CN114136463B - 一种基于红外热像仪的自动对焦标定方法、装置及系统 - Google Patents

一种基于红外热像仪的自动对焦标定方法、装置及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于红外热像仪的自动对焦标定方法、装置及系统，属于红外设备生产工艺技术领域。其中，方法的实现包括：在正反向调焦过程中，利用对焦区域的平均梯度作为红外图像清晰指数，获取各单一温度下正反向调焦图像的最大清晰指数和最大正反向清晰指数对应的码值；在某一温度下，通过对比该温度的最大正反向清晰指数对应的码值，来剔除异常对焦码值后，将温度和对焦码值进行线性拟合，在拟合结果的预设范围内的码值重新获取局部最清晰值，从而校正异常对焦值。通过本发明可有效解决自动对焦设备的存点问题，以满足大批量设备生产的要求以及生产效率的提升。

Description

一种基于红外热像仪的自动对焦标定方法、装置及系统
技术领域
本发明属于红外设备生产工艺技术领域，更具体地，涉及一种自动对焦标定方法、装置及系统，可代替人工进行带有自动对焦功能的设备进行存点工作。
背景技术
在红外热像仪的观测使用中，为满足其在不同温度下开机后图像自动对焦，则需要在不同温度段内存储相应的调焦电机码值。
在红外热像仪的批生产中，对于带有自动对焦功能的设备，往往需要人工在设备处于不同温度时对设备进行对焦，读取温度、电机码值并写入相应的数据。人工存点费时费力；且红外图像噪声较大，常见对焦算法精度差，无法满足自动化生产要求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于红外热像仪的自动对焦标定方法、装置及系统，利用Sobel算子计算图像清晰指数，并结合后处理算法剔除异常项，可有效解决自动对焦设备的存点问题，以满足大批量设备生产的要求以及生产效率的提升。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于红外热像仪的自动对焦标定方法，包括：
S1：在正向调焦过程中，利用对焦区域的平均梯度作为红外图像清晰指数，获取各单一温度下正向调焦图像的最大清晰指数和最大正向清晰指数对应的码值；
S2：在反向调焦过程中，利用对焦区域的平均梯度作为红外图像清晰指数，获取各单一温度下反向调焦图像的最大清晰指数和最大反向清晰指数对应的码值；
S3：在某一温度下，通过对比该温度的最大正反向清晰指数对应的码值，来剔除异常对焦码值后，将温度和对焦码值进行线性拟合，在拟合结果的预设范围内的码值重新获取局部最清晰值，从而校正异常对焦值。
在一些可选的实施方案中，步骤S1包括：
S1.1：在正向调焦过程中，初始化最大清晰指数Vmax为0，调整电机码值，获取一张红外图像；
S1.2：对红外图像进行中值滤波处理，采用Sobel计算图像的梯度值，获取对焦区域，以对焦区域的平均梯度作为图像清晰指数，记录当前电机码值和当前清晰指数；
S1.3：将当前清晰指数与当前温度最大清晰指数Vmax进行比较，若当前清晰指数大于Vmax，则更新Vmax值为当前清晰指数，更新Vmax对应的电机码值Lmax为当前电机码值，若当前清晰指数不大于Vmax，则不做处理；
S1.4：调整电机码值，获取新的红外图像，重复步骤S1.2～S1.4，直到完成正向调焦过程。
在一些可选的实施方案中，步骤S2包括：
S2.1：在反向调焦过程中，初始化最大清晰指数rVmax为0，反向调整电机码值，获取一张红外图像；
S2.2：对红外图像进行中值滤波处理，采用Sobel计算图像的梯度值，获取对焦区域，以对焦区域的平均梯度作为图像清晰指数，记录当前电机码值和当前清晰指数；
S2.3：将当前清晰指数与当前温度最大清晰指数rVmax进行比较，若当前清晰指数大于rVmax，则更新rVmax值为当前清晰指数，更新rVmax对应的电机码值rLmax为当前电机码值，若当前清晰指数不大于rVmax，则不做处理；
S2.4：调整电机码值，获取新的红外图像，重复步骤S2.2～S2.4，直到完成反向调焦过程。
在一些可选的实施方案中，步骤S3包括：
S3.1：获取各温度的最大正反向清晰指数对应的码值，在某一温度下，若该温度的最大正向清晰指数对应的码值Lmax与该温度的最大反向清晰指数对应的码值rLmax之间的差值绝对值大于预设阈值，则将Lmax和rLmax作为异常值，差值绝对值小于或等于预设阈值则为正常值；
