CN113411497A - 一种基于曲线交点和高斯曲线拟合的自动对焦方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供的一种基于曲线交点和高斯曲线拟合的自动对焦方法和装置，该方法首先采用近似曲线替代的方法，计算正焦粗定位置，由所述正焦粗定位置得到对焦范围，再在所述对焦范围内，计算获取的特定位置的图像清晰度；最后根据所述特定位置、对应的图像清晰度拟合图像位置与图像清晰度之间对应的函数关系，确定图像正焦的精准位置。本发明采用近似曲线替代的方法在少量数据量的情况下，提高了计算的速度，然后在确定的正焦粗定位置的对焦范围内进一步精确对焦的位置，改善了对焦精度与对焦速度的问题。

Description

一种基于曲线交点和高斯曲线拟合的自动对焦方法和装置

技术领域

本发明涉及自动对焦技术领域，具体涉及一种基于曲线交点和高斯 曲线拟合的自动对焦方法和装置。

背景技术

随着图像处理技术和图像采集技术的发展，视觉测量技术被广泛应 用于工业器件的测量上。视觉测量系统搭载在多轴运动平台上，视觉测 量系统的自动对焦过程是通过多轴运动平台来调整相机与被测量器件的 相对位置来完成。对焦过程通过采集多幅图像计算其清晰度来确定正焦 位置，图像采集的数量决定对焦的效率，图像采集的越少、效率越高。 因此，减少对焦过程需要采集的图像的数量，可以提高现场的测量效率。

自动对焦技术包括对焦评价函数和搜索算法，对焦评价函数可分为 空间域、频率域和信息熵三类。空间域评价函数基于梯度算子，图像越 清晰，边缘越明显，图像梯度越大。频率域算法是将图像变换到频率域 计算图像清晰度。熵函数描述系统的混乱程度，熵值越小，图像离焦度 越大；相反，则熵值越大。搜索算法有很多种类，如爬山法、全局搜索算法、黄金分割法、Fibonacci搜索算法和拟合算法。全局算法需要确定 对焦范围、搜索方向和步长，然后沿着搜索方向按固定步长进行采集图 像，并计算图像的清晰度，最后选择清晰度最高的图像的拍摄位置作为 正焦位置。全局算法的对焦精度取决于步长，步长越小精度越高，但是 对焦精度和对焦速度成反比。上述搜索算法无法同时满足高精度和快速对焦，在要求高精度和高效率的航空零件测量现场不适用。

发明内容

为了解决现有对焦技术在对焦精度与对焦速度上的不足的问题，本 发明提出一种基于曲线交点和高斯曲线拟合的自动对焦方法和装置。其 具体技术方案如下：

本发明实施例提供的一种基于曲线交点和高斯曲线拟合的自动对焦 方法，包括步骤：

采用近似曲线替代的方法，计算正焦粗定位置，由所述正焦粗定位 置得到对焦范围；

在所述对焦范围内，计算获取的特定位置的图像清晰度；

根据所述特定位置、对应的图像清晰度拟合图像位置与图像清晰度 之间对应的函数关系，确定图像正焦的精准位置。

进一步的，所述函数关系为高斯函数关系，采用两条曲线计算正焦 粗定位置，所述正焦粗定位置即为两条曲线的交点。

进一步的，所述特定位置均在所述高斯函数关系对应曲线的峰顶预 设范围的位置。

进一步的，根据所述特定位置、特定位置对应的清晰度拟合高斯函 数关系，根据拟合的高斯函数确定图像正焦的精准位置，高斯函数对称 轴所在的位置即为精准位置。

本发明的第二方面提供一种基于曲线交点和高斯曲线拟合的自动对 焦装置，包括：

正焦粗定位置计算模块，用于采用近似曲线替代的方法，计算正焦 粗定位置，由所述正焦粗定位置得到对焦范围；

清晰度计算模块，用于在所述对焦范围内，计算预先获取的特定位 置的图像清晰度；

精准位置确定模块，用于根据所述特定位置、对应的图像清晰度拟 合图像位置与图像清晰度之间对应的函数关系，确定图像正焦的精准位 置。

进一步的，所述正焦粗定位置计算模块还用于采用两条曲线计算正 焦粗定位置，所述正焦粗定位置即为两条曲线的交点。

进一步的，所述特定位置均在所述高斯函数关系对应曲线的峰顶预 设范围的位置。

进一步的，所述精准位置确定模块还用于根据所述特定位置、特定 位置对应的清晰度拟合高斯函数关系，根据拟合的高斯函数确定图像正 焦的精准位置，高斯函数对称轴所在的位置即为精准位置。

本发明实施例提供的一种基于曲线交点和高斯曲线拟合的自动对焦 方法和装置，该方法采用近似曲线替代的方法，计算正焦粗定位置，由 所述正焦粗定位置得到对焦范围，再在所述对焦范围内，计算获取的特 定位置的图像清晰度；最后根据所述特定位置、对应的图像清晰度拟合 图像位置与图像清晰度之间对应的函数关系，确定图像正焦的精准位置。 本发明采用近似曲线替代的方法在少量数据量的情况下，提高了计算的 速度，然后在确定的正焦粗定位置的对焦范围内进一步精确对焦的位置， 改善了对焦精度与对焦速度的问题。

