CN116489513A - 一种自动聚焦方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents

一种自动聚焦方法、装置、电子设备及存储介质 Download PDF

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宋小民
姜春桐
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  • Multimedia (AREA)
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Abstract

本发明公开了一种自动聚焦方法、装置、电子设备及存储介质，属于摄像技术领域。所述自动聚焦方法包括：步骤S100.确定初始的搜索区间；步骤S200.根据所述搜索区间确定第一探测点和第二探测点；步骤S300.获取摄像机的光圈值、以及摄像机在镜头位于第一探测点和第二探测点时采集的图像；步骤S400.确定所述图像中的聚焦窗口；步骤S500.基于光圈值计算所述图像中聚焦窗口的清晰度值；步骤S600.根据两帧图像中聚焦窗口的清晰度值的大小调节搜索区间；步骤S700.判断调节后的搜索区间的长度是否小于等于预设值：若是，则确定调节后的搜索区间为最佳聚焦区间；若否，则执行步骤S200。本发明提高了对焦准确率。

Description

一种自动聚焦方法、装置、电子设备及存储介质
技术领域
本发明属于摄像技术领域，特别是涉及一种自动聚焦方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
自动聚焦(AF)是图像信号处理(ISP)的重要组成部分，它通过自动调整镜头焦距以获取最清晰的帧图像。在摄像机、数码相机、手机等设备中，自动聚焦已是一个常见的功能。相比于相位差检测法，反差检测法无需额外的光电传感器。反差检测的自动聚焦方法通常基于实时获取的视频帧图像进行判定处理并调整光学镜头即可完成自动聚焦，具有结构简单、耗能少、适用范围广、性价比高的特点。
自动聚焦功能包括对焦窗口选取、清晰度评价函数、变焦跟踪、对焦搜索等，其中对焦窗口的合理选择尤为重要，它是变焦、对焦的前提和基础。常规的对焦窗口选取分为静态取窗法和动态取窗法。由于高斯非均匀采样、一阶矩、人眼视觉显著机制等动态取窗法计算量大、耗时长，难以应用在8K超高清实时拍摄中，因此实际中常用的是中心区域、黄金分割、倒T形等静态取窗法。对于可变光圈的超高清摄像机，传统静态取窗下的自动聚焦效果不甚理想甚至是失焦。图1所示的大光圈场景下的景深小，中心区域法可以较好适用，而传统的倒T形取窗法或黄金分割取窗法将主体与背景均纳入清晰度评价，这样做的清晰度函数曲线出现多峰，致使自动聚焦后的结果出现错误；而在图2所示的小光圈场景下的景深大，倒T形和黄金分割取窗法聚焦效果较好，而中心区域法的背景未被纳入考虑是欠清晰的。因此在可变光圈超高清摄像机的场景下，传统的自动聚焦方法存在焦点跳变、聚焦精度不高等局限。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种自动聚焦方法、装置、电子设备及存储介质。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
根据本发明的第一方面，一种自动聚焦方法，应用于可变光圈的摄像机，所述自动聚焦方法包括：
步骤S100.确定初始的搜索区间；
步骤S200.根据所述搜索区间确定第一探测点和第二探测点；
步骤S300.获取摄像机的光圈值、以及摄像机在镜头位于第一探测点和第二探测点时采集的图像；
步骤S400.确定所述图像中的聚焦窗口；
步骤S500.基于光圈值计算所述图像中聚焦窗口的清晰度值；
步骤S600.根据两帧图像中聚焦窗口的清晰度值的大小调节搜索区间；
步骤S700.判断调节后的搜索区间的长度是否小于等于预设值：若是，则确定调节后的搜索区间为最佳聚焦区间；若否，则执行步骤S200。
进一步地，所述步骤S300还包括：将所述图像处理为灰度图。
进一步地，将所述图像处理为灰度图，包括：
若图像为YUV编码，则取图像中每个像素点的Y通道的值作为该像素点的灰度值，然后得图像对应的灰度图；
若所述图像为RGB编码，则图像中每个像素点的灰度值由公式Gray＝0.299R+0.587G+0.114B获得，然后得到图像对应的灰度图；
