CN108156371B - 一种红外自动对焦快速搜索方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于红外探测成像技术领域，具体涉及一种红外自动对焦快速搜索方法。针对连续变焦红外热像仪参数，采用相邻像素灰度方差法作为红外图像清晰度评价函数，实现对每帧红外图像的无延迟高速计算；对红外图像清晰度评价函数值进行滤波处理；设定快速实焦搜索策略参数，包括给定初始搜索方向，并采取粗细结合的快速爬山搜索策略；连续变焦红外热像仪具备自动对焦功能，当收到自动对焦指令时，自动完成清晰度评价函数计算，控制运动机构以合理的方向、速度及精度带动镜组运动，驱动实焦搜索流程，最终达到对当前成像目标实焦成像的效果。本发明可以实现红外成像探测设备在无人工干预情况下的自动对焦，并在保证对焦成功率的前提下提高对焦速度。

Description

一种红外自动对焦快速搜索方法

技术领域

本发明属于红外探测成像技术领域，具体涉及一种红外自动对焦快速搜索方法。

背景技术

红外成像技术是将目标视场内各物体表面因温度或发射率不同而产生的红外辐射差异转化为可见图像的技术。对目标的探测依赖于对其准确聚焦得到清晰图像。传统的手动调焦方法，具有操作繁琐，主观性强的缺点。自动对焦技术是成像系统的一项专用技术，用于在无人工干预的条件下，调焦组件根据目标景物的特性进行自动补偿，实现清晰图像的过程，该技术已在可见光系统中广泛使用。由于红外波段波长较长，红外光学系统设计复杂，控制精度要求高。受到现有技术和工艺条件的制约，红外探测器的像元较少、均匀性差、像元间存在串音、景物边缘粗糙等综合因素的影响，传统的自动调焦技术不可能直接应用于红外系统。目前，业内对红外自动对焦方法提出了需求，主要技术目标是实现快速、准确的对目标自动对焦，以应用在各类探测、侦察应用场景中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种红外自动对焦快速搜索方法，实现红外成像探测设备在无人工干预情况下的自动对焦，并在保证对焦成功率的前提下提高对焦速度。

为达到上述目的，本发明所采取了以下技术方案：

一种红外自动对焦快速搜索方法，包括以下步骤：

步骤一：针对连续变焦红外热像仪参数，采用相邻像素灰度方差法作为红外图像清晰度评价函数，实现对每帧红外图像的无延迟高速计算；

步骤二：对实时计算的红外图像清晰度评价函数值进行滤波处理；

步骤三：设定快速实焦搜索策略参数，包括给定初始搜索方向，并采取粗细结合的快速爬山搜索策略；

步骤四：连续变焦红外热像仪具备自动对焦功能，当收到自动对焦指令时，自动完成清晰度评价函数计算，控制运动机构以合理的方向、速度及精度带动镜组运动，驱动实焦搜索流程，最终达到对当前成像目标实焦成像的效果。

所述的步骤一中，相邻像素灰度方差法具体如下：选取3×3的拉普拉斯像素模板为评价算子，分别计算中心像素值和所有相邻的8个像素的差值的平方和；针对640×512分辨率成像系统，选择中心220×170像素区域作为计算模板，利用FPGA的高速并行运算能力，在延迟小于三行像素输出周期的情况下完成针对每个待计算像素的评价值计算。

所述的步骤二中采用中值滤波方式。

所述的步骤三中，粗细结合的快速爬山搜索策略如下：算法维护一个长度自定义的清晰度评价函数数组，新计算的清晰评价函数位于数组队尾，先进先出；先控制电机以大步距步进，且移动范围较大，当实时计算得到的清晰度评价函数数组持续减小时，认为移动方向错误，控制电机反向运动；当判断数组数据增大后又持续减少时，返回上一位置，这时认为找到粗调正焦面；接着电机在粗调焦平面处以小于半倍焦深的小步长步进，重复上述过程，直至找到精确正焦面；在全部移动过程中，记录数组极大值，与最后搜索得到的正焦面评价函数值对比，作为评价正焦面是否实焦的判据。

所述的步骤三中还设计了自动对焦过程的机械故障屏蔽程序，当自动对焦算法无法有效寻找到评价函数极大值点，存在碰撞补偿组运动极限边界的情况，导致当前场景无法实焦对准时，将最终停止在对无穷远成像实焦位置。

所述的步骤四中镜组运动控制如下：利用温度传感器感应当前环境温度，通过温度判据，设定高温、低温、常温三种运动情景，每种场景下采取不同运动参数；同时在粗细结合的快速爬山搜索策略下分别采用不同运动参数。

