CN107395993A - 全自动对焦方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及全自动对焦方法及系统以解决现有技术中对焦精度与对焦速度不能兼顾的技术问题。本发明的自动对焦系统在比较相邻两幅图像的清晰度之后，总会实时记录清晰度较大时电机所处位置，所以在电机运动路线经过最大清晰度位置而发生图像的清晰度明显下降时停止转动电机并控制电机回退到最大清晰度所对应位置处，避免电机反复运动寻找最大清晰度位置，有利于加快自动对焦速度。

Description

全自动对焦方法及系统

技术领域

本发明涉及全自动对焦方法及系统。

背景技术

传统相机中使用的自动对焦方法有测距法、相位对焦法及反差对焦法等。但测距法在使用时，需要额外配置测距模块，因而具有成本高、体积大的问题，且其仅能用于大场景、远距离的对焦，对于一些距离近、景深很浅的场合，测距法完全失效。相位对焦法对焦精度高、对焦速度快，也没有距离限制，目前已广泛应用在单反相机上，但该方法的硬件设计非常复杂、成本也很高，并不适用于一些小型化、订制化的需求，而且该方法在对焦过程中，并不能看到实时的影像，限制了它在追焦操作中的应用。反差对焦法所用的外设结构简单、实现方便、对外设要求低，目前已广泛应用在手机、数码相机上，但依然具有细小纹理不易识别、行程较大时速度与精度不能兼顾的问题。为解决现有技术中存在的上述问题，需要研发一种全自动对焦方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全自动对焦方法以解决现有技术中对焦精度与对焦速度不能兼顾的技术问题；本发明的目的还在于提供一种使用上述自动对焦方法的全自动对焦系统。

为实现上述目的，本发明的一种全自动对焦方法采用以下技术方案：

全自动对焦方法，包括以下步骤，步骤S1：对焦算法模块对接收到图像fig1的清晰度进行评价，得到当前图像fig1的清晰度de1及相应的边缘梯度值，并根据边缘梯度值，设置电机下一次步进的步长；步骤S2：以设置的步长向第一方向转动电机，由此得到一副新的图像fig2，计算图像fig2的清晰度de2；步骤S3：比较两图像的清晰度以控制电机的转动方向，以de2控制电机下一次步进的步长；在此步骤中，若de1>de2，则控制电机按照第二方向转动；若de1<de2，则控制电机继续按照第一方向转动；步骤S4：移动电机至其处于使图像清晰度最大位置；在此步骤中，实时计算每一帧图像的清晰度值，并将最大清晰度值图像所对应的电机位置进行记录，至图像的清晰度下降时停止转动电机并控制电机回退到最大清晰度值所对应位置处。

在所述步骤S1和步骤S2中使用改进的清晰度评价算法计算相应图像的清晰度，改进的清晰度评价算法包括以下步骤：第一步，计算指定区域内任一像素点与周边像素点之间的梯度；第二步，判断与周边像素点之间梯度最大的5％的像素点，并对这5％像素点与周边像素点之间的梯度累加求和以计算边缘梯度和；第三步，取所述5％像素点的最小梯度值作为边缘阀值。

在所述步骤S4中使用改进的爬山搜索算法控制电机的运动，改进的爬山搜索算法包括以下步骤：第一步，收集图像信息，得到一组与边缘梯度和相关的电机步长值；第二步，根据改进的清晰度评价算法中得到的边缘梯度和选择与之相对应的电机步长值。

全自动对焦方法包括自动对焦功能，判断启动自动对焦功能的方法如下，判断当前图像的梯度总和，若当前图像的梯度总和相较于前一帧图像的梯度总和减小幅度小于10％，则不启动自动对焦功能；若当前图像的梯度总和相较于前一帧图像的梯度总和减小幅度大于或等于10％，则判断当前图像的边缘阀值；若当前图像的边缘阀值相较于前一帧图像的边缘阀值减小幅度小于15％，则不启动自动对焦功能；若当前图像的边缘阀值相较于前一帧图像的边缘阀值减小幅度大于或等于15％，则启动自动对焦功能。

本发明的全自动对焦系统采用以下技术方案：

全自动对焦系统，包括：感光芯片模块，用于采集图像并将模拟图像数据转化为数字图像数据；电机驱动模块，用于带动感光芯片模块运动以调节物距；主控制器模块，用于控制电机驱动模块按给定方向及步长运动，同时用于接收感光芯片模块传送的数字图像数据并对数字图像数据进行处理；DDR模块，用于对接收主控制器模块处理后图像并对其进行帧缓存；电机驱动模块包括步进电机，步进电机的运动输出端通过卡扣和感光芯片模块固定在一起，电机驱动模块还包括供所述感光芯片模块沿其导向方向导向移动的滑杆；所述主控制器模块能实时计算每一帧图像的清晰度值，并将最大清晰度值图像所对应的步进电机位置进行记录，至图像的清晰度下降时停止转动步进电机并控制步进电机回退到最大清晰度值所对应位置处。

所述主控制器模块上设置有供遥控器连接的航空插头。

所述主控制器模块包括用于分析图像清晰度并根据清晰度发出电机控制指令的对焦算法模块，对焦算法模块包括清晰度评价模块及最大清晰度搜索模块，清晰度评价模块包括用于筛选图像中与周边点之间梯度最大的5％点的筛选单元。

所述最大清晰度搜索模块包括用于存储边缘梯度和及与之相应的步进电机步长值的表格单元。

全自动对焦系统还包括用于连接显示屏的HDMI接口模块，所述HDMI接口模块与DDR模块控制连接以接收其传输的信号。

本发明的有益效果如下：本发明的自动对焦系统在比较相邻两幅图像的清晰度之后，总会实时记录清晰度较大时电机所处位置，所以在电机运动路线经过最大清晰度位置而发生图像的清晰度明显下降时停止转动电机并控制电机回退到最大清晰度所对应位置处，避免电机反复运动寻找最大清晰度位置，有利于加快自动对焦速度。

附图说明

图1为本发明的全自动对焦系统的一个实施例的框图；

图2为本发明的全自动对焦系统的一个实施例的结构示意图；

图3为图2中电机的结构示意图；

图4为本发明的全自动对焦方法的一个实施例中确定电机转动方向的流程图；

图5为本发明的全自动对焦方法的一个实施例中改进的爬山搜索算法的流程图。

具体实施方式

本发明的一种全自动对焦系统的实施例：

本发明的一种全自动对焦系统包括感光芯片模块1、电机驱动模块2、主控制器模块3、DDR模块4、HDMI接口模块5。

感光芯片模块1包括带有感光芯片的电路板11，其与电机驱动模块2控制连接，所以其可被电机驱动模块2带动前后移动对焦。同时感光芯片模块1与主控制器模块3控制连接以实现图像数据处理及输出。

电机驱动模块2包括微步进电机21，微步进电机21做旋转运动的运动输出端通过卡扣22和电路板固定在一起，电机驱动模块2还包括供电路板沿其导向方向导向移动的滑杆23，微步进电机21运转时，卡扣22带动电路板沿滑杆23前后移动而进行对焦。

主控制器模块3用于实现图像的接收、处理、输出及对焦算法的实现，包括数据接收模块31、图像处理模块32、对焦算法模块33、电机控制模块34及数据输出模块35。主控制器模块3上还设置有供遥控器连接的航空插头36。

数据接收模块31用于接收感光芯片模块1输出的数字图像信号，图像处理模块32用于将接收到数字图像信号做对比度、饱和度、色彩矫正、白平衡、锐化等图像处理，以保证输出图像的最佳效果。对焦算法模块33用于对处理后的图像数据进行清晰度分析，然后根据清晰度值的变化发出相应的控制指令，控制指令包括微步进电机的运动方向及步进步长值。电机控制模块34接收并解析系统给出的电机控制指令，控制步进电机每步的转动方向及转动步数。而电机控制指令可以是人工通过遥控器直接控制的，也可以是对焦算法模块33根据当前的图像清晰度效果实时给出的。数据输出模块35将接收到的数据转换成为HDMI显示器支撑的数据格式并输出至DRR模块4进行图像数据的帧缓存。所以集成有本发明的自动对焦系统的相机不需要连接电脑设备，而可直接将处理后的数据通过HDMI接口输出到显示器上显示。

对焦算法模块33包括清晰度评价模块及最大清晰度搜索模块，清晰度评价模块包括用于筛选图像中与周边点之间梯度最大的5％点的筛选单元。筛选单元可以减小平滑区域对于累加和的影响，拉大了清晰图像与不清晰图像的差异，更利于爬山搜索算法的执行。此外，这种算法也有利于一些边缘很少的图像的对焦，比如用于检测光滑平面上一个微小的划痕。

最大清晰度搜索模块还包括用于存储边缘梯度和及与之相应的步进电机步长值的表格单元，所以在计算出某一帧图像的清晰度之后，即可在表格单元中查找相应的电机步长值以控制电机下一次运行的步长。

HDMI接口模块5按照HDMI接口的显示器支持的时序将图像数据格式化后，送给硬件的HDMI接口模块。

所以本发明的自动对焦系统对焦过程如下：感光芯片模块1采集外界图像并将模拟图像信号转化为数字图像信号；数据接收模块31接收感光芯片模块1采集到的数字图像信号并送往图像处理模块32对数字图像信号进行对比度、饱和度、色彩矫正、白平衡、锐化等处理；对焦算法模块33分析处理后的图像的清晰度，并根据分析得到的清晰度向电机控制模块34发出控制指令；电机控制模块34接收并解析遥控器发出或是对焦算法模块33发出的电机控制指令后，控制电机驱动模块2中的微步进电机按设定方向及步长转动至使数据接收模块31接收到的图像清晰度最高位置处。图像处理模块32处理后的图像经数据输出模块35送至DDR模块4进行帧缓存，缓存后的图像再经HDMI接口送至显示器进行图像显示。

本发明的自动对焦方法的实施例：

对本发明的自动对焦系统进行自动对焦的方法如下：

步骤S1：评价对焦算法模块接收到图像fig1的清晰度，得到当前图像fig1的清晰度de1及相应的边缘梯度值，并根据边缘梯度值，设置电机下一次步进的步长；

步骤S2：以设置的步长向第一方向转动电机，由此得到一副新的图像fig2，并使用改进的清晰度评价算法计算图像fig2的清晰度de2；

步骤S3：比较两图像的清晰度以控制电机的转动方向，以de2控制电机下一次步进的步长；在此步骤中，若de1>de2，则证明图像变模糊了，控制电机按照相反方向(即第二方向)转动；若de1<de2，则证明图像变清晰了，控制电机继续按照相同方向(即第一方向)转动；

步骤S4：使电机运动至可使图像清晰度最大位置处；在此步骤中，实时计算每一帧图像的清晰度值，并将最大清晰度值所对应位置进行记录，至图像的清晰度有明显的下降趋势时停止转动电机并控制电机回退到最大清晰度值所对应位置处，即可完成自动对焦过程。

由于在驱动电机转动对焦的过程中实时记录了最大清晰度值所对应位置，所以本发明只需要一次搜索就可以准确定位到最佳的对焦点位置，可以更快速的实现对焦功能。同时，在对焦过程中只记录最大清晰度值对应的电机位置，并非存储所有位置处对应的清晰度值，所以占用内存较小。

对焦算法由两部分组成，一是边缘清晰度评价算法，二是最大清晰度搜索算法。

本发明进行清晰度评价的方法是对传统的基于边缘梯度的清晰度评价方法进行改进得到的，改进的清晰度评价算法如下：

第一步，计算指定区域内所有像素点与周边像素点之间的梯度；

指定区域中的任意两个像素点的灰度值均存在差异，越靠近景物边缘处的两像素点之间的灰度差异越大，越靠近景物平滑过度处两像素点之间差异越小。在本发明中，定义一个中心像素点与周边像素点之间的灰度差的加权总和为中心像素点的梯度。在本实施例选取5*5邻域内拉普拉斯算子，计算中心像素点与周边像素点灰度差的总和，加权系统模板如下表所示：

－2	0	－1	0	－2
					0	0	0	0	0
－1	0	12	0	－1
					0	0	0	0	0
－2	0	－1	0	－2

第二步，判断出与周边像素点之间梯度最大的5％的像素点，对这5％的像素点的梯度累加求和以计算边缘梯度和；

第三步，确定边缘阀值，具体是记录上述5％点中的最小梯度作为边缘阀值。

改进的清晰度评价方法具有以下优点：依然满足梯度累加和越大、边缘越清晰的条件，同时还可以减小平滑区域对于累加和的影响，拉大了清晰图像与不清晰图像的差异，更利于爬山搜索算法的执行。此外，这种算法也有利于一些边缘很少的图像的对焦，比如用于检测光滑平面上一个微小的划痕。

本发明进行最大清晰度搜索的方法是对传统的爬山搜索算法进行改进得到的，改进的爬山搜索算法如下：

第一步，对大量图像进行分析，得到一组与边缘梯度和相关的电机步进的步长值；

该步骤中需要对不同图像进行分析，计算不同图像的边缘梯度和与图像清晰度的关系，并将最终得到的边缘梯度和与步长的对应关系存储在自动对焦系统实施例中的表格单元中。

第二步，根据改进的清晰度评价算法中得到的边缘梯度和选择与之相对应的电机步长值。

因为感光芯片越接近于最佳对焦位置时改进的清晰度评价算法中得到的边缘梯度和就会越大，相应地采集到的图像也就越清晰。与梯度总和相关的电机步进的步长值在越靠近图像最清晰点的时候，电机运动的步长就越小，电机以较小的步幅查找最清晰位置。而在越远离图像最清晰点的时候，电机运动的步长就越大，电机以较快的速度运转。因而本发明能快速，精准的找到最清晰位置，在明显提升了爬山搜索算法速度的同时也不会影响对焦精度。

在物体移动时，需要相机能够自动识别到当前图像是否依旧清晰。若判定场景变模糊了，需要重新开始对焦使图像重新变得清晰。目前常用的判定是否需要重新对焦的方法是检测统计区域内所有像素点的梯度总和是否发生明显的变化来判定当前图像是否有明显变化。当图像有明显变化时，就重启自动对焦功能。这样的方式会有一个弊端：当图像从一个场景移动到另一个清晰的场景时，是不需要再次自动对焦的，但是由于场景有明显的变化，程序也会启动自动对焦功能。

而本发明不再以所有像素点的梯度总和是否变化作为唯一的判定条件，而是在判定当前图像的梯度总和相较于前一帧图像的梯度和减小幅度小于10％(即场景有明显变化)后，增加了边缘阀值的判定。若当前场景的边缘阀值相较于前一场景的边缘阀值减小幅度大于等于15％，则认为场景变化后，图像变模糊了，需要重启自动对焦；若当前场景的边缘阀值相比于前一场景的边缘阀值减小幅度小于15％，则认为当前图像依然清晰，不进行自动对焦功能。也即是说，本发明的自动对焦系统所采集的物体移动时，在同时满足以上两个条件时才会驱动系统重新对焦。

Claims (9)

1.全自动对焦方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤S1：对焦算法模块对接收到图像fig1的清晰度进行评价，得到当前图像fig1的清晰度de1及相应的边缘梯度值，并根据边缘梯度值，设置电机下一次步进的步长；步骤S2：以设置的步长向第一方向转动电机，由此得到一副新的图像fig2，计算图像fig2的清晰度de2；步骤S3：比较两图像的清晰度以控制电机的转动方向，以de2控制电机下一次步进的步长；在此步骤中，若de1>de2，则控制电机按照第二方向转动；若de1<de2，则控制电机继续按照第一方向转动；步骤S4：移动电机至其处于使图像清晰度最大位置；在此步骤中，实时计算每一帧图像的清晰度值，并将最大清晰度值图像所对应的电机位置进行记录，至图像的清晰度下降时停止转动电机并控制电机回退到最大清晰度值所对应位置处。

2.根据权利要求1所述的全自动对焦方法，其特征在于：在所述步骤S1和步骤S2中使用改进的清晰度评价算法计算相应图像的清晰度，改进的清晰度评价算法包括以下步骤：第一步，计算指定区域内任一像素点与周边像素点之间的梯度；第二步，判断与周边像素点之间梯度最大的5％的像素点，并对这5％像素点与周边像素点之间的梯度累加求和以计算边缘梯度和；第三步，取所述5％像素点的最小梯度值作为边缘阀值。

3.根据权利要求2所述的全自动对焦方法，其特征在于：在所述步骤S4中使用改进的爬山搜索算法控制电机的运动，改进的爬山搜索算法包括以下步骤：第一步，收集图像信息，得到一组与边缘梯度和相关的电机步长值；第二步，根据改进的清晰度评价算法中得到的边缘梯度和选择与之相对应的电机步长值。

4.根据权利要求2或3所述的全自动对焦方法，其特征在于：全自动对焦方法包括自动对焦功能，判断启动自动对焦功能的方法如下，判断当前图像的梯度总和，若当前图像的梯度总和相较于前一帧图像的梯度总和减小幅度小于10％，则不启动自动对焦功能；若当前图像的梯度总和相较于前一帧图像的梯度总和减小幅度大于或等于10％，则判断当前图像的边缘阀值；若当前图像的边缘阀值相较于前一帧图像的边缘阀值减小幅度小于15％，则不启动自动对焦功能；若当前图像的边缘阀值相较于前一帧图像的边缘阀值减小幅度大于或等于15％，则启动自动对焦功能。

5.全自动对焦系统，其特征在于，包括：感光芯片模块，用于采集图像并将模拟图像数据转化为数字图像数据；电机驱动模块，用于带动感光芯片模块运动以调节物距；主控制器模块，用于控制电机驱动模块按给定方向及步长运动，同时用于接收感光芯片模块传送的数字图像数据并对数字图像数据进行处理；DDR模块，用于对接收主控制器模块处理后图像并对其进行帧缓存；电机驱动模块包括步进电机，步进电机的运动输出端通过卡扣和感光芯片模块固定在一起，电机驱动模块还包括供所述感光芯片模块沿其导向方向导向移动的滑杆；所述主控制器模块能实时计算每一帧图像的清晰度值，并将最大清晰度值图像所对应的步进电机位置进行记录，至图像的清晰度下降时停止转动步进电机并控制步进电机回退到最大清晰度值所对应位置处。

6.根据权利要求5所述的全自动对焦系统，其特征在于：所述主控制器模块上设置有供遥控器连接的航空插头。

7.根据权利要求5所述的全自动对焦系统，其特征在于：所述主控制器模块包括用于分析图像清晰度并根据清晰度发出电机控制指令的对焦算法模块，对焦算法模块包括清晰度评价模块及最大清晰度搜索模块，清晰度评价模块包括用于筛选图像中与周边点之间梯度最大的5％点的筛选单元。

8.根据权利要求7所述的全自动对焦系统，其特征在于：所述最大清晰度搜索模块包括用于存储边缘梯度和及与之相应的步进电机步长值的表格单元。

9.根据权利要求5～8中任一项所述的全自动对焦系统，其特征在于：全自动对焦系统还包括用于连接显示屏的HDMI接口模块，所述HDMI接口模块与DDR模块控制连接以接收其传输的信号。