CN109521547A - 一种变步长的自动调焦方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种变步长的自动调焦方法及系统，包括以下步骤：对整幅图像进行Canny算子边缘检测，得到原图的边界图；对边界图进行2×2窗口的膨胀操作，增加边界区域宽度；对原图进行Sobel算子计算后，采用下式对单个像素点的梯度值进行计算，通过改进型的Tenengrad梯度图像质量评价函数计算得到的改进型Tenengrad梯度值，作为最终的图像清晰度评估参考值；将图像清晰度评估参考值转化为电压信号，镜头接收电压信号后，通过变步长的峰值搜索爬山算法进行自动调焦。通过自动调焦算法的改进以及硬件系统的设置，得到的图像清晰度评估参考值具有良好的单峰性及鲁棒性，提高了对焦速度，保证了自对调焦的实时性。

Description

一种变步长的自动调焦方法及系统
技术领域
本发明涉及自动调焦技术领域，尤其是涉及一种变步长的自动调焦方法及系统。
背景技术
调焦系统是光电成像系统的关键技术，光电成像系统作为获取图像信息的工具，它可以用于生产过程监控、工况检测、图像拍摄、显微观察、医学图像分析、地质遥感和军事遥感等。要想获取清晰的图像，准确调焦是其中关键点。传统的手动调焦过分依赖人眼的判断，要得到清晰的图像需要反复手动操作，直到取得看似清晰的图像，由于人眼的反应速度受到一定的限制，也许目前调焦得到的清晰图像未必是最清晰的。近些年，随着计算机硬件水平以及数字图像处理技术的不断发展，基于数字图像处理的自动聚焦技术开始蓬勃发展起来。
传统的自动调焦方法主要有三种：测距法；相位法；对比度法。其中测距法基本原理是通过向目标发射电磁波，根据反射回来的电磁波判断目标物体的位置，然后通过计算机的控制以实现自动对焦，根据测距电磁波源的不同可分为红外测距法、超声波测距法以及激光测距仪等。相位法主要是根据基准光线和参考光线随被摄物体具体不同而产生不同的位置差，将该位置差换算成相位差，将它与不产生相位差时比较，再根据对焦运算，得到镜头的移动量和运动方向，最后由控制系统控制点击调整镜头，使其相位差为零来完成对焦过程。对比度法是根据图像的边缘信息进行判断，图像轮廓边缘越清晰，则图像亮度梯度值就越大，也就是边缘处物体与背景之间的对比度越大；通过将两个光电检测器放在底片位置的前后相等距离处，分别得到两幅像并计算相应的对比度，如果对比度差值越小，说明两个图像就越接近焦点，不断调整焦距，使得对比度差值最小，完成对焦过程。
基于数字图像技术的自动调焦方法是从与传统的自动调焦技术完全不同的角度出发，它是直接针对拍摄的图像采用图像处理技术，对图像进行成像质量的清晰度评价，得到系统当前的对焦状态，然后通过驱动机构调整成像系统镜头的焦距，从而实现自动调焦。目前，在数字成像系统中，自动调焦方法大制可分为两种：离焦深度法和对焦深度法。
离焦深度法通过获取图像的深度信息来实现自动对焦，只需要获得几幅不同清晰程度的图像，便能实现自动对焦。这种方法需要获得2～3幅不同的成像参数下的图像，还需要事先用数学模型描述成像系统，然后根据少量的的成像位置获取的图像来计算最佳对焦位置。因为离焦深度法所需图像数量小，大大减少了驱动电机等机械机构获取图像的次数，所以速度较快，但是由于信息量少一些的缘故，精度比较低。离焦深度法主要有两类：一种是基于图像恢复的离焦深度法，与之相关的就是点扩散函数，利用图像退化模型，反演计算恢复出模糊图像的原图；另一种是基于离焦量估计，与之相关的是模糊程度(弥散斑的大小)的分析，确定弥散斑大小与镜头成像参数之间的关系，从而计算出最佳成像位置。离焦深度法的主要缺点是：需要事先获得成像系统精确的数学模型，才能保证对焦的精度，而该数学模型在理论上还不能精确的确定，只能近似估计，从而导致误差极大。