本发明所取得的有益效果为：

(1)本发明使连续变焦的红外探测系统可实现针对目标和背景变换，或热像仪本身使用环境变化，导致对当前目标虚焦的情况下，在无需人工参与的情况下实现自动对焦。

(2)由于本发明提出的自动对焦算法基于FPGA硬件逻辑实现，搜素算法具有快速收敛等特点，因此本发明使自动对焦速度大幅提升，可应用在各类对实时性要求较高的场合。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明的技术方案包括三部分：(1)红外图像清晰度评价函数计算。基于FPGA搭建了SOPC的红外图像处理器，采用高性能清晰度评价函数，实现对每帧红外图像的无延迟高速计算。(2)快速实焦搜索。设计粗调细调结合的快速爬山实焦搜索方法，并在基于SOPC的处理器中，完成与图像处理计算的协作耦合设计。(3)镜组运动控制。在基于双步进电机实现的变焦系统中，兼顾稳定性和移动速度，实现补偿组运动细分和运动设计。

本发明所述红外自动对焦快速搜索方法包括以下步骤：

(1)红外图像清晰度评价函数计算

评价函数是自动调焦算法的关键，它的选择直接影响到调焦精度甚至自动调焦能否实现。部分研究尝试将传统的自动对焦算法应用于红外图像，如灰度变化函数、梯度变化函数等。然而实验结果表明，这些传统自动对焦算法的精确度和稳定性尚有不足。

理想调焦评价函数应具有单峰性、无偏性、高灵敏度和计算量小等特点。调焦评价函数主要分为空域类、频域类、信息学类和统计学类，其中后三类调焦评价函数对其调焦过程的环境稳定性要求较高，不适用于常用变焦系统，

综合以上考虑，本发明采用了相邻像素灰度方差法SMD(sum modulusdifference)作为空域调焦评价函数。该方法计算量较小，并且在合理选取计算模板的情况下可以保证对焦的准确性。为了不丢失相邻像素之间的差值信息，本发明选取3×3的拉普拉斯像素模板为评价算子，分别计算中心像素值和所有相邻的8个像素的差值的平方和。针对本发明设计的640×512分辨率成像系统，选择中心220×170像素区域作为计算模板，利用FPGA的高速并行运算能力，在延迟小于三行像素输出周期的情况下完成针对每个待计算像素的评价值计算。

(2)快速实焦搜索

首先，对实时计算的红外图像清晰度评价函数值进行滤波处理。红外成像过程中，机械振动、光学畸变和各类电子学噪声带来了图像的不稳定性。在画面不稳定时，计算得到的清晰度评价函数存在一定程度的波动，本发明采用中值滤波方式，对随时间变化的评价函数曲线进行平滑处理，防止由于画面不稳定性带来的实焦搜索误判和漏判。

其次，给定初始搜索方向。通过分析连续变焦红外成像系统使用实际情况，给定准确的初始搜索方向，可减少搜索轮次，提高搜索速度。由于连续变焦过程中，双步进电机驱动变倍组补偿组按照光学设计曲线行进，保持预先设计的相对位置，在此相对位置下，理论上光学系统对无穷远成实像。实际使用过程中，大多是自动对焦使用场景下，是从对无穷远成实像切换为对较近目标成实像。根据光学设计分析，此时补偿组需移动的方向是固定的。因此，本发明给定了初始搜索方向，从概率角度讲，保证多数情况下，初始搜索方向满足实际使用需求。同时保证了在初始移动方向不符合实际使用情况时，仍可准确搜索到实焦位置。

之后，本发明设计粗细结合的快速爬山搜索策略。算法维护一个长度自定义的清晰度评价函数数组，新计算的清晰评价函数位于数组队尾，先进先出。先控制电机先以大步距步进，且移动范围较大，当实时计算得到的清晰度评价函数数组持续减小时，认为移动方向错误，控制电机反向运动。当判断数组数据增大后又持续减少时，返回上一位置，这时认为找到粗调正焦面；接着电机在粗调焦平面处以小步长步进(该小步长应小于半倍焦深)，重复上述过程，直至找到精确正焦面。在全部移动过程中，记录数组极大值，与最后搜索得到的正焦面评价函数值对比，作为评价正焦面是否实焦的判据。

最后，本发明设计了自动对焦过程的机械故障屏蔽程序。在自动对焦控制过程中，系统同时有可能在实际控制指令下，进行变倍、调焦等操作。而且，即使仅进行自动对焦运动，在目标不在系统极限实焦景深范围内，或者成像背景过于单一时，导致自动对焦算法无法有效寻找到评价函数极大值点，因而存在碰撞补偿组运动极限边界的情况。本发明分析了各类机械故障可能，在程序上加以保护，在当前场景无法实焦对准时，将最终停止在对无穷远成像实焦位置。

