CN115220176B - 一种基于fpga的扫描全程式聚焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FPGA的扫描全程式聚焦方法，包括以下步骤：S1、检测聚焦条件的触发以及触发聚焦条件时状态机的状态；S2、当聚焦条件触发且状态机处于待聚焦条件触发的状态，进入自动聚焦状态，控制电机带动探测器移动全程，实现全程扫描；同时计算图像的梯度值，找到图像的最大梯度值的位置；S3、全程扫描结束后，再控制电机带动探测器移动到最大梯度值的位置，实现聚焦。本发明具有缩短聚焦时间、提高聚焦精准度的特点。

Description

一种基于FPGA的扫描全程式聚焦方法

技术领域

本发明涉及一种自动聚焦方法，特别是一种基于FPGA的扫描全程式聚焦方法。

背景技术

目前市面上的聚焦技术大多是采用一种叫做“爬山算法”的自动聚焦方法，这种方法实现的原理是通过移动镜头和图像探测器之的距离同时来计算图像的梯度值，当图像最清晰的时候其梯度值会最大；实现过程是通过对图像求梯度值，然后控制聚焦电机向前移动，再计算图像的梯度值，如果梯度值变大，则继续向前移动，直到移动到梯度值开始变小，再移动一步确认梯度值是否变小，若变小则说明已经过了最清晰点了，然后再减小步距往回移动，若往回移动后的梯度值增大，则再减小步距，再往回移动，直到达到一个给定的阀值后，聚焦电机停止移动，认为此处为正焦点位置。

上述方法通过多次逼近峰值来找最大梯度值，最后一般只能找到一个近似值来代替最大梯度值，而且其精度取决于逼近次数，为了保证一定的精度，往复逼近次数越多，用时就会越长，另外还有可能存在得到的结果是假的最大梯度值，只是一个小峰值的问题。因此，现有的聚焦方法存在对焦时间较长、还容易出现聚焦错误的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于FPGA的扫描全程式聚焦方法。本发明具有缩短聚焦时间、提高聚焦精准度的特点。

本发明的技术方案：一种基于FPGA的扫描全程式聚焦方法，包括以下步骤：

S1、检测聚焦条件的触发以及触发聚焦条件时状态机的状态；

S2、当聚焦条件触发且状态机处于待聚焦条件触发的状态，进入自动聚焦状态，控制电机带动探测器移动全程，实现全程扫描；同时计算图像的梯度值，找到图像的最大梯度值的位置；

S3、全程扫描结束后，再控制电机带动探测器移动到最大梯度值的位置，实现聚焦。

前述的基于FPGA的扫描全程式聚焦方法中，所述步骤S1中，聚焦条件为手动发出对焦指令或者聚焦范围发生变化。

前述的基于FPGA的扫描全程式聚焦方法中，所述步骤S2中，图像的梯度值计算方法为：对聚焦范围的图像做卷积再求和，得到图像的梯度值。

前述的基于FPGA的扫描全程式聚焦方法中，所述步骤S2的全程扫描具体为：当聚焦条件触发，发出使能信号，状态机处于待聚焦条件触发的状态下，接收到聚焦的使能信号后，控制电机带动探测器先退到后限位的位置，然后带动探测器向前移动至前限位的位置，实现全程扫描。

前述的基于FPGA的扫描全程式聚焦方法中，还包括S4、聚焦结束后，状态机再次回到等待聚焦条件触发的状态。

前述的基于FPGA的扫描全程式聚焦方法中，图像的最大梯度值的位置追寻方法为：当电机带动探测器位于后限位的位置时，最大梯度值清零，位置数值清零；当电机带动探测器移动时，同步记数位置数值和梯度值，并将当前的梯度值与最大梯度值进行比较，若当前的梯度值大于最大梯度值，则将当前的梯度值作为最大梯度值，同时将该处位置作为最大梯度值的位置数值，以此类推，直至电机带动探测器移动至前限位的位置，得到移动全程中图像的最大梯度值的位置数值。

一种用于实现上述的扫描全程式聚焦方法的系统，包括聚焦使能模块、拉普拉斯算子求梯度值模块、自动聚焦模块和电机控制模块，自动聚焦模块分别与聚焦使能模块、拉普拉斯算子求梯度值模块和电机控制模块连接；所述聚焦使能模块用于检测聚焦条件的触发，输出使能信号；所述拉普拉斯算子求梯度值模块用于计算图像的梯度值；所述自动聚焦模块用于根据接收到的使能信号和梯度值，进行自动聚焦；所述电机控制模块用于控制电机带动探测器移动，改变探测器和镜头之间的距离实现调焦。