对焦深度法：是一种建立在搜寻过程上的对焦方式。它通过选取一种适当图像质量评价函数来评价不同对焦位置所获得图像的清晰度，清晰度值最大时对应最佳的对焦位置。这种方法要通过一系列对焦逐渐准确的图像来确定物体到探测器相面的距离，一般要搜索10～12幅图像才能够精确地找到这个位置，所用图像越多则对焦精度越高。这种方法的理论基础是理想的自动对焦评价函数具有单峰性，即峰值点是对焦最清晰的位置。为了能准确地找到峰值的位置，减少由于噪声产生的局部极值即边缘凸出效应的干扰，可以采用Fibonacci搜索法、爬山法及曲线拟合法等来寻找最佳对焦位置。一个典型的搜索过程需要不同成像参数下的多幅图像，点击驱动镜头移动，镜头每走一个补偿，探测器获得一幅图像，图像送到PC进行采样、分析、评价等计算，得到图像清晰度评价函数值。镜头连续移动(电机的机械移动控制)，系统获得多幅图像的评价函数值，将这些评价函数值进行比较，判断图像是否清晰，对焦是否准确，并给出反馈信号控制微动电机，直到采集到的图像符合使用要求，即完成自动调焦。
目前基于数字图像处理的自动聚焦算法各有局限，存在各种缺点，需要进一步完善。目前自动聚焦系统存在的问题：
(1)对焦精确度不够高，易对焦失误；
(2)对焦稳定性不强，易受环境和噪声的影响；
(3)对焦速度到不到要求，实时性有待提高；
(4)硬件误差及延时问题的存在，比如系统硬件中的控制镜头移动的步进电机存在误差；镜头移动存在惯性，硬件驱动存在时间延迟等问题；通常以上变步长峰值爬山搜索算法，只需要8～12步的调焦过程就可以完成一次对焦，调焦过程在2秒钟左右完成，一定程度上满足了实时性需求。
最重要的一点就是在于自动聚焦算法的实时性，因为在不同的环境下，对于相机的自动聚焦成像系统的实时性有一定的要求；只有满足一定的实时性才能满足用户的需求。尤其在微循环监测领域，对于微循环检测仪自动聚焦成像系统的实时性要求较高，以便于快速精确的判断危重病人的微循环状况。
发明内容
为了解决上述现有技术中的问题，本发明的目的是提供一种变步长的自动调焦方法及系统，通过自动调焦算法的改进以及硬件系统的设置，得到的图像清晰度评估参考值具有良好的单峰性及鲁棒性，提高了对焦速度，保证了自对调焦的实时性；避免了传统硬件中的控制镜头移动的步进电机存在的误差及延时问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种变步长的自动调焦方法，其特征在于，包括步骤：
a)对整幅图像进行Canny算子边缘检测，得到原图的边界图；
b)对边界图进行2×2窗口的膨胀操作，增加边界区域宽度；
c)对原图进行Sobel算子计算，采用下式对单个像素点的梯度值进行计算：
其中，Gx为水平方向的梯度值，Gy为垂直方向的梯度值，为单个像素点的梯度值；
d)对窗口区域进行选择；
e)根据步骤b)膨胀后的边界图和步骤d)选择的窗口区域，以及步骤c)计算的单个像素点的梯度值，采用改进型的Tenengrad梯度图像质量评价函数计算得到改进型的Tenengrad梯度值，作为最终的图像清晰度评估参考值，所述改进型的Tenengrad梯度图像质量评价函数表达式如下：
M代表步骤d)选择的窗口区域的水平方向像素点个数，FTenengrad为改进型Tenengrad梯度值；即通过膨胀后的边界图以及选择的窗口区域，进行窗口区域内的梯度值求和计算，并记录有效像素点的个数，由各像素点梯度值总和除以像素点个数值，得到整幅图像的梯度值，作为最终的图像清晰度评估参考值；
