CN108345084A - 一种主被动结合的变倍自动调焦方法及系统 - Google Patents

一种主被动结合的变倍自动调焦方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开放的一种主被动结合的变倍自动调焦方法及系统，属于光电成像技术领域。本发明公开的一种主被动结合的变倍自动调焦方法包括如下步骤：步骤一：通过主动测距系统测量目标到成像系统之间的距离，根据距离值改变光学成像系统变倍组和补偿组的位置实现光学成像系统主动粗调焦；步骤二：被动成像系统用于实现对图像的采集和处理，根据图像清晰度评价函数值进行被动精调焦，直到调焦结束。本发明还公开用于实现上述方法的一种主被动结合的变倍自动调焦系统，包括主动测距系统、被动成像系统和控制系统。本发明能够实现用于光学系统的变倍自动调焦,通过主被动结合的变倍自动调焦快速获得高清图像，并能够满足实时性、准确性和高精度的要求。

Description

一种主被动结合的变倍自动调焦方法及系统
技术领域
本发明涉及一种主被动结合的变倍自动调焦方法及系统，属于光电成像技术领域。
背景技术
随着科技的发展，高清图像作为一种高容量的信息载体已经在各个领域发挥着日益重要的作用。光学成像系统作为获取图像的常用工具，已广泛应用于工业生产、日常民用、科学研究、军事探测等领域，在增强现实、拍照摄像、显微成像、空间光学遥感等方面都发挥着重要的作用。定焦光学系统焦距固定不变，只有一个视野，当需要调整拍摄物体的大小(即变倍)时只有通过摄影者的移动或者更换镜头来实现，所需设备过多并且过程繁琐。而变倍调焦光学系统焦距可调、观察范围可变、集成性好，借助变倍组与补偿组的相互配合能够在拍摄点不变的情况下实时获得不同放大倍率下的清晰目标图像，因此变倍调焦光学系统在成像系统中扮演着越来越重要的角色。
调焦分为手动调焦和自动调焦，手动调焦存在主观随意性误差以及自动化程度差等方面的不足，因此自动调焦技术应运而生。自动调焦可以分成主动调焦和被动调焦两类。主动调焦通常是一步到位的开环控制调焦方法，调焦速度快，但是需要额外的测距发射装置，而且调焦精度较低；被动调焦无需发射源，系统易于小型化，调焦精度高，但是基于图像处理的被动调焦需要根据补偿组在不同位置所采集到的图像评价值一步步趋近正焦位置，会导致调焦过程的繁复，从而消耗较多的调焦时间，调焦实时性较差，而且很容易陷入局部峰值，导致调焦错误。
专利CN103257510A一种快速自动调焦方法中，丁亮等人通过分析目标图像计算离焦距离，即镜头到焦点需要移动的距离，镜头移动后再进行精确调整。该方法在一定程度上提高了调焦速度，但是在计算目标图像离焦距离时依然会花费大量时间，无法满足实时性要求较高的场合。
发明内容
本发明公开放的一种主被动结合的变倍自动调焦方法及系统要解决的技术问题为：实现用于光学系统的变倍自动调焦,通过主被动结合的变倍自动调焦快速获得高清图像，并能够满足实时性、准确性和高精度的要求。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明公开的一种主被动结合的变倍自动调焦方法，包括如下步骤：
步骤一：通过主动测距系统测量目标到成像系统之间的距离，根据距离值改变光学成像系统变倍组和补偿组的位置实现光学成像系统主动粗调焦。
主动测距系统测量目标到成像系统之间的距离信息u，并将目标的距离信息传送至控制系统的测距接口。
控制系统根据目标的距离信息u和输入的变倍比M控制光学成像系统进行变倍。用带“*”的量表示变倍后的各个物理量，变倍前和变倍后的变倍组物点A和补偿组像点A′之间的距离为D和D*，根据几何光学知识得：
其中L2和L2*分别为变倍组变倍前后的物像共轭距，L3和L3*分别为补偿组变倍前后的物像共轭距，β2和β2*分别为变倍组变倍前后放大率，β3和β3*分别为补偿组变倍前后放大率，f2′为变倍组的像方焦距，f3′为补偿组的像方焦距。其中β2和β3可由高斯光学物像公式计算：
其中l1′为前固定组的像距，u为前固定组的物距，即测得的目标的距离信息，f1′为前固定组的像方焦距，d12为前固定组到变倍组的距离，d23为变倍组到补偿组的距离。
为满足像面稳定不变，在变倍过程中需要满足变倍组物点A和补偿组像点A′之间的距离D始终保持固定不变，即D＝D*，保持像面不动应满足的方程式：
