CN105635587A - 一种一体化机芯的自动聚焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化机芯的自动聚焦方法，根据设定的预测曲线，计算一个清晰点位置；根据小窗口WIN-A，利用高通滤波器的评价值，进行细节删选，通常场景丰富的窗口具有较大的评价值，将评价值较小的小窗口排除，选定关键窗口key-win；根据key-windos判断当前场景，选择搜索算法；小步走确定方向，之后利用L曲线快速爬坡；根据H曲线判断减速点阈值，开始精调；聚焦完成，启动场景监控模块；智能检测虚焦模块开启，通过边缘检测，判定图像是否处于虚焦状态，该模块是辅助上述监控模块，达到完全无虚焦。本发明方法使得自动聚焦技术更加快速，更加精确，更加智能，提高聚焦成功概率。

Description

一种一体化机芯的自动聚焦方法

技术领域

本发明涉及安防监控领域，具体是一种一体化机芯的自动聚焦方法。

背景技术

目前，基于CMOS和CCD的数字相机和摄像机已经取代传统的胶带相机，带变焦镜头的摄像机由于可以随意切换焦距，获取不同视角的场景，更可以非常清晰的观察细节，所以广泛应用。传统的人工手动对焦不仅慢，而且整个对焦过程繁琐，不具操作性。基于自动聚焦技术的变焦摄像机，可以自动，快速聚焦。

目前，国内先进的自动聚焦技术还落后于国外，具有自主知识产权的较少。现有的自动聚焦算法主要是利用数字图像的高通滤波器计算一个评估值，然后通过此评估值来驱动电机使之达到一个最大值，此位置代表一个清晰点。

但是，现有的自动聚焦技术存在以下问题：

1、电机会在清晰点附近来回运动，导致聚焦速度慢；

2、聚焦过程不平滑，过冲幅度会比较大，人眼感官效果比较差；

3、点光源环境，细节较少环境，照度较低场景，会因为评价函数不单调导致聚焦失败；

4、对于前后景场景，会聚焦于非最清晰点。

针对现有不足的技术，本发明提供一种一体化机芯的自动聚焦算法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种一体化机芯的自动聚焦方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

本发明，会根据预先测试保存的曲线，通过对之前倍率处的电机位置进行一个当前倍率电机位置的计算，得到一个相对清晰点位置，来更加快速精确聚焦。

对于爬坡算法，本发明进行改进，采用3条评价函数曲线（3条曲线命名H评价函数曲线，L评价函数曲线和CNT评价函数曲线，以下统一用H曲线，L曲线CNT曲线），来计算爬坡计算，L曲线用来快速移动电机，H曲线用来精确移动电机，防止过冲，CNT曲线用来点光源场景聚焦。

本发明采用静态窗口与动态窗口结合方式，来解决前后景虚焦状态。通过智能场景分析，采用不同的聚焦方法，来避免由于评价函数的不单调导致场景虚焦。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种一体化机芯的自动聚焦方法，包括以下步骤：

（1）根据设定的4条预测跟焦曲线，计算一个清晰点位置；

如果清晰点位置f1在预测跟焦曲线上，则直接按照跟焦曲线取点；如不在预测跟焦曲线上，则取相邻的2条曲线，按照如下公式进行计算下一个预测点f2，

f2=（f1-f1min）*(f2max-f2min)/(f2max-f1min)+f2min；

（2）根据小窗口WIN-A，利用高通滤波器的评价值，进行细节删选，通常场景丰富的窗口具有较大的评价值，将评价值较小的小窗口排除，选定关键窗口key-win；

（3）根据key-windos判断当前场景，选择搜索算法

如果当前场景是普通且细节较为丰富的场景，则选择普通快速爬坡算法；如果是灯光场景，则利用CNT曲线进行反向搜索；如果无细节场景，则选择快速全局搜索算法；

（4）小步走确定方向，之后利用L曲线快速爬坡；

（5）根据H曲线判断减速点阈值，开始精确调节调；

（6）聚焦完成，启动场景监控模块

监控模块利用当前场景亮度统计信息和高通滤波器的评价值进行实时监测，当判断前后帧统计信息达到阈值，表示此时场景已经发生变化需要重新开始聚焦，否则保持监控状态；

（7）智能检测虚焦模块开启

在开启监控状态后，智能视频分析模块启动，此模块利用硬件智能引擎，通过边缘检测，判定图像是否处于虚焦状态。

作为本发明进一步方案：所述步骤（7）中的智能检测虚焦模块辅助场景监控模块，达到完全无虚焦。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用本发明方法，使自动聚焦技术更加快速，更加精确，更加智能，提高聚焦成功概率。

附图说明

图1是本发明在一体化机芯中相关模块的系统结构图。

图2是预测的4条跟焦曲线，从上到下依次是inf曲线、6m曲线、3m曲线、1m5曲线，inf对应无穷远物距，6m代表6米物距曲线，3m代表3米物距曲线，1m5代表1.5米物距曲线。

图3是4条预测曲线预测计算，从上到下依次是inf曲线、6m曲线、3m曲线、1m5曲线，f1是当前帧电机位置，f1min是最近下方预测曲线对应的值，f1max是最靠近上方曲线对应值，f2是需要计算的预测点，f2min是预测点最靠近下方曲线对应点，f2max是预测点最靠近上方曲线对应点。

图4是本发明窗口WIN-A代表普通窗口，KEY-WIN填充部分代表真正使用的窗口。

图5是3条评价函数曲线L，H和CNT，H1、H2代表H曲线上前后帧的两个值。

图6是本发明模块内部流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一体化机芯的自动聚焦方法，通过如下步骤实现：

