EP1299760A1 - Verfahren zur autofokussierung für fernrohre von vermessungsgeräten - Google Patents

Verfahren zur autofokussierung für fernrohre von vermessungsgeräten

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Publication number
EP1299760A1
EP1299760A1 EP01960486A EP01960486A EP1299760A1 EP 1299760 A1 EP1299760 A1 EP 1299760A1 EP 01960486 A EP01960486 A EP 01960486A EP 01960486 A EP01960486 A EP 01960486A EP 1299760 A1 EP1299760 A1 EP 1299760A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
maximum
kkf
signal
signal amplitude
local
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01960486A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Marold
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trimble Jena GmbH
Original Assignee
ZSP Geodaetische Systeme GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ZSP Geodaetische Systeme GmbH filed Critical ZSP Geodaetische Systeme GmbH
Publication of EP1299760A1 publication Critical patent/EP1299760A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C15/00—Surveying instruments or accessories not provided for in groups G01C1/00 - G01C13/00
    • G01C15/002—Active optical surveying means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C1/00—Measuring angles
    • G01C1/02—Theodolites
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/28—Systems for automatic generation of focusing signals
    • G02B7/36—Systems for automatic generation of focusing signals using image sharpness techniques, e.g. image processing techniques for generating autofocus signals

Definitions

  • the invention relates to a method for autofocusing, in particular for telescopes of surveying devices, and is suitable for image sensors that resolve the image signal into individual picture elements (pixels), such as CCD lines and matrices and CMOS image sensors.
  • pixels such as CCD lines and matrices and CMOS image sensors.
  • DE-OS 1 96 1 4 235 describes an auto focus for a level. Additional optics located behind the image plane serve to capture the focus by means of two imaging lenses that generate object images on two line sensors. Means for detecting the focusing lens position are also required.
  • DE-OS 1 95 49 048 is to be seen, which uses a beam splitter to generate a plane for the focus detection system that is equivalent to the image plane.
  • This solution has the disadvantage that it cannot be easily transferred to a digital level.
  • JP-OS 4-93 71 1 contains an autofocus for a CCD camera connected to a tachymeter telescope via a beam splitter. A focusing lens is adjusted so that the image size of the imaged object is minimal. This solution also does not necessarily ensure optimal image sharpness, since the minimum can be relatively wide and is therefore difficult to grasp.
  • US 54 81 329 describes an autofocus device with an additional image on the image plane on four sensors and correlation of the opposite, resulting images. The sum of the difference between neighboring pixels is taken as the contrast value. Depending on the success, further filters are available for other spatial frequencies. Depending on whether an object produces a high-contrast or low-contrast image, the proportion of constant light is removed completely or incompletely. The required additional optics are disadvantageous and complex in this device.
  • the image contrast is at a maximum. From DE 1 95 00 81 7 it is also known to find edges as objects of greatest contrast in the image as a local maximum or minimum of the cross-correlation function (KKF) of a few pixels of the image content with an ideal edge.
  • KF cross-correlation function
  • the focusing path up to the next measurement is determined as a product of the ratio of the maximum signal to the local signal amplitude, the focus position in relation to the position when focusing on infinity and a constant.
  • FIG. 2 shows the signal representation of a CCD line with defocused image
  • FIG. 3 shows the signal representation of a CCD line with the image focused
  • FIG. 4 shows a flowchart for the first part of the autofocus algorithm described in the example
  • FIG. 5 shows a flowchart for the second part of the autofocus algorithm described in the example.
  • FIG. 1 shows the measurement image of the CCD line of a digital level with complete defocusing.
  • the x-axis 1 continuously shows the pixel number i from 0 to 1,799.
  • the brightness of the respective pixel Yj is plotted in arbitrary units on the y-axis 2.
  • the value 255 means no signal (black), the value 0 means maximum signal (white), which results in a negative representation.
  • the measurement images according to FIGS. 1 to 3 were taken with a digital level in which, due to the design, only a little light can reach the beginning or the end of the CCD line. In principle, it is of course also possible to determine the dark signal from a separate measurement.
  • the brightest point is at pixel 720.
  • the signal Ymin is used in a known manner for exposure control.
  • ß be kept within certain limits. For example, it must not become zero because the CCD line is then overexposed.
  • the first value essential for focusing that is obtained from the measurement image is the maximum signal S]:
  • FIG. 2 shows a signal representation of a CCD line with a defocused image. A certain picture content is already recognizable here.