其中T＝M·β2·β3，变倍比M＝β2*·β3*/β2·β3，将公示(2)中β2*的系数进行整理得：
因此将m、n、k带入公式(2)后解方程得：
光学系统中变倍组相对于初始状态位置的移动位移量为△x，补偿组相对于初始状态位置的移动位移量为△y，表达式如下：
其中l2 *为变倍组变倍后的物距，l2为变倍组变倍前的物距。
根据公式(6)中变倍组位移量△x和补偿组位移量△y调整变倍组和补偿组的位置使像面到达正焦位置附近，从而实现光学成像系统主动粗调焦，但光学成像系统主动粗调焦结束时图像传感器获取目标图像通常未能准确聚焦于图像传感器的感光面上。
步骤一中主动测距系统主动测距优选脉冲式激光测距，脉冲激光束通过发射模块发射到目标，从目标散射或反射回来的回波脉冲由接收模块接收，信号处理模块根据激光束的飞行时间获得目标的距离信息，将目标的距离信息传送至控制系统的测距接口。
步骤二：被动成像系统用于实现对图像的采集和处理，根据图像清晰度评价函数值进行被动精调焦，直到调焦结束。
控制系统的图像接口接收光学成像系统主动粗调焦结束时的目标图像。对光学成像系统主动粗调焦结束时目标图像进行变分辨率采样，并使用图像清晰度评价函数对变分辨率目标图像进行图像清晰度评价，通过调焦搜索算法控制驱动电机驱动调焦机构来精细调整补偿组的位置，并获得相应对焦位置的新的目标图像，对新的目标图像再次进行图像清晰度评价，根据图像清晰度评价函数值进行被动精调焦，直到获得图像的最高清晰度评价值，调焦结束。
所述的图像清晰度评价函数根据目标成像情况决定，现有图像清晰度评价函数有sum-modified-Laplacian，Laplacian，Midfrequency–DCT和Absolute Tenengrad等，本发明优选Laplacian调焦搜索算法。
本发明还公开用于实现上述一种主被动结合的变倍自动调焦方法的一种主被动结合的变倍自动调焦系统，包括主动测距系统、被动成像系统和控制系统。所述主动测距系统用于光学成像系统主动粗调焦。所述主动测距系统包括信号处理模块、发射模块和接收模块。所述主动测距系统通过测量目标到成像系统之间的距离，根据主被动结合的变倍自动调焦方法步骤一改变光学成像系统变倍组和补偿组的位置实现光学成像系统主动粗调焦。所述被动成像系统用于实现对图像的采集和处理，根据图像清晰度评价函数值进行被动精调焦。所述被动成像系统包括图像传感器、变倍组、补偿组、驱动电机和调焦机构。所述控制系统包括测距接口和图像接口，用于控制主动测距系统和被动成像系统，并处理主动测距系统获得的距离信息和被动成像系统获得的图像信息。
有益效果：
1、本发明公开的一种主被动结合的变倍自动调焦方法及系统，结合主动粗调焦的快速性和被动精调焦的准确性两者之间的优点，相比于传统的自动调焦方法实时性好且调焦精度高。
2、本发明公开的一种主被动结合的变倍自动调焦方法及系统，根据目标到成像系统之间的距离，推导出光学成像系统变倍组和补偿组移动距离的公式(6)，根据公式(6)改变光学成像系统变倍组和补偿组的位置实现光学成像系统主动粗调焦，提高粗调焦效率，进而提高自动调焦效率。
3、本发明公开的一种主被动结合的变倍自动调焦方法及系统，利用主动脉冲激光测距进行粗调焦，降低粗调焦时间消耗，避免在粗调焦区域陷入局部峰值的情况，提高自动调焦的准确性。
附图说明
图1工作流程图；
图2变倍调焦系统光学原理图；
图3调焦过程对比图，图3a为传统调焦方法调焦过程图，图3b为本发明调焦过程图；
图4变倍自动调焦系统示意图。
其中：1-主动测距系统，1.1-信号处理模块，1.2-发射模块，1.3-接收模块，2-被动成像系统，2.1-图像传感器，2.2-变倍组，2.3-补偿组，2.4-驱动电机，2.5-调焦机构，2.6-前固定组，3-控制系统，3.1-测距接口，3.2-图像接口，4-目标。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
本实施例公开一种主被动结合的变倍自动调焦方法，工作流程图如图1所示，包括如下步骤：
步骤一：通过主动测距系统1测量目标4到成像系统之间的距离，根据距离值改变光学成像系统变倍组2.2和补偿组2.3的位置实现光学成像系统主动粗调焦。
主动测距系统1测量目标4到成像系统之间的距离信息u，并将目标4的距离信息传送至控制系统3的测距接口3.1。
