于使图像出现显著视觉可见模糊现象为宜，在此应用实例中S的尺寸为7×7，相应的c=49，T取15；

②通过灰度变换消除光线的影响。由于图像传感器在光线较暗或较亮时成像效果较差，有必要对它的灰度值进行修正以增强对比度。假定原始图像f(x,y)的灰度范围为[a,b]，希望变换后h(x,y)的动态范围为[c,d]，则可用以下公式实现变换：

式中a、b可从原始图像得到，c、d的调整以处理后的图像明暗适中为佳，在本实施例中c取值与a相等，d=255；

（C）选定对焦区域，该步骤由用户在PC端图像显示窗口中选定需要对焦的区域；

（D）对焦区域追踪：由追踪算法根据步骤（C）中用户所选对焦区域的特征实现对对焦区域的跟踪；

（E）计算对焦区域清晰度值：计算图像对焦区域内各像素点的梯度绝对值之和来作为其对焦清晰度值，越清晰的图像边缘越锐利，梯度绝对值之和也应该更大。下面结合图4介绍用于自动对焦的图像清晰度评价函数曲线应有的形态及相应清晰度值的计算方法。在自动对焦过程中聚焦性能取决于图像清晰度评价函数的准确性和实时性，即图像评价函数应具有无偏性好、单峰性强、抗噪性能好、灵敏度高机计算速度快的优点。一典型的图像清晰度评价函数曲线见图4。而常用的图像清晰度值计算方法有很多如灰度变化函数、梯度函数、图像灰度熵函数、频域类函数等。在本实施例的成像系统中对不同模糊程度成像的图像进行评价后发现“平方梯度法”产生的评价曲线较其它计算方法具有更好的单峰性、抗噪性。所述“平方梯度法”的计算公如下：

式中M，N分别为图像的高度和宽度。

可以理解，在应用本自动对焦系统到不同的实际场景中时，可以根据实际情况选用表现较好的清晰度值计算方法而不仅仅局限于本实施例中的方法。

（F）对焦控制：对焦控制单元根据对焦区域清晰度值的变化情况判断成像系统焦距应该变大还是变小才能使对焦区域成像清晰并将此焦距改变信号发送给电动可调焦液体镜头驱动器，在步骤（G）中使液体镜头改变焦距，寻找使对焦区域成像最清晰时的焦距。请参阅图5，本实施例的自动对焦方法包括以下步骤：

（a）选择对焦区域；

（b）对焦；

（c）计算对焦区域的清晰度值

（d）计算该清晰度值与上次对焦成功时储存的图像清晰度值的绝对差值与其百分比：若百分比超出预设阈值，则返回步骤(b)，否则返回步骤（c）。请参阅图6、图7步骤（b）包括以下子步骤：

①首先确定液态镜头驱动器电流改变方向，计算当前对焦区域的清晰度值记为v1，然后在当前液体镜头驱动电流的基础上增加一预设较大值large（a）并计算对焦区域的清晰度值记为v2，若v2大于v1则确定驱动器电流改变方向为正向（增大液体可变焦镜头驱动电流，减小其焦距），否则驱动器电流改变方向为负向（减小液体可变焦镜头驱动电流，增大其焦距）。在A点处，此时V2大于V1因此确定驱动电流的改变方向为正向；

②按照步骤①中确定的驱动器电流改变方向以预设改变量medium（b）来改变驱动器驱动电流；

③对电流改变前后对焦区域图像的清晰度值进行评价直至清晰度值连续n次出现下降的情况，若是则说明成像系统已经错过最佳对焦焦距，进入步骤④，否则返回步②。在B点处对焦区域清晰度值已连续出现2次下降情况因此需要改变驱动器电流增长方向；

④改变驱动器电流改变方向，并在medium（b）的基础上减小一值step（d）作为驱动器的电流改变量；

⑤判断medium（b）是否达到一最小值minimum（c），若是则液体镜头驱动器此时驱动电流对应的焦距即为该对焦控制方法寻找到的成像系统成像系统最佳时的焦距，结束对焦。否则返回步骤②；在C点处medium（b）已达最小值，此时已搜索到最佳近似对焦焦距。

根据实验数据，large=31mA，medium=21mA，step=5mA，n=2，minimum=1mA。

Claims (3)

1.一种电动可调焦液体镜头的自动对焦方法，适用于需要自动对焦的摄像装置中，其特征在于操作步骤如下：

（A）图像传感器获取图像：可选用任何适配电动可调焦液体镜头的图像传感器来获取图像；

（B）图像预处理：采用邻域平均法去除噪声，灰度变换消除光线的影响，提升图像质量使自动对焦更加精确；

（C）选定对焦区域：由用户在图像显示器上选取需要对焦的区域；

（D）对焦区域追踪：由追踪算法根据用户所选对焦区域的特征实现对对焦区域的跟踪；

（E）计算对焦区域清晰度值：计算图像对焦区域内各像素点的梯度绝对值之和来作为其对焦清晰度值，越清晰的图像边缘越锐利，梯度绝对值之和也应该更大；

（F）对焦控制：对焦控制单元根据对焦区域清晰度值的变化情况判断成像系统焦距应该变大还是变小才能使对焦区域成像清晰并将此焦距改变信号发送给电动可调焦液体镜头驱动器，使液体镜头改变焦距，寻找使对焦区域成像最清晰时的焦距；

（G）液体镜头改变焦距：电动可调焦液体镜头驱动器接受对焦控制步骤产生的焦距改变信号驱动液体镜头改变焦距。

2.根据权利要求1所述的电动可调焦液体镜头的自动对焦方法，其特征在于所述步骤（D）中对用户选定的对焦区域进行追踪，且步骤（E）中只对此对焦区域进行清晰度值计算，减小了成像画面中其它物体运动对对焦区域自动对焦的干扰，减小了计算量。

3.根据权利要求1所述的电动可调焦液体镜头的自动对焦方法，其特征在于所述步骤（F）中的对焦控制算法，所采用的成像系统成像最清晰时的焦距搜索算法包括以下步骤：

①确定液态镜头驱动器电流改变方向；

②按照确定的电流改变方向通过驱动器改变电动可调焦镜头驱动电流；

③对电流改变前后对焦区域图像的清晰度值进行评价判断清晰度值是否连续出现下降的情况，若是进入步骤④否则返回步骤②；

④改变驱动器电流改变方向，减小电流改变量

⑤判断电流改变量是否达到一预设最小值，若是则液体镜头驱动器此时驱动电流对应的焦距即为该对焦控制方法寻找到的成像系统最佳时的焦距，结束对焦，否则返回步骤②。