CN108322726A - 一种基于双摄像头的自动对焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双摄像头的自动对焦方法，该方法采用仅存在水平方向位移的双目相机在默认的对准平面处获取一对双目图像，采用半全局立体匹配法求解双目图像的视差，使视差分块化，得到初步视差图；采用加权中值滤波法矫正视差，去除视差图中的奇异值，得到最终视差图；在用户选择对焦区域后，采用大画面优先结合近距离优先的对焦策略，提取对焦区域的视差值，由此视差值和双目相机的内外参数，采用三角测距法计算对焦距离，实现一步对焦；本发明提出针对单张图片的大画面优先结合近距离优先的对焦策略，突出画面主体，仅需要单对双目图像即可完成一步对焦；本发明方法计算量小，实时性好，大大提高对焦速度。

Description

一种基于双摄像头的自动对焦方法

技术领域

本发明涉及一种在手机双摄技术基础上，利用单对双目图片实现一步自动对焦的方法。

背景技术

随着智能手机的普及，越来越多的人使用手机作为日常拍摄工具，人们对手机拍照的速度有了更高的要求。目前的智能手机已经可以装配双摄像头，如何利用双摄像头实现快速对焦、提高拍照效率是自动对焦技术的重要问题。

传统单摄像头的对焦方式主要有激光雷达(飞行时间法)、相位法、爬山法、三角测距法等。激光对焦技术，是由手机传感器射出一道激光，经过反射后被传感器接收，通过计算激光飞行的往返时间进而计算出与目标物体之间的准确距离，再启动马达完成对焦。激光对焦技术在微距、弱光下表现较好，对焦速度却略逊于相位对焦。而相位对焦对传感器型号有严格要求，且对亮度的要求较高。基于清晰度函数评价法的爬山对焦法成像质量较高，但速度较慢，在用户确定对焦点后需要镜头前后移动拍摄多张照片才能精确对焦。

目前的双摄像头智能手机的对焦方法有：通过不同焦距两镜头实现数字变焦、通过不同曝光量的高动态范围成像、通过两镜头分别获取黑白和彩色信息提升图像质量等，但两摄像头并非都参与对焦，没有实现对焦效率最大化。

在对焦策略的选择上，目前应用的近距离优先的对焦策略仍基于爬山对焦法，需对多张进行分析比较，若对焦点数量相同再选择较近，对焦时间较长，算法复杂，没有真正提升对焦速度。能否通过拍摄一张照片实现快速对焦成为目前研究的重要课题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于双摄像头的自动对焦方法，利用一对双目图像实现一步自动对焦。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于双摄像头的自动对焦方法，该方法包括：

采用仅存在水平方向(基线方向)位移的双目相机在默认的对准平面处获取一对双目图像，采用半全局立体匹配法求解双目图像的视差，使视差分块化，得到初步视差图；

采用加权中值滤波法矫正视差，去除视差图中的奇异值，得到最终视差图；

在用户选择对焦区域后，采用大画面优先结合近距离优先的对焦策略，提取对焦区域的视差值，由此视差值和双目相机的内外参数，采用三角测距法计算对焦距离，实现一步对焦；

所述大画面优先结合近距离优先的对焦策略，即众数视差值和大视差值优先，具体为：将画面中的对焦窗口对应于视差矩阵中同一位置、大小的矩阵，当窗口内有不同的视差数值时，取视差矩阵中的众数作为该对焦窗口的视差，若对焦窗口中出现次数最多的视差值有两个或以上，则选取其中最大的视差作为目标物在左、右图像中的视差。

进一步地，对双目相机获取的双目图像进行预处理：将左、右两幅彩色图片转化为灰度图，利用相机参数进行极线矫正。

进一步地，所述的采用半全局立体匹配法求解双目图像的视差，使视差分块化，具体为：首先，利用Sobel滤波器提高两幅图像的对比度；之后，利用提高对比度后的两幅图像和半全局立体匹配法对每个像素求解视差；然后，对视差图作横向零阶内插，填补因匹配不当而成为的空洞点，即视差被置为0的点，改善视差图中物体边缘的马赛克状况，使得视差图成块状，得到初步视差图，初步视差图为正整数矩阵。