f)将所述图像清晰度评估参考值转化为电压信号，镜头接收所述电压信号后，采用变步长的峰值搜索爬山算法对成像目标、镜头及控制模块进行反馈控制，从而完成实时自动对焦。
优选地，所述Sobel算子定义为：
Gx＝[f(x-1，y-1)+2f(x+1，y)+f(x+1，y+1)]-[f(x-1，y-1)+2f(x-1，y)+f(x-1，y+1)]
Gy＝[f(x-1，y+1)+2f(x，y+1)+f(x+1，y+1)]-[f(x-1，y-1)+2f(x，y-1)+f(x+1，y-1)]；
其中f(x-1，y-1)值为图像的(x-1，y-1)坐标位置像素点的灰度值，同理类推。
优选地，所述窗口区域通过调焦窗口进行选择，其中，所述调焦窗口采用多点取窗口区域选择算法进行选取；多点取窗口区域选择算法通过对图像进行统计，给出主体景物估计区域，然后，取多点窗口区域作为调焦区域；具体为，对一幅大小为m×n的图像进行多点取窗口区域选择，包括中心区域的一个大窗口以及中心区域周边的四个小窗口，选择窗口区域表示为下式：
其中，I为选择窗口区域，m和n分别表示图像的水平方向像素点个数和垂直方向像素点个数；I1为中心区域的大窗口，I2、I3、I4、I5分别为中心区域周边的四个小窗口。
多点取窗口区域选择法通常是为了避免中心取窗不能适应主题景物偏离中心的情况，该取窗口方法适应了主题景物偏移的情况，提高了主题景物覆盖成功率。
优选地，采用变步长的峰值搜索爬山算法对成像目标、液体镜头及控制模块进行反馈控制，具体为，通过对初始的[Vmin，Vmax]范围内的电压进行设置，其中Vmin为最小电压，Vmax为最大电压，在这个范围内不断的缩小，达到最终对焦，其具体步骤如下：
(1)首先设定初始固定焦平面焦距，以及初始调焦区域范围；
(2)该初始调焦区域范围内以粗调方式，缩小调焦范围：以初始调焦区域范围的1/4作为调焦补偿，确定较小调焦范围；
(3)在峰值爬山搜索过程中，如果图像清晰度评估值在不断上升的过程中，突然下降，并保持两次下降，则表示已经过了焦平面；
(4)将最大图像清晰度评估值焦距的上一焦距位置设定为调焦区域的左边界；将第一次下降的焦距位置设定为调焦区域的右边界；
(5)如果调焦范围缩小，那么对应调焦步长减少为原来的一半，直到达到最小调焦步长，在调焦范围内继续进行峰值爬山搜索，重复步骤(3)、步骤(4)，直到找到峰值。
通常以上变步长峰值爬山搜索算法，只需要8～12步的调焦过程就可以完成一次对焦，调焦过程在2秒钟左右完成，一定程度上满足了实时性需求。
本发明还包括采用一种变步长的自动调焦方法的自动调焦系统，包括液体镜头、光学成像组件、下位机电流/电压控制模块、PC端自动调焦软件系统及图像存储和输出模块；其中，所述下位机电流/电压控制模块与所述PC端自动调焦软件系统通信，并同步控制所述液体镜头的焦距，通过调整电压值来改变焦距；所述光学成像组件与所述PC端自动调焦软件系统连接，所述PC端自动调焦软件系统与所述图像存储和输出模块连接；所述下位机电流/电压控制模块结合所述液体镜头构成调焦部件，所述调焦部件通过控制输入电压来实现调焦功能。通过下位机直接控制液体镜头的驱动电压即可改变焦距，从而达到改善步进电机造成硬件误差及延时等问题。
优选地，所述光学成像组件为CMOS相机或CCD相机。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)提供了改进型的Tenengrad梯度图像质量评价函数，结合合理的多点取窗口区域选择法、边缘检测及边界图膨胀操作，得到改进型的Tenengrad梯度值，作为图像清晰度评估参考值，具有良好的单峰性，以及较强的鲁棒性，适应相机的无参考图像评价的要求。