  • MPX center pixel
  • the local signal amplitude S2 is calculated from the monotonically falling or rising signal up to the next local maximum Ylmax and minimum Y
  • Imax the local maximum
  • Imin the local minimum
  • the first relationship (formula) to focus is as follows:
  • Focusing path (Si / S2) »focus position • constant (7)
  • S, / S2 is limited to a maximum value, e.g. 4 Fig. 4).
  • rule (7) does not include the signal amplitude but the ratio 5, 7 52 has the advantage that rule (7) is independent of the amplitude. It can therefore be used before an optimal exposure control has been made. The calculations and changes in the focus position of the links for the autofocus can thus already take place during the exposure control.
  • FIG. 3 shows the same object as in FIGS. 1 and 2, but in a focused state.
  • the measurement curve 20 contains dark areas 21 and bright areas 22, which are separated by edges 23. The edges only extend over a few pixels of the image. The pixels 24, 25, 26 and 27 of the edge 23 are shown in FIG. 3.
  • Pixels 24 to 27 have the signals in this order:
  • the third function that is essential for the focusing process is the cross-correlation function (KKF), each consisting of four pixels and an ideal dark-light edge with the signals (+1; + l; -l; -l).
  • KF cross-correlation function
  • KKF (i) Yj + Yj + i - Yj + 2 - Yi + 3 (8)
  • KKF (860) 1 09 results.
  • the KKF is formed pixel by pixel.
  • edges in the measurement image which lie in the region of the pixels Yj + i and Yj + 2, respectively.
  • the exact position is then determined by interpolation. It is essential for the focusing process that the KKF is a measure of the image contrast.
  • a reference function can be formed from the KKF maxima, which allows statements to be made about the state of focus. It is expedient and easiest to use the maximum value of the KKF in the entire image field as a reference function. With a little more effort, the mean value from the local maxima of the KKF could also be used as a reference function.
  • the reference function thus formed is referred to below as KKF MAX.
  • the further focusing process consists of maximizing the KKF MA ⁇ / S 2 function. Depending on the size of the KKF MA ⁇ / S 2 function, it is advisable to either set the focusing path to twice the depth of focus as long as KKF MA ⁇ / S 2 ⁇ 0.5 is. If the value 0.5 is exceeded, the focusing path is limited to the depth of field until the next measurement.
  • the sequence of the focusing process is shown as a flow chart in FIG. 5.
  • the focusing path can be measured or also by a suitable control of the focusing motor, e.g. a stepper motor can be set with sufficient accuracy without measurement.
  • a suitable control of the focusing motor e.g. a stepper motor can be set with sufficient accuracy without measurement.
  • FIGS. 4 and 5 The rules regarding focusing are summarized in FIGS. 4 and 5.
  • Fig. 4 shows that rule (7) is applied until either the focus position is ⁇ 0.1 or Si / S2 falls below a value of 1.4.
  • Fig. 5 shows that if one of the above conditions is met, KKF MA ⁇ / S2 is formed.
  • the step size is limited to the depth of field as soon as KKF MA ⁇ / S2> 0.5. Subsequently - "t retraction up to the maximum KKF, M, AX / S2 * - '
  • the invention is not limited to the example above.
  • the for decision The selected constants can assume other values that are optimally adapted to the respective optical system.
  • the step sizes indicated in FIG. 5 for the focusing can also assume other values, such as the whole and half the depth of focus.
  • the KKF another strongly contrast-dependent function can be used. It is also possible instead of CCF MA ⁇ / S2 as decision J skriterium the function CCF. M, X A ⁇ V to use, 'only must then be eschreibt g 3 that the exposure does not change anymore during the focusing operation.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Autofokussierung, insbesondere für Fernrohre von Vermessungsgeräten, die mit Bildsensoren, die das Bildsignal in einzelne Bildelemente (Pixel) auflösen, wie CCD- Zeilen und/oder -Matrizen sowie CMOS- Bildsensoren, ausgerüstet sind. Ausgehend von dem Pixel, das der optischen Achse am nächsten gelegen ist, wird die lokale Signalamplitude aus dem monoton fallenden oder steigenden Signal bis zum nächsten lokalen Maximum und Minimum berechnet. Dabei wird, solange diese lokale Signalamplitude wesentlich kleiner ist, als das maximale Signal ist und sich das Fokussierglied des Fernrohrobjektives in Fokussierstellung für kurze Zielweiten befindet, dieses Fokussierglied in grossen Schritten verschoben. Je nach Grösse der lokalen Signalamplitude im Verhältnis zum Maximalsignal udn der Lage (Position) des Fokussiergliedes im Bereich grösserer Zielweiten wird die Schrittweite verkürzt. Bei einer bestimmten Grösse der lokalen Signalamplitude im Verhältnis zum Maximalsignal werden zusätzlich die Kreuzkorrelationsfunktionen (KKF) jeweils aus einigen Pixeln des Signals und geeigneten Vergleichsstrukturen gebildet und bei einem bestimmten Verhältnis einer aus der KKF gebildeten Bezugsfunktion zur lokalen Signalamplitude eine mit der optischen Tiefenschärfe vergleichbare Schrittweite gewählt und auf das Maximum der KKF fokussiert.

