CN117615253B - 一种目标矩直接探测快速对焦的方法及设备 - Google Patents
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Abstract
一种目标矩直接探测快速对焦的方法及设备，方法包括：生成设定的调制矩阵并加载到光调制器中，接收在当前聚焦位置下目标物体发射或者透射的光信号，所述调制矩阵对所述光信号进行调制；根据调制后的光信号获取在当前聚焦位置下目标物体的几何矩值；根据所述几何矩值计算出在当前聚焦位置下目标物体对应的中心矩；重新聚焦获得的聚焦位置作为当前聚焦位置，返回接收在当前聚焦位置下目标物体发射或者透射目标物体的光信号，直至获得所有聚焦位置下目标物体对应的中心矩，比较所有聚焦位置下目标物体对应的中心矩，确定最小中心距对应的聚焦位置作为对焦位置。该发明的优点在于：使用单像素探测器在极少的探测值下能够实现快速实时对焦。
Description
技术领域
本发明属于单像素成像的技术领域，尤其涉及一种目标矩直接探测快速对焦的方法及设备。
背景技术
近年来，随着计算机视觉和图像处理技术的迅速发展，对高质量图像的需求越来越大。在许多领域，如医学影像、工业检测和安全监控等，快速、准确地对焦以获取清晰的图像是至关重要的。然而，在某些情况下，由于光学系统、成像设备的限制或其他因素，实现快速对焦仍然具有挑战性。
传统的自动对焦方法通常基于图像采集设备的对焦指标，如图像清晰度评估函数。这些方法通过分析图像中的特定特征或使用像素级别的对焦信息来确定最佳对焦位置。此外，传统方法通常需要耗费大量的时间和计算资源进行图像分析和处理，从而降低了实时对焦的能力。
发明内容
为了能够实现快速对焦，本发明提出了一种目标矩直接探测快速对焦的方法及设备，具体技术方案如下：
一种目标矩直接探测快速对焦的方法，包括：
生成设定的调制矩阵并加载到光调制器中，接收在当前聚焦位置下目标物体发射或者透射的光信号，所述调制矩阵对所述光信号进行调制；
根据调制后的光信号获取在当前聚焦位置下目标物体的几何矩值；
根据所述几何矩值计算出在当前聚焦位置下目标物体对应的中心矩；
重新聚焦获得的聚焦位置作为当前聚焦位置，返回接收在当前聚焦位置下目标物体发射或者透射目标物体的光信号，直至获得所有聚焦位置下目标物体对应的中心矩，比较所有聚焦位置下目标物体对应的中心矩，确定最小中心距对应的聚焦位置作为对焦位置。
在其中一实施方案中，根据调制后的光信号获取在当前聚焦位置下目标物体的几何矩值，包括：
使用单像素探测器根据调制后的光信号获取在当前聚焦位置下目标物体的几何矩值。
在其中一实施方案中，根据调制后的光信号获取在当前聚焦位置下目标物体的几何矩值，包括：
确定个调制矩阵对应的二维函数/>；
根据二维函数对所述光信号进行调制获得/>个对应的光信息强度值/>，等效为/>个对应的几何矩值。
在其中一实施方案中，所述设定的调制矩阵包括：
调制矩阵M1，为二维矩阵且其中每一位置元素值都为1；
调制矩阵M2，为二维矩阵且其中每一行元素值均等于其行序号；
调制矩阵M3，为二维矩阵且其中每一行元素值均等于其行序号的平方。
在其中一实施方案中，所述确定个调制矩阵对应的二维函数/>；包括：
确定调制矩阵M1、调制矩阵M2、调制矩阵M3对应二维函数、/>、，且分别满足：
二维函数、/>、/>所在坐标系的横坐标和纵坐标分别对应调制矩阵M1、调制矩阵M2、调制矩阵M3的行方向和列方向；
根据二维函数对所述光信号进行调制获得/>个对应的光信息强度值/>，等效为/>个对应的几何矩值，包括：
根据二维函数、/>、/>对所述光信号进行调制获得对应的光信息强度值/>，表示为：
式中，取值1,2,3,/>为在当前聚焦位置下目标物体图像的二维分布函数；
探测光强度值、/>、/>分别等效为几何矩值m00、m10、m20。
一种目标矩直接探测快速对焦的设备，包括：