前述的系统中，还包括电机限位模块，用于限制电机带动探测器的移动范围。

前述的系统中，所述自动聚焦模块包括输入模块和输出模块，输入模块用于接收聚焦使能模块、拉普拉斯算子求梯度值模块以及电机限位模块分别发出的使能信号、梯度值和前后限位信号，输出模块用于输出电机前后移动信号给电机控制模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明而本方法使用了扫描全程找最大梯度值的方法，全程来找梯度最大值，不会是假峰的情况，找到后，直接移到正确位置，提高了聚焦准确性，也避免了多次电机移动逼近的过程，节省了聚焦时间。

附图说明

图1是本发明的聚焦流程示意图；

图2是本发明的系统结构示意图；

图3是fifo缓冲和寄存器图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例：

如图1所示，一种基于FPGA的扫描全程式聚焦方法，包括以下步骤：

S1、检测聚焦条件的触发以及触发聚焦条件时状态机的状态；聚焦条件为手动发出对焦指令或者聚焦范围发生变化。

S2、当聚焦条件触发，发出使能信号，且状态机处于待聚焦条件触发的状态，接收到使能信号后，控制电机带动探测器先退到后限位的位置，然后带动探测器向前移动至前限位的位置，实现全程扫描；同时计算图像的梯度值，找到图像的最大梯度值的位置；

图像的梯度值计算方法为：对聚焦范围的图像做卷积再求和，得到图像的梯度值。

图像的最大梯度值的位置追寻方法为：当电机位于后限位的位置时，最大梯度值清零，位置数值清零；当电机移动时，同步记数位置数值和梯度值，并将当前的梯度值与最大梯度值进行比较，若当前的梯度值大于最大梯度值，则将当前的梯度值作为最大梯度值，同时将该处位置作为最大梯度值的位置数值，以此类推，直至电机移动至前限位的位置扫描全程，得到图像的最大梯度值的位置数值。

S3、全程扫描结束后，再控制电机带动探测器移动到最大梯度值的位置，实现聚焦。

S4、聚焦结束后，状态机再次回到等待聚焦条件触发的状态。

如图2所示，一种用于实现上述的扫描全程式聚焦方法的系统，包括聚焦使能模块、拉普拉斯算子求梯度值模块、自动聚焦模块、电机控制模块和电机限位模块，自动聚焦模块分别与聚焦使能模块、拉普拉斯算子求梯度值模块、电机控制模块和电机限位模块连接。

所述聚焦使能模块用于检测聚焦条件的触发，输出使能信号；所述拉普拉斯算子求梯度值模块用于计算图像的梯度值；所述自动聚焦模块用于根据接收到的使能信号和梯度值，进行自动聚焦；具体的，所述自动聚焦模块包括输入模块和输出模块，输入模块用于接收聚焦使能模块、拉普拉斯算子求梯度值模块以及电机限位模块分别发出的使能信号、梯度值和前后限位信号，输出模块用于输出电机前后移动信号(正反转)给电机控制模块；所述电机控制模块用于根据电机前后移动信号，通过输出电机的使能、方向和步信号，控制电机带动探测器移动，从而改变探测器和镜头之间的距离实现调焦。

拉普拉斯算子求梯度值模块计算图像的梯度值的方法为：一个二维图像函数的拉普拉斯变换是各向同性的二阶导数，对于连续二维图像函数f(x,y)，其位置(x,y)，拉普拉斯算子Δ²f定义为：

另外，在数字图像中，计算函数的拉普拉斯值也可以借助各种模板实现。拉普拉斯算子求梯度值模块包括计算模板，计算模板是对应中心像素的系数为正，对应中心像素邻近像素的系数为负，它们的和等于零。对聚焦范围内的图像求梯度值E，例如，计算模板为：

-1	-1	-1
			-1	8	-1
-1	-1	-1

则

E＝8I(x,y)-I(x-1,y-1)-I(x-1,y)-I(x-1,y+1)-I(x,y-1)-I(x,y+1)-I(x+1,y-1)-I(x+1,y)-I(x+1,y+1)；

式中I表示矩阵中心位置的像素AD值，AD值为模拟信号到数据信号的转换值。

对于一幅模糊的图像，在每一像素附近的灰度值变化小，则E值小，对于清晰的图像，图像的轮廓鲜明，E值会大，图像最清晰时则E值最大。

如图3所示，使用fifo缓存出一个3x3的矩阵，与计算模板做卷积运算，对聚焦范围内的图像求梯度值E，即相当于对聚焦范围内的图像做卷积再求和，得到图像的梯度值，输出给自动聚焦模块进行判断。

