CN106814450A - 一种基于液体透镜的自适应调焦方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于液体透镜的自适应调焦方法及系统，属于光电图像传感器技术领域。本发明能够解决传统自动调焦系统对于实时性要求较高的场合成像效率难以提高的缺点。本发明采用仿生变分辨率采样方式，具有中间高分辨率采样、边缘低分辨率采样的特点，使得系统在满足大视场的同时又具有局部高分辨率成像的能力。可实现对视场边缘区域的数据压缩，减少参与计算的数据量，提高数据传输效率，从而提高了调焦的实时性。本发明具有结构紧凑、大视场、高精度的特点，能够压缩视场边缘区域数据，提高数据传输效率和调焦实时性，还能通过自适应窗口的调节减少背景区域影响从而增加调焦准确度。

Description

一种基于液体透镜的自适应调焦方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于液体透镜的自适应调焦方法及系统，属于光电图像传感器技术领域。

背景技术

变焦成像系统因具有焦距可变而能观察不同视场内的目标，该优点相对于传统的定焦成像系统，大幅提高系统的集成性。变焦光学系统借助变倍组与补偿组的相互配合，能实时得到目标在不同放大倍率下的清晰像。随着新型光学材料(比如：液体透镜)及新型驱动材料(比如：压电陶瓷)的应用，使得变焦成像系统的自动化、小型化程度进一步提高。同时，随着图像传感器(例如：基于CCD和CMOS工艺的图像传感器)分辨率增高，能配合变焦光学系统提高成像分辨率。目前，自动变焦成像系统广泛应用在显微成像、安防监控、工业测量以及诸多军民领域。

现有变焦成像系统的图像传感器的分辨率不断提高，对于系统数据传输带宽的要求也越来越高，这导致变焦成像系统效率难以提高。现有的变焦成像系统大多运用均匀的图像采样方式，目标区域和非目标区域运用相同的分辨率进行采样，致使大量的数据参与调焦运算，降低了系统的实时性。并且，过多的非目标区域参与调焦计算，会对目标区域的调焦产生干扰，从而降低调焦系统的准确性。

生物视觉成像机理以及自适应调焦窗口为解决上述问题提供一种思路。人眼视网膜具有采样非均匀的特点，同时，人眼视网膜与大脑皮层之间有着近似笛卡尔坐标到对数极坐标的转换关系，使其具有数据压缩与抗尺度与旋转变化的特点。自适应调焦窗口能够调节采样窗口大小，具有有效降低非目标区域干扰的特点。因此，生物视觉成像机理以及自适应调焦窗口的综合运用特别适用于无人车中的道路识别、机器人中的目标跟踪等需要大视场、高数据量的实时处理场合。

发明内容

本发明的目的是为了同时实现大视场、高精度和高数据量的实时处理，提供一种基于液体透镜的自适应调焦方法及系统。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种基于液体透镜的自适应调焦方法，具体步骤如下：

步骤一：根据预设的变倍数值改变变倍组焦距的大小，从而实现变焦成像系统的变倍。

步骤二：采用变倍后的变焦成像系统中的图像传感器采集图像，并且在图像处理单元中实现模拟人眼仿生算法。

在模拟人眼仿生算法中，将笛卡尔坐标系下的图像转换为对数极坐标系下的图像，能够实现中央高分辨率采样和边缘低分辨率采样。模拟人眼仿生算法的变分辨率采样包括定分辨率区域和变分辨率区域，定分辨率区域半径为r₀，变分辨率区域第一环半径为r₁，第二环半径为r₂，第k环半径为r_k，第一环采样像素的直径为D₁，第二环采样像素的直径为D₂，第k环采样像素的直径为D_k，根据人眼视网膜特性，数学表达式如下：

公式(1)中N为变分辨率区域中每一环的像素数，q为变分辨率区域中相邻环之间像素直径的增长率，k-1为变分辨率区域的第k-1环(k≥2)。

步骤三：自适应调焦窗口大小的选取与确定。

自适应调焦窗口的大小由采集到的图像强度分布决定，图像强度分布的计算以及自适应调焦窗口的尺寸调整均在对数极坐标系中进行。首先根据实际情况预设初始自适应调焦窗口的大小，在初始预设的自适应调焦窗口内对对数极坐标系图像的像素强度进行离散统计(SD)：