调制模块，用于生成设定的调制矩阵，接收目标物体在不同聚焦位置下目标物体发射或者透射的光信号，所述调制矩阵对所述光信号进行调制；
几何矩值获取模块，用于根据探测的调制后光信号获取在不同聚焦位置下目标物体的几何矩值；
中心矩值获取模块，用于接收几何矩值获取模块输出的几何矩值并计算出在不同聚焦位置下目标物体对应的中心矩；
对焦位置确定模块，用于比较所有聚焦位置下目标物体对应的中心矩，确定最小中心距对应的聚焦位置作为对焦位置。
在其中一实施方案中，所述调制模块包括二维矩阵生成单元和光调制器，所述二维矩阵生成单元生成多个调制矩阵，所述光调制器依次周期性使用不同的调制矩阵对光信号进行调制。
在其中一实施方案中，所述光调制器包括若干个呈阵列分布的微镜，所述调制矩阵中每个元素值均对应着唯一一个微镜。
一种计算机可读存储介质，介质上存有计算机程序，计算机程序运行后执行如上述的一种目标矩直接探测快速对焦的方法。
一种计算机设备，包括处理器、存储介质，存储介质上存有计算机程序，处理器从存储介质上读取并运行计算机程序以执行如上述的一种目标矩直接探测快速对焦的方法。
本发明的优点在于：
针对单像素成像的矩探测快速对焦技术在图像采集和分析领域具有许多有益的效果，以下是其中一些重要的方面：
1.高速准确的对焦：传统的自动对焦方法受到噪声、光线变化和运动模糊等因素的干扰，难以实现快速、准确的对焦。而针对单像素成像的矩探测快速对焦技术通过结合了单像素成像和矩计算方法，在短时间内对图像特征进行高效评估，从而实现快速而准确的对焦过程。
2.降低成本和复杂性：传统的图像采集设备通常使用像素阵列，这需要大量的像素来捕获图像信息，增加了成本和复杂性。相比之下，只需使用一个单像素探测器即可获取图像的光强度信息，不需要其他的硬件设备，从而降低了对成像设备的要求和成本。这种简化的设计可以带来更便携、更灵活的对焦设备，为各种应用提供了更大的便利性。
3.鲁棒性和适应性强：针对单像素矩探测快速对焦技术在光照条件较差或存在复杂背景的情况下仍然具有良好的性能。由于使用矩直接探测进行图像质量评估，该技术能够综合考虑图像的多个特征和变化率，并提供准确的对焦指标。这使得它在低光照环境下、复杂背景下以及其他挑战性场景中都能够实现高质量高效率的对焦。
4.实时对焦的能力：由于采用了高效的优化的矩计算方法，矩探测快速对焦技术可以实现实时对焦的要求。无论是在实时监控、自动驾驶还是虚拟/增强现实等领域，该技术都能够满足及时获取、分析和处理图像数据的需求，提高了系统的响应速度和实时性能。
综上所述，针对单像素矩探测快速对焦技术在图像采集和分析领域具有许多有益的效果。通过结合单像素成像和矩探测算法，该技术能够实现高速准确的对焦过程，并降低成本和复杂性。它具有鲁棒性和适应性强的特点，在各种光照条件和场景下都能表现出良好的性能。此外，该技术具备实时对焦的能力，满足了实时监控和图像采集的需求。最重要的是，针对单像素矩探测快速对焦技术在医学影像、工业检测、安全监控等广泛应用领域中具有重要的应用前景，并为这些领域的发展和进步带来许多机遇和创新。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明实施例中针对单像素矩探测快速对焦的流程图；
图2示出了根据本发明实施例中针对单像素矩探测快速对焦设备的结构示意图；
图3示出了根据本发明实施例中光调制器的结构示意图；
图中：
1、光源；2、目标物体；3、成像透镜组；4、调制模块；41、二维矩阵生成单元；42、光调制器；5、几何矩值获取模块；51、单像素探测器；52、几何矩值求取单元；521、二维函数生成部分；522、光信息强度值获取部分；6、中心矩值获取模块；7、对焦位置确定模块。
具体实施方式
传统的自动对焦方法通过分析图像中的特定特征或使用像素级别的对焦信息来确定最佳的对焦位置，传统的对焦需要长时间的对焦和大量的计算来进行图像分析和处理，因此传统的对焦方式实时性低。