S3.2：剔除对焦错误的异常值Lmax和rLmax，将正反向对焦码值和各自对应温度一起进行线性拟合；
S3.3：按照拟合结果计算错误对焦温度点的拟合码值LT，设定局部范围ΔL，并将[LT-ΔL，LT+ΔL]作为校正异常值用的局部空间；
S3.4：获取错误对焦温度下且属于局部空间的最大清晰指数，并根据最大清晰指数找到对应的电机码值作为校正后的对焦码值。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于红外热像仪的自动对焦标定装置，包括：
正向调焦模块，用于在正向调焦过程中，利用对焦区域的平均梯度作为红外图像清晰指数，获取各单一温度下正向调焦图像的最大清晰指数和最大正向清晰指数对应的码值；
反向调焦模块，用于在反向调焦过程中，利用对焦区域的平均梯度作为红外图像清晰指数，获取各单一温度下反向调焦图像的最大清晰指数和最大反向清晰指数对应的码值；
校正模块，用于在某一温度下，通过对比该温度的最大正反向清晰指数对应的码值，来剔除异常对焦码值后，将温度和对焦码值进行线性拟合，在拟合结果的预设范围内的码值重新获取局部最清晰值，从而校正异常对焦值。
在一些可选的实施方案中，所述正向调焦模块，用于在正向调焦过程中，初始化最大清晰指数Vmax为0，调整电机码值，获取一张红外图像；对红外图像进行中值滤波处理，采用Sobel计算图像的梯度值，获取对焦区域，以对焦区域的平均梯度作为图像清晰指数，记录当前电机码值和当前清晰指数；将当前清晰指数与当前温度最大清晰指数Vmax进行比较，若当前清晰指数大于Vmax，则更新Vmax值为当前清晰指数，更新Vmax对应的电机码值Lmax为当前电机码值，若当前清晰指数不大于Vmax，则不做处理；调整电机码值，获取新的红外图像，重复上述操作，直到完成正向调焦过程。
在一些可选的实施方案中，所述反向调焦模块，用于在反向调焦过程中，初始化最大清晰指数rVmax为0，反向调整电机码值，获取一张红外图像；对红外图像进行中值滤波处理，采用Sobel计算图像的梯度值，获取对焦区域，以对焦区域的平均梯度作为图像清晰指数，记录当前电机码值和当前清晰指数；将当前清晰指数与当前温度最大清晰指数rVmax进行比较，若当前清晰指数大于rVmax，则更新rVmax值为当前清晰指数，更新rVmax对应的电机码值rLmax为当前电机码值，若当前清晰指数不大于rVmax，则不做处理；调整电机码值，获取新的红外图像，重复上述操作，直到完成反向调焦过程。
在一些可选的实施方案中，所述校正模块，用于获取各温度的最大正反向清晰指数对应的码值，在某一温度下，若该温度的最大正向清晰指数对应的码值Lmax与该温度的最大反向清晰指数对应的码值rLmax之间的差值绝对值大于预设阈值，则将Lmax和rLmax作为异常值，差值绝对值小于或等于预设阈值则为正常值；剔除对焦错误的异常值Lmax和rLmax，将正反向对焦码值和各自对应温度一起进行线性拟合；按照拟合结果计算错误对焦温度点的拟合码值LT，设定局部范围ΔL，并将[LT-ΔL，LT+ΔL]作为校正异常值用的局部空间；获取错误对焦温度下且属于局部空间的最大清晰指数，并根据最大清晰指数找到对应的电机码值作为校正后的对焦码值。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于红外热像仪的自动对焦标定系统，包括：温箱、红外靶标、电源及终端设备；
红外热像仪置于温箱内，通过窗口与红外靶标对齐；红外热像仪通过线缆连接终端设备，终端设备用于控制调焦电机、读取环境温度和采集数字图像，进而执行上述任意一项所述的基于红外热像仪的自动对焦标定方法；红外热像仪由电源供电，开启和关断由终端设备通过串口间接控制电源完成；温箱的温度通过网口由终端设备自动控制。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
利用Sobel算子计算图像清晰指数，并结合后处理算法剔除异常项，可有效解决人工标定成本高，费时费力；普通对焦算法精度差，无法满足自动化生产要求。本发明方案自动化程度高，成本低，可持续工作。且对焦精度高，可有效完成红外热像仪的自动对焦标定工作。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于红外热像仪的自动对焦标定方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种单温度对焦码值方法流程图；