(2)在自动调焦峰值搜索过程中采用变步长峰值爬山算法，通过变化的调焦步长来完成整个自动调焦过程，可以快速的找到清晰度峰值，满足了实时性要求。
(3)采用液体镜头组成自动调焦系统，通过下位机直接控制液体镜头的驱动电压即可改变焦距，从而达到改善步进电机造成硬件误差及延时等问题。
附图说明
图1为本发明变步长的自动调焦方法流程示意图；
图2为本发明多点取窗口区域选择示意图；
图3为由本发明所述方法计算得到的图像清晰度评估曲线图；
图4为本发明自动调焦系统结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
本发明的一个较佳的实施例，如图1所示，提供一种变步长的自动调焦方法，包括步骤：
a)对整幅图像进行Canny算子边缘检测，得到原图的边界图；
b)对边界图进行2×2窗口的膨胀操作，增加边界区域宽度；
c)对原图进行Sobel算子计算，采用下式对单个像素点的梯度值进行计算：
其中，Gx为水平方向的梯度值，Gy为垂直方向的梯度值，为单个像素点的梯度值；
d)对窗口区域进行选择；
e)根据步骤b)膨胀后的边界图和步骤d)选择的窗口区域，以及步骤c)计算的单个像素点的梯度值，采用改进型的Tenengrad梯度图像质量评价函数计算得到改进型的Tenengrad梯度值，作为最终的图像清晰度评估参考值，改进型的Tenengrad梯度图像质量评价函数表达式如下：
M代表步骤d)选择的窗口区域的水平方向像素点个数，FTenengrad为改进型Tenengrad梯度值；即通过膨胀后的边界图以及选择的窗口区域，进行窗口区域内的梯度值求和计算，并记录有效像素点的个数，由各像素点梯度值总和除以像素点个数值，得到整幅图像的梯度值，作为最终的图像清晰度评估参考值；
f)将图像清晰度评估参考值转化为电压信号，镜头接收电压信号后，采用变步长的峰值搜索爬山算法对成像目标、镜头及控制模块进行反馈控制，从而完成实时自动对焦。
在实际应用中，此处的镜头优选液体镜头，也可选其他根据电压信号控制马达驱动的镜头。
具体地，对原图进行Sobel算子计算，Sobel算子定义为：
Gx＝[f(x-1，y-1)+2f(x+1，y)+f(x+1，y+1)]-[f(x-1，y-1)+2f(x-1，y)+f(x-1，y+1)]
Gy＝[f(x-1，y+1)+2f(x，y+1)+f(x+1，y+1)]-[f(x-1，y-1)+2f(x，y-1)+f(x+1，y-1)]；
其中，f(x-1，y-1)值为图像的(x-1，y-1)坐标位置像素点的灰度值，同理类推。
如图2所示，窗口区域通过调焦窗口进行选择，其中，调焦窗口采用多点取窗口区域选择算法进行选取；多点取窗口区域选择算法通过对图像进行统计，给出主体景物估计区域，然后，取多点窗口区域作为调焦区域；具体为，对一幅大小为m×n的图像进行多点取窗口区域选择，包括中心区域的一个大窗口以及中心区域周边的四个小窗口，选择窗口区域表示为下式：
其中，I为选择窗口区域，m和n分别表示图像的水平方向像素点个数和垂直方向像素点个数；I1为中心区域的大窗口，I2、I3、I4、I5分别为中心区域周边的四个小窗口。
多点取窗口区域选择法通常是为了避免中心取窗不能适应主题景物偏离中心的情况，该取窗口方法适应了主题景物偏移的情况，提高了主题景物覆盖成功率。
采用变步长的峰值搜索爬山算法对成像目标、液体镜头及控制模块进行反馈控制，具体为，通过对初始的[Vmin，Vmax]范围内的电压进行设置，其中Vmin为最小电压，Vmax为最大电压，在这个范围内不断的缩小，达到最终对焦，其具体步骤如下：
(1)首先设定初始固定焦平面焦距，以及初始调焦区域范围；
(2)该初始调焦区域范围内以粗调方式，缩小调焦范围：以初始调焦区域范围的1/4作为调焦补偿，确定较小调焦范围；
(3)在峰值爬山搜索过程中，如果图像清晰度评估值在不断上升的过程中，突然下降，并保持两次下降，则表示已经过了焦平面；
(4)将最大图像清晰度评估值焦距的上一焦距位置设定为调焦区域的左边界；将第一次下降的焦距位置设定为调焦区域的右边界；
(5)如果调焦范围缩小，那么对应调焦步长减少为原来的一半，直到达到最小调焦步长，在调焦范围内继续进行峰值爬山搜索，重复步骤(3)、步骤(4)，直到找到峰值。
通常以上变步长峰值爬山搜索算法，只需要8～12步的调焦过程就可以完成一次对焦，调焦过程在2秒钟左右完成，一定程度上满足了实时性需求。
为了检测本发明变步长的自动调焦方法及系统的效果，对其进行了实际应用。图3呈现的是在实际应用中，依据本发明提出的变步长的自动调焦方法计算得到的图像清晰度评估曲线图，横坐标为帧数，纵坐标为清晰度值(对应前文中的图像清晰度评估值)，由图3可以看出，在实际使用过程中的调焦过程只需要8～12帧便可得到清晰度值的峰值，即可完成焦平面的确定，该方法具有良好的单峰性和鲁棒性。
可替代地，在一些实施例中，对于单个像素点的梯度值进行计算，也可以采用如下方式：
梯度函数是通过计算一阶微分来取得图像的边缘信息的，聚焦良好的图像，具有更尖锐边缘的图像，应有更大的梯度函数值。
对于图像函数f(x，y)，在其坐标(x，y)上的梯度是通过如下二维列向量定义的：其中，f(x，y)值为(x，y)坐标位置像素点的灰度值，可直接读取获得。
从向量分析可知，梯度向量指向坐标(x，y)的f(x，y)值的最大变化率方向。这个向量的模值由下式给出：
在实际操作中，常用绝对值代替平方和开放运算近似求梯度值，如下式所示：
其中，Gx为水平方向的梯度值，Gy为垂直方向的梯度值，为单个像素点的梯度值。
为了得到图像清晰度评估参考值，剩余部分的处理方式与前述实施例一致。
本发明还包括采用上述变步长的自动调焦方法的自动调焦系统，如图4所示，包括液体镜头、光学成像组件、下位机电流/电压控制模块、PC端自动调焦软件系统及图像存储和输出模块；其中，下位机电流/电压控制模块与PC端自动调焦软件系统通信，并同步控制液体镜头的焦距，通过调整电压值来改变焦距；光学成像组件与PC端自动调焦软件系统连接，PC端自动调焦软件系统与图像存储和输出模块连接；下位机电流/电压控制模块结合液体镜头构成调焦部件，调焦部件通过控制输入电压来实现调焦功能。光学成像组件为CMOS相机或CCD相机。
本发明的上述技术方案中，提供了改进型的Tenengrad梯度图像质量评价函数，结合合理的多点取窗口区域选择法、边缘检测及边界图膨胀操作，得到改进型的Tenengrad梯度值，作为图像清晰度评估参考值，具有良好的单峰性，以及较强的鲁棒性，适应相机的无参考图像评价的要求。
在自动调焦峰值搜索过程中采用变步长峰值爬山算法，通过变化的调焦步长来完成整个自动调焦过程，可以快速的找到清晰度峰值，满足了实时性要求；采用液体镜头组成自动调焦系统，通过下位机直接控制液体镜头的驱动电压即可改变焦距，从而达到改善步进电机造成硬件误差及延时等问题。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种变步长的自动调焦方法，其特征在于，包括步骤：
a)对整幅图像进行Canny算子边缘检测，得到原图的边界图；
b)对边界图进行2×2窗口的膨胀操作，增加边界区域宽度；
c)对原图进行Sobel算子计算，采用下式对单个像素点的梯度值进行计算：
其中，Gx为水平方向的梯度值，Gy为垂直方向的梯度值，为单个像素点的梯度值；
