CN116389902B - 一种液态镜头快速对焦方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态镜头快速对焦方法及系统，该方法包括：在不同屈光度下拍摄目标物体，得到拍摄图片；利用图像识别法对拍摄图片进行识别，得到拍摄图片中的目标物体图；对目标物体图进行尺寸调整，得到标准化目标物体图；计算标准化目标物体图的清晰度，并结合预构建的三元关系表确定最佳屈光度区间；根据最佳屈光度区间重新拍摄图片，进而确定最优屈光度，完成对焦。该系统包括：拍摄模块；识别模块、标准化模块、计算模块和对焦模块。通过使用本发明，可以在不需要复杂数学模型和复杂参数的情况下实现液态镜头快速对焦，使用方便快捷。

Description

一种液态镜头快速对焦方法及系统

技术领域

本发明涉及相机对焦领域，尤其涉及一种液态镜头快速对焦方法及系统。

背景技术

目前自动对焦技术广泛应用于我们的生活当中，利用具备自动对焦技术的移动终端设备拍摄照片，已成为人们生活的一部分。

现有的自动对焦技术主要分为两类：第一，传统的自动对焦技术，包括自动法、测距法、对比度法等；第二，基于数字图像处理的自动对焦技术，包括对焦深度法和离焦深度法。其中对比度法和对焦深度法需要一系列图像来确定最佳对焦图像的位置，拍摄的图像越多，对焦的精度越高。因此具有速度慢、自动对焦所需时间长、不适用于高速、瞬时物体的对焦的缺点。离焦深度法的主要缺点是需要事先获得成像系统精确的数学模型，才能保证对焦的精度，而构建图像退化模型难度大，扩散函数的参数较难确定。因此需要一种能够实现快速精准的自动对焦方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种液态镜头快速对焦方法及系统，不需要复杂的数学模型和大量的图像数据就可实现镜头的快速精准对焦，可应用于对高速、瞬时物体进行对焦。

本发明所采用的第一技术方案是：一种液态镜头快速对焦方法，包括以下步骤：

在不同屈光度下拍摄目标物体，得到拍摄图片；

利用图像识别法对拍摄图片进行识别，得到拍摄图片中的目标物体图；

对目标物体图进行尺寸调整，得到标准化目标物体图；

计算标准化目标物体图的清晰度，并结合预构建的三元关系表确定最佳屈光度区间；

根据最佳屈光度区间重新拍摄图片，进而确定最优屈光度，完成对焦。

进一步，所述图像识别法采用的是关键点定位算法。

进一步，所述对目标物体图进行尺寸调整，得到标准化目标物体图这一步骤，其具体包括：

查找拍摄所用屈光度在预构建的三元关系表中对应的图像尺寸大小；

根据对应的图像尺寸大小对目标物体图进行插值放大，得到标准化目标物体图。

进一步，所述对目标物体图进行插值放大所使用的方法为双线性插值，其具体表达式为：

其中，P为插值的点，其坐标为(x，y)，f(P)表示P点的像素值，Q₁₁、Q₂₁、Q₁₂、Q₂₂为P周围已知的点，其坐标分别为(x₁，y₁)、(x₂，y₁)、(x₁，y₂)、(x₂，y₂)，f(Q_ij)表示Q_ij的像素值，其中i＝1，2；j＝1，2。

