CN115421274A - 一种基于曲线拟合的自动检焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于曲线拟合的自动检焦方法，针对反射式光学系统离焦，导致成像清晰度下降而影响后续处理的问题，通过采集实际像方焦面附近的光斑图像，提取光斑的特征信息，进行曲线拟合，再依据拟合曲线计算出次镜的最佳位置，其所对应的像方焦面作为光学系统的实际像方焦面。其有益效果在于：不仅可以突破图像分辨率的限制找到实际像方焦面，而且方法操作简单，适应性强，不需要借助其它的设备，即能实现对光学系统实际像方焦面位置的检测工作。

Description

一种基于曲线拟合的自动检焦方法

技术领域

本发明属于基于图像处理的自动调焦领域，具体涉及一种基于曲线拟合的自动检焦方法。

背景技术

当目标在无穷远时，由于光学系统的口径是有限的，在这部分区域内，无穷远轴上物点视为发出平行光线进入光学系统。根据理想光学系统的性质，这束平行光与光轴交于像方焦点，过焦点作光轴的垂面，即为像方焦面。然而在实际应用中，成像系统的工作环境往往复杂多变，在成像过程中，受温度、大气压力、成像距离等因素影响，光学系统会发生离焦，导致成像清晰度下降，不便于后续图像识别、配准和定位等操作。因此，需要使用检焦技术检测系统的实际像方焦面位置，并将探测器成像面移动至实际像方焦面。

目前经常使用的检焦方法有程序控制法、光电自准直法和图像处理法。程序控制法是一种开环控制方法，检焦精度和场景适应性较差；光电准直法的机械结构复杂度高，检焦时无法对外界景物成像，检焦实时性差；图像处理法由于分辨率的限制，在一定的范围内，无法反映出光斑的变化。因此本文提出一种基于曲线拟合的自动检焦方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：针对反射式光学系统离焦，导致成像清晰度下降的问题，提供一种基于曲线拟合的自动检焦方法。

本发明的采用的技术方案为：本发明一种基于曲线拟合的自动检焦方法，具体实现步骤为：

步骤1、移动次镜，确定有效次镜位置区间；

步骤2、在有效次镜位置区间内，以固定距离L移动N次次镜位置，在每个次镜位置采集M张图像；

步骤3、提取图像中光斑的特征信息；

步骤4、利用多个次镜位置信息及其对应的光斑特征信息进行曲线拟合；

步骤5、计算各次镜位置的拟合残差，并判断拟合残差是否大于固定值δ：在大于固定值δ的次镜位置处，重新采集图像，重复步骤3～4；若所有残差均小于δ，则转入步骤6；

步骤6、根据拟合曲线，确定最佳次镜位置。

进一步地，所述步骤1中，有效次镜位置区间的确定方法为：通过实时提取光斑面积，确定最小光斑图像所对应的次镜位置区间

然后向前和向后移动次镜，确定光斑发散不明显图像的极限位置

和

则有效次镜位置区间为：

进一步地，所述步骤4中曲线拟合的公式为：

area_i＝αtan²(β|x_i-x₀|)+γ

式中，x₀为所求次镜位置，x_i是第i个次镜位置，area_i是次镜位于x_i时所对应的图像光斑面积，α、β、γ均为待定系数。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：不仅可以突破图像分辨率的限制找到实际像方焦面，而且方法操作简单，适应性强，不需要借助其它的设备，即能实现对光学系统实际像方焦面位置的检测工作。

附图说明

图1是实施例中采集图像的示例；

图2是实施例中从采集图像中提取的光斑面积示意图；

图3是实施例中初次曲线拟合的结果图；

图4是实施例中最终曲线拟合的结果图；

图5是实施例中本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详述，以下的实施例仅限于解释本发明，但不作为本发明的限制，发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，凡通过基本相同的方法达到相同效果的类似实施方式，均落入本发明的保护范围。通过以下实施例，该领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

如附图5所示，本发明实施例包括以下步骤：

步骤1、移动次镜，确定有效次镜位置区间。

本实施例以某个自动检焦实验设备为例，经过移动次镜，确定有效次镜位置区间为[283390,289603]∪[291598,297364]，这些数值为光栅数。

步骤2、在有效次镜位置区间内，以固定距离L移动N次次镜位置，在每个次镜位置采集M张图像。

本实施例在有效的次镜位置区间，以相同的步长，即600个光栅数移动次镜，一共在20个次镜位置采集图像，且每个次镜位置采集约200张图像，如图1所示，图1仅为实验中采集的4000张图片中的一张。

步骤3、提取图像中光斑的特征信息。

本实施例提取图像中的光斑面积用于后续拟合，如图2所示，为经过图像处理后的光斑二值图，该光斑面积为139，每个次镜位置采集图像的光斑面积取平均值，如表1所示。

表1各次镜位置采集图像光斑面积平均值

步骤4、利用各次镜位置信息及其对应的光斑特征信息进行曲线拟合。

本实施例中，根据光斑面积和次镜位置间的映射关系，即：

area_i＝αtan²(β|x_i-x₀|)+γ

利用表1中各次镜位置信息和对应的面积均值通过最小二乘法，即可求得待定系数α、β、γ以及所求次镜位置x₀。拟合结果如图3所示，所求次镜位置x₀为290235。

步骤5、计算各次镜位置的拟合残差，并判断拟合残差是否大于固定值δ：在大于固定值δ的次镜位置处，重新采集图像，重复步骤3～4；若所有残差均小于δ，则转入步骤6。

计算各次镜位置的拟合残差，如表2所示，本实施例中，采用固定值δ＝4，而在297000次镜位置处的拟合残差为4.73，大于δ，不符合拟合条件，有可能是受到了环境因素突变或面积提取误差的影响，故为了消除这些误差给拟合精度带来的负面影响，需在该次镜位置重新采集图像。

表2各次镜位置的拟合残差

重新计算在次镜位置297000处重新采集的图像光斑面积，其平均值为203，再重新进行拟合，结果如图4所示，最佳次镜位置为290230。然后计算各次镜位置的拟合残差，如表3所示，各次镜位置的拟合残差均不大于4，满足拟合条件。

表3各次镜位置的拟合残差

步骤6、根据拟合曲线，确定最佳次镜位置。

由拟合曲线公式可知，当且仅当x_i＝x₀时，光斑面积达到最小值，即：

area_min＝αtan²(β|x₀-x₀|)+γ＝αtan²(0)+γ＝γ

因此，可以认为，当光斑面积达到最小值时的次镜位置，为最佳次镜位置。本实施例中，如图4所示，拟合曲线的最小值为(290230，56)，所以，最佳次镜位置为290230。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种基于曲线拟合的自动检焦方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、移动次镜，确定有效次镜位置区间；

步骤2、在有效次镜位置区间内，以固定距离L移动N次次镜位置，在每个次镜位置采集M张图像；

步骤3、提取图像中光斑的特征信息；

步骤4、利用多个次镜位置信息及其对应的光斑特征信息进行曲线拟合；

步骤5、计算各次镜位置的拟合残差，并判断拟合残差是否大于固定值δ：在大于固定值δ的次镜位置处，重新采集图像，重复步骤3～4；若所有残差均小于δ，则转入步骤6；

步骤6、根据拟合曲线，确定最佳次镜位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于曲线拟合的自动检焦方法，其特征在于：所述步骤1中，有效次镜位置区间的确定方法为：通过实时提取光斑面积，确定最小光斑图像所对应的次镜位置区间

然后向前和向后移动次镜，确定光斑发散不明显图像的极限位置

和

则有效次镜位置区间为：

3.根据权利要求1所述的一种基于曲线拟合的自动检焦方法，其特征在于：所述步骤4中，曲线拟合的公式为：

area_i＝αtan²(β|x_i-x₀|)+γ

式中，x₀为所求次镜位置，x_i是第i个次镜位置，area_i是次镜位于x_i时所对应的图像光斑面积，α、β、γ均为待定系数。

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