公式(2)中M为变分辨率区域中的总环数；σ为目标所占环数与图像总环数的百分比，能够通过目标物体大小、目标物体距变焦成像系统距离和步骤一中预设的变倍数值得到，自适应调焦窗口环数的初始值为目标所占环数的90％；(υ，ν)为对数极坐标系下的像素坐标，U(υ，ν)为该像素的灰度值；μ为整幅图像的图像强度中值。

图像处理单元经过图像转换和计算后得到一个SD值，将计算得到的SD值与事先设定好的阈值T相比较，该阈值T为对数极坐标系下目标的强度值，能够通过目标物体外观及大小、目标物体距变焦成像系统距离和步骤一中预设的变倍数值得到，如果SD值小于阈值T，则对数极坐标系下增加纵坐标ν(即环数)的值，直到SD值大于或等于阈值T，然后根据公式(3)求出自适应调焦窗口的尺寸：

r′_max＝r₀·q^M′ (3)

公式(3)中M’为SD和阈值T进行比较后得到的最终环数值，r’_max为最终自适应调焦窗口的半径。

步骤四：对步骤三所得到的最终自适应调焦窗口内的图像再次进行模拟人眼仿生算法，得到新的对数极坐标图像；然后，采用调焦评价算法计算最终自适应调焦窗口内新的对数极坐标图像的调焦值。

步骤五：调节液体透镜的焦距，直至图像清晰。

如果当前调焦值为变倍组变倍后首次计算得到的调焦值F₁，则图像处理单元向液体透镜控制接口传递数据，使得液体透镜控制接口控制液体透镜的焦距增加△f，返回步骤二。

如果当前调焦值为变倍组变倍后所计算得到的第二个调焦值F₂，则将F₂与F₁进行比较：如果F₂>F₁，则通过液体透镜控制接口使液体透镜的焦距增大△f，返回步骤二；如果F₂<F₁，那么液体透镜控制接口使液体透镜的焦距减小2×△f，返回步骤二；如果F₂＝F₁，则调焦结束。

如果当前调焦值为变倍组变倍后所计算得到的第t个调焦值F_t，且t>2，则根据爬坡算法进行如下判断：

(1)如果F_t>F_t-1且F_t>F_t-2，且上一次增大了液体透镜的焦距，则通过液体透镜控制接口调节液体透镜的焦距增大△f，返回步骤二；如果F_t>F_t-1且F_t>F_t-2，且上一次减小了液体透镜的焦距，则通过液体透镜控制接口调节液体透镜的焦距减小△f，返回步骤二。

(2)如果F_t>F_t-1且F_t≤F_t-2，则F_t-2为最大调焦值，通过液体透镜控制接口使液体透镜恢复调焦值为F_t-2时的焦距，调焦结束。

(3)如果F_t≤F_t-1，则比较F_t-1和F_t-2的值，其中较大的为最大调焦值，然后通过液体透镜控制接口使液体透镜恢复到该调焦值的焦距，调焦结束。

一种基于液体透镜的自适应调焦系统，由四部分组成，分别是变倍组、液体透镜、图像传感器和图像处理器。其中，图像处理器由图像采集接口、图像处理单元和液体透镜控制接口组成。变倍组、液体透镜、图像传感器之间的信息通过光信号传递，图像传感器、图像处理器、液体透镜之间的信息通过电信号传递，图像处理器内部图像采集接口、图像处理单元、液体透镜控制接口之间的信息也通过电信号传递。

有益效果

(1)本发明公开的一种基于液体透镜的自适应调焦方法及系统，可同时实现大视场成像和高精度快速调焦。不仅如此，相比较传统的多组镜片的调整结构，本结构更为紧凑。

(2)本发明公开的一种基于液体透镜的自适应调焦方法及系统，采用仿生变分辨率采样方式，具有中间高分辨率采样、边缘低分辨率采样的特点，使得系统在满足大视场的同时又具有局部高分辨率成像的能力。可实现对视场边缘区域的数据压缩，减少参与计算的数据量，提高数据传输效率，从而提高了调焦的实时性。