进一步，所述计算标准化目标物体图的清晰度，并结合预构建的三元关系表确定最佳屈光度区间这一步骤，具体包括：

计算标准化目标物体图的清晰度，并进行尺度变换，得到变换后的目标物体图的清晰度；

根据变换后的目标物体图的清晰度在预构建的三元关系表中所对应的距离，确定最佳距离区间；

根据最佳距离区间与预构建的三元关系表中屈光度的关系，得到最佳屈光度区间。

进一步，所述预构建的三元关系表包括两部分，其中第一部分为固定屈光度下图像清晰度与目标物体的距离关系；第二部分为不同距离与该距离下能得到最新图像的屈光度的关系。

进一步，所述根据最佳屈光度区间重新拍摄图片，进而确定最优屈光度，完成对焦这一步骤，其具体为∶

根据最佳屈光度区间调节液态镜头的电压和电流，并再次拍摄目标物体，得到新拍摄图片；

对新拍摄图片进行图像识别、插分放大和尺度变换，得到处理后的新目标物体图；

对处理后的新目标物体图进行滤波处理，并计算滤波处理后的新目标物体图的清晰度；

从中选出清晰度最大的新目标物体图所对应的屈光度，进而完成对焦。

本发明所采用的第二技术方案是：一种液态镜头快速对焦系统，包括：

拍摄模块，在不同屈光度下拍摄照片，得到初拍摄照片；

识别模块，利用图像识别法对拍摄图片进行识别，得到拍摄图片中的目标物体图；

标准化模块，对目标物体图进行尺寸调整，得到标准化的目标物体图；

计算模块，计算标准化目标物体图的清晰度，并结合预构建的三元关系表确定最佳屈光度区间；

对焦模块，根据最佳屈光度区间重新拍摄图片，进而确定最优屈光度，完成对焦。

本发明提供的一种液态镜头快速对焦方法及系统的有益效果是：本发明基于预构建的三元关系表确定最佳距离区间，进而确定最佳屈光度区间，以此来调节液态镜头的电压和电流重新拍照，从中选出清晰度最大的图片所对应的屈光度作为拍摄时最佳屈光度，完成镜头对焦。在此过程中，不需要复杂的数学模型和复杂的参数，就能够实现快速自动对焦。

附图说明

图1是本发明一种液态镜头快速对焦方法的步骤流程图；

图2是本发明一种液态镜头快速对焦系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

如图1所示，本发明提供了一种液态镜头快速对焦方法，该方法包括以下步骤：

101、在不同屈光度下拍摄目标物体，得到拍摄图片。

本实施例中的所述液态镜头与传统的透镜不同，液体透镜是一种使用一种或多种液体制成的无机械连接的光学元件，可以通过外部控制改变光学元件的内部参数，具体来说，是通过动态调整透镜折射率或改变其表面形状来改变焦距，这种变化采用电控方式，可以实现毫秒级的变化。

基于仿生学的原理，液态镜头的工作原理是当光线穿过水滴时，该装置将转换成一个微型照相机透镜，当水滴往返穿过圆柱形小洞时，根据透镜距离拍摄物体的远近，画面将进入或者脱离焦距范围。图像拍摄将使用电子自动化完成，同时软件可用于自动化编辑任何未聚焦画面，从而使操作者获得清晰的图像。

在本实施例中，通过调节液态镜头的电压和电流来改变液态镜头的屈光度，在不同屈光度下拍摄目标物体，得到清晰度不同的拍摄图片。

102、利用图像识别法对拍摄图片进行识别，得到拍摄图片中的目标物体图。

在本实施例中，所述图像识别法采用目标识别技术，利用关键点定位识别出拍摄图片中的目标物体，并进行截取得到目标物体图。例如，对于人脸图像，定位人脸的眼睛、鼻子、嘴巴等，并将其设定为关键点，根据图像关键点得到人脸轮廓，扣除背景图得到目标人脸图。

103、对目标物体图进行尺寸调整，得到标准化目标物体图。

在本实施例中，根据拍摄时所用的屈光度，查找预构建的三元关系表中的屈光度与图片大小的对应关系，将上述步骤得到的目标物体图通过插值放大缩放至预构建的三元关系表中拍摄所使用的屈光度对应的图像大小，得到标准化目标物体图。

可选的，插值放大的方式有：最近邻插值、双线性插值、双三次插值等，不同的插值方式的计算效果不同，得到的图像质量也不同。其中最邻近插值的插值速度快，但是插值效果差；双三次插值的插值效果好，但是计算速度慢；双线性插值的插值效果和计算速度的综合效果比较好。在本实施例中，插值方式的选择应当与指定预构建的三元关系表时所采用的插值方式相同，优选双线性插值算法对目标物体图进行插值操作，所述双线性插值公式表示为：

其中，P为插值的点，其坐标为(x，y)，f(P)表示P点的像素值，Q₁₁、Q₂₁、Q₁₂、Q₂₂为P周围已知的点，其坐标分别为(x₁，y₁)、(x₂，y₁)、(x₁，y₂)、(x₂，y₂)，f(Q_ij)表示Q_ij的像素值，其中i＝1，2；j＝1，2。

所述预构建的三元关系表主要包含两个部分，其中第一部分为固定屈光度下图像清晰度与目标物体的距离关系。这部分记录了不同屈光度下，不同距离下目标物体的清晰度值，可用来确定被摄物体的距离；第二部分为不同距离与该距离下能得到最新图像的屈光度(最优屈光度)的关系。这部分记录了不同距离下的最优屈光度，用来得到最佳对焦的屈光度，实现对焦。