其中，Gray表示灰度值，R表示像素点在R通道的像素值，G表示像素点在G通道的像素值，B表示像素点在B通道的像素值。
进一步地，所述第一探测点和第二探测点的计算公式为：
b1＝a+μL
a1＝b-μL
式中，a1表示第一探测点；b1表示第二探测点；μ∈(0,1)；[a,b]表示当前的搜索区间；L表示搜索区间的长度，L＝b-a。
进一步地，所述聚焦窗口包括图像的中心部分、外围部分和边角部分，所述中心部分、外围部分和边角部分均包括多个位于预设位置的图像块。
进一步地，步骤S500包括：
步骤S510.利用模板对图像块I中的每个像素灰度值做卷积处理得到的梯度，得到梯度值GI(i,j)，GI(i,j)表示图像块I中坐标为(i，j)的梯度值；
步骤S520.计算每个图像块的清晰度值：
式中，f(I)表示图像块I的清晰度值；
步骤S530.基于图像块的清晰度值计算聚焦窗口的清晰度值：
fimg＝∑fcenter+h(F)[α∑fouter+β∑fcorner]
式中，fimg表示聚焦窗口的清晰度值，α是外围部分的加权超参数，β是边角部分的加权超参数，h(F)是光圈归一化函数，FMax是可变光圈的最大值，FMin是可变光圈的最小值，F表示采集图像时的光圈值，fcenter表示图像中心部分图像块的清晰度值，∑fouter表示图像外围部分图像块的清晰度值，∑fcorner表示图像边角部分图像块的清晰度值。
进一步地，所述步骤S600包括：
将摄像机在焦距为第一探测点时采集的图像中聚焦窗口的清晰度值记为f(a1)；
将摄像机在焦距为第二探测点时采集的图像中聚焦窗口的清晰度值记为f(b1)；
若f(a1)>f(b1)，则将搜索区间调节为[a,b1]；
若f(a1)<f(b1)，则将搜索区间调节为[a1,b]；
若f(a1)＝f(b1)，则将搜索区间调节为[a1,b1]；
其中，a1表示第一探测点，b1表示第二探测点，[a,b]表示当前的搜索区间。
根据本发明的第二方面，一种自动聚焦装置，应用于可变光圈的摄像机，所述自动聚焦装置包括：
区间确定模块，用于确定初始的搜索区间，以及根据两帧图像中聚焦窗口的清晰度值的大小调节搜索区间；
探测点确定模块，用于根据所述搜索区间确定第一探测点和第二探测点；
图像采集模块，用于获取摄像机的光圈值、以及摄像机在镜头位于第一探测点和第二探测点时采集的图像；
清晰度计算模块，用于确定所述图像中的聚焦窗口，以及基于光圈值计算所述图像中聚焦窗口的清晰度值；
判断模块，用于判断调节后的搜索区间的长度是否小于等于预设值；
最佳区间确定模块，用于在搜索区间的长度小于等于预设值时确定该搜索区间为最佳聚焦区间。
根据本发明的第三方面，一种电子设备，包括：
存储器，所述存储器存储执行指令；以及
处理器，所述处理器执行所述存储器存储的执行指令，使得所述处理器执行本发明的第一方面，所述的自动聚焦方法。
根据本发明的第四方面，一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有执行指令，所述执行指令被处理器执行时用于实现本发明的第一方面，所述的自动聚焦方法。
本发明的有益效果是：
(1)在光圈值较大的情况下，光学系统的景深小，主体和背景的清晰度差异较大，传统的多窗口选择策略对主体和背景不加以区分的都纳入做清晰度函数评价，这就导致清晰度曲线出现多峰现象，变焦搜索时易聚焦到背景出现错误。本发明的光圈归一化函数可根据当前光圈值自适应分配主体和背景以相应加权比例，确保清晰度曲线具有单峰性，提高了对焦准确率；
(2)在光圈值较小的情况下，光学系统的景深大，主体和背景的清晰度差异较小，传统的单窗口选择策略仅聚焦主体，致使边角背景区域欠清晰，实时帧观览效果不佳。本发明的清晰度评价函数对中心、外围、边角的区域进行加权计算，使得主体和背景均处在较清晰的区域，提升了聚焦效果；
(3)本发明方法简单有效、通用性好，和传统方法相比，在相同的O(n)时间复杂度下，本发明可根据摄像机的可变光圈值自适应调整兴趣区域各部分的比例，提高自动聚焦效果，且对8K/4K/2K/1080P等分辨率均可适配。
附图说明
图1为大光圈下的中心区域和倒T形传统选窗方法；
图2为小光圈下的中心区域和倒T形传统选窗方法；
图3为本发明中自动聚焦方法的一种实施例的流程图；
图4为图像中聚焦窗口的图像块的示意图；
图5为大光圈下本发明方法与倒T形、黄金分割传统方法的清晰度函数曲线；