(3)镜组运动控制。

本发明中，自动对焦全过程的镜组运动控制，采取了温度感知结合粗细搜索策略，来调节运动细分及运动速度的方式。具体实现方式是，利用温度传感器感应当前环境温度，通过温度判据，设定高温、低温、常温三种运动情景，每种场景下采取不同运动参数。同时在快速爬山搜索的粗细搜索策略下，分别采用不同运动参数。这样的设计可提高自动对焦的实时性和抗干扰性。

1.实施条件

本发明提出方法的实施背景是，连续变焦红外热像仪对目标和场景成像时，存在不实焦情况时。

本发明所提出方法的实施软硬件环境是：连续变焦红外热像仪、通信控制接口、必要的FPGA开发软硬件环境。

2.实施步骤

步骤1：针对连续变焦红外热像仪系统参数，包括成像分辨率、帧频等，设定自动对焦清晰度评价函数的计算参数，并编写图像处理程序，加入红外热像仪处理器主程序流程，并完成烧写。

步骤2：针对光学设计曲线参数，和实际运动驱动组件情况，设定快速实焦搜索策略参数，包括运动初始方向，碰撞保护参数，初始运动步长步速，粗调细调运动参数等，形成稳定的快速搜索程序模块并完成烧写。

步骤3：根据连续变焦系统运动控制方式和电机参数，设计镜组运动参数，将参数固化入电机控制程序并完成烧写。

步骤4：连续变焦热像仪具备自动对焦功能，当通过通信控制接口，收到自动对焦指令时，系统自动完成清晰度评价计算，控制运动机构以合理的方向、速度及精度带动镜组运动，驱动实焦搜索流程，并最终达到对当前成像目标实焦成像的效果。

Claims (4)

1.一种红外自动对焦快速搜索方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：针对连续变焦红外热像仪参数，采用相邻像素灰度方差法作为红外图像清晰度评价函数，实现对每帧红外图像的无延迟高速计算；

步骤二：对实时计算的红外图像清晰度评价函数值进行滤波处理；

步骤三：设定快速实焦搜索策略参数，包括给定初始搜索方向，并采取粗细结合的快速爬山搜索策略；

步骤四：连续变焦红外热像仪具备自动对焦功能，当收到自动对焦指令时，自动完成清晰度评价函数计算，控制运动机构以合理的方向、速度及精度带动镜组运动，驱动实焦搜索流程，最终达到对当前成像目标实焦成像的效果；

所述的步骤三中，粗细结合的快速爬山搜索策略如下：算法维护一个长度自定义的清晰度评价函数数组，新计算的清晰评价函数位于数组队尾，先进先出；先控制电机以大步距步进，且移动范围较大，当实时计算得到的清晰度评价函数数组持续减小时，认为移动方向错误，控制电机反向运动；当判断数组数据增大后又持续减少时，返回上一位置，这时认为找到粗调正焦面；接着电机在粗调焦平面处以小于半倍焦深的小步长步进，重复上述过程，直至找到精确正焦面；在全部移动过程中，记录数组极大值，与最后搜索得到的正焦面评价函数值对比，作为评价正焦面是否实焦的判据；

所述的步骤四中镜组运动控制如下：利用温度传感器感应当前环境温度，通过温度判据，设定高温、低温、常温三种运动情景，每种场景下采取不同运动参数；同时在粗细结合的快速爬山搜索策略下分别采用不同运动参数。

2.根据权利要求1所述的红外自动对焦快速搜索方法，其特征在于：所述的步骤一中，相邻像素灰度方差法具体如下：选取3×3的拉普拉斯像素模板为评价算子，分别计算中心像素值和所有相邻的8个像素的差值的平方和；针对640×512分辨率成像系统，选择中心220×170像素区域作为计算模板，利用FPGA的高速并行运算能力，在延迟小于三行像素输出周期的情况下完成针对每个待计算像素的评价值计算。

3.根据权利要求1所述的红外自动对焦快速搜索方法，其特征在于：所述的步骤二中采用中值滤波方式。

4.根据权利要求1所述的红外自动对焦快速搜索方法，其特征在于：所述的步骤三中还设计了自动对焦过程的机械故障屏蔽程序，当自动对焦算法无法有效寻找到评价函数极大值点，存在碰撞补偿组运动极限边界的情况，导致当前场景无法实焦对准时，将最终停止在对无穷远成像实焦位置。