CN114422660A - 一种指定监控区域的成像对焦系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种指定监控区域的成像对焦系统，包括对焦环驱动轮、镜头定焦环、电机系统和固定支架，所述电机系统包括电机控制系统和电机；所述电机控制系统控制电机转动方向以及转动时间，再由电机内的传动结构带动所述对焦环驱动轮转动，所述对焦环驱动轮与所述镜头定焦环连接，控制镜头定焦环实现镜头的对焦操作。本发明采用电动机构控制定焦环旋转，无需在安装相机时手动对焦，同时指定区域修改后也可及时调整。采用评价算法计算对焦后图像清晰度，相比传统主观评价的方式，对焦更为精准。焦环驱动器采用齿轮组结构，相比其他传动方式，控制角度更为精确，也因此无需回转镜头。

Description

一种指定监控区域的成像对焦系统

技术领域

本发明属于视频监控技术领域，尤其涉及一种指定监控区域的成像对焦 系统。

背景技术

自动对焦技术是计算机视觉和各类成像系统的关键技术之一，在数码相 机、数码摄像机等成像系统中有着广泛的用途。传统的自动对焦技术较多采 用测距法，即通过测出物距，由镜头方程求出系统的像距或焦距，来调整系统使 之处于准确对焦的状态。随着现代计算技术的发展和数字图像处理理论的日 益成熟，自动对焦技术进入一个新的数字时代，越来越多的自动对焦方法基于 图像处理理论对图像有关信息进行分析计算，然后根据控制策略驱动电机，调 节系统使之准确对焦。

自动对焦(Auto Focus)是利用物体光反射的原理，将反射的光被相机上 的传感器接受，通过计算机处理，带动电动对焦装置进行对焦的方式叫自动 对焦。它多分为主动式和被动式两类。主动式自动对焦：利用相机上的红外 线发生器、超声波发生器发出红外光或超声波到被摄体。相机上的接受器接 受反射回来的红外光或超声波进行对焦，其光学原理类似三角测距对焦法。 主动式中又有能量法，用于低档普及型相机的自动对焦，广泛用于各种平视 取景相机。被动式自动对焦：即直接接收分析来自景物自身的反光，进行自动对焦的方式。这种自动对焦方式的优点是；自身不要发射系统，因而耗能 少，有利于小型化。对具有一定亮度的被摄体能理想的自动对焦，在逆光下 也能良好的对焦，对远处亮度大的物体能自动对焦，能透过玻璃对焦。

在道路、交通视频监控系统中，由于拍摄场景路口或路段的固定位置， 拍摄对象为道路上的交通参与对象，多为大量移动目标，因此在拍摄时如果 使用自动对焦系统，会使得对焦区域随交通对象的移动或者光线的变换发生 移动，无法保证指定拍摄区域的画面清晰，因此在道路、交通视频监控系统 中普遍使用了手动对焦的定焦镜头。但由于道路、交通视频监控安装的特殊 性，对相机对焦需要借助特殊车辆和人员，因此本发明设计了一种指定监控 区域的成像对焦系统，用户视频监控相机的镜头对焦。

发明内容

带定焦镜头的视频监控相机在道路、交通监控中有着广泛的应用。由于 视频监控的场景、对象不同，导致每次安装或更换相机时，都需要对镜头进 行对焦操作。受限于道路、交通视频监控安装的特殊性，对焦调试需专业人 员配合，过程复杂。同时常见的自动对焦镜头在使用会依据对焦算法自动计 算，导致对焦点或区域会随着物体移动、光线变化而发生变化，不利于道路、 交通视频监控中拍摄区域固定的要求。有鉴于此，本发明提出一种指定环境 下的成像对焦系统，通过设置拍摄区域，多次采集成像，利用图像清晰度值 算法以及对焦环驱动器控制，来实现对指定区域的自动对焦，大幅降低了道 路、交通监控中定焦镜头监控相机对焦作业的难度。

本发明公开的一种指定监控区域的成像对焦系统，包括对焦环驱动轮、镜 头定焦环、电机系统和固定支架，所述电机系统包括电机控制系统和电机； 所述电机控制系统控制电机转动方向以及转动时间，再由电机内的传动结构 带动所述对焦环驱动轮转动，所述对焦环驱动轮与所述镜头定焦环连接，控 制镜头定焦环实现镜头的对焦操作。

进一步的，所述对焦环驱动轮的齿比使得所述镜头定焦环以1°为单位进 行旋转调焦。

进一步的，电机控制系统读取相机中的检测区域配置，设置起始点、终 止点，再读取当前帧检测区域图像的灰度值，计算图像的清晰度值，并根据 图像的清晰度值控制所述镜头定焦环旋转调焦。