图6为小光圈下本发明方法与中心区域传统方法的清晰度函数曲线；
图7为小光圈下中心区域法(左)与本发明方法(右)的聚焦帧及局部放大图；
图8为本发明中自动聚焦装置的一种实施例的组成框图。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图3至图8，本发明提供一种自动聚焦方法、装置、电子设备及存储介质：
本实施例的第一方面公开了一种自动聚焦方法，应用于可变光圈的摄像机。如图3所示，所述自动聚焦方法包括步骤S100至步骤S600，以下详细说明。
步骤S100.确定初始的搜索区间。
一般的，可以将摄像机的镜头移动的最大范围区间设置为初始的搜索区间。所述镜头的移动可以由步进电机驱动。
步骤S200.根据所述搜索区间确定第一探测点和第二探测点。
在一些实施例中，所述第一探测点和第二探测点的计算公式为：
b1＝a+μL
a1＝b-μL
式中，a1表示第一探测点；b1表示第二探测点；μ∈(0,1)，一般取0.618，也可以根据实际需求取其他值；[a,b]表示当前的搜索区间；L表示搜索区间的长度，L＝b-a。
步骤S300.获取摄像机的光圈值、以及摄像机在镜头位于第一探测点和第二探测点时采集的图像。
具体的，步骤S300包括：获取摄像机的光圈值；获取摄像机在镜头位于第一探测点时采集的图像；获取摄像机在镜头位于第二探测点时采集的图像。在聚焦过程中，摄像机的光圈值保持不变。
在一些实施例中，所述步骤S300还包括：将所述图像处理为灰度图。若图像为8K图，则其灰度图的分辨率为7680(W)×4320(H)。具体的，将所述图像处理为灰度图，包括：若图像为YUV编码，则取图像中每个像素点的Y通道的值作为该像素点的灰度值，然后得图像对应的灰度图；若所述图像为RGB编码，则图像中每个像素点的灰度值由公式Gray＝0.299R+0.587G+0.114B获得，然后得到图像对应的灰度图；其中，Gray表示灰度值，R表示像素点在R通道的像素值，G表示像素点在G通道的像素值，B表示像素点在B通道的像素值。
步骤S400.确定所述图像中的聚焦窗口。
在一些实施例中，所述聚焦窗口包括图像的中心部分、外围部分和边角部分，所述中心部分、外围部分和边角部分均包括多个位于预设位置的图像块。
所述图像块可以设置为矩形块。
例如，如图4所示，所述图像的区域范围为(-0.5W～0.5W,-0.5H～0.5H)，则：中心部分包括5个图像块，5个图像块的中心坐标为(0,0)，(-0.1W,0)，(0.1W,0)，(0,-0.1H)，(0,0.1H)；外围区域包括20个图像块，20个图像块的中心坐标为(-0.3W,0)，(-0.2W,0.1H)，(-0.2W,0)，(-0.2W,-0.1H)，(-0.1W,0.2H)，(-0.1W,0.1H)，(-0.1W,-0.1H)，(-0.1W,-0.2H)，(0,0.3H)，(0,0.2H)，(0,-0.2H)，(0,-0.3H)，(0.1W,0.2H)，(0.1W,0.1H)，(0.1W,-0.1H)，(0.1W,-0.2H)，(0.2W,0.1H)，(0.2W,0)，(0.2W,-0.1H)，(0.3W,0)；边角部分包括12个图像块，12个图像块的中心坐标为(-0.4W,-0.2H)，(-0.4W,-0.3H)，(-0.4W,-0.4H)，(-0.3W,-0.3H)，(-0.3W,-0.4H)，(-0.2W,-0.4H)，(0.4W,-0.2H)，(0.4W,-0.3H)，(0.4W,-0.4H)，(0.3W,-0.3H)，(0.3W,-0.4H)，(0.2W,-0.4H)；其中，每个图像块的分辨率是0.1W×0.1H，W表示图像的宽，H表示图像的高。
步骤S500.基于光圈值计算所述图像中聚焦窗口的清晰度值。
在一些实施例中，由于聚焦窗口包括图像的中心部分、外围部分和边角部分，所述中心部分、外围部分和边角部分均包括多个位于预设位置的图像块，此时步骤S500包括：
步骤S510.利用模板对图像块I中的每个像素灰度值做卷积处理得到的梯度，得到梯度值GI(i,j)，GI(i,j)表示图像块I中坐标为(i，j)的梯度值。
步骤S520.计算每个图像块的清晰度值：
式中，f(I)表示图像块I的清晰度值。
步骤S530.基于图像块的清晰度值计算聚焦窗口的清晰度值：
fimg＝∑fcenter+h(F)[α∑fouter+β∑fcorner]