（1）通过对实际物距1.5m，3m，6m，无穷远处场景进行预测，我们可以得到4条预测曲线，如图2所示。此4条曲线，呈现一个喇叭口形状，在横坐标靠近0处，即摄像机的广角端，基本重合，一次开口越来越大，而自动聚焦算法就是使焦距不断变化，即横坐标不断改变过程中纵坐标能快速移动到合适的位置，由此，我们根据此4条曲线可以根据横坐标变化预测一个清晰点。

如图3，如果f1即之前清晰点位置，正好在预测曲线上则直接按照曲线取点

如不在曲线上，则取最相近2条曲线,按照此公式进行计算下一个预测点f2；

f2=（f1-f1min）*(f2max-f2min)/(f2max-f1min)+f2min

依次由横坐标变化，计算出对应总左边的f2，预先使电机走到此处；正常场景，此预测非常准确，可直接进行精细调节就聚焦清晰；对于部分预测未达到清晰点附近的，则直接进入快速聚焦；

（2）降整个画面窗口划分成5×5个小窗口如图4所示WIN-A，然后对每一个单独小窗口进行高通滤波计算评价值，进行细节删选，通常场景比较丰富的窗口具有较大的评价值，将评价值较小的小窗口予以排除，选定关键窗口key-win；在每一次的聚焦过程都会在开始前设定key-win，通过此步骤，能解决一些由于前后景导致的多山峰问题；

（3）根据keywindos判断当前场景类型

点光源场景判断

取直方图64阶直方图数据，取前面0-n1阶划分为暗区，n1-n2阶为正常区，n2-63阶为亮区，对于光源场景，直方图存在一种特性，暗区和亮区像素比较集中。64阶直方图，当最后2阶为最大值，则判定为光源场景，当暗区为最大，亮区大于bright_pixel（亮区阈值）时判定为光源。以上各数值，可在具体测试中上下调整，以达到最近判定效果。

对于非点光源场景，我们通过高通滤波器计算的评价函数判定，当评价值大于Sum_detail[gain]（评价值阈值）则判定为普通场景，小于则为无细节场景；此处Sum_detail[gain]阈值为一个数字，gain代表当前增益，由于不同的增益需要不同的阈值，此次与曝光参数进行联动，会有比较好的效果。

（4）搜索算法，如图5，利用三条曲线来辅助聚焦；CNT曲线是累加窗口内每个像素的亮度值，H代表高通滤波器，截止频率相对较窄，它的特点是更加的尖锐，L曲线截止频率较宽，它的特性是在两侧曲线也会呈现一个较好的单调性。在灯光场景,L,H由于灯光的干扰会呈现不规则曲线，此时我们利用CNT曲线会达到一个比较好的点光源聚焦效果。在正常场景聚焦，利用L的特性，根据L曲线快速判断方向，然后开始加速聚焦，然后利用H曲线的一个斜率，当（H2-H1）/H1>K时，马上切换到依据H曲线进行搜索算法，并在此时减小步长，防止电机过冲导致缓慢模糊震荡。

（5）监控模块，分为两块，在聚焦清晰完成后，启动监控

1）通过评价值进行前后帧比较，当前帧和刚完成聚焦时比较，设定阈值，实时监控，当超过阈值，则代表此时场景已经发生变化需要重新开始聚焦，否则保持监控状态。

2）在开启监控状态后，智能视频分析模块启动，此模块类似硬件看门狗，利用硬件智能引擎，通过边缘检测，判定图像是否处于虚焦状态，在发现视频已经虚焦后会发送虚焦信号给自动聚焦模块，通知需要重新聚焦，自动聚焦模块则重新开启聚焦过程。此模块是辅助上述监控模块，达到完全无虚焦。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (2)

1.一种一体化机芯的自动聚焦方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）根据设定的4条预测跟焦曲线，计算一个清晰点位置；

如果清晰点位置f1在预测跟焦曲线上，则直接按照跟焦曲线取点；如不在预测跟焦曲线上，则取相邻的2条曲线，按照如下公式进行计算下一个预测点f2，

f2=（f1-f1min）*(f2max-f2min)/(f2max-f1min)+f2min；

（2）根据小窗口WIN-A，利用高通滤波器的评价值，进行细节删选，通常场景丰富的窗口具有较大的评价值，将评价值较小的小窗口排除，选定关键窗口key-win；

（3）根据key-windos判断当前场景，选择搜索算法

如果当前场景是普通且细节较为丰富的场景，则选择普通快速爬坡算法；如果是灯光场景，则利用CNT曲线进行反向搜索；如果无细节场景，则选择快速全局搜索算法；

（4）小步走确定方向，之后利用L曲线快速爬坡；

（5）根据H曲线判断减速点阈值，开始精确调节调；

（6）聚焦完成，启动场景监控模块

监控模块利用当前场景亮度统计信息和高通滤波器的评价值进行实时监测，当判断前后帧统计信息达到阈值，表示此时场景已经发生变化需要重新开始聚焦，否则保持监控状态；

（7）智能检测虚焦模块开启

在开启监控状态后，智能视频分析模块启动，此模块利用硬件智能引擎，通过边缘检测，判定图像是否处于虚焦状态。

2.根据权利要求1所述的一体化机芯的自动聚焦方法，其特征在于，所述步骤（7）中的智能检测虚焦模块辅助场景监控模块，达到完全无虚焦。