控制系统3根据目标4的距离信息u和输入的变倍比M控制光学成像系统进行变倍。用带“*”的量表示变倍后的各个物理量，变倍前和变倍后的变倍组2.2物点A和补偿组2.3像点A′之间的距离为D和D*，变倍调焦系统光学原理图如图2所示，根据几何光学知识得：
其中L2和L2*分别为变倍组2.2变倍前后的物像共轭距，L3和L3*分别为补偿组2.3变倍前后的物像共轭距，β2和β2*分别为变倍组2.2变倍前后放大率，β3和β3*分别为补偿组2.3变倍前后放大率，f2′为变倍组2.2的像方焦距，f3′为补偿组2.3的像方焦距。其中β2和β3可由高斯光学物像公式计算：
其中l1′为前固定组2.6的像距，u为前固定组2.6的物距，即测得的目标4的距离信息，f1′为前固定组2.6的像方焦距，d12为前固定组2.6到变倍组2.2的距离，d23为变倍组2.2到补偿组2.3的距离。
为满足像面稳定不变，在变倍过程中需要满足变倍组2.2物点A和补偿组2.3像点A′之间的距离D始终保持固定不变，即D＝D*，保持像面不动应满足的方程式：
其中T＝M·β2·β3，变倍比M＝β2*·β3*/β2·β3，将公示(2)中β2*的系数进行整理得：
因此将m、n、k带入公式(2)后解方程得：
光学系统中变倍组2.2相对于初始状态位置的移动位移量为△x，补偿组2.3相对于初始状态位置的移动位移量为△y，表达式如下：
其中l2 *为变倍组2.2变倍后的物距，l2为变倍组2.2变倍前的物距。
根据公式(6)中变倍组2.2位移量△x和补偿组2.3位移量△y调整变倍组2.2和补偿组2.3的位置使像面到达正焦位置附近，从而实现光学成像系统主动粗调焦，但光学成像系统主动粗调焦结束时图像传感器2.1获取目标图像通常未能准确聚焦于图像传感器2.1的感光面上。
步骤一中主动测距系统1主动测距优选脉冲式激光测距，脉冲激光束通过发射模块1.2发射到目标4，从目标4散射或反射回来的回波脉冲由接收模块1.3接收，信号处理模块1.1根据激光束的飞行时间获得目标4的距离信息，将目标4的距离信息传送至控制系统3的测距接口3.1。
步骤二：被动成像系统2用于实现对图像的采集和处理，根据图像清晰度评价函数值进行被动精调焦，直到调焦结束。
控制系统3的图像接口3.2接收光学成像系统主动粗调焦结束时的目标图像。对光学成像系统主动粗调焦结束时目标图像进行变分辨率采样，并使用图像清晰度评价函数对变分辨率目标图像进行图像清晰度评价，通过调焦搜索算法控制驱动电机2.4驱动调焦机构2.5来精细调整补偿组2.3的位置，并获得相应对焦位置的新的目标图像，对新的目标图像再次进行图像清晰度评价，根据图像清晰度评价函数值进行被动精调焦，直到获得图像的最高清晰度评价值，调焦结束。
所述的图像清晰度评价函数根据目标成像情况决定，现有图像清晰度评价函数有sum-modified-Laplacian，Laplacian，Midfrequency–DCT和Absolute Tenengrad等，本实施例优选Laplacian调焦搜索算法。
本实施例公开的一种主被动结合的变倍自动调焦方法与传统被动调焦方法的调焦过程对比图如图3所示，图3a为传统调焦方法调焦过程图，图3b为本发明调焦过程图。本实施例在粗调焦阶段通过物距和变倍比获得变倍组2.2和补偿组2.3的移动距离，而不考虑图像的质量，因此降低粗调焦的时间消耗，避免在粗调焦区域陷入局部峰值的情况，从而提高自动调焦的实时性和准确性。
本实施例公开的一种主被动结合的变倍自动调焦系统，变倍自动调焦系统示意图如图4所示，包括主动测距系统1、被动成像系统2和控制系统3。所述主动测距系统1用于光学成像系统主动粗调焦。所述主动测距系统1包括信号处理模块1.1、发射模块1.2和接收模块1.3。所述主动测距系统1通过测量目标4到成像系统之间的距离，根据主被动结合的变倍自动调焦方法步骤一改变光学成像系统变倍组2.2和补偿组2.3的位置实现光学成像系统主动粗调焦。所述被动成像系统2用于实现对图像的采集和处理，根据图像清晰度评价函数值进行被动精调焦。所述被动成像系统2包括图像传感器2.1、变倍组2.2、补偿组2.3、驱动电机2.4和调焦机构2.5。所述控制系统3包括测距接口3.1和图像接口3.2，用于控制主动测距系统1和被动成像系统2，并处理主动测距系统1获得的距离信息和被动成像系统2获得的图像信息。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种主被动结合的变倍自动调焦方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：通过主动测距系统测量目标到成像系统之间的距离，根据距离值改变光学成像系统变倍组和补偿组的位置实现光学成像系统主动粗调焦；