矩探测算法是一种高效的图像质量评估方法，通过对图像的矩变化率进行分析，确定图像的清晰度和对焦质量。该算法通过计算图像的中心矩特征来评估图像的清晰程度，并提供对焦指标。与传统的对焦方法相比，矩探测算法具有更好的鲁棒性和快速性能，能够在复杂的场景中快速、准确地评估图像的对焦质量。
根据上述分析，为了实现快速的确定最佳的对焦位置，如图1所示，本申请公开了一种目标矩直接探测快速对焦的方法，包括：
S1、生成设定的调制矩阵并加载到光调制器中，接收在当前聚焦位置下目标物体发射或者透射的光信号，所述调制矩阵对所述光信号进行调制；
S2、根据调制后的光信号获取在当前聚焦位置下目标物体的几何矩值；
S3、根据所述几何矩值计算出在当前聚焦位置下目标物体对应的中心矩；
S4、重新聚焦的聚焦位置作为当前聚焦位置，返回接收在当前聚焦位置下目标物体发射或者透射目标物体的光信号，直至获得所有聚焦位置下目标物体对应的中心矩，比较所有聚焦位置下目标物体对应的中心矩，确定最小中心距对应的聚焦位置作为对焦位置。
在一实施例中，对目标物体聚焦成像成目标图像的过程中，为了能够更加准确的确定最佳对焦位置，综合考虑目标图像的多个特征和变化率，在该方案中，步骤S1中设定的调制矩阵包括：
调制矩阵M1，为二维矩阵且其中每一位置元素值都为1；
调制矩阵M2，为二维矩阵且其中每一行元素值均等于其行序号；
调制矩阵M3，为二维矩阵且其中每一行元素值均等于其行序号的平方。
步骤S1中，二维矩阵M1中每一位置元素值都为1。二维矩阵M2中每一行元素值均等于其行序号指的是矩阵内第一行的元素值全部为1，第二行的元素值全为2，第三行的元素值全为3，依次类推。二维矩阵M3中第一行元素值均为1，第二行元素值均为4，第三行元素值均为9，依次类推。总共使用3个调制矩阵对光信号进行调制即可。所述光调制器包括若干个呈阵列分布的微镜，所述调制矩阵中每个元素值均对应唯一一个微镜，每个微镜均可在正负角之间来回转动，对应着光调制器微元的“0”和“1”的状态。与所述元素值对应的微镜设置为顺指针角度；而在第2行第3列的元素值为“0”时，所述微镜设置为逆时针角度。
具体地说，在步骤S2中根据调制后的光信号获取在当前聚焦位置下目标物体的几何矩值。在图像分析和识别中，矩是一个非常重要的特征，几何矩是矩函数中最简单且最重要的矩，用于推导、平移、伸缩和旋转不定量的常用技术。获取目标物体的几何矩值的方法包括delta方法、格林公式法、基于多边形和三角形的方法、基于图像变化的方法。
单像素成像技术是一种先进的计算成像方法，利用了光学调制原理和先进的计算算法来获取图像信息。与传统的像素阵列相机不同，单像素成像技术使用一个光探测单元来采集图像中的光强度数据。这种技术具有适应性强、成本低和鲁棒性好等特点，可以降低对光学系统的要求，并减少成像设备的复杂性和成本。
在一实施例，根据调制后的光信号获取在当前聚焦位置下目标物体的几何矩值包括：使用单像素探测器根据调制后的光信号获取在当前聚焦位置下目标物体的几何矩值。详细的说，使用单像素探测器获取调制后的光信号，并采集调制后的光信号对应的光信号强度值，以此确定在当前聚焦位置下目标物体的几何矩值；具体包括：
S21、确定个调制矩阵对应的二维函数/>，在该实施例中，确定调制矩阵M1、调制矩阵M2、调制矩阵M3对应二维函数/>、/>、/>，且分别满足：
其中二维函数、/>、/>所在坐标系的横坐标和纵坐标分别对应调制矩阵M1、调制矩阵M2、调制矩阵M3的行方向和列方向，二维函数值对应相应的调制矩阵的元素值；示例性的，/>表示在二维矩阵中，第六行第二列的元素值为1，表示在二维矩阵中，第三行第四列的元素值为3。
S22、根据二维函数对所述光信号进行调制获得对应的光信息强度值/>，等效为/>个对应的几何矩值；在该方案中，根据二维函数/>、/>、/>对所述光信号进行调制获得对应的光信息强度值/>，表示为：