(3)本发明公开的一种基于液体透镜的自适应调焦方法及系统，采用自适应的调焦窗口，窗口大小根据图像中目标物体大小而改变，减少背景区域对调焦结果的影响，使得调焦结果更加准确。背景区域的减少也使得调焦计算量减少，进而提高了系统的实时性。

附图说明

图1为系统原理图；

图2为人眼仿生采样与传统采样对比图；

图3为变分辨率采样图；

图4为变分辨率窗口最优化流程图。

其中：1-变倍组，2-液体透镜，3-图像传感器，4-图像处理器，5-图像采集接口，6-图像处理单元，7-液体透镜控制接口，8-光信号，9-电信号，10-传统定分辨率采样，11-传统定分辨率采样像素，12-变分辨率采样，13-变分辨率采样像素，14-定分辨率采样区域，15-变分辨率采样区域。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：

本实施例的一种基于液体透镜的自适应调焦系统，能够完成1-10倍下的自动调焦，下面以6倍下的自动调焦为例，所用的图像传感器3采集到的图像尺寸为1280×960，设定初始变分辨率区域15中总的环数值为300环、每一环的像素数为400，对自适应调焦方法的步骤进行详细解释。

本实施例的一种基于液体透镜的自适应调焦方法，具体实现步骤如下：

步骤一：根据已知的变倍数值6倍，改变变倍组1焦距的大小，从而实现变焦成像系统的变倍。

步骤二：采用变倍后的变焦成像系统中的图像传感器3采集图像，并且在图像处理器4内部的图像处理单元6中实现模拟人眼仿生算法。

人眼仿生采样方式和传统采样方式不同，如图2所示，传统定分辨率采样10获得的图像即为笛卡尔坐标系下的图像，图像由相同大小的传统定分辨率采样像素11呈矩形阵列排列组成；进行模拟人眼仿生算法后的变分辨率采样12的图像即为笛卡尔坐标系转换到对数极坐标系的图像，图像由不同大小的圆形变分辨率采样像素13呈环形排列组成，每环内的像素大小相同，相邻环之间的像素大小成比例。

模拟人眼仿生算法的变分辨率采样方式，如图3所示，包括定分辨率区域14以及变分辨率区域15，能够实现中央高分辨率采样、边缘低分辨率采样。定分辨率区域14半径为r₀，变分辨率区域15第一环半径为r₁，第二环半径为r₂，第k环半径为r_k，第一环采样像素的直径为D₁，第二环采样像素的直径为D₂，第k环采样像素的直径为D_k，根据人眼视网膜特性，数学表达式如下：

公式(1)中k-1为变分辨率区域15的第k-1环(k≥2)，N为变分辨率区域15中每一环的像素数，q为变分辨率区域15中相邻环之间像素尺寸的增长率。

步骤三：自适应调焦窗口大小的选取与确定。

自适应调焦窗口的大小由采集到的图像强度分布决定，计算图像的强度分布以及确定自适应调焦窗口的大小在对数极坐标系中进行。首先根据实际情况初始化自适应调焦窗口的尺寸，然后在自适应调焦窗口内对对数极坐标系图像的像素强度进行离散统计(SD)：

公式(2)中M为变分辨率区域15中总的环数值；σ为目标所占环数与图像总环数的百分比，能够通过目标物体大小、目标物体距变焦成像系统距离和步骤一中预设的变倍数值得到，在该具体实施例中σ＝60％，自适应调焦窗口环数的初始值为目标所占环数的90％；(υ，ν)为对数极坐标系下的像素坐标，U(υ，ν)为该像素的灰度值；μ为整幅图像的图像强度中值。

图像处理单元6经过人眼仿生和计算后得到SD值，将该值与预设的阈值T相比较。T为对数极坐标系下目标的强度值，能够通过目标物体外观及大小、目标物体距变焦成像系统距离和步骤一中预设的变倍数值得到，如果SD<T，则对数极坐标系下纵坐标ν(即环数)加1，直到SD≥T，然后根据公式求出自适应调焦窗口大小：

r′_max＝r₀·q^M′ (3)