Description

Titel Verfahren zur Autofokussierung für Fernrohre von Vermessungsgeräten
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Autofokussierung, insbesondere für Fernrohre von Vermessungsgeräten, und ist für Bildsensoren, die das Bildsignal in einzelne Bildelemente (Pixel) auflösen, wie CCD- Zeilen und Matrizen sowie CMOS- Bildsensoren, geeignet.
Stand der Technik
Autofokussysteme für Vermessungsgeräte sind bekannt. Die DE- OS 1 96 1 4 235 beschreibt einen Autofokus für ein Nivellier. Eine hinter der Bildebene liegende Zusatzoptik dient dabei zur Erfassung der Scharfeinstellung mittels zweier Abbildungsobjektive, die Objektbilder auf zwei Liniensensoren erzeugen. Weiterhin sind Mittel zur Erfassung der Fokussierlinsenposition erforderlich.
In diesem Zusammenhang ist die DE- OS 1 95 49 048 zu sehen, die mittels eines Strahlenteilers eine zur Bildebene äquivalente Ebene für das Fokuserfassungssystem erzeugt. Diese Lösung hat den Nachteil, daß sie nicht ohne weiteres auf ein Digital- nivellier übertragbar ist.
Aus der DE- PS 34 24 806 sowie der "Zeitschrift für Vermessungswesen und Raumordnung", April 1 995, Seiten 65 bis 78, ist es bekannt, in Digitalnivellieren Strahlenteiler zur Erzeugung einer zweiten Bildebene für die zur Auswertung erfor- derliche CCD- Zeile zu verwenden. Eine zusätzliche Autofokusoptik würde dann eine dritte äquivalente Bildebene erfordern, wenn weiterhin mit dem Fernrohr visuell beobachtet werden soll. Aus der EP 576 004 ist ein Digitalnivellier mit Autofokus bekannt, bei dem auf eine maximale gemessene oder durch lineare Interpolation errechnete Amplitude der Fouriertransformierten des Detektorsignals in einem Grob- und Feinschrittraster fokussiert wird. Auch diese Lösung ist problematisch. Die Fouriertransformation eines Meßbildes kann je nach Zielweite zu unterschiedlichen Ergebnissen führen, wenn, wie bei Digitalnivellieren erforderlich, das Abtasttheorem nicht für alle vorkommenden Lattenstriche über den gesamten Zielweitenbereich eingehalten werden kann.
Die JP-OS 4- 93 71 1 beinhaltet einen Autofokus für eine an ein Tachymeterfernrohr über einen Strahlenteiler angeschlossene CCD- Kamera. Eine Fokussierlinse wird motorisch so eingestellt, daß die Bildgröße des abgebildeten Objekts minimal ist. Auch diese Lösung sichert nicht unbedingt optimale Bildschärfe, da das Minimum relativ breit sein kann und deshalb schwer erfaßbar ist.
Die US 54 81 329 beschreibt eine Autofokuseinrichtung mit einer Zusatzabbildung nach der Bildebene auf vier Sensoren und Korrelation der gegenüberliegenden, entstandenen Bilder. Als Kontrastwert wird die Summe aus der Differenz jeweils be- nachbarter Pixel genommen. Je nach Erfolg stehen weitere Filter für andere Ortsfrequenzen zur Verfügung. Je nachdem, ob ein Objekt ein kontrastreiches oder kontrastarmes Bild erzeugt, wird der Gleichlichtanteil vollständig oder unvollständig entfernt. Nachteilig und aufwendig an dieser Einrichtung ist die erforderliche Zusatzoptik.