d)对窗口区域进行选择；
e)根据步骤b)膨胀后的边界图和步骤d)选择的窗口区域，以及步骤c)计算的单个像素点的梯度值，采用改进型的Tenengrad梯度图像质量评价函数计算得到改进型的Tenengrad梯度值，作为最终图像清晰度评估参考值，所述改进型的Tenengrad梯度图像质量评价函数表达式如下：
M代表步骤d)选择的窗口区域的水平方向像素点个数，FTenengrad为改进型Tenengrad梯度值；
f)将所述图像清晰度评估参考值转化为电压信号，镜头接收所述电压信号后，采用变步长的峰值搜索爬山算法对成像目标、镜头及控制模块进行反馈控制，从而完成实时自动对焦。
2.根据权利要求1所述的一种变步长的自动调焦方法，其特征在于，所述Sobel算子定义为：
Gx＝[f(x-1，y-1)+2f(x+1，y)+f(x+1，y+1)]-[f(x-1，y-1)+2f(x-1，y)+f(x-1，y+1)]
Gy＝[f(x-1，y+1)+2f(x，y+1)+f(x+1，y+1)]-[f(x-1，y-1)+2f(x，y-1)+f(x+1，y-1)]。
3.根据权利要求1所述的一种变步长的自动调焦方法，其特征在于，所述窗口区域通过调焦窗口进行选择，其中，所述调焦窗口采用多点取窗口区域选择算法进行选取；所述多点取窗口区域选择算法通过对图像进行统计，给出主体景物估计区域，然后，取多点窗口区域作为调焦区域；具体为，对一幅大小为m×n的图像进行多点取窗口区域选择，包括中心区域的一个大窗口以及中心区域周边的四个小窗口，选择窗口区域表示为下式：
其中，I为选择窗口区域，m和n分别表示图像的水平方向像素点个数和垂直方向像素点个数；I1为中心区域的大窗口，I2、I3、I4、I5分别为中心区域周边的四个小窗口。
4.根据权利要求1所述的一种变步长的自动调焦方法，其特征在于，采用所述变步长的峰值搜索爬山算法对成像目标、液体镜头及控制模块进行反馈控制，具体为，通过对初始的[Vmin，Vmax]范围内的电压进行设置，其中Vmin为最小电压，Vmax为最大电压，在这个范围内不断的缩小，达到最终对焦，其具体步骤如下：
(1)首先设定初始固定焦平面焦距，以及初始调焦区域范围；
(2)该初始调焦区域范围内以粗调方式，缩小调焦范围：以初始调焦区域范围的1/4作为调焦补偿，确定较小调焦范围；
(3)在峰值爬山搜索过程中，如果图像清晰度评估值在不断上升的过程中，突然下降，并保持两次下降，则表示已经过了焦平面；
(4)将最大图像清晰度评估值焦距的上一焦距位置设定为调焦区域的左边界；将第一次下降的焦距位置设定为调焦区域的右边界；
(5)如果调焦范围缩小，那么对应调焦步长减少为原来的一半，直到达到最小调焦步长，在调焦范围内继续进行峰值爬山搜索，重复步骤(3)、步骤(4)，直到找到峰值。
5.采用如权利要求1-4任一项所述的变步长的自动调焦方法的自动调焦系统，其特征在于，包括液体镜头、光学成像组件、下位机电流/电压控制模块、PC端自动调焦软件系统及图像存储和输出模块；
其中，所述下位机电流/电压控制模块与所述PC端自动调焦软件系统通信，并同步控制所述液体镜头的焦距，通过调整电压值来改变焦距；
所述光学成像组件与所述PC端自动调焦软件系统连接，所述PC端自动调焦软件系统与所述图像存储和输出模块连接；
所述下位机电流/电压控制模块结合所述液体镜头构成调焦部件，所述调焦部件通过控制输入电压来实现调焦功能。
6.根据权利要求5所述的自动调焦系统，其特征在于，所述光学成像组件为CMOS相机或CCD相机。
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