公式(3)中M’为SD和T进行比较后得到的最终环数值，r’_max为最终自适应调焦窗口的半径，即重新进行对数极坐标变换的最大半径。

自适应调焦窗口尺寸最优化流程图如图4所示，过程如下：

(1)输入参数M、N、r₀的初始值，其中M为对数极坐标变换时变分辨率区域15中的总环数值，N为每一环的像素数，r₀为定分辨率区域14的半径；

(2)确定初始自适应调焦窗口的大小，目标所占环数能够通过目标物体大小、目标物体距变焦成像系统距离和步骤一中预设的变倍数值得到，这里为60％，自适应调焦窗口环数的初始值为目标所占环数的90％，根据公式(3)得到自适应调焦窗口大小；

(3)选择阈值的大小，该阈值为对数极坐标系下目标的强度值，能够通过目标物体外观及大小、目标物体距变焦成像系统距离和步骤一中预设的变倍数值得到，目标不同、放大倍数不同，该阈值的大小也不同；

(4)在预设的自适应调焦窗口内对对数极坐标系下图像的像素强度进行离散统计，SD为对数极坐标下自适应调焦窗口内各个坐标点的强度值与中值μ的差值的绝对值之和，通过公式(2)求得；

(5)判断SD是否大于或者等于阈值T，若否，则将对数极坐标内目标所占环数增加一环，然后对新的环数内(即新的窗口内)像素进行离散统计，若是，则进行后续操作；

(6)得到最终环数值，根据公式(3)确定最终自适应调焦窗口的大小。

步骤四：对步骤三所得到的最终自适应调焦窗口内的图像再次进行模拟人眼仿生算法，变分辨率区域15中总的环数值变为139环，每一环的像素数变为271，得到新的对数极坐标图像；然后，采用SML(Sum of Modified Laplacian)调焦评价算法计算最终自适应调焦窗口内新的对数极坐标图像的调焦值。

步骤五：根据步骤四得到的调焦值判断当前调焦值是否为系统所能得到的最大值，如果是，则调焦完成，进行步骤六，否则调节液体透镜2的焦距，然后返回步骤二。

如果当前为变倍组1变倍后首次计算调焦值F₁，则图像处理单元6向液体透镜控制接口7传递数据，使得液体透镜控制接口7控制液体透镜2的焦距增加△f，返回步骤二。

如果当前调焦值为变倍组变倍后所计算得到的第二个调焦值F₂，则将F₂与F₁进行比较：如果F₂>F₁，则通过液体透镜控制接口7使液体透镜2的焦距增大△f，返回步骤二；如果F₂<F₁，那么液体透镜控制接口7使液体透镜2的焦距减小2×△f，返回步骤二；如果F₂＝F₁，则进行步骤六。

如果当前为变倍组1变倍后所计算的第t个调焦值F_t，且t>2，则根据爬坡算法进行如下判断：

(1)如果F_t>F_t-1且F_t>F_t-2，且上一次增大了液体透镜2的焦距，则通过液体透镜控制接口7调节液体透镜2的焦距增大△f，返回步骤二；如果F_t>F_t-1且F_t>F_t-2，且上一次减小了液体透镜2的焦距，则通过液体透镜控制接口7调节液体透镜2的焦距减小△f，返回步骤二。

(2)如果F_t>F_t-1且F_t≤F_t-2，则F_t-2为最大调焦值，通过液体透镜控制接口7使液体透镜2恢复调焦值为F_t-2时的焦距，进行步骤六。

(3)如果F_t≤F_t-1，则比较F_t-1和F_t-2的值，其中较大的为最大调焦值，然后通过液体透镜控制接口7使液体透镜2恢复该调焦值对应的焦距，然后进行步骤六。

步骤六：调焦结束。

经过上述步骤的调焦操作后最终能够得到清晰的图像。目标区域占参与调焦计算的图像区域的百分率由60％增加到90％以上，减少了非目标区域的干扰，增加了系统的精度。参与调焦计算的数据量由1280×960降低到271×139，相应减少32.62倍，减少了参与调焦计算的数据量，提高了数据传输效率，增加了系统实时性。