所述预构建的三元关系表中的第一部分的制定方法如下：

在一固定距离下对某一目标，如人脸，拍摄不同屈光度的图像。在不同距离下重复此步骤。如在3米到20米区间内，间隔0.5米，拍摄不同屈光度的图像。

对于同一屈光度不同距离的图像，使用目标检测算法，截取目标图像。由于截取后的图像清晰度值无法反应人眼的感官。需要将不同距离的目标图像插值放大至最近距离的图像大小下。不同距离的目标图像尺寸应统一，并且和最近距离的图像大小一致。插值放大后，可以发现随着距离的递增清晰度单调递减，符合人眼越远的物体越模糊的感受。

插值放大后，固定屈光度下清晰度和距离的关系就确定了。可以通过此关系来确定物体的距离。但由于实际使用当中图像亮度的不同和拍摄物体与制定关系表中所使用的物体存在差异性，使用此关系时需要进行线性变化。

将固定屈光度下，不同距离下图形插值放大后的清晰度值和距离对应关系记录下来。对于不同屈光度重复以上步骤，即可获得三元关系的第一部分。

所述预构建的三元关系表中的第二部分的制定方法为：

在不同物体距离下，使用所有量程内的屈光度进行拍摄，进行目标识别和截取，对截取之后的目标物体计算清晰度值。找到清晰度最大的屈光度，即为该距离下最优的屈光度值。

针对不同距离重复上述步骤，记录下不同距离下最优的屈光度。即可获得三元关系的第三部分。经过大量实验以及结合光学原理发现有公式：

其中L为目标物体的距离，DPT为液态镜头的屈光度，WD为在液态镜头前的变焦镜头的工作距离，若没有液态镜头前没有变焦镜头，则

通过这两条公式，可以很快得到某一距离下目标物体的最优屈光度。

可选的，针对不同距离重复计算不同距离下的目标物体清晰度，记录不同距离下最优的屈光度，也可以作为三元关系的第二部分。

在具体应用中，如表1所示，在屈光度为0.14dpt下拍摄照片，得到拍摄图片，对拍摄图片进行目标识别提取目标物体图，在构建好的三元关系表中找到屈光度为0.14dpt对应的基准数据尺寸，利用插值放大法将目标物体图放大至所述基准数据尺寸，并计算放大后的目标物体图的清晰度，根据表物体图的清晰度及拍摄时使用的屈光度，通过对比计算在构建好的三元关系表中找到对应的距离区间。

表1

104、计算目标物体图的清晰度，并结合预构建的三元关系表确定最佳屈光度区间。

在本实施例中，计算标准化目标物体图的清晰度，并进行尺度变换，所述尺度变换指将计算得到的标准化目标物体图的清晰度进行线性变换。由于拍摄物体与基础数据拍摄的物体及其拍摄环境不同，清晰度的绝对值与基准数据不同，因此需要做一个线性变化使两者趋势相同。也即，将不同屈光度图像的清晰度值按照预构建的三元关系表进行线性变化。具体来说，线性变化为按照预构建的三元关系表中三个不同屈光度的清晰度变化趋势，利用拍摄的不同屈光度的清晰度变化趋势进行线性变化，将清晰度的绝对值统一起来。

接着根据变换后的目标物体图的清晰度在预构建的三元关系表中所对应的距离，确定最佳距离区间，再根据最佳距离区间与预构建的三元关系表中屈光度的关系，得到最佳屈光度区间。

105、根据最佳屈光度区间重新拍摄图片，进而确定最优屈光度，完成对焦。

在本实施例中，通过调节液态镜头的电压和电流来调节液态镜头的屈光度，将液态镜头的屈光度调节至所述最佳屈光度区间内拍摄目标物体的图片，然后对所拍摄的目标物体图片进行目标识别、截取得到新目标物体图，再对其进行插值变换、计算清晰度及对其清晰度进行线性变换。由于考虑到图像清晰度会受到噪声的干扰，接着对图像进行高斯滤波。所述高斯滤波是利用一个掩膜和图像进行卷积求解，其模板系数随着距离模板中心的增大而系数减小(服从二维高斯分布)。高斯滤波器相对图像的模糊程度较小，更能够保持图像的整体细节。所述高斯滤波的模板的计算公式如下：