图3是本发明实施例提供的一种多温度对焦码值校正方法流程图；
图4是本发明实施例提供的一种设备连接示意图；
图5是本发明实施例提供的一种对焦区域选定示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例一
本发明的自动对焦标定方法分为两个部分：一是利用对焦区域的平均梯度作为红外图像清晰指数，获取单一温度下每一张红外图像的清晰指数V，并记录对应的码值L。通过循环比较，得到单一温度下正反向调焦图像各自的最大清晰值Vmax、rVmax和对应的码值Lmax、rLmax；二是，在获取到不同温度的最大正反向对焦码值以后，通过对比正反对焦码值，来剔除异常对焦码值，并基于正确的结果进行拟合，在拟合结果附近码值重新获取局部最清晰指数值，从而校正异常对焦值，进一步提高精度。如图1所示是本发明实施例提供的一种基于红外热像仪的自动对焦标定方法的流程示意图，在图1所示的方法中包括以下步骤：
S1：在正向调焦过程中，利用对焦区域的平均梯度作为红外图像清晰指数，获取各单一温度下正向调焦图像的最大清晰指数和最大正向清晰指数对应的码值；
S2：在反向调焦过程中，利用对焦区域的平均梯度作为红外图像清晰指数，获取各单一温度下反向调焦图像的最大清晰指数和最大反向清晰指数对应的码值；
S3：在某一温度下，通过对比该温度的最大正反向清晰指数对应的码值，来剔除异常对焦码值后，将温度和对焦码值进行线性拟合，在拟合结果的预设范围内的码值重新获取局部最清晰值，从而校正异常对焦值。
如图2所示是本发明实施例提供的一种单温度对焦码值方法流程图，具体地，步骤S1包括：
S1.1：在正向调焦过程中，初始化最大清晰指数Vmax为0，调整电机码值，获取一张红外图像；
S1.2：对红外图像进行中值滤波处理，以减小后续噪声对梯度值的干扰，采用Sobel计算图像的梯度值，获取对焦区域，以对焦区域的平均梯度作为图像清晰指数，记录当前电机码值和当前清晰指数；
其中，采用Sobel计算图像的梯度值，对应公式如下：
G(x,y)为最终每个像素点的梯度值，Gx(x,y)、Gy(x,y)分别为横向梯度和纵向梯度，为便于计算，可以采样近似处理以代替开根。也就是分别采用横向卷积因子和纵向卷积因子对图像进行卷积运算，然后求和作为最终的梯度值。Sobel卷积因子如下表1所示。
表1
其中，以对焦区域的平均梯度作为图像清晰指数，公式如下：
其中，[x0:(x0+m),y0:(y0+n)]为对焦区域。
S1.3：将当前清晰指数与当前温度最大清晰指数Vmax进行比较，若当前清晰指数大于Vmax，则更新Vmax值为当前清晰指数，更新Vmax对应的电机码值Lmax为当前电机码值，若当前清晰指数不大于Vmax，则不做处理；
S1.4：调整电机码值，获取新的红外图像，重复步骤S1.2～S1.4，直到完成正向调焦过程。
在一些可选的实施方案中，步骤S2包括：
S2.1：在反向调焦过程中，初始化最大清晰指数rVmax为0，反向调整电机码值，获取一张红外图像；
S2.2：对红外图像进行中值滤波处理，采用Sobel计算图像的梯度值，获取对焦区域，以对焦区域的平均梯度作为图像清晰指数，记录当前电机码值和当前清晰指数；
S2.3：将当前清晰指数与当前温度最大清晰指数rVmax进行比较，若当前清晰指数大于rVmax，则更新rVmax值为当前清晰指数，更新rVmax对应的电机码值rLmax为当前电机码值，若当前清晰指数不大于rVmax，则不做处理；
S2.4：调整电机码值，获取新的红外图像，重复步骤S2.2～S2.4，直到完成反向调焦过程。
其中，通过上述步骤S1和S2获取到的Vmax，Lmax和rVmax，rLmax分别为正反向最大清晰指数和最佳对焦码值。
如图3所示是本发明实施例提供的一种多温度对焦码值校正方法流程图，图像噪声的干扰具有随机性，会导致正反调焦时图像最大清晰值出现在不同的码值，而设备处于同一温度，正向对焦时的码值和反向对焦时的码值不会差异太大。具体地，步骤S3包括：
S3.1：获取各温度的最大正反向清晰指数对应的码值，在某一温度下，若该温度的最大正向清晰指数对应的码值Lmax与该温度的最大反向清晰指数对应的码值rLmax之间的差值绝对值abs(Lmax-rLmax)大于预设阈值，则将Lmax和rLmax作为异常值，差值绝对值小于或等于预设阈值则为正常值；