本发明提出了一种基于液体透镜的自适应调焦方法及系统，系统原理如图1所示。该系统由四部分组成，分别是变倍组1、液体透镜2、图像传感器3和图像处理器4。其中，图像处理器4由图像采集接口5、图像处理单元6和液体透镜控制接口7组成。变倍组1、液体透镜2、图像传感器3之间的信息通过光信号8传递，图像传感器3、图像处理器4、液体透镜2之间的信息通过电信号9传递，图像处理器4内部图像采集接口5、图像处理单元6、液体透镜控制接口7之间的信息也通过电信号9传递。

系统工作原理如下：根据给定的变倍数值改变变倍组1的焦距以实现变倍，目标经过变倍组1以光信号8的形式传递至液体透镜2，通过液体透镜2后又以光信号8的形式传递至图像传感器3，在图像传感器3上生成目标图像；然后目标图像以电信号9的形式被图像处理器4内部的图像采集接口5接收，之后以电信号9的形式传递至图像处理单元6，在图像处理单元6中通过模拟人眼仿生算法(对数极坐标变换)和调焦窗口大小的自适应调整完成图像的相应处理；图像处理单元6根据图像处理结果，将反馈信息以电信号9的形式传递至液体透镜控制接口7；液体透镜控制接口7根据获得的数据以电信号9的形式控制液体透镜2的焦距变化，直至获得最清晰的图像，调焦结束。

各部分作用及结构阐述如下：

变倍组1其焦距在一定范围内可以发生改变，不仅可以获得小范围大倍率的清晰图像，还能够进行大范围小倍率的观察。

液体透镜2相当于补偿组，通过调节液体透镜2的焦距改变物体像面位置，从而得到清晰的图像。

图像传感器3用于采集图像。

图像处理单元4用于对采集到的图像进行处理，包括图像采集接口5、图像处理单元6和液体透镜控制接口7。图像采集接口5用于采集图像传感器3中的数据，并将数据传至图像处理单元6；图像处理单元6对图像采集接口5的数据进行处理，并向液体透镜控制接口7发送相关指令；液体透镜控制接口7根据图像处理单元6发送的指令控制液体透镜2焦距的变化。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于液体透镜的自适应调焦方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一：根据预设的变倍数值改变变倍组焦距的大小，从而实现变焦成像系统的变倍；

步骤二：采用变倍后的变焦成像系统中的图像传感器采集图像，并且在图像处理单元中实现模拟人眼仿生算法；

在模拟人眼仿生算法中，将笛卡尔坐标系下的图像转换为对数极坐标系下的图像，能够实现中央高分辨率采样和边缘低分辨率采样；模拟人眼仿生算法的变分辨率采样包括定分辨率区域和变分辨率区域，定分辨率区域半径为r₀，变分辨率区域第一环半径为r₁，第二环半径为r₂，第k环半径为r_k，第一环采样像素的直径为D₁，第二环采样像素的直径为D₂，第k环采样像素的直径为D_k，根据人眼视网膜特性，数学表达式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_1=\frac{r_0}{1-\sin (\mathrm{\&pi;}/N)}\\ D_1=\frac{2-r_0\sin (\mathrm{\&pi;}/N)}{1-\sin (\mathrm{\&pi;}/N)}\\ q=\frac{1+\sin (\mathrm{\&pi;}/N)}{1-\sin (\mathrm{\&pi;}/N)}\\ r_k=r_1\&CenterDot;q^{k-1}\\ D_k=D_1\&CenterDot;q^{k-1}\end{array}\right.---\left(1\right)$

公式(1)中N为变分辨率区域中每一环的像素数，q为变分辨率区域中相邻环之间像素直径的增长率，k-1为变分辨率区域的第k-1环(k≥2)；

步骤三：自适应调焦窗口大小的选取与确定；

自适应调焦窗口的大小由采集到的图像强度分布决定，图像强度分布的计算以及自适应调焦窗口的尺寸调整均在对数极坐标系中进行；首先根据实际情况预设初始自适应调焦窗口的大小，在初始预设的自适应调焦窗口内对对数极坐标系图像的像素强度进行离散统计：