Aus der US 57 1 5 483 ist bekannt, zunächst Messungen in großen Schrittweiten über den gesamten Fokussierbereich durchzuführen, wobei das Maximum des Ausgangssignals eines Breitbandfilters als Kriterium genutzt wird. In einem zweiten Schritt wird dann in einem kleineren Bereich um den Wert des Maximums mit kleine- ren Schritten mit einem Hochpaßfilter als Kriterium gesucht. Damit will man vermeiden, daß Nebenmaxima einer für den Autofokus relevanten Funktion zu einer falschen Fokuseinstellung führen. Auch dieser Lösung haften Nachteile an. So muß zunächst über den gesamten Bereich fokussiert werden, um mit einem Breitbandfilter ein Maximum zu finden. Wenn so kein Maximum gefunden werden kann, muß im zweiten Schritt ein Tiefpaßfilter anstelle eines Hochpaßfilters verwendet werden. Die ganze Verfahrensweise ist umständlich und aufwendig. Es ist allgemein bekannt, daß bei optimaler Fokussierung der Bildkontrast maximal ist. Aus der DE 1 95 00 81 7 ist weiterhin bekannt, Kanten als Objekte größten Kontrastes im Bild als lokales Maximum oder Minimum der Kreuzkorrelationsfunktion (KKF) einiger Pixel des Bildinhaltes mit einer Idealkante zu finden.
Beschreibung der Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik weitestgehend zu beseitigen, ein Autofokussteuersignal zu gewinnen, und den Punkt (Zustand) optimaler Fokussierung des Fernrohres zu bestimmen, ohne zusätzliche optische Mittel einzusetzen und ohne notwendigerweise den Fokussierbe- reich vollständig überfahren zu müssen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den im ersten Patentanspruch angegebenen Mitteln gelöst. In den Unteransprüchen sind Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung dargelegt.
So ist es für Bilder von zweidimensionalen Bildempfängern vorteilhaft, die Berechnungen in Richtung der Zeilen, der Spalten oder gleichzeitig in beiden Richtungen durchzuführen.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Fokussierweg bis zur nächsten Messung als Produkt aus dem Verhältnis des maximalen Signals zur lokalen Signalamplitude, der Fokusstellung in Bezug auf die Stellung bei Fokussierung auf unendlich und einer Konstante ermittelt wird.
Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn als Vergleichsstruktur für die KKF eine ideale Kante vorgesehen ist. Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Bezugsfunktion das Maximum der KKF ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 die Signaldarstellung einer CCD- Zeile bei völlig defokussiertem Bild,
Fig. 2 die Signaldarstellung einer CCD- Zeile bei defokussiertem Bild, jedoch mit schon erkennbarem Bildinhalt, Fig. 3 die Signaldarstellung einer CCD- Zeile bei fokussiertem Bild, Fig. 4 ein Flußdiagramm für den ersten Teil des im Beispiel beschriebenen Autofokusalgorithmus und Fig. 5 ein Flußdiagramm für den zweiten Teil des im Beispiel beschriebenen Autofokusalgorithmus.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen Die Fig. 1 zeigt das Meßbild der CCD- Zeile eines Digitalnivelliers bei völliger Defo- kussierung. Die x- Achse 1 zeigt fortlaufend die Pixelnummer i von 0 bis 1 799. Auf der y- Achse 2 ist die Helligkeit des jeweiligen Pixels Yj in willkürlichen Einheiten aufgetragen. Der Wert 255 bedeutet kein Signal (schwarz), der Wert 0 bedeutet maximales Signal (weiß), womit sich eine Negativdarstellung ergibt. Die eigentliche Meßkurve 3 zeigt somit die Helligkeit als Funktion der Pixelnummer Yj = f (i).
Aufgrund der Defokussierung sind im Fig. 1 nur zwei wesentliche Merkmale zu erkennen. Die Funktionswerte am Zeilenanfang 4 und am Zeilenende 6 werden hier näherungsweise als Dunkelsignal YD gewertet (V/ bzw. Y] 799 ~ YD ).
Die Meßbilder gemäß den Fig. 1 bis 3 wurden mit einem Digitalnivellier aufgenommen, bei dem konstruktionsbedingt nur wenig Licht an den Anfang oder das Ende der CCD- Zeile gelangen kann. Prinzipiell ist es natürlich auch möglich, das Dunkelsignal aus einer separaten Messung zu bestimmