CN107656354A - 一种基于超焦距光电跟踪仪的自动聚焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于一种基于超焦距光电跟踪仪的自动聚焦方法。本方法由光电跟踪仪根据雷达信号给出的需要成像的物体的距离，计算需要成像物体的距离下需要的焦距大小，结合跟踪仪当前的焦距和电机位置，计算电机到达所需位置需要的时间，然后驱动电机到需要成像的焦距下最清晰的超焦距位置，完成聚焦过程。本方法采用的是超焦距的自动聚焦方法，本方法与环境几乎无关，消除了光照和亮度等外界环境的影响，具有较强鲁棒性。本方法采用的是直流电机，算法实时性强，能够实现“接收即到”的效果，几乎没有什么延迟，不会出现聚焦时图像清晰到模糊来回震荡多次的情况。

Description

一种基于超焦距光电跟踪仪的自动聚焦方法

技术领域

本发明涉及数字图像处理领域，尤其适用于一种基于超焦距光电跟踪仪的自动聚焦方法。

背景技术

光电跟踪仪是一套多传感器、高精度、自动化程度高的综合性光电测量设备。它是利用可见光摄像机、红外摄像机等光电传感器在雷达和跟踪器的带动下实现对目标的探索和跟踪，并完成对目标参数的测量。清晰的图像是光电测量设备实现目标弹道、飞行姿态以及实况景象的测量与记录的重要保障。然而在使用过程中，光电测量设备与目标的相对距离的不断发生变化,导致目标离焦,使目标成像模糊。离焦是光电测量设备在靶场测量中无法避免的问题,严重影响了图像信息的提取与分析,导致目标弹道与飞行状态测量的精度严重降低。因此,对光电测量设备进行自动聚焦使目标清晰成像,对提高光电测量设备的性能至关重要。传统的光电测量设备调焦方法通常是对目标进行测距并根据距离信息进行聚焦或根据人眼观察进行手动聚焦,聚焦精度低,且对设备硬件平台要求较高,成本较大。因此,光电测量设备的自动聚焦是靶场及目标测量中亟待解决的问题。

目前：自动聚焦算法主要有以下几种：（1）主动式有源方式，也叫主动方式，他是利用相机发射红外线超声波等测距信号对被摄目标进行扫描，再由光电元件接受反射回相机的红外线、超声波并转换为电信号来测量距离并停在正确的聚焦位置上，从而完成镜头对焦工作。这种方法的优点是受环境影响较小，在任何光照条件下均能正常工作，但该方法有效聚焦较短，且当遇到一些红外反射率较小的目标或者目标对红外线吸收作用较强的情况下，光束将不能返回摄像机，导致测距不准，进而聚焦失败。这种方法需要红外线发射装置或超声波装置，使用时需要在系统上添加硬件，增加了设备的复杂程度和费用。（2）被动式无源方式，是利用成像设备本身的图像处理系统，首先接受来自被摄目标的光线，在摄取的图像中提取图像特征，依次来调整焦点。该方法聚焦精度高，但是在被摄目标光线偏暗或亮度对比度较低的情况下，其检测和分辨能力会大大降低，从而造成聚焦的误差，使得应用范围受到一定的限制。

在此背景下，在主动式有源方式的基础之上，研究光电跟踪仪本身的机电特性，在根据雷达给出目标距离的基础之上，结合跟踪仪实时输出直流电机的位置，提出一种利用超焦距的自动聚焦方法，该方法不但节约了设备成本，忽略光被吸收的问题，而且克服了被动式无源方式自动聚焦的缺点，具有聚焦准确、实时性高、适用性广的特性。

发明内容

1、所要解决的技术问题：

基于现有技术，本发明在充分研究光电跟踪仪各项技术特性，提供一种全新的自动聚焦方法，该方法根据光电跟踪仪由雷达信号给出的待测物体的距离，计算当前距离下需要的焦距大小，结合跟踪仪当前的焦距和电机位置，驱动电机到所需要的焦距下最清晰的超焦距位置，完成聚焦。本发明也可以通过手动变焦，然后采取同样的超焦距方法完成自动聚焦。

2、技术方案：

一种基于超焦距光电跟踪仪的自动聚焦方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：光电跟踪仪接收雷达给出的待测物体与光电跟踪仪的距离为D，根据距离D的范围计算出此时待测物体在跟踪仪镜头成像时需要的视场角fov2和需要的焦距f2。