S3.2：剔除对焦错误的异常值Lmax和rLmax，将正反向对焦码值和各自对应温度一起进行线性拟合；
S3.3：按照拟合结果计算错误对焦温度点的拟合码值LT，设定局部范围ΔL，并将[LT-ΔL，LT+ΔL]作为校正异常值用的局部空间；
S3.4：获取错误对焦温度下且属于局部空间的最大清晰指数，并根据最大清晰指数找到对应的电机码值作为校正后的对焦码值。
其中，由于通过步骤S1和步骤S2已经记录下了码值和对应温度，在步骤S3.4中，通过对[LT-ΔL，LT+ΔL]范围内的数据进行排序，即可获取错误对焦温度下且属于局部空间的最大清晰指数，然后根据最大清晰指数找到对应的电机码值作为校正后的对焦码值。
实施例二
如图4所示为设备连接示意图，待测设备置于温箱内，通过窗口与红外靶标对齐；热像仪通过线缆连接终端设备(如计算机)，计算机通过程序控制调焦电机、读取环境温度和采集数字图像；热像仪由外部电源供电，开启和关断由计算机通过串口间接控制外部电源完成；温箱的温度通过网口由计算机自动控制。具体实施过程如下所述：
(1)将热像仪放入温箱，连接电源和计算机，打开靶标和热像仪，调节热像仪位置和电机码值，使靶标处于图像中心位置并清晰成像；
(2)如图5所示，根据靶标在图像中的位置和大小，划定对焦区域，并记录矩形的左上角位置(x0，y0)和右下角位置(x1，y1)，保存到算法初始化文件中；
(3)关闭温箱，将热像仪电源、温箱的通信接口连接到计算机，启动程序开始自动存点工作；
(4)计算机程序自动将热像仪电机码值调整到最小，然后关闭热像仪电源，之后计算机控制温箱，将其调整到目标温度，并进行保温；
(5)达到保温时间后，计算机自动开启热像仪电源，以微小间隔正向驱动调焦电机，每调整一次采集一帧图像，并结合上述方案中的单温度最佳对焦码值方法，获取每个码值L和对应的清晰指数V，并根据最大的清晰指数Vmax获取最佳对焦码值Lmax，直到电机码值达到最大值；
(6)以微小间隔反向驱动调焦电机，每调整一次采集一帧图像，并结合上述方案中的单温度最佳对焦码值方法，获取每个码值L和对应的清晰指数V，并根据最大的清晰指数rVmax获取最佳对焦码值rLmax，直到电机码值达到最小值；
(7)记录此时的温度、清晰指数、码值等相关信息，关闭热像仪电源，设定温箱到另一温度值进行保温，重复(5)、(6)操作，直到完成所有温度的对焦；
(8)结合上述方案中的多温度对焦码值校正方法，检验并校正异常对焦码值，将校正后的存点结果导入到热像仪，即可完成设备的自动存点工作。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于红外热像仪的自动对焦标定方法，其特征在于，包括：
S1：在正向调焦过程中，利用对焦区域的平均梯度作为红外图像清晰指数，获取各单一温度下正向调焦图像的最大正向清晰指数和最大正向清晰指数对应的码值；
S2：在反向调焦过程中，利用对焦区域的平均梯度作为红外图像清晰指数，获取各单一温度下反向调焦图像的最大反向清晰指数和最大反向清晰指数对应的码值；
S3：获取各温度的最大正反向清晰指数对应的码值，在某一温度下，若该温度的最大正向清晰指数对应的码值Lmax与该温度的最大反向清晰指数对应的码值rLmax之间的差值绝对值大于预设阈值，则将Lmax和rLmax作为异常值，差值绝对值小于或等于预设阈值则为正常值；剔除对焦错误的异常值Lmax和rLmax，将最大正反向清晰指数对应的码值和各自对应温度一起进行线性拟合；按照拟合结果计算错误对焦温度点的拟合码值LT，设定局部范围ΔL，并将[LT-ΔL，LT+ΔL]作为校正异常值用的局部空间；获取错误对焦温度下且属于局部空间的最大清晰指数，并根据最大清晰指数找到对应的电机码值作为校正后的对焦码值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1包括：
S1.1：在正向调焦过程中，初始化最大清晰指数Vmax为0，调整电机码值，获取一张红外图像；
S1.2：对红外图像进行中值滤波处理，采用Sobel计算图像的梯度值，获取对焦区域，以对焦区域的平均梯度作为图像清晰指数，记录当前电机码值和当前清晰指数；