进一步的，所述根据图像的清晰度值控制所述镜头定焦环旋转调焦包括：

以1°/次的速度旋转所述镜头定焦环，并计算图像清晰度，比较前后两 次图像清晰度的值；

如果图像清晰度逐渐增大，继续旋转所述镜头定焦环；

当旋转镜头定焦环计算的图像清晰度开始比上一次的图像清晰度小时， 对焦环驱动轮停止旋转，对焦完成。

进一步的，所述图像清晰度使用灰度方差乘积方法计算，公式如下：

其中(m_s,n_s)表示图像检测区域的起始点，为区域的左上角坐标点；(m_e,n_e)表示图像检测区域的终止点，为区域的右下角坐标点；x_ij表示检测区域中图像像 素点的灰度值。

本发明的有益效果如下：

采用电动机构控制定焦环旋转，无需在安装相机时手动对焦，同时指定 区域修改后也可及时调整。

采用评价算法计算对焦后图像清晰度，相比传统主观评价的方式，对焦 更为精准。

焦环驱动器采用齿轮组结构，相比其他传动方式，控制角度更为精确， 也因此无需回转镜头。

附图说明

图1为本发明的成像对焦系统结构连接图；

图2为本发明检测区域清晰度计算流程图；

图3为本发明成像对焦控制算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以 限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。

本发明主要针对安装道路上的视频监控相机，在此类相机配置中，检测 区域是一个常见配置，主要是用于标定相机需要检测拍摄的区域，因此检测 区域图像的清晰度直接影响相机的功能。在相机安装时也会根据检测区域手 动对焦，通过主观评价的方式判定是否对焦成功。本发明利用灰度方差乘积 (SMD2)算法，计算检测区域清晰度值，以减少主观评价带来的误差。

在图像处理中，相比于未对焦区域图像，对焦区域图像由于场景内容分 割明确，因此像素间差异越大，且在较复杂的场景中，图像越清晰，相邻像 素变化幅度越大；图像越模糊，整个图像的灰度分布较平均，相邻像素变化 幅度越小。SMD2算法正是利用这一特点，使用灰度方差乘积指标来衡量图像 的清晰度，灰度方差乘积的计算公式如下：

其中(m_s,n_s)表示图像检测区域的起始点，为区域的左上角坐标点；(m_e,n_e) 表示图像检测区域的终止点，为区域的右下角坐标点；x_ij表示检测区域中图 像像素点的灰度值。在检测区域(m,n)中灰度方差乘积的值越大，表示图像越 清晰，图像的质量越好；反之，图像越模糊，质量越差。

本发明在计算图像清晰度值时，首先读取相机中的检测区域配置，设置起 始点(m_e,n_e)、终止点(m_s,n_s)，然后再读取当前帧检测区域(m,n)图像的灰度值， 最后利用SMD2算法输出图像的清晰度值，流程如下图1所示。

在清晰度值的基础上本发明可以对对焦系统的调节做出评价，并以此为 据控制对焦系统，达到对检测区域清晰对焦的目的。

常见的视频监控相机采用的定焦镜头中一般有两个调节机构：一是光圈 调节环，用于调节光圈大小，控制进光量；二是定焦环，用于改变成像最清 晰的平面到镜头的距离，也就是说，调节定焦环可以使被摄主体保持清晰。 本发明的对焦环驱动器是一个由对焦环驱动轮、电机系统和固定支架组成的 结构，物理连接结构如图2所示。

本发明中的对焦环驱动器主要工作原理是控制系统控制电机转动方向以 及转动时间，再由电机系统内的传动结构带动对焦环驱动轮转动，对焦环驱 动轮与镜头定焦环连接，直接控制镜头定焦环实现镜头的对焦操作。

本发明中电机系统在工作前先要对系统进行标定，需要依据系统内传动 系统的齿比，标定定焦环旋转1°时电机系统需要工作的时间，由此控制定焦 环以1°为单位进行旋转调焦。

本发明基于SMD2算法以及对焦环驱动器设计了一套对焦环驱动器控制 算法。算法首先将对焦环驱动器以及SMD2算法的参数初始化，初始化参数 中包括定焦环旋转1°需要对电机通电的时间以及相机监控画面中的指定区 域。然后通过1°/次的速度，边旋转定焦环边计算SMD2(m,n)，比较前后两 次SMD2(m,n)的值。由于指定区域图像一开始处于模糊状态，SMD2(m,n)值 较小，在旋转定焦环后，图像慢慢清晰，此时SMD2(m,n)逐渐增大，而当后 一次的SMD2(m,n)又小于前一次的SMD2(m,n)时，说明前一次的SMD2(m,n) 到达顶点，图像为最清晰的图像，此时对焦环驱动器停止旋转，对焦完成。 算法流程如下图3所示。

算法流程图中SMD2(m,n)’为前一次旋转后指定区域图像的清晰度值， SMD2(m,n)’初始值为一个当前计算精度的最大值，在此算法中被初始化为 65535，以此保证算法能进判断流程。且由于镜头存在一定宽容度，一旦 SMD2(m,n)越过最值点，对焦环驱动器就不在做下一次转动，并不会回退1° 以修正对焦结果。

