CN107465877B - 跟踪对焦方法及装置和相关介质产品 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种跟踪对焦方法，包括：跟踪目标依次获取图像帧，所述图像帧中包含目标跟踪区域；计算所述目标跟踪区域的大小参数的变化值和对焦评价值的变化值；根据所述大小参数变化值和对焦评价值变化值计算马达转动步长；根据所述马达转动步长生成马达控制指令进行对焦。本发明实施例还公开了一种跟踪对焦装置。采用本发明，可加快自动对焦的速度,减小画面的抖动。
Description
技术领域
本发明涉及相机技术领域，尤其涉及一种跟踪对焦方法及装置和相关介质产品。
背景技术
目标跟踪是现有的数码相机、摄像机、手机相机和监控设备等光学成像设备上通常具备的一个功能。用户在进行拍照或摄像时，可在相机的显示屏或监控设备的监视器上看到其摄像头成像形成的所见即所得的图像帧，用户可在图像帧上划定矩形跟踪区域(即跟踪框，通常在图像帧中以实线边框作为标识，通过框住前景图像提示用户)，相机或监控设备即可对该矩形跟踪区域中的前景图像进行跟踪，矩形跟踪区域即可在成像得到图像帧中跟随着前景图像的左右上下移动而移动，或者跟随着前景图像距离镜头的远近而放大和缩小。
在进行目标跟踪时，还需要根据目标物体距离镜头的远近进行自动对焦，否则目标物体将变得模糊。然而，传统技术中在进行目标跟踪时的对焦采用的是爬坡算法等方式，对焦速度较慢，影响拍摄体验。
发明内容
基于此，为了解决上述对焦速度慢的技术问题，特提供了一种跟踪对焦方法。
一种跟踪对焦方法，包括：
跟踪目标依次获取图像帧，所述图像帧中包含目标跟踪区域；
计算所述目标跟踪区域的大小参数的变化值和对焦评价值的变化值；
根据所述大小参数变化值和对焦评价值变化值计算马达转动步长；
根据所述马达转动步长生成马达控制指令进行对焦。
在其中一个实施例中，所述计算所述目标跟踪区域的大小参数的变化值和对焦评价值的变化值的步骤为：
根据目标跟踪算法计算目标跟踪区域的大小参数及其变化值；
根据对焦评价函数计算图像帧的对焦评价值及其变化值。
在其中一个实施例中，所述根据所述大小参数变化值和对焦评价值变化值计算马达转动步长的步骤为：
根据公式：
计算所述马达转动步长；其中M为马达转动步长，为对焦评价值的变化值，为目标跟踪区域的大小参数的变化值，k为预设的系数，且所述马达转动步长M的方向分别对应近焦端和远焦端。
在其中一个实施例中，所述根据所述马达转动步长生成马达控制指令进行对焦的步骤之后还包括：
跟踪判断所述对焦评价值是否达到过极值，若是，则生成继续移动-M/2步长的马达控制指令进行对焦微调。
在其中一个实施例中，所述根据所述马达转动步长生成马达控制指令进行对焦的步骤之后还包括：
判断是否对焦成功，若是，则获取马达合焦点位置Sfocus和马达位置处于合焦点位置Sfocus时的目标跟踪区域的大小参数fvfocus；
所述方法还包括：
跟踪计算目标跟踪区域的大小参数fvtracking，根据公式：
计算马达的跟焦位置Stracking，根据跟焦位置Stracking生成马达控制指令，控制马达移动到跟焦位置Stracking。
相应地，为了解决上述对焦速度慢的技术问题，特提供了一种跟踪对焦装置。
一种跟踪对焦装置，包括：
目标跟踪模块，用于跟踪目标依次获取图像帧，所述图像帧中包含目标跟踪区域；
参数计算模块，用于计算所述目标跟踪区域的大小参数的变化值和对焦评价值的变化值；
转动步长计算模块，用于根据所述大小参数变化值和对焦评价值变化值计算马达转动步长；
马达控制模块，用于根据所述马达转动步长生成马达控制指令进行对焦。
在其中一个实施例中，所述参数计算模块还用于根据目标跟踪算法计算目标跟踪区域的大小参数及其变化值；根据对焦评价函数计算图像帧的对焦评价值及其变化值。
在其中一个实施例中，所述转动步长计算模块还用于根据公式：
计算所述马达转动步长；其中M为马达转动步长，为对焦评价值的变化值，为目标跟踪区域的大小参数的变化值，k为预设的系数，且所述马达转动步长M的方向分别对应近焦端和远焦端。
在其中一个实施例中，所述装置还包括微调模块用于跟踪判断所述对焦评价值是否达到过极值，若是，则生成继续移动-M/2步长的马达控制指令进行对焦微调。
在其中一个实施例中，所述装置还包括跟焦模块，用于判断是否对焦成功，若是，则获取马达合焦点位置Sfocus和马达位置处于合焦点位置Sfocus时的目标跟踪区域的大小参数fvfocus；
跟踪计算目标跟踪区域的大小参数fvtracking，根据公式：
计算马达的跟焦位置Stracking，根据跟焦位置Stracking生成马达控制指令，控制马达移动到跟焦位置Stracking。
实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
上述跟踪对焦方法及装置在目标跟踪和对焦评价的基础上通过简单计算目标跟踪区域的大小参数及其变化值即完成了对焦，计算量小，反应灵敏，从而加快了对焦速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一个实施例中一种跟踪对焦方法的流程图；
图2为一个应用场景中拍摄界面图；
图3为一个应用场景中拍摄界面图；
图4为一个应用场景中拍摄界面图；
图5为一个实施例中镜头光路示意图；
图6为一个实施例中一种跟踪对焦装置的结构示意图。
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作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。
为解决上述操作的便利性不足的问题，特提出了一种跟踪对焦方法，该方法的执行依赖于计算机程序，可运行于冯诺依曼体系的计算机系统之上。该计算机程序可集成在应用中，也可作为独立的工具类应用运行。该计算机系统可以是数码相机、带有相机功能的智能手机、平板电脑等移动设备，带有可变焦摄像头的监视器或监控设备等。
具体的，在本实施例中，该方法如图1所示，包括：
步骤S102，跟踪目标依次获取图像帧，图像帧中包含目标跟踪区域。
跟踪目标依次获取的图像帧即为在作为拍摄物的目标及其周边场景在相机或摄像头中成像得到的图像，其以帧的形式进行缓存。目标跟踪区域即为用户在相机的显示屏或监视屏上对图像帧划定的作为被拍摄物的目标区域。
例如，如图2所示，用户用手机进入相机功能，则手机摄像头开启，其光学对应的道路场景即通过手机摄像头的成像生成图像帧，并展示在手机的显示屏上，形成所见即所得的拍照体验。若用户希望对该道路场景中的某个行人进行对焦(即将该行人作为拍摄的焦点)，则可在显示屏上该行人的区域划定跟踪框(如图2中的矩形框)，将该行人作为目标在图像帧中框定，该划定的跟踪框即为初始的目标跟踪区域。
在上例中，在划定显示屏上的图像帧中的行人目标作为跟踪目标之后，由于行人处于运动状态，因此其与相机之间的距离处于变化状态，即时远时近。使用目标跟踪算法可跟踪目标的移动，当行人目标向镜头移动时，根据光学成像原理，如图3所示，则目标跟踪区域会伴随着行人目标向镜头的移动距离放大；当行人目标远离镜头时，根据光学成像原理，如图4所示，则目标跟踪区域会伴随着行人目标远离镜头的移动距离而缩小。因此初始的目标跟踪区域会在划定之后，伴随着跟踪目标在镜头轴线方向上的移动而产生大小的变化。
在本实施例中，可在利用目标跟踪算法进行目标跟踪时，周期性(例如30ms)地生成图像帧，显示在显示屏上即反映了跟踪目标的移动过程。优选的，目标跟踪算法可采用MeanShift跟踪算法、基于粒子群优化的跟踪算法、基于模板匹配的跟踪算法或TLD目标跟踪算法等。
步骤S104，计算目标跟踪区域的大小参数的变化值和对焦评价值的变化值。
目标跟踪区域的大小参数为表征目标跟踪区域大小的一维线性参数。如上例中，如果目标跟踪区域为跟踪框，则其大小参数可选用其长度或宽度的一维线性参数，若目标跟踪区域为圆形，则其大小参数可选用其半径或直径等一维线性参数，若目标跟踪区域为不规则图形，由于目标跟踪区域在图像帧中总是成等比放大或缩小，则可选用对角线，特定角度的连线长度等一维线性参数作为其大小参数。
如前所述，由于在进行目标跟踪时，会周期性地生成多幅反映目标位置的图像帧，因此可根据目标跟踪算法计算目标跟踪区域的大小参数及其变化值，即在生成图像帧时，获取到每幅图像帧中的目标跟踪区域的大小参数，再通过
得到每幅图像帧中目标跟踪区域的大小参数相对于上一帧图像中的目标跟踪区域的大小参数的变化值(dxcurrent和dxpre分别为当前帧图像和前一帧图像的大小参数)。
例如图3和图4反映了随着行人目标的移动连续生成两帧图像，则可统一以图像中的跟踪框的高度作为大小参数，将其相减，即可得到生成图4所示的图像帧时的目标跟踪区域的大小参数的变化值。
对焦评价值即为对焦过程中图像清晰度的一个评判值，对焦评价值在目标处于相机镜头的焦点位置时处于极值，此时相机镜头的成像最为清晰，而伴随着目标与相机镜头的焦点位置的距离的变化，对焦评价值也相应进行变化，从而反映了对焦过程中图像帧的清晰程度。
在本实施例中，通过对焦评价函数得到，例如，在生成图像帧时，可根据灰度梯度函数(灰度涨落变化函数、灰度绝对变化函数、拉普拉斯函数梯度函数等)、信息学函数、频域函数等对焦评价函数得到对焦评价值，再通过
得到每幅图像帧相对于上一帧图像的对焦评价值的变化值(fvcurrent和fvpre分别为当前帧图像和前一帧图像的对焦评价值)。
步骤S106，根据大小参数的变化值和对焦评价值的变化值计算马达转动步长。
数码相机对焦时可通过马达调节镜头的镜片组之间的距离，从而调节焦距。因此，相机镜头的焦距变化与马达的转动步长成比例关系。通过大小参数的变化值和对焦评价值的变化值确定马达的转动步长，即意味着对镜头的焦距进行了调节。
在本实施例中，可根据大小参数的变化值和对焦评价值的变化值的比例关系计算马达转动步长。例如，可根据公式：
计算马达转动步长；其中M为马达转动步长，为对焦评价值的变化值，为目标跟踪区域的大小参数的变化值，k为预设的系数，且马达转动步长M的方向分别对应近焦端和远焦端。也就是说，M为正或者负时，分别对应了近焦端和远焦端不同的移动方向，具体的对应关系则可根据k进行调整。
步骤S108，根据马达转动步长生成马达控制指令进行对焦。
计算得到马达转动步长后，即可调用相机镜头的马达的驱动程序，以该计算得到的马达转动步长为参数生成马达控制指令，相机镜头的马达装置在接收到该指令后，即可转动相应的步长完成对焦。
优选的，在对焦过程中，还可对焦距进行微调。具体的，在根据马达转动步长生成马达控制指令进行对焦的步骤之后还包括：跟踪判断对焦评价值是否达到过极值，若是，则生成继续移动-M/2步长的马达控制指令进行对焦微调。
例如，若将马达转动前述指定步长M后，重新计算得到的对焦评价值小于(在所选用的对焦评价函数使用的极值为最大值时的情况，若为使用极值为最小值则相反)移动之前的计算得到的对焦评价值，则表明在移动过程中对焦评价值经历过极值(由于前述步骤S106计算的马达转动步长总是使焦点向目标移动，对焦评价值总是向着极值变化，若发生对焦评价值不增反减，必然为马达转动步长过大导致焦点移动越过了目标，从而使得对焦评价值也相应的经历了极值)。此时，可通过转动马达-M/2步长(反向移动)进行微调。
需要说明的是，该微调的过程可重复执行，直至对焦评价值与极值的差值小于阈值。例如，若对焦前马达位置为S1，对焦后为S2，则微调会移动-M/2步长即移动了-(S2-S1)/2的步长，到达S3位置，若此过程中，仍然跟踪判断得到对焦评价值经历了极值，则可再次移动-M/2步长(此时M即为前次移动的-(S2-S1)/2的步长)，即移动到-(S3-S2)/2的步长，以此类推，直至对焦评价值与极值的差值小于阈值，从而完成对焦。
在本实施例中，对焦完成后，将焦点移至跟踪目标位置之后，还可对跟踪目标进行跟焦。具体为：
判断是否对焦成功，若是，则获取马达合焦点位置Sfocus和马达位置处于合焦点位置Sfocus时的目标跟踪区域的大小参数dxfocus；
所述方法还包括：
跟踪计算目标跟踪区域的大小参数dxtracking，根据公式：
计算马达的跟焦位置Stracking，根据跟焦位置Stracking生成马达控制指令，控制马达移动到跟焦位置Stracking。
如图5的光路图所示，在对焦成功后，焦距与目标跟踪区域的大小参数则成反比关系，因此根据该关系即可进行跟焦，而不用重复计算移动步长进行重复对焦。
在一个实施例中，如图6所示，一种跟踪对焦装置，包括目标跟踪模块102、参数计算模块104、转动步长计算模块106和马达控制模块108，其中：
目标跟踪模块102，用于跟踪目标依次获取图像帧，所述图像帧中包含目标跟踪区域。；
参数计算模块104，用于计算所述目标跟踪区域的大小参数的变化值和对焦评价值的变化值。
转动步长计算模块106，用于根据所述大小参数变化值和对焦评价值变化值计算马达转动步长。
马达控制模块108，用于根据所述马达转动步长生成马达控制指令进行对焦。
在本实施例中，参数计算模块104还用于根据目标跟踪算法计算目标跟踪区域的大小参数及其变化值；根据对焦评价函数计算图像帧的对焦评价值及其变化值。
在本实施例中，转动步长计算模块106还用于根据公式：
计算所述马达转动步长；其中M为马达转动步长，为对焦评价值的变化值，为目标跟踪区域的大小参数的变化值，k为预设的系数，且所述马达转动步长M的方向分别对应近焦端和远焦端。
在本实施例中，如图6所示，跟踪对焦装置还包括微调模块110，用于跟踪判断所述对焦评价值是否达到过极值，若是，则生成继续移动-M/2步长的马达控制指令进行对焦微调。
在本实施例中，如图6所示，跟踪对焦装置装置还包括跟焦模块112，用于判断是否对焦成功，若是，则获取马达合焦点位置Sfocus和马达位置处于合焦点位置Sfocus时的目标跟踪区域的大小参数dxfocus；
跟踪计算目标跟踪区域的大小参数dxtracking，根据公式：
计算马达的跟焦位置Stracking，根据跟焦位置Stracking生成马达控制指令，控制马达移动到跟焦位置Stracking。
综上所述，实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
上述跟踪对焦方法及装置在目标跟踪和对焦评价的基础上通过简单计算目标跟踪区域的大小参数及其变化值即完成了对焦，计算量小，反应灵敏，从而加快了对焦速度。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (19)
1.一种跟踪对焦方法，其特征在于，包括：
跟踪目标依次获取图像帧，所述图像帧中包含目标跟踪区域；
计算所述目标跟踪区域的大小参数的变化值和对焦评价值的变化值；
根据所述大小参数变化值和对焦评价值变化值计算马达转动步长；
根据所述马达转动步长生成马达控制指令进行对焦；
其中，根据所述大小参数变化值和对焦评价值变化值计算马达转动步长具体包括：根据所述焦评价值的变化值与所述大小参数的变化值的比值计算马达转动步长。
2.根据权利要求1所述的跟踪对焦方法，其特征在于，所述目标跟踪区域的大小参数为表征目标跟踪区域大小的一维线性参数。
3.根据权利要求1所述的跟踪对焦方法，其特征在于，所述计算所述目标跟踪区域的大小参数的变化值和对焦评价值的变化值的步骤为：
根据目标跟踪算法计算目标跟踪区域的大小参数及其变化值；
根据对焦评价函数计算图像帧的对焦评价值及其变化值。
4.根据权利要求2所述的跟踪对焦方法，其特征在于，所述计算所述目标跟踪区域的大小参数的变化值和对焦评价值的变化值的步骤为：
根据目标跟踪算法计算目标跟踪区域的大小参数及其变化值；
根据对焦评价函数计算图像帧的对焦评价值及其变化值。
5.根据权利要求1至4任一项所述的跟踪对焦方法，其特征在于，所述方法运用于计算机系统，其中，所述计算机系统为数码相机、带有相机功能的移动设备、或带有可变焦摄像头的监视器或监控设备；
所述根据所述焦评价值的变化值与所述大小参数的变化值的比值计算马达转动步长的步骤为：
根据公式：
计算所述马达转动步长；其中M为马达转动步长，为对焦评价值的变化值，为目标跟踪区域的大小参数的变化值，k为预设的系数，且所述马达转动步长M的方向分别对应近焦端和远焦端。
6.根据权利要求5所述的跟踪对焦方法，其特征在于，所述根据所述马达转动步长生成马达控制指令进行对焦的步骤之后还包括：
跟踪判断所述对焦评价值是否达到过极值，若是，则生成继续移动-M/2步长的马达控制指令进行对焦微调。
7.根据权利要求1至4任一项所述的跟踪对焦方法，其特征在于，所述根据所述马达转动步长生成马达控制指令进行对焦的步骤之后还包括：
判断是否对焦成功，若是，则获取马达合焦点位置Sfocus和马达位置处于合焦点位置Sfocus时的目标跟踪区域的大小参数dxfocus；
所述方法还包括：
跟踪计算目标跟踪区域的大小参数dxtracking，根据公式：
计算马达的跟焦位置Stracking，根据跟焦位置Stracking生成马达控制指令，控制马达移动到跟焦位置Stracking。
8.根据权利要求5所述的跟踪对焦方法，其特征在于，所述根据所述马达转动步长生成马达控制指令进行对焦的步骤之后还包括：
判断是否对焦成功，若是，则获取马达合焦点位置Sfocus和马达位置处于合焦点位置Sfocus时的目标跟踪区域的大小参数dxfocus；
所述方法还包括：
跟踪计算目标跟踪区域的大小参数dxtracking，根据公式：
计算马达的跟焦位置Stracking，根据跟焦位置Stracking生成马达控制指令，控制马达移动到跟焦位置Stracking。
9.根据权利要求6所述的跟踪对焦方法，其特征在于，所述根据所述马达转动步长生成马达控制指令进行对焦的步骤之后还包括：
判断是否对焦成功，若是，则获取马达合焦点位置Sfocus和马达位置处于合焦点位置Sfocus时的目标跟踪区域的大小参数dxfocus；
所述方法还包括：
跟踪计算目标跟踪区域的大小参数dxtracking，根据公式：
计算马达的跟焦位置Stracking，根据跟焦位置Stracking生成马达控制指令，控制马达移动到跟焦位置Stracking。
10.一种跟踪对焦装置，其特征在于，包括：
目标跟踪模块，用于跟踪目标依次获取图像帧，所述图像帧中包含目标跟踪区域；
参数计算模块，用于计算所述目标跟踪区域的大小参数的变化值和对焦评价值的变化值；
转动步长计算模块，用于根据所述大小参数变化值和对焦评价值变化值计算马达转动步长，包括：根据所述焦评价值的变化值与所述大小参数的变化值的比值计算马达转动步长；
马达控制模块，用于根据所述马达转动步长生成马达控制指令进行对焦。
11.根据权利要求10所述的跟踪对焦装置，其特征在于，所述目标跟踪区域的大小参数为表征目标跟踪区域大小的一维线性参数。
12.根据权利要求10所述的跟踪对焦装置，其特征在于，所述参数计算模块还用于根据目标跟踪算法计算目标跟踪区域的大小参数及其变化值；根据对焦评价函数计算图像帧的对焦评价值及其变化值。
13.根据权利要求11所述的跟踪对焦装置，其特征在于，所述参数计算模块还用于根据目标跟踪算法计算目标跟踪区域的大小参数及其变化值；根据对焦评价函数计算图像帧的对焦评价值及其变化值。
14.根据权利要求10至13任一项所述的跟踪对焦装置，其特征在于，所述装置运用于计算机系统，其中，所述计算机系统为数码相机、带有相机功能的移动设备、或带有可变焦摄像头的监视器或监控设备；所述转动步长计算模块还用于根据公式：
计算所述马达转动步长；其中M为马达转动步长，为对焦评价值的变化值，为目标跟踪区域的大小参数的变化值，k为预设的系数，且所述马达转动步长M的方向分别对应近焦端和远焦端。
15.根据权利要求14所述的跟踪对焦装置，其特征在于，所述装置还包括微调模块用于跟踪判断所述对焦评价值是否达到过极值，若是，则生成继续移动-M/2步长的马达控制指令进行对焦微调。
16.根据权利要求10至13任一项所述的跟踪对焦装置，其特征在于，所述装置还包括跟焦模块，用于判断是否对焦成功，若是，则获取马达合焦点位置Sfocus和马达位置处于合焦点位置Sfocus时的目标跟踪区域的大小参数dxfocus；
跟踪计算目标跟踪区域的大小参数dxtracking，根据公式：
计算马达的跟焦位置Stracking，根据跟焦位置Stracking生成马达控制指令，控制马达移动到跟焦位置Stracking。
17.根据权利要求14所述的跟踪对焦装置，其特征在于，所述装置还包括跟焦模块，用于判断是否对焦成功，若是，则获取马达合焦点位置Sfocus和马达位置处于合焦点位置Sfocus时的目标跟踪区域的大小参数dxfocus；
跟踪计算目标跟踪区域的大小参数dxtracking，根据公式：
计算马达的跟焦位置Stracking，根据跟焦位置Stracking生成马达控制指令，控制马达移动到跟焦位置Stracking。
18.根据权利要求15所述的跟踪对焦装置，其特征在于，所述装置还包括跟焦模块，用于判断是否对焦成功，若是，则获取马达合焦点位置Sfocus和马达位置处于合焦点位置Sfocus时的目标跟踪区域的大小参数dxfocus；
跟踪计算目标跟踪区域的大小参数dxtracking，根据公式：
计算马达的跟焦位置Stracking，根据跟焦位置Stracking生成马达控制指令，控制马达移动到跟焦位置Stracking。
19.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序包含的指令被处理器执行时，执行权利要求1至9任意一项所述的方法。
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