步骤二：根据步骤一计算出的数据，计算出待测物体在光电跟踪仪中成像时的超焦距点，所述超焦距点即为在视场角fov2时图像最清晰的超焦距电机位置p2；同时根据焦距f2计算fov2视场角下的超焦距S。

步骤三：读取光电跟踪仪当前焦距f1、当前视场角fov1和当前焦距下电机位置p1。

步骤四：调节光电跟踪仪的视场角，使其变焦到fov2；计算电机当前的位置p1到图像最清晰的超焦距电机位置p2的距离；然后采用逐次逼近的算法计算出电机从当前的位置p1到最清晰的超焦距电机位置p2时所需要的时间；同时驱动直流电机移动到图像最清晰的超焦距电机位置p2；

步骤五：读取直流电机调整后的位置p3，对电机是否处于图像最清晰的超焦距电机位置p2进行确认，包括以下步骤：

A、若电机调整后的位置p3与图像最清晰的超焦距电机位置p2的距离小于或等于预设阈值，且移动后的视场角大于等于1.9度时，电机停止，聚焦结束，此时所述预设阈值为200，即当前电机位置p3在[p2-200， p2+200]范围之内。

B、若电机调整后的位置p3与图像最清晰的超焦距电机位置p2的距离绝对值小于或等于预设阈值且当视场角fov2小于1.9度时，即检测到电机运动到超焦距附近位置时，根据图像清晰度评价函数，找到实时图像清晰度函数值最大值的位置，驱动电机到最大值位置，完成聚焦。

C、若电机调整后的位置p3和图像最清晰的超焦距位置p2之差绝对值大于200时，且电机时间大于5s时，电机停止，聚焦结束；若时间小于5s时，实时读取电机位置，继续采用逐次逼近的算法计算出电机从调整后的位置p3到图像最清晰的超焦距电机位置p2时所需要的时间；同时驱动电机到位置p2，完成聚焦。

进一步地，所述步骤二中计算直流电机在该视场角下图像最清晰时的超焦距电机位置的计算过程为：S21：将需要的焦距f2带入到超焦距计算公式为：

S=f*f/(c*F) （1）

其中：S为超焦距，单位：米；f为镜头焦距，单位：毫米；c为弥散圆直径，一般取0.029，F为光圈；在所述超焦距下，从S/2点到无穷远处图像均为清晰；

S22：超焦距最清晰电机位置与视场角对应关系为：Y=2232X+9300

其中：Y为在超焦距下图像最清晰时电机位置p2，X为视场角。

进一步地，所述步骤一中根据物体与光电跟踪仪的距离为D计算出跟踪仪镜头成像需要的视场角fov2和需要的焦距f2的过程为：

当距离D≥10km 时，视场角fov2为0.55度，焦距f2为500mm；

当距离D为10km＞D≥5km时，视场角fov2为1.1度，焦距f2为250mm；

当距离D为5km＞D≥3km，视场角fov2为2.2度，焦距f2为125mm；

当距离D为3km＞D≥2km，视场角fov2为4.4度，焦距f2为63mm；

当距离D为2km＞D≥1km，视场角fov2为8.8度，焦距f2为31mm；

当距离D为D＜1km ，视场角fov2为17.6度，焦距f2为16mm。

进一步地，在步骤四中的B中，所述找到实时图像清晰度函数值由FPGA实现。

3、有益效果：

（1）本发明采用的是超焦距的自动聚焦方法，本方法与环境几乎无关，消除了光照和亮度等外界环境的影响，具有较强鲁棒性。

（2）本发明由于采用的是直流电机，算法实时性强，能够实现“接收即到”的效果，几乎没有什么延迟，不会出现聚焦时图像清晰到模糊来回震荡多次的情况。

（3）本发明采用超焦距的聚焦方法，大大增加了有效聚焦距离，可以进行32x以及更大情况下的变焦下聚焦。

（4）本发明由于充分采用系统本身的硬件部分，所以大大降低了硬件成本，特别适用于工业应用。

附图说明

图1本发明的流程图；

图2为本发明中位置差与电机运行时间关系表；

图3为本发明中根据图像清晰度评价函数，找到实时图像清晰度函数值最大值的位置的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的说明：

如附图1所示，本方法由光电跟踪仪根据雷达信号给出的需要成像的物体的距离，计算需要成像物体的距离下需要的焦距大小，结合跟踪仪当前的焦距和电机位置，计算电机到达所需位置需要的时间，然后驱动电机到需要成像的焦距下最清晰的超焦距位置，完成聚焦过程。具体包括以下的步骤：