式中，fimg表示聚焦窗口的清晰度值，α是外围部分的加权超参数，β是边角部分的加权超参数，h(F)是光圈归一化函数，FMax是可变光圈的最大值，FMin是可变光圈的最小值，F表示采集图像时的光圈值，fcenter表示图像中心部分图像块的清晰度值，∑fouter表示图像外围部分图像块的清晰度值，∑fcorner表示图像边角部分图像块的清晰度值。
本实施例中根据摄像机的可变光圈值自适应调整兴趣区域各部分的比例。当光圈值F大时，函数h(F)大，图像的外围部分(Outer区域)和边角部分(Corner区域)纳入计算的清晰度值比例大；当光圈值F小时，函数h(F)小，清晰度值的主要部分为中心部分(Center区域)了。
步骤S600.根据两帧图像中聚焦窗口的清晰度值的大小调节搜索区间。
在一些实施例中，所述步骤S600包括：将摄像机在焦距为第一探测点时采集的图像中聚焦窗口的清晰度值记为f(a1)；将摄像机在焦距为第二探测点时采集的图像中聚焦窗口的清晰度值记为f(b1)；若f(a1)>f(b1)，则将搜索区间调节为[a,b1]；若f(a1)<f(b1)，则将搜索区间调节为[a1,b]；若f(a1)＝f(b1)，则将搜索区间调节为[a1,b1]；其中，a1表示第一探测点，b1表示第二探测点，[a,b]表示当前的搜索区间。
步骤S700.判断调节后的搜索区间的长度是否小于等于预设值：若是，则确定调节后的搜索区间为最佳聚焦区间；若否，则执行步骤S200。
本实施例中认为镜头位于最佳聚焦区间中任意位置时均满足聚焦要求。在一些实施例中，可以将最佳聚焦区间的中点确认为最佳聚焦位置。
摄像机光圈较大时的景深小，图5可以得出相比于倒T形、黄金分割，本实施例方法的清晰度评价曲线具有单峰性、宽陡峭宽度，能准确地判断出主体最清晰的位置。而倒T形和黄金分割方法由于兴趣区域未区分主体和背景区域，评价曲线出现多峰，会导致对焦失效。
摄像机光圈较小时的景深大，图6可以看出本实施例方法和中心区域法的曲线有横向偏移。
图7中为小光圈下中心区域法(左)与本实施例方法(右)的聚焦帧及局部放大图，图7的两种方法的聚焦帧对比可以说明相比于中心区域法的聚焦主体、忽略背景，本实施例方法可以兼顾主体和背景，使其均处于较清晰的范围内。
本实施例的第二方面公开了一种自动聚焦装置，应用于可变光圈的摄像机。如图8所示，所述自动聚焦装置包括区间确定模块、探测点确定模块、图像采集模块、清晰度计算模块、判断模块和最佳区间确定模块。
区间确定模块，用于确定初始的搜索区间，以及根据两帧图像中聚焦窗口的清晰度值的大小调节搜索区间。关于区间确定模块的描述可参考步骤S100和步骤S600的描述。
探测点确定模块，用于根据所述搜索区间确定第一探测点和第二探测点。关于探测点确定模块的描述可参考步骤S200的描述。
图像采集模块，用于获取摄像机的光圈值、以及摄像机在镜头位于第一探测点和第二探测点时采集的图像。关于图像采集模块的描述可参考步骤S300的描述。
清晰度计算模块，用于确定所述图像中的聚焦窗口，以及基于光圈值计算所述图像中聚焦窗口的清晰度值。关于清晰度计算模块的描述可参考步骤S400和步骤S500的描述。
判断模块，用于判断调节后的搜索区间的长度是否小于等于预设值。关于判断模块的描述可参考步骤S700的描述。
最佳区间确定模块，用于在搜索区间的长度小于等于预设值时确定该搜索区间为最佳聚焦区间。关于最佳区间确定模块的描述可参考步骤S700的描述。
本实施例的第三方面公开了一种电子设备，所述电子设备包括存储器和处理器。所述存储器存储执行指令；所述处理器执行所述存储器存储的执行指令，使得所述处理器执行本实施例的第一方面所述的自动聚焦方法。
本实施例的第四方面公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有执行指令，所述执行指令被处理器执行时用于实现本实施例的第一方面所述的自动聚焦方法。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种自动聚焦方法，应用于可变光圈的摄像机，其特征在于，所述自动聚焦方法包括：
步骤S100.确定初始的搜索区间；
步骤S200.根据所述搜索区间确定第一探测点和第二探测点；
步骤S300.获取摄像机的光圈值、以及摄像机在镜头位于第一探测点和第二探测点时采集的图像；
步骤S400.确定所述图像中的聚焦窗口；
步骤S500.基于光圈值计算所述图像中聚焦窗口的清晰度值；
步骤S600.根据两帧图像中聚焦窗口的清晰度值的大小调节搜索区间；