S1.3：将当前清晰指数与当前温度最大清晰指数Vmax进行比较，若当前清晰指数大于Vmax，则更新Vmax值为当前清晰指数，更新Vmax对应的电机码值Lmax为当前电机码值，若当前清晰指数不大于Vmax，则不做处理；
S1.4：调整电机码值，获取新的红外图像，重复步骤S1.2～S1.4，直到完成正向调焦过程。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S2包括：
S2.1：在反向调焦过程中，初始化最大清晰指数rVmax为0，反向调整电机码值，获取一张红外图像；
S2.2：对红外图像进行中值滤波处理，采用Sobel计算图像的梯度值，获取对焦区域，以对焦区域的平均梯度作为图像清晰指数，记录当前电机码值和当前清晰指数；
S2.3：将当前清晰指数与当前温度最大清晰指数rVmax进行比较，若当前清晰指数大于rVmax，则更新rVmax值为当前清晰指数，更新rVmax对应的电机码值rLmax为当前电机码值，若当前清晰指数不大于rVmax，则不做处理；
S2.4：调整电机码值，获取新的红外图像，重复步骤S2.2～S2.4，直到完成反向调焦过程。
4.一种基于红外热像仪的自动对焦标定装置，其特征在于，包括：
正向调焦模块，用于在正向调焦过程中，利用对焦区域的平均梯度作为红外图像清晰指数，获取各单一温度下正向调焦图像的最大正向清晰指数和最大正向清晰指数对应的码值；
反向调焦模块，用于在反向调焦过程中，利用对焦区域的平均梯度作为红外图像清晰指数，获取各单一温度下反向调焦图像的最大反向清晰指数和最大反向清晰指数对应的码值；
校正模块，用于获取各温度的最大正反向清晰指数对应的码值，在某一温度下，若该温度的最大正向清晰指数对应的码值Lmax与该温度的最大反向清晰指数对应的码值rLmax之间的差值绝对值大于预设阈值，则将Lmax和rLmax作为异常值，差值绝对值小于或等于预设阈值则为正常值；剔除对焦错误的异常值Lmax和rLmax，将最大正反向清晰指数对应的码值和各自对应温度一起进行线性拟合；按照拟合结果计算错误对焦温度点的拟合码值LT，设定局部范围ΔL，并将[LT-ΔL，LT+ΔL]作为校正异常值用的局部空间；获取错误对焦温度下且属于局部空间的最大清晰指数，并根据最大清晰指数找到对应的电机码值作为校正后的对焦码值。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述正向调焦模块，用于在正向调焦过程中，初始化最大清晰指数Vmax为0，调整电机码值，获取一张红外图像；对红外图像进行中值滤波处理，采用Sobel计算图像的梯度值，获取对焦区域，以对焦区域的平均梯度作为图像清晰指数，记录当前电机码值和当前清晰指数；将当前清晰指数与当前温度最大清晰指数Vmax进行比较，若当前清晰指数大于Vmax，则更新Vmax值为当前清晰指数，更新Vmax对应的电机码值Lmax为当前电机码值，若当前清晰指数不大于Vmax，则不做处理；调整电机码值，获取新的红外图像，重复上述操作，直到完成正向调焦过程。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述反向调焦模块，用于在反向调焦过程中，初始化最大清晰指数rVmax为0，反向调整电机码值，获取一张红外图像；对红外图像进行中值滤波处理，采用Sobel计算图像的梯度值，获取对焦区域，以对焦区域的平均梯度作为图像清晰指数，记录当前电机码值和当前清晰指数；将当前清晰指数与当前温度最大清晰指数rVmax进行比较，若当前清晰指数大于rVmax，则更新rVmax值为当前清晰指数，更新rVmax对应的电机码值rLmax为当前电机码值，若当前清晰指数不大于rVmax，则不做处理；调整电机码值，获取新的红外图像，重复上述操作，直到完成反向调焦过程。
7.一种基于红外热像仪的自动对焦标定系统，其特征在于，包括：温箱、红外靶标、电源及终端设备；
红外热像仪置于温箱内，通过窗口与红外靶标对齐；红外热像仪通过线缆连接终端设备，终端设备用于控制调焦电机、读取环境温度和采集数字图像，进而执行权利要求1至3任意一项所述的基于红外热像仪的自动对焦标定方法；红外热像仪由电源供电，开启和关断由终端设备通过串口间接控制电源完成；温箱的温度通过网口由终端设备自动控制。
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