式中，取值1,2,3,/>为在当前聚焦位置下目标物体图像的二维分布函数。
光信息强度值、/>、/>分别等效为对应的几何矩值m00、m10、m20。本申请通过获得三个不同矩阵对应的光信息强度值，从而综合考虑了图像的多个特征和变化率，能够更准确地确定最佳对焦位置。
本发明将单像素成像技术与矩探测算法相结合，为快速对焦提供了一种创新和高效的解决方案。该技术利用单像素探测器采集的光强度数据直接作为特征矩值，在极低数据量的情况下实现快速对焦。该方法不仅可以在各种光照条件下实现高质量图像的快速对焦，而且能够减少计算资源的消耗，实现实时对焦的要求。
在步骤S3中，通过几何矩值m00、m10、m20计算中心矩，公式为：
其中(g)表示为当前聚焦位置。
该方案可以通过计算在当前聚焦位置时，目标物体的三个几何矩值m00、m10、m20来快速算出二阶中心矩u20，进而衡量图像模糊程度，通过步骤S4，获得所有聚焦位置下目标物体对应的中心矩，然后比较所有聚焦位置下目标物体对应的中心矩，确定最小中心距对应的聚焦位置作为对焦位置，即实现了利用直接矩探测方法来进行快速对焦的目的。采用直接矩探测方法进行快速对焦，可以在短时间内评估图像清晰度和对焦质量。
综上，本申请使用单像素成像技术，单像素成像技术的灵活性和鲁棒性使其适用于各种光照条件和场景，包括低光照环境和复杂背景。利用单像素成像技术采集的光强度数据直接作为特征矩值，在极低数据量的情况下实现快速对焦。该方法不仅可以在各种光照条件下实现高质量图像的快速对焦，而且能够减少计算资源的消耗，实现实时对焦的要求，且不需要额外的硬件设备。
单像素直接矩探测快速对焦技术通过结合单像素成像和矩探测算法，为快速且准确的对焦提供了一种创新的解决方案，该技术在图像采集和分析领域具有广泛的应用前景，可以满足高质量图像获取的要求，并促进相关领域的发展与进步。
在另一实施例中，如图2所示，本申请还公开了一种目标矩直接探测快速对焦的设备，包括：
调制模块4，用于生成设定的调制矩阵，接收在不同聚焦位置下目标物体2发射或者透射的光信号，所述调制矩阵对所述光信号进行调制；
几何矩值获取模块5，用于根据调制后的光信号获取在不同聚焦位置下目标物体2的几何矩值；
中心矩值获取模块6，用于接收几何矩值获取模块5输出的几何矩值并计算出在不同聚焦位置下目标物体2对应的中心矩；
对焦位置确定模块7，用于比较所有聚焦位置下目标物体2对应的中心矩，确定最小中心矩对应的聚焦位置作为对焦位置。
具体地说，所述调制模块4包括二维矩阵生成单元41和光调制器42，所述二维矩阵生成单元41生成多个调制矩阵，所述光调制器42依次周期性使用不同的调制矩阵对光信号进行调制。所述二维矩阵生成单元41用于生成调制矩阵M1、调制矩阵M2、调制矩阵M3；调所述制矩阵M1为二维矩阵且其中每一位置元素值都为1；调制矩阵M2为二维矩阵且其中每一行元素值均等于其行序号；调制矩阵M3为二维矩阵且其中每一行元素值均等于其行序号的平方。如图3所示，所述光调制器42包括若干个呈阵列分布的微镜，所述调制矩阵中每个元素值均对应着唯一一个微镜。每个微镜均可在正负角之间来回转动，对应着光调制器42微元的“0”和“1”的状态。示例性的，当二维调制矩阵第2行第3列的元素值为“1”时，与所述元素值对应的微镜设置为顺指针角度；而在第2行第3列的元素值为“0”时，所述微镜设置为逆时针角度。示例性的，所述光调制器42的型号为DLP7000，由个微镜组成。
在该实施例中，所述几何矩值获取模块5包括单像素探测器51和几何矩值求取单元52。所述单像素探测器51布置在光调制器42DMD的调制反射光方向，用于接收从光调制器42的调制反射光方向接受经由所述光调制器42调制后光信号。所述几何矩值求取单元52获得单像素探测器51输出信号；结合调制模块4生成的不同的调制矩阵，计算在不同聚焦位置下目标物体2不同的几何矩值，所述几何矩值求取单元52包括依次连接的二维函数生成部分521、光信息强度值获取部分522。