附图说明

图1是本发明一种基于曲线交点和高斯曲线拟合的自动对焦方法流 程图；

图2为两条曲线特定位置选取示意图；

图3为两条曲线交点图；

图4为L选取不合理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行说明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1是本发明一种基于曲线交点和高斯曲线拟合的自动对焦方 法流程图，包括：

S1：采用近似曲线替代的方法，计算正焦粗定位置，由所述正焦粗 定位置得到对焦范围。

相机安装在三坐标测量机上，三坐标测量机运动精度可达3μm，相 机在三坐标测量机的不同位置，采集的图像的清晰度也是不一样的，在 任何摄像系统中，图像位置与清晰度的关系都是近似正态分布。本发明 实施例中，相机拍摄位置和图像清晰度之间的函数关系，在曲线的峰值 位置，他们是满足高斯曲线关系，为了求解高斯函数的参数，以便精确计算出对焦的精准位置、且同时减少计算量，本发明采用相交的两条曲 线的交点来确定正焦位置的粗定位。两条曲线的交点位置和实际图像清 晰度与相机位置关系的曲线的峰值点位置大致相同，因此，本发明通过 求得的交点可以快速确定正焦位置范围，减少搜索范围，参见图3所示， 即采用相交的两条曲线计算正焦粗定位置，所述正焦粗定位置即为相交的两条曲线的交点，并由正焦粗定位置得到对焦范围，在交点的左边、 右边分别寻找若干个点，分别代入两条曲线的方程，分别计算得到该相 交的两条曲线的表达式。在选择点时，一般有如下考虑：相同侧的点和 点之间的间隔选取需合理，才能使求出的交点坐标更接近正焦位置。比 如左边曲线选取两个点x1和x2，右边两点x3和x4，一般L取 (x4-x1)×30％，满足两点覆盖曲线大部分区域，又不至于使得当(c-x1) 与(x4-c)出现较大差别时，x2或x3取值超过峰顶对应的值。参见图4所 示，为当确定的对焦范围的中心位置与正焦位置有较大偏差时，且x1(x3) 与x2(x4)之间的间隔d选取过大时的情况，可以看到x3已经越过峰顶，此时x3求得的清晰度值为曲线1对应的值，使用该值计算得到的曲线的 交点会往左偏移。实际拍摄过程中，按x1,x2,x3,x4顺序采集。计算出 左、右双曲线方程后，并联左、右两个双曲线的方程，计算得出正焦粗 定位置。在正焦粗定位置附近，确定对焦范围，对焦范围尽可能位于峰 顶附近位置，所述位置均满足高斯函数关系。

S2：在所述对焦范围内，计算获取的特定位置的图像清晰度。

在粗略计算得出对焦的大致范围后，需要对对焦的精确位置进行确 定，在本发明实施例中，在对焦范围内找出若干特定位置，特定位置范 围参见图2所示，分别计算该特定位置的图像清晰度，根据该特定位置即 对应的图像清晰度；所述特定位置均满足高斯函数关系。

S3：根据所述特定位置、对应的图像清晰度拟合图像位置与图像清 晰度之间对应的函数关系，确定图像正焦的精准位置。

拟合高斯函数，确定正焦的精准位置，该精准位置即为该高斯函数 的中位数(对称轴)或均值。

本发明实施例提供的本发明实施例提供的一种基于曲线交点和高斯 曲线拟合的自动对焦方法和装置，该方法采用近似曲线替代的方法，计 算正焦粗定位置，由所述正焦粗定位置得到对焦范围，再在所述对焦范 围内，计算预先获取的特定位置的图像清晰度；最后根据所述特定位置、 对应的图像清晰度拟合图像位置与图像清晰度之间对应的函数关系，确 定图像正焦的精准位置。本发明采用近似曲线替代的方法在少量数据量 的情况下，提高了计算的速度，然后在确定的正焦粗定位置的对焦范围 内进一步精确对焦的位置，改善了对焦精度与对焦速度的问题。

举例对本发明提供的一种基于曲线交点和高斯曲线拟合的自动对焦 方法进行说明。

下面将以标准量块的一个表面作为对焦对象为例。下面为具体对焦 步骤：

(1)确定对焦范围为x＝221mm～222mm，将相机移动到x1＝221mm处采集 图像，接着将相机移动L＝300μm到x2＝221.3mm处采集第二张图像，然 后将相机移动到x3＝221.7mm处采集第三张图像，最后将相机移动到 x4＝222mm处采集第四张图像。距离L的选择应大约为(x4-x1)×30％。

(2)通过Tenengrad梯度算子计算采集到的4张图像的清晰度值y1＝ 13.2887,y2＝26.5468,y3＝42.9759,y4＝15.0843。Tenengrad梯度算 子计算方法如下：