以一款CCTV_LENS_3MP·HD_12MM_IR的手动定焦镜头为例，当镜 头面向我们是，我们将镜头顺时针转到无法转动，此时镜头焦点处于最近处。 将镜头安装至相机，安装对焦环驱动器，此时逆时针旋转镜头，镜头焦点由 进至远，标出指定区域，按照电机系统齿比标定对焦环驱动器选装速度为2 秒/度，即对焦环驱动器每选装1°需要2秒，同时在这2秒完成SMD2(m,n) 与SMD2(m,n)’的比对。如果比对结果为SMD2(m,n)<＝SMD2(m,n)’，则对焦 环驱动器旋转1°并采集图像，更新SMD2(m,n)，如果SMD2(m,n)>SMD2(m, n)’则停止转动，完成对焦。

本发明的有益效果如下：

采用电动机构控制定焦环旋转，无需在安装相机时手动对焦，同时指定 区域修改后也可及时调整。

采用评价算法计算对焦后图像清晰度，相比传统主观评价的方式，对焦 更为精准。

焦环驱动器采用齿轮组结构，相比其他传动方式，控制角度更为精确， 也因此无需回转镜头。

本文所使用的词语“优选的”意指用作实例、示例或例证。本文描述为“优 选的”任意方面或设计不必被解释为比其他方面或设计更有利。相反，词语“优 选的”的使用旨在以具体方式提出概念。如本申请中所使用的术语“或”旨在意 指包含的“或”而非排除的“或”。即，除非另外指定或从上下文中清楚，“X使 用A或B”意指自然包括排列的任意一个。即，如果X使用A；X使用B；或 X使用A和B二者，则“X使用A或B”在前述任一示例中得到满足。

而且，尽管已经相对于一个或实现方式示出并描述了本公开，但是本领 域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将会想到等价变型和修改。 本公开包括所有这样的修改和变型，并且仅由所附权利要求的范围限制。特 别地关于由上述组件(例如元件等)执行的各种功能，用于描述这样的组件的 术语旨在对应于执行所述组件的指定功能(例如其在功能上是等价的)的任意 组件(除非另外指示)，即使在结构上与执行本文所示的本公开的示范性实现 方式中的功能的公开结构不等同。此外，尽管本公开的特定特征已经相对于 若干实现方式中的仅一个被公开，但是这种特征可以与如可以对给定或特定 应用而言是期望和有利的其他实现方式的一个或其他特征组合。而且，就术 语“包括”、“具有”、“含有”或其变形被用在具体实施方式或权利要求 中而言，这样的术语旨在以与术语“包含”相似的方式包括。

本发明实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各 个单元单独物理存在，也可以多个或多个以上单元集成在一个模块中。上述 集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实 现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售 或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述提到的存储介 质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。上述的各装置或系统，可以执行相应 方法实施例中的存储方法。

综上所述，上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式 并不受所述实施例的限制，其他的任何背离本发明的精神实质与原理下所做 的改变、修饰、代替、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发 明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种指定监控区域的成像对焦系统，其特征在于，包括对焦环驱动轮、镜头定焦环、电机系统和固定支架，所述电机系统包括电机控制系统和电机；所述电机控制系统控制电机转动方向以及转动时间，再由电机内的传动结构带动所述对焦环驱动轮转动，所述对焦环驱动轮与所述镜头定焦环连接，控制镜头定焦环实现镜头的对焦操作。

2.根据权利要求1所述的指定监控区域的成像对焦系统，其特征在于，所述对焦环驱动轮的齿比使得所述镜头定焦环以1°为单位进行旋转调焦。

3.根据权利要求1所述的指定监控区域的成像对焦系统，其特征在于，电机控制系统读取相机中的检测区域配置，设置起始点、终止点，再读取当前帧检测区域图像的灰度值，计算图像的清晰度值，并根据图像的清晰度值控制所述镜头定焦环旋转调焦。

4.根据权利要求1所述的指定监控区域的成像对焦系统，其特征在于，所述根据图像的清晰度值控制所述镜头定焦环旋转调焦包括：

以1°/次的速度旋转所述镜头定焦环，并计算图像清晰度，比较前后两次图像清晰度的值；

如果图像清晰度逐渐增大，继续旋转所述镜头定焦环；

当旋转镜头定焦环计算的图像清晰度开始比上一次的图像清晰度小时，对焦环驱动轮停止旋转，对焦完成。

5.根据权利要求3所述的指定监控区域的成像对焦系统，其特征在于，所述图像清晰度使用灰度方差乘积方法计算，公式如下：

其中(m_s,n_s)表示图像检测区域的起始点，为区域的左上角坐标点；(m_e,n_e)表示图像检测区域的终止点，为区域的右下角坐标点；x_ij表示检测区域中图像像素点的灰度值。

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