步骤S700.判断调节后的搜索区间的长度是否小于等于预设值：若是，则确定调节后的搜索区间为最佳聚焦区间；若否，则执行步骤S200。
2.根据权利要求1所述的一种自动聚焦方法，其特征在于，所述步骤S300还包括：将所述图像处理为灰度图。
3.根据权利要求2所述的一种自动聚焦方法，其特征在于，将所述图像处理为灰度图，包括：
若图像为YUV编码，则取图像中每个像素点的Y通道的值作为该像素点的灰度值，然后得图像对应的灰度图；
若所述图像为RGB编码，则图像中每个像素点的灰度值由公式Gray＝0.299R+0.587G+0.114B获得，然后得到图像对应的灰度图；
其中，Gray表示灰度值，R表示像素点在R通道的像素值，G表示像素点在G通道的像素值，B表示像素点在B通道的像素值。
4.根据权利要求1所述的一种自动聚焦方法，其特征在于，所述第一探测点和第二探测点的计算公式为：
b1＝a+μL
a1＝b-μL
式中，a1表示第一探测点；b1表示第二探测点；μ∈(0,1)；[a,b]表示当前的搜索区间；L表示搜索区间的长度，L＝b-a。
5.根据权利要求1所述的一种自动聚焦方法，其特征在于，所述聚焦窗口包括图像的中心部分、外围部分和边角部分，所述中心部分、外围部分和边角部分均包括多个位于预设位置的图像块。
6.根据权利要求5所述的一种自动聚焦方法，其特征在于，步骤S500包括：
步骤S510.利用模板对图像块I中的每个像素灰度值做卷积处理得到的梯度，得到梯度值GI(i,j)，GI(i,j)表示图像块I中坐标为(i，j)的梯度值；
步骤S520.计算每个图像块的清晰度值：
式中，f(I)表示图像块I的清晰度值；
步骤S530.基于图像块的清晰度值计算聚焦窗口的清晰度值：
fimg＝∑fcenter+h(F)[α∑fouter+β∑fcorner]
式中，fimg表示聚焦窗口的清晰度值，α是外围部分的加权超参数，β是边角部分的加权超参数，h(F)是光圈归一化函数，FMax是可变光圈的最大值，FMin是可变光圈的最小值，F表示采集图像时的光圈值，fcenter表示图像中心部分图像块的清晰度值，∑fouter表示图像外围部分图像块的清晰度值，∑fcorner表示图像边角部分图像块的清晰度值。
7.根据权利要求1所述的一种自动聚焦方法，其特征在于，所述步骤S600包括：
将摄像机在焦距为第一探测点时采集的图像中聚焦窗口的清晰度值记为f(a1)；
将摄像机在焦距为第二探测点时采集的图像中聚焦窗口的清晰度值记为f(b1)；
若f(a1)>f(b1)，则将搜索区间调节为[a,b1]；
若f(a1)<f(b1)，则将搜索区间调节为[a1,b]；
若f(a1)＝f(b1)，则将搜索区间调节为[a1,b1]；
其中，a1表示第一探测点，b1表示第二探测点，[a,b]表示当前的搜索区间。
8.一种自动聚焦装置，应用于可变光圈的摄像机，其特征在于，所述自动聚焦装置包括：
区间确定模块，用于确定初始的搜索区间，以及根据两帧图像中聚焦窗口的清晰度值的大小调节搜索区间；
探测点确定模块，用于根据所述搜索区间确定第一探测点和第二探测点；
图像采集模块，用于获取摄像机的光圈值、以及摄像机在镜头位于第一探测点和第二探测点时采集的图像；
清晰度计算模块，用于确定所述图像中的聚焦窗口，以及基于光圈值计算所述图像中聚焦窗口的清晰度值；
判断模块，用于判断调节后的搜索区间的长度是否小于等于预设值；
最佳区间确定模块，用于在搜索区间的长度小于等于预设值时确定该搜索区间为最佳聚焦区间。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器，所述存储器存储执行指令；以及
处理器，所述处理器执行所述存储器存储的执行指令，使得所述处理器执行权利要求1至7中任意一项所述的自动聚焦方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有执行指令，所述执行指令被处理器执行时用于实现权利要求1至7中任意一项所述的自动聚焦方法。
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CN117835058A (zh) * 2024-03-06 2024-04-05 深圳市翔飞科技股份有限公司 一种自动聚焦机制的高清模拟摄像机控制系统及方法
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