其中：

其中G_x(x，y)和G_y(x，y)分别表示图像像素点(x,y)与Sobel算子水平模板和垂 直模板的卷积。

(3)通过(x1,y1)和(x2,y2)求出左边曲线方程

为了避免 程序对方程组的求解的繁琐过程，将上述曲线的求解转化为下式：

上式只需将(x1,y1)和(x2,y2)代入即可求出a1和b1。同理可求出曲线 右边曲线方程

的a2和b2。

(5)求解下面方程组即可得到两条曲线交点坐标横坐标 x0＝221.5709mm。

接着需要采集5张图像并计算其清晰度值用于高斯曲线拟合求出精确正 焦位置。确定5张图像之间相机的位置间隔detaL＝10μm。detaL的选择 应使5张图像的位置处于图2的虚线方框内，即应尽可能位于峰顶位置。 当detaL过大，5张图像的清晰度值将不符合高斯分布，得到的正焦位置 将不精确。

通过三轴运动装置移动相机到x01＝221.5509mm,x02＝221.5609mm, x03＝221.5709mm,x04＝221.5809mm以及x05＝221.5909mm五个位置分别采 集5张图像，并计算它们的清晰度值分别为y01＝61.1075,y02＝62.0532, y03＝62.7205,y04＝62.7545,y05＝62.5736。通过高斯曲线拟合上述5组 数据，求出拟合得到的高斯函数如下：

得到的视觉测量系统的精确的正焦位置为x＝221.5810mm。

(6)将相机移动到精确的正焦位置x＝221.5810mm处，采集一张图像，

并计算图像清晰度值y＝62.7621。自动对焦完成。

本发明的第二方面提供一种基于曲线交点和高斯曲线拟合的自动对 焦装置，包括：

正焦粗定位置计算模块，用于采用近似曲线替代的方法，计算正焦 粗定位置，由所述正焦粗定位置得到对焦范围；

清晰度计算模块，用于在所述对焦范围内，计算预先获取的特定位 置的图像清晰度；

精准位置确定模块，用于根据所述特定位置、对应的图像清晰度拟 合图像位置与图像清晰度之间对应的函数关系，确定图像正焦的精准位 置。

进一步的，所述正焦粗定位置计算模块还用于采用两条相交的曲线 计算正焦粗定位置，所述正焦粗定位置即为相交的两条曲线的交点。

进一步的，所述特定位置均在所述高斯函数关系对应曲线的峰顶预 设范围的位置，所述特定位置均满足高斯函数关系。

进一步的，所述精准位置确定模块还用于根据所述特定位置、特定 位置对应的清晰度拟合高斯函数关系，根据拟合的高斯函数确定图像正 焦的精准位置，高斯函数对称轴所在的位置即为精准位置。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的 描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技 术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的 这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于曲线交点和高斯曲线拟合的自动对焦方法，其特征在于，包括步骤：

采用近似曲线替代的方法，计算正焦粗定位置，由所述正焦粗定位置得到对焦范围；

在所述对焦范围内，计算获取的特定位置的图像清晰度；

根据所述特定位置、对应的图像清晰度拟合图像位置与图像清晰度之间对应的函数关系，确定图像正焦的精准位置。

2.根据权利要求1所述的基于曲线交点和高斯曲线拟合的自动对焦方法，其特征在于，采用两条曲线计算正焦粗定位置，所述正焦粗定位置即为两条曲线的交点。

3.根据权利要求2所述的基于曲线交点和高斯曲线拟合的自动对焦方法，其特征在于，所述特定位置均在所述高斯函数关系对应曲线的峰顶预设范围的位置。

4.根据权利要求2所述的基于曲线交点和高斯曲线拟合的自动对焦方法，其特征在于，根据所述特定位置、特定位置对应的清晰度拟合高斯函数关系，根据拟合的高斯函数确定图像正焦的精准位置，高斯函数对称轴所在的位置即为精准位置。

5.一种基于曲线交点和高斯曲线拟合的自动对焦装置，其特征在于，包括：

正焦粗定位置计算模块，用于采用近似曲线替代的方法，计算正焦粗定位置，由所述正焦粗定位置得到对焦范围；

清晰度计算模块，用于在所述对焦范围内，计算获取的特定位置的图像清晰度；

精准位置确定模块，用于根据所述特定位置、对应的图像清晰度拟合图像位置与图像清晰度之间对应的函数关系，确定图像正焦的精准位置。

6.根据权利要求5所述的基于曲线交点和高斯曲线拟合的自动对焦装置，其特征在于，所述正焦粗定位置计算模块还用于采用两条曲线计算正焦粗定位置，所述正焦粗定位置即为两条曲线的交点。

7.根据权利要求6所述的基于曲线交点和高斯曲线拟合的自动对焦装置，其特征在于，所述特定位置均在所述高斯函数关系对应曲线的峰顶预设范围的位置。

8.根据权利要求6所述的基于曲线交点和高斯曲线拟合的自动对焦装置，其特征在于，所述精准位置确定模块还用于根据所述特定位置、特定位置对应的清晰度拟合高斯函数关系，根据拟合的高斯函数确定图像正焦的精准位置，高斯函数对称轴所在的位置即为精准位置。

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