步骤一：光电跟踪仪接收雷达给出的待测物体与光电跟踪仪的距离为D，根据距离D的范围计算出此时待测物体在跟踪仪镜头成像时需要的视场角fov2和需要的焦距f2。这个计算过程可以简化为：

当距离D≥10km 时， 视场角fov2为0.55度，焦距f2为500mm；

当距离D为10km＞D≥5km时， 视场角fov2为1.1度， 焦距f2为250mm；

当距离D为5km＞D≥3km， 视场角fov2为2.2度， 焦距f2为125mm；

当距离D为3km＞D≥2km， 视场角fov2为4.4度， 焦距f2为63mm；

当距离D为2km＞D≥1km， 视场角fov2为8.8度， 焦距f2为31mm；

当距离D为D＜1km ， 视场角fov2为17.6度，焦距f2为16mm。

由上可以看出本方法仅需要通过测量物体到光电跟踪仪的距离D，即可快速地得到此时在跟踪仪镜头成像需要的视场角fov2和需要的焦距f2。

步骤二：根据步骤一计算出的数据，计算出待测物体在光电跟踪仪中成像时的超焦距点，所述超焦距点即为在视场角fov2时图像最清晰的超焦距电机位置p2；同时根据焦距f2计算fov2视场角下的超焦距S。其具体过程为：

S21：将需要的焦距f2带入到超焦距计算公式为S=f*f/(c*F) （1）

其中：S为超焦距，单位：米；f为镜头焦距，单位：毫米；c为弥散圆直径，一般取0.029，F为光圈；在该超焦距下，从S/2点到无穷远处图像均为清晰。

S22：超焦距最清晰电机位置与视场角对应关系为：Y=2232X+9300 其中Y为在超焦距下图像最清晰时电机位置p2，X为视场角。

步骤三：读取光电跟踪仪当前焦距f1、当前视场角fov1和当前焦距下电机位置p1。

步骤四：调节光电跟踪仪的视场角，使其变焦到fov2；计算电机当前的位置p1到图像最清晰的超焦距电机位置p2的距离；然后采用逐次逼近的算法计算出电机从当前的位置p1到最清晰的超焦距电机位置p2时所需要的时间；同时驱动直流电机移动到图像最清晰的超焦距电机位置p2。由于光电跟踪仪的电机为直流电机，没有固定“步长”，因此在本方法中采用逐次逼近的算法来完成，即利用当前焦距下电机位置和超焦距电机位置差的大小来确定电机运行时间。具体的数据如图2所示，图中位置差diff为电机当前的位置p1和图像最清晰的超焦距电机位置p2差。利用附图2中的数据循环来完成需要到达的电机位置。

步骤五：读取直流电机调整后的位置p3，对电机是否处于图像最清晰的超焦距电机位置p2进行确认，包括以下步骤A步骤B与步骤C。

步骤A、若电机调整后的位置p3与图像最清晰的超焦距电机位置p2的距离小于或等于预设阈值，且移动后的视场角大于等于1.9度时，电机停止，聚焦结束，此时所述预设阈值为200，即当前电机位置p3在[p2-200， p2+200]范围之内。

步骤B、若电机调整后的位置p3与图像最清晰的超焦距电机位置p2的距离绝对值小于或等于预设阈值且当视场角fov2小于1.9度时，即检测到电机运动到超焦距附近位置时，根据图像清晰度评价函数，找到实时图像清晰度函数值最大值的位置，驱动电机到最大值位置，完成聚焦。此时利用FPGA实现找到图像清晰度函数值最大值的过程如图3所示的流程图，具体过程主要包括利用Sobel水平和垂直算子对图像进行相关（比如：对应位置乘积的累加）操作，进行边缘检测，确定梯度；然后对图像进行分块（通常分为8*8）；在分块的基础上进行每个区域的横向和纵向清晰度进行统计。然后计算总的图像清晰度，完成自动聚焦前端的找到图像清晰度函数值最大值的统计工作。

上述采用的Sobel为：Sobel水平算子：[-1,-2,-1;0,0,0;1,2,1]，Sobel垂直算子：[-1,0,1;-2,0,2;-1,0,1]

图像清晰度计算公式为： sum=sum（x）+sum（y）

其中sum为总的图像清晰度，sum（x）为横向总的清晰度，sum（y）为纵向总的清晰度。在得出图像总清晰度值后，由于此时电机位置已在图像最清晰的超焦距位置p2附近位置，因此，只需要在该点左右各一帧内进行搜索并实时对图像清晰度函数值进行统计，得到最大值后，驱动电机到此位置，即可完成聚焦。若在此范围内超过10次，仍没有找到最大值，说明超焦距点是最清晰的，所以返回超焦距位置。

步骤C、若电机调整后的位置p3和图像最清晰的超焦距位置p2之差绝对值大于200时，且电机时间大于5s时，电机停止，聚焦结束；若时间小于5s时，实时读取电机位置，继续采用逐次逼近的算法计算出电机从调整后的位置p3到图像最清晰的超焦距电机位置p2时所需要的时间；同时驱动电机到位置p2，完成聚焦。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。

Claims (4)

1.一种基于超焦距光电跟踪仪的自动聚焦方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：光电跟踪仪接收雷达给出的待测物体与光电跟踪仪的距离为D，根据距离D的范围计算出此时待测物体在跟踪仪镜头成像时需要的视场角fov2和需要的焦距f2；

步骤二：根据步骤一计算出的数据，计算出待测物体在光电跟踪仪中成像时的超焦距点，所述超焦距点即为在视场角fov2时图像最清晰的超焦距电机位置p2；同时根据焦距f2计算fov2视场角下的超焦距S；

步骤三：读取光电跟踪仪当前焦距f1、当前视场角fov1和当前焦距下电机位置p1；

步骤四：调节光电跟踪仪的视场角，使其变焦到fov2；计算电机当前的位置p1到图像最清晰的超焦距电机位置p2的距离；然后采用逐次逼近的算法计算出电机从当前的位置p1到最清晰的超焦距电机位置p2时所需要的时间；同时驱动直流电机移动到图像最清晰的超焦距电机位置p2；

步骤五：读取直流电机调整后的位置p3，对电机是否处于图像最清晰的超焦距电机位置p2进行确认，包括以下步骤：

A、若电机调整后的位置p3与图像最清晰的超焦距电机位置p2的距离小于或等于预设阈值，且移动后的视场角大于等于1.9度时，电机停止，聚焦结束，此时所述预设阈值为200，即当前电机位置p3在[p2-200， p2+200]范围之内；

B、若电机调整后的位置p3与图像最清晰的超焦距电机位置p2的距离绝对值小于或等于预设阈值且当视场角fov2小于1.9度时，即检测到电机运动到超焦距附近位置时，根据图像清晰度评价函数，找到实时图像清晰度函数值最大值的位置，驱动电机到最大值位置，完成聚焦；

C、若电机调整后的位置p3和图像最清晰的超焦距位置p2之差绝对值大于200时，且电机时间大于5s时，电机停止，聚焦结束；若时间小于5s时，实时读取电机位置，继续采用逐次逼近的算法计算出电机从调整后的位置p3到图像最清晰的超焦距电机位置p2时所需要的时间；同时驱动电机到位置p2，完成聚焦。

2.根据权利要求1所述的一种基于超焦距光电跟踪仪的自动聚焦方法，其特征在于:所述步骤二中计算直流电机在该视场角下图像最清晰时的超焦距电机位置的计算过程为：

S21：将需要的焦距f2带入到超焦距计算公式：

即S=f*f/(c*F) （1）

其中：S为超焦距，单位：米；f为镜头焦距，单位：毫米；c为弥散圆直径，一般取0.029；F为光圈；在超焦距下，从S/2点到无穷远处图像均为清晰；

S22：在超焦距S下图像最清晰电机位置与视场角对应关系为：Y=2232X+9300

其中：Y为在超焦距下图像最清晰时电机位置p2，X为视场角。

3.根据权利要求1所述的一种基于超焦距光电跟踪仪的自动聚焦方法，其特征在于:所述步骤一中根据待测物体与光电跟踪仪的距离为D计算出跟踪仪镜头成像需要的视场角fov2和需要的焦距f2的过程为：

当距离D≥10km 时，视场角fov2为0.55度，焦距f2为500mm；

当距离D为10km＞D≥5km时，视场角fov2为1.1度，焦距f2为250mm；

当距离D为5km＞D≥3km，视场角fov2为2.2度，焦距f2为125mm；

当距离D为3km＞D≥2km，视场角fov2为4.4度，焦距f2为63mm；

当距离D为2km＞D≥1km，视场角fov2为8.8度，焦距f2为31mm；

当距离D为D＜1km ，视场角fov2为17.6度，焦距f2为16mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于超焦距光电跟踪仪的自动聚焦方法，其特征在于:在步骤四中的B中，所述找到实时图像清晰度函数值由FPGA实现。