所述二维函数生成部分521用于将确定调制矩阵M1、调制矩阵M2、调制矩阵M3对应二维函数、/>、/>，且分别满足：
其中二维函数、/>、/>所在坐标系的横坐标和纵坐标分别对应调制矩阵M1、调制矩阵M2、调制矩阵M3的行方向和列方向，二维函数值对应相应的调制矩阵的元素值。
所述光信息强度值获取部分522用于根据二维函数和目标物体2图像的二维分布函数，获得所述光信号经过调制矩阵M1、调制矩阵M2、调制矩阵M3获得的光信号强度值、/>、/>。
所述中心矩值获取模块6根据几何矩值m00、m10、m20计算获得中心距，进而衡量图像模糊程度，最终结合对焦位置确定模块7来实现利用矩方法来进行快速对焦的目的。采用矩直接探测算法进行快速对焦，可以在短时间内评估图像清晰度和对焦质量。
在另一实施例中，设备还包括光源1，用于照射目标物体2；
在另一实施例中，所述目标物体2与调制模块4之间还设置有成像透镜组3，用于将经目标物体2反射或透过的光信号投射至调制模块4，在此过程中，成像透镜组3通过改变聚焦位置，最终获得不同聚焦位置对应的中心矩。
与传统设备相比，单像素直接矩探测快速对焦技术的设备具有以下优势：
高速性能：采用几何矩值获取模块5、中心矩值获取模块6、对焦位置确定模块7进行快速对焦，可以在短时间内评估图像清晰度和对焦质量。
准确性：通过综合考虑图像的多个特征和变化率，能够更准确地确定最佳对焦位置。
适应性：几何矩值获取模块5中使用的单像素成像技术的灵活性和鲁棒性使其适用于各种光照条件和场景，包括低光照环境和复杂背景。
实时性能：通过减少计算资源的需求和优化算法，可以实现实时对焦的要求，满足实时监测和图像采集的需求，不需要额外的硬件设备。
在本发明的实施例中还公开了一种计算机可读存储介质，介质上存有计算机程序，计算机程序运行后执行如上述实施例中所述的一种目标矩直接探测快速对焦的方法。
在本发明的实施例中还公开了介质上存有计算机程序，计算机程序运行后执行如上述实施例中所述的一种目标矩直接探测快速对焦的方法。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种目标矩直接探测快速对焦的方法，其特征在于，包括：
生成设定的调制矩阵并加载到光调制器中，接收在当前聚焦位置下目标物体发射或者透射的光信号，所述调制矩阵对所述光信号进行调制；
根据调制后的光信号获取在当前聚焦位置下目标物体的几何矩值；
根据所述几何矩值计算出在当前聚焦位置下目标物体对应的中心矩；
重新聚焦获得的聚焦位置作为当前聚焦位置，返回接收在当前聚焦位置下目标物体发射或者透射目标物体的光信号，直至获得所有聚焦位置下目标物体对应的中心矩，比较所有聚焦位置下目标物体对应的中心矩，确定最小中心距对应的聚焦位置作为对焦位置。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据调制后的光信号获取在当前聚焦位置下目标物体的几何矩值，包括：
使用单像素探测器根据调制后的光信号获取在当前聚焦位置下目标物体的几何矩值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据调制后的光信号获取在当前聚焦位置下目标物体的几何矩值，包括：
确定 个调制矩阵对应的二维函数/>；
根据二维函数对所述光信号进行调制获得/>个对应的光信息强度值/>，等效为个对应的几何矩值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述设定的调制矩阵包括：
调制矩阵M1，为二维矩阵且其中每一位置元素值都为1；
调制矩阵M2，为二维矩阵且其中每一行元素值均等于其行序号；
调制矩阵M3，为二维矩阵且其中每一行元素值均等于其行序号的平方。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述确定个调制矩阵对应的二维函数；包括：