其中，(ux,uy)为模板的中心位置。

将每个坐标带入高斯分布的函数，计算每个位置的系数，得到的值就是模板的系数。将模板和图像进行卷积求解，即进行了高斯滤波。

计算滤波后的新目标物体图的清晰度，并比较在非最佳屈光度区间内拍摄的图片的清晰度，从中选出清晰度最大的新目标物体图片，并将其对应的屈光度作为最佳屈光度，即接下来拍摄所使用的屈光度，进而完成对焦。

如图2所示，一种液态镜头快速对焦系统，包括：

拍摄模块，在不同屈光度下拍摄照片，得到初拍摄照片；

识别模块，利用图像识别法对拍摄图片进行识别，得到拍摄图片中的目标物体图；

标准化模块，对目标物体图进行尺寸调整，得到标准化的目标物体图；

计算模块，计算标准化目标物体图的清晰度，并结合预构建的三元关系表确定最佳屈光度区间；

对焦模块，根据最佳屈光度区间重新拍摄图片，进而确定最优屈光度，完成对焦。

上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (4)

1.一种液态镜头快速对焦方法，其特征在于，包括以下步骤：

在不同屈光度下拍摄目标物体，得到拍摄图片；

利用图像识别法对拍摄图片进行识别，得到拍摄图片中的目标物体图；

对目标物体图进行尺寸调整，得到标准化目标物体图；

计算标准化目标物体图的清晰度，并结合预构建的三元关系表确定最佳屈光度区间；

根据最佳屈光度区间重新拍摄图片，进而确定最优屈光度，完成对焦；

所述对目标物体图进行尺寸调整，得到标准化目标物体图这一步骤，其具体包括：

查找拍摄所用屈光度在预构建的三元关系表中对应的图像尺寸大小；

根据对应的图像尺寸大小对目标物体图进行插值放大，得到标准化目标物体图；

所述计算标准化目标物体图的清晰度，并结合预构建的三元关系表确定最佳屈光度区间这一步骤，具体包括：

计算标准化目标物体图的清晰度，并进行尺度变换，得到变换后的目标物体图的清晰度；

根据变换后的目标物体图的清晰度在预构建的三元关系表中所对应的距离，确定最佳距离区间；

根据最佳距离区间与预构建的三元关系表中屈光度的关系，得到最佳屈光度区间；

所述预构建的三元关系表包括两部分，其中第一部分为固定屈光度下图像清晰度与目标物体的距离关系；第二部分为不同距离与该距离下能得到最新图像的屈光度的关系；

所述根据最佳屈光度区间重新拍摄图片，进而确定最优屈光度，完成对焦这一步骤，其具体为：

根据最佳屈光度区间调节液态镜头的电压和电流，并再次拍摄目标物体，得到新拍摄图片；

对新拍摄图片进行图像识别、插分放大和尺度变换，得到处理后的新目标物体图；

对处理后的新目标物体图进行滤波处理，并计算滤波处理后的新目标物体图的清晰度；

从中选出清晰度最大的新目标物体图所对应的屈光度，进而完成对焦。

2.根据权利要求1所述一种液态镜头快速对焦方法，其特征在于，所述图像识别法采用的是关键点定位算法。

3.根据权利要求1所述一种液态镜头快速对焦方法，其特征在于，所述对目标物体图进行插值放大所使用的方法为双线性插值，其具体表达式为：

其中，P为插值的点，其坐标为(x,y)，f(P)表示P点的像素值，Q₁₁、Q₂₁、Q₁₂、Q₂₂为P周围已知的点，其坐标分别为(x₁，y₁)、(x₂，y₁)、(x₁，y₂)、(x₂，y₂)，f(Q_ij)表示Q_ij的像素值，其中i＝1，2；j＝1，2。

4.一种液态镜头快速对焦系统，其特征在于，用于执行如权利要求1所述的液态镜头快速对焦方法，包括：

拍摄模块，在不同屈光度下拍摄照片，得到初拍摄照片；

识别模块，利用图像识别法对拍摄图片进行识别，得到拍摄图片中的目标物体图；

标准化模块，对目标物体图进行尺寸调整，得到标准化的目标物体图；

计算模块，计算标准化目标物体图的清晰度，并结合预构建的三元关系表确定最佳屈光度区间；

对焦模块，根据最佳屈光度区间重新拍摄图片，进而确定最优屈光度，完成对焦。