进一步地，所述的加权中值滤波法矫正视差，具体为：采用导向滤波器的权重作为权重因子，去除初步视差图中的奇异值，同时保持边缘，得到最终视差图。

进一步地，所述采用三角测距法计算对焦距离，实现一步对焦，具体为：

三角测距的公式为：其中，Z为物距，Δd为对焦窗口的视差，f为相机焦距，b为双目相机的基线长度；将物距Z带入高斯成像公式计算目标物像距，此像距与默认的对准平面的像距相减，得到对焦马达移动距离，从而实现一步对焦。

本发明的有益效果：本发明创新之处在于，仅需要单对双目图像即可完成一步对焦，具体的，在用户手动选取对焦点之前，利用立体视觉原理对景物进行视差计算，在选取对焦点后，通过大画面优先结合近距离优先的对焦策略计算目标物的物距，得出对焦距离，从而实现一步对焦。本发明计算量小，实时性好，大大提高对焦速度，且符合人们的拍照习惯。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明实例筛选后的18对平面棋盘格图片；

图3为本发明实例中两摄像头画幅中初始的双目图片；

图4为本发明实例中矫正后的双目图像；

图5为本发明实例中利用半全局立体匹配法得到的初步视差图；

图6为加权中值滤波法计算出的最终视差图；

图7为用户选择对焦目标物情况1，该情况为：当对焦窗口中数目最多的视差只有一个，该视差值为近处物体的视差值，选择窗口内视差值的众数计算目标物物距；

图8为用户选择对焦目标物情况2，该情况为：当对焦窗口中数目最多的视差只有一个，该视差值为远处物体的视差值，选择窗口内视差值的众数计算目标物物距；

图9为用户选择对焦目标物情况3，该情况为：当对焦窗口中数目最多的视差不止一个，选择数量最多视差中的最大值，即近距离物体的视差值，计算目标物物距；

图10为在目标物体在对焦位置、对焦位置前后拍摄的照片以及三张照片构成的Tenengrad清晰度评价曲线。

具体实施方式

如图1所示，本发明方法包括：利用半全局立体匹配法的方法获取左右两张图像的初步视差，利用加权中值滤波法获取最终的视差图，采取大画面优先结合近距离优先的对焦策略确定目标物的视差，利用目标物深度信息计算对焦距离指导相机调焦。

下面结合实例进行详细说明：

(1)如附图2所示，利用双目相机拍摄20对不同位置或不同角度的平面棋盘格图片，并利用MATLAB的stereo camera calibrator工具进行标定，并对标定结果进行筛选，剔除其中error数大于1的图片对，然后利用剩余的图片计算双目相机的内部参数和外部参数。

(2)如附图3所示，打开手机相机软件时相机对焦点不确定，此时两摄像头先对默认对准平面进行一次成像。

(3)如附图4所示，利用标定参数矫正双目图像，去除畸变；若取景框中景物发生变化，则在检测稳定后，再次进行成像。

(4)如附图5所示，由矫正后的图像计算视差。具体的，首先将左、右两幅彩色图片变为灰度图，利用半全局匹配的算法，采用分层互信息(HMI)进行代价匹配计算，通过设置一个和disparity map相关的全局能量函数，使此能量函数最小化，以达到求解每个像素最优disparity的目的。将无法匹配的像素的视差置为0，其余匹配点的视差置为整数。对视差图作横向零阶内插，填补因匹配不当而成为的空洞点，即视差被置为0的点，改善因求解视差平面时有效点过少而造成的视差图物体边缘的马赛克状况，使得视差图成块状，得到初步的视差图。

(5)如附图6所示，用加权中值滤波法进行优化，得到最终的视差图。具体的，引入左相机灰度图作为导向图，加权中值滤波器的权值为此导向滤波器的权值。

(6)如附图7所示，用户通过触摸点选屏幕上水瓶所在的区域，根据“大画面优先结合近距离优先”的对焦策略，计算目标物距离。具体的，用户选择水瓶作为对焦目标物，对焦窗口包含水瓶及其附近的区域，根据用户手指接触双目相机显示屏的情况，对焦窗口内的情况为，对焦窗口最多的视差值为水瓶所在位置的视差值，即对焦窗口中数目最多的视差只有一个，此时选择窗口内视差值的众数计算目标物水瓶的物距。