主动测距系统测量目标到成像系统之间的距离信息u，并将目标的距离信息传送至控制系统的测距接口；
控制系统根据目标的距离信息u和输入的变倍比M控制光学成像系统进行变倍；用带“*”的量表示变倍后的各个物理量，变倍前和变倍后的变倍组物点A和补偿组像点A′之间的距离为D和D*，根据几何光学知识得：
其中L2和L2*分别为变倍组变倍前后的物像共轭距，L3和L3*分别为补偿组变倍前后的物像共轭距，β2和β2*分别为变倍组变倍前后放大率，β3和β3*分别为补偿组变倍前后放大率，f2′为变倍组的像方焦距，f3′为补偿组的像方焦距；其中β2和β3可由高斯光学物像公式计算：
其中l1′为前固定组的像距，u为前固定组的物距，即测得的目标的距离信息，f1′为前固定组的像方焦距，d12为前固定组到变倍组的距离，d23为变倍组到补偿组的距离；
为满足像面稳定不变，在变倍过程中需要满足变倍组物点A和补偿组像点A′之间的距离D始终保持固定不变，即D＝D*，保持像面不动应满足的方程式：
其中T＝M·β2·β3，变倍比M＝β2*·β3*/β2·β3，将公式(2)中β2*的系数进行整理得：
因此将m、n、k带入公式(2)后解方程得：
光学系统中变倍组相对于初始状态位置的移动位移量为△x，补偿组相对于初始状态位置的移动位移量为△y，表达式如下：
其中l2 *为变倍组变倍后的物距，l2为变倍组变倍前的物距；
根据公式(6)中变倍组位移量△x和补偿组位移量△y调整变倍组和补偿组的位置使像面到达正焦位置附近，从而实现光学成像系统主动粗调焦，但光学成像系统主动粗调焦结束时图像传感器获取目标图像通常未能准确聚焦于图像传感器的感光面上；
步骤二：被动成像系统用于实现对图像的采集和处理，根据图像清晰度评价函数值进行被动精调焦，直到调焦结束；
控制系统的图像接口接收光学成像系统主动粗调焦结束时的目标图像；对光学成像系统主动粗调焦结束时目标图像进行变分辨率采样，并使用图像清晰度评价函数对变分辨率目标图像进行图像清晰度评价，通过调焦搜索算法控制驱动电机驱动调焦机构来精细调整补偿组的位置，并获得相应对焦位置的新的目标图像，对新的目标图像再次进行图像清晰度评价，根据图像清晰度评价函数值进行被动精调焦，直到获得图像的最高清晰度评价值，调焦结束。
2.如权利要求1所述的一种主被动结合的变倍自动调焦方法，其特征在于：步骤一中主动测距系统主动测距选脉冲式激光测距，脉冲激光束通过发射模块发射到目标，从目标散射或反射回来的回波脉冲由接收模块接收，信号处理模块根据激光束的飞行时间获得目标的距离信息，将目标的距离信息传送至控制系统的测距接口。
3.如权利要求2所述的一种主被动结合的变倍自动调焦方法，其特征在于：步骤二所述的图像清晰度评价函数根据目标成像情况决定，图像清晰度评价函数为sum-modified-Laplacian，Laplacian，Midfrequency–DCT或AbsoluteTenengrad。
4.如权利要求3所述的一种主被动结合的变倍自动调焦方法，其特征在于：步骤二所述的图像清晰度评价函数选Laplacian函数。
5.用于实现如权利要求1、2、3或4所述的一种主被动结合的变倍自动调焦方法的一种主被动结合的变倍自动调焦系统，其特征在于：包括主动测距系统、被动成像系统和控制系统；所述主动测距系统用于光学成像系统主动粗调焦；所述主动测距系统包括信号处理模块、发射模块和接收模块；所述主动测距系统通过测量目标到成像系统之间的距离，根据主被动结合的变倍自动调焦方法步骤一改变光学成像系统变倍组和补偿组的位置实现光学成像系统主动粗调焦；所述被动成像系统用于实现对图像的采集和处理，根据图像清晰度评价函数值进行被动精调焦；所述被动成像系统包括图像传感器、变倍组、补偿组、驱动电机和调焦机构；所述控制系统包括测距接口和图像接口，用于控制主动测距系统和被动成像系统，并处理主动测距系统获得的距离信息和被动成像系统获得的图像信息。
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