工作原理：本发明的聚焦过程是通过控制电机带动探测器移动，调整透镜和探测器之间的距离来调整图像的清晰度。清晰度是通过一帧图像的梯度来进行评估的，图像越清晰，图像的梯度值越大，当成像物焦点刚好落在探测器上时，图像最清晰，此时的梯度值会最大，记录此时的位置，将电机带动探测器移动到此位置，从而完成一次自动聚焦。该操作无需电机来回反复移动，只需要移动一个全程距离即可，大大缩短聚焦时间，而且避免了假峰值的结果，提高聚焦准确度。上述的聚焦过程的所有逻辑关系处理均由FPGA来完成。

Claims (7)

1.一种基于FPGA的扫描全程式聚焦方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、检测聚焦条件的触发以及触发聚焦条件时状态机的状态；

S2、当聚焦条件触发且状态机处于待聚焦条件触发的状态，进入自动聚焦状态，控制电机带动探测器移动全程，实现全程扫描；同时计算图像的梯度值，找到图像的最大梯度值的位置；图像的最大梯度值的位置追寻方法为：当电机带动探测器位于后限位的位置时，最大梯度值清零，位置数值清零；当电机带动探测器移动时，同步记数位置数值和梯度值，并将当前的梯度值与最大梯度值进行比较，若当前的梯度值大于最大梯度值，则将当前的梯度值作为最大梯度值，同时将该处位置作为最大梯度值的位置数值，以此类推，直至电机带动探测器移动至前限位的位置，得到移动全程中图像的最大梯度值的位置数值；

图像的梯度值计算方法为：对聚焦范围的图像做卷积再求和，得到图像的梯度值；具体为：定义计算模板为：

-1 -1 -1 -1 8 -1 -1 -1 -1

梯度值E＝8I(x,y)-I(x-1,y-1)-I(x-1,y)-I(x-1,y+1)-I(x,y-1)-I(x,y+1)-I(x+1,y-1)-I(x+1,y)-I(x+1,y+1)；

x，y，即为图像的位置x方向和y方向；

式中I表示矩阵中心位置的像素AD值；

使用fifo缓存出一个3x3的矩阵，将矩阵与计算模板做卷积运算再求和，得到聚焦范围内的图像的梯度值；

S3、全程扫描结束后，再控制电机带动探测器移动到最大梯度值的位置，实现聚焦。

2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的扫描全程式聚焦方法，其特征在于：所述步骤S1中，聚焦条件为手动发出对焦指令或者聚焦范围发生变化。

3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的扫描全程式聚焦方法，其特征在于：所述步骤S2的全程扫描具体为：当聚焦条件触发，发出使能信号，状态机处于待聚焦条件触发的状态下，接收到聚焦的使能信号后，控制电机带动探测器先退到后限位的位置，然后带动探测器向前移动至前限位的位置，实现全程扫描。

4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的扫描全程式聚焦方法，其特征在于：还包括S4、聚焦结束后，状态机再次回到等待聚焦条件触发的状态。

5.一种用于实现权利要求1～4任意一项权利要求所述的扫描全程式聚焦方法的系统，其特征在于：包括聚焦使能模块、拉普拉斯算子求梯度值模块、自动聚焦模块和电机控制模块，自动聚焦模块分别与聚焦使能模块、拉普拉斯算子求梯度值模块和电机控制模块连接；所述聚焦使能模块用于检测聚焦条件的触发，输出使能信号；所述拉普拉斯算子求梯度值模块包括计算模板，计算模板是对应中心像素的系数为正，对应中心像素邻近像素的系数为负，它们的和等于零的模板；还包括3x3的矩阵，矩阵与计算模板做卷积再求和运算，用于计算图像的梯度值；所述自动聚焦模块用于根据接收到的使能信号和梯度值，进行自动聚焦；所述电机控制模块用于控制电机带动探测器移动，改变探测器和镜头之间的距离实现调焦。

6.根据权利要求5所述的一种系统，其特征在于：还包括电机限位模块，用于限制电机带动探测器的移动范围。

7.根据权利要求5所述的一种系统，其特征在于：所述自动聚焦模块包括输入模块和输出模块，输入模块用于接收聚焦使能模块、拉普拉斯算子求梯度值模块以及电机限位模块分别发出的使能信号、梯度值和前后限位信号，输出模块用于输出电机前后移动信号给电机控制模块。