(7)如附图8所示，用户通过触摸点选屏幕上白板所在的区域，根据“大画面优先结合近距离优先”的对焦策略，计算目标物距离。具体的，用户选择白板作为对焦目标物，对焦窗口包含白板及其附近的区域，根据用户手指接触双目相机显示屏的情况，对焦窗口内的情况为，对焦窗口最多的视差值为白板所在位置的视差值，即对焦窗口中数目最多的视差只有一个，此时选择窗口内视差值的众数计算目标物白板的物距。

(8)如附图9所示，用户通过触摸点选屏幕上白板与背景黑板之间的边界，根据“大画面优先结合近距离优先”的对焦策略，计算目标物距离。具体的，根据用户手指接触双目相机显示屏的情况，对焦窗口内的情况为，对焦窗口内最多的视差值有两个：白板所在位置的视差值和背景黑板所在位置的视差值。对焦窗口中数目最多的视差多于一个，此时选择两视差值中的最大值计算目标物的物距。

(9)如附图10所示，若有更高的对焦精度要求，可在计算像距后，在对焦马达的对焦位置、对焦位置前后各拍摄一张照片，利用清晰度评价函数找到最清晰的画面，完成成像。具体的，计算得到图7水瓶的物距为0.692m，选择焦距为12mm的相机验证对焦的准确度，由高斯成像公式得到像距为12.211mm。移动对焦马达分别至像距为12.205mm、12.210mm和12.215mm处，拍摄三张图片。

(10)如表1所示，计算(9)所述的三张图片的Tenengrad清晰度评价值，得到像距为12.205mm时对焦最清晰，故选择双目相机的对焦马达处于像距为12.205mm时所拍摄的左图像为最终对焦照片。

表1采用Tenengrad清晰度评价法计算的三张图片的清晰度评价值

像距u’(mm)	12.205	12.210	12.215
				Tenengrad清晰度评价值	0.7764	0.7515	0.7542

从用户选取对焦物到相机自动对焦的过程，相机只经历一步局部景物的距离信息计算，对焦速度相比其他方法大大提高。

Claims (5)

1.一种基于双摄像头的自动对焦方法，其特征在于，该方法包括：

采用仅存在水平方向位移的双目相机在默认的对准平面处获取一对双目图像，采用半全局立体匹配法求解双目图像的视差，使视差分块化，得到初步视差图；

采用加权中值滤波法矫正视差，去除视差图中的奇异值，得到最终视差图；

在用户选择对焦区域后，采用大画面优先结合近距离优先的对焦策略，提取对焦区域的视差值，由此视差值和双目相机的内外参数，采用三角测距法计算对焦距离，实现一步对焦；

所述大画面优先结合近距离优先的对焦策略具体为：将画面中的对焦窗口对应于视差矩阵中同一位置、大小的矩阵，当窗口内有不同的视差数值时，取视差矩阵中的众数作为该对焦窗口的视差，若对焦窗口中出现次数最多的视差值有两个或以上，则选取其中最大的视差作为目标物在左、右图像中的视差。

2.根据权利要求1所述的一种基于双摄像头的自动对焦方法，其特征在于：对双目相机获取的双目图像进行预处理：将左、右两幅图片转化为灰度图，利用相机参数进行极线矫正。

3.根据权利要求1所述的一种基于双摄像头的自动对焦方法，其特征在于：所述的采用半全局立体匹配法求解双目图像的视差，使视差分块化，具体为：首先，利用Sobel滤波器提高两幅图像的对比度；之后，利用提高对比度后的两幅图像和半全局立体匹配法对每个像素求解视差；然后，对视差图作横向零阶内插，填补因匹配不当而成为的空洞点，即视差被置为0的点，改善视差图中物体边缘的马赛克状况，使得视差图成块状，得到初步视差图，初步视差图为正整数矩阵。

4.根据权利要求1所述的一种基于双摄像头的自动对焦方法，其特征在于：所述的加权中值滤波法矫正视差，具体为：采用导向滤波器的权重作为权重因子，去除初步视差图中的奇异值，同时保持边缘，得到最终视差图。

5.根据权利要求1所述的一种基于双摄像头的自动对焦方法，其特征在于：所述采用三角测距法计算对焦距离，实现一步对焦，具体为：

三角测距的公式为：其中，Z为物距，Δd为对焦窗口的视差，f为相机焦距，b为双目相机的基线长度；将物距Z带入高斯成像公式计算目标物像距，此像距与默认的对准平面的像距相减，得到对焦马达移动距离，从而实现一步对焦。