确定调制矩阵M1、调制矩阵M2、调制矩阵M3对应二维函数、/>、/>，且分别满足：
；
二维函数、/>、/>所在坐标系的横坐标和纵坐标分别对应调制矩阵M1、调制矩阵M2、调制矩阵M3的行方向和列方向；
根据二维函数对所述光信号进行调制获得/>个对应的光信息强度值/>，等效为个对应的几何矩值，包括：
根据二维函数、/>、/>对所述光信号进行调制获得对应的光信息强度值/>，表示为：
；
式中，取值1,2,3,/>为在当前聚焦位置下目标物体图像的二维分布函数；
探测光强度值、/>、/>分别等效为几何矩值m00、m10、m20。
6.一种目标矩直接探测快速对焦的设备，其特征在于，包括：
调制模块，用于生成设定的调制矩阵，接收目标物体在不同聚焦位置下目标物体发射或者透射的光信号，所述调制矩阵对所述光信号进行调制；
几何矩值获取模块，用于根据探测的调制后光信号获取在不同聚焦位置下目标物体的几何矩值；
中心矩值获取模块，用于接收几何矩值获取模块输出的几何矩值并计算出在不同聚焦位置下目标物体对应的中心矩；
对焦位置确定模块，用于比较所有聚焦位置下目标物体对应的中心矩，确定最小中心距对应的聚焦位置作为对焦位置。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述调制模块包括二维矩阵生成单元和光调制器，所述二维矩阵生成单元生成多个调制矩阵，所述光调制器依次周期性使用不同的调制矩阵对光信号进行调制。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述光调制器包括若干个呈阵列分布的微镜，所述调制矩阵中每个元素值均对应着唯一一个微镜。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，介质上存有计算机程序，计算机程序运行后执行如权利要求1至5中任一项所述的一种目标矩直接探测快速对焦的方法。
10.一种计算机设备，其特征在于，包括处理器、存储介质，存储介质上存有计算机程序，处理器从存储介质上读取并运行计算机程序以执行如权利要求1至5中任一项所述的一种目标矩直接探测快速对焦的方法。
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| CN202410087873.4A Active CN117615253B (zh) | 2024-01-22 | 2024-01-22 | 一种目标矩直接探测快速对焦的方法及设备 |
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Family Cites Families (2)
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-
2024
- 2024-01-22 CN CN202410087873.4A patent/CN117615253B/zh active Active
Patent Citations (6)
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| 基于Omega-K算法的快速全聚焦超声成像研究;陈尧;冒秋琴;陈果;石文泽;卢超;;仪器仪表学报;20180915(09);全文 * |
| 基于稀疏采样技术的激光雷达三维成像方法研究;吕申龙;时东锋;胡顺星;;量子电子学报;20180115(01);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117615253A (zh) | 2024-02-27 |
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