$SD=\underset{v=1}{\overset{0.9\mathrm{\&sigma;}M}{\&Sigma;}}\underset{\mathrm{\&upsi;}=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}|U(\mathrm{\&upsi;},v)-\mathrm{\&mu;}|---\left(2\right)$

公式(2)中M为变分辨率区域中的总环数；σ为目标所占环数与图像总环数的百分比，能够通过目标物体大小、目标物体距变焦成像系统距离和步骤一中预设的变倍数值得到，自适应调焦窗口环数的初始值为目标所占环数的90％；(υ，ν)为对数极坐标系下的像素坐标，U(υ，ν)为该像素的灰度值；μ为整幅图像的图像强度中值；

图像处理单元经过图像转换和计算后得到一个SD值，将计算得到的SD值与事先设定好的阈值T相比较，该阈值T为对数极坐标系下目标的强度值，能够通过目标物体外观及大小、目标物体距变焦成像系统距离和步骤一中预设的变倍数值得到，如果SD值小于阈值T，则对数极坐标系下增加纵坐标ν(即环数)的值，直到SD值大于或等于阈值T，然后根据公式(3)求出自适应调焦窗口的尺寸：

r′_max＝r₀·q^M′ (3)

公式(3)中M’为SD和阈值T进行比较后得到的最终环数值，r’_max为最终自适应调焦窗口的半径；

步骤四：对步骤三所得到的最终自适应调焦窗口内的图像再次进行模拟人眼仿生算法，得到新的对数极坐标图像；然后，采用调焦评价算法计算最终自适应调焦窗口内新的对数极坐标图像的调焦值；

步骤五：调节液体透镜的焦距，直至图像清晰；

如果当前调焦值为变倍组变倍后首次计算得到的调焦值F₁，则图像处理单元向液体透镜控制接口传递数据，使得液体透镜控制接口控制液体透镜的焦距增加△f，返回步骤二；

如果当前调焦值为变倍组变倍后所计算得到的第二个调焦值F₂，则将F₂与F₁进行比较：如果F₂>F₁，则通过液体透镜控制接口使液体透镜的焦距增大△f，返回步骤二；如果F₂<F₁，那么液体透镜控制接口使液体透镜的焦距减小2×△f，返回步骤二；如果F₂＝F₁，则调焦结束；

如果当前调焦值为变倍组变倍后所计算得到的第t个调焦值F_t，且t>2，则根据爬坡算法进行如下判断：

(1)如果F_t>F_t-1且F_t>F_t-2，且上一次增大了液体透镜的焦距，则通过液体透镜控制接口调节液体透镜的焦距增大△f，返回步骤二；如果F_t>F_t-1且F_t>F_t-2，且上一次减小了液体透镜的焦距，则通过液体透镜控制接口调节液体透镜的焦距减小△f，返回步骤二；

(2)如果F_t>F_t-1且F_t≤F_t-2，则F_t-2为最大调焦值，通过液体透镜控制接口使液体透镜恢复调焦值为F_t-2时的焦距，调焦结束；

(3)如果F_t≤F_t-1，则比较F_t-1和F_t-2的值，其中较大的为最大调焦值，然后通过液体透镜控制接口使液体透镜恢复到该调焦值的焦距，调焦结束。

2.实现如权利要求1所述的方法的一种基于液体透镜的自适应调焦系统，其特征在于：由四部分组成，分别是变倍组(1)、液体透镜(2)、图像传感器(3)和图像处理器(4)；其中，图像处理器(4)由图像采集接口(5)、图像处理单元(6)和液体透镜控制接口(7)组成；变倍组(1)、液体透镜(2)、图像传感器(3)之间的信息通过光信号(8)传递，图像传感器(3)、图像处理器(4)、液体透镜(2)之间的信息通过电信号(9)传递，图像处理器(4)内部图像采集接口(5)、图像处理单元(6)、液体透镜控制接口(7)之间的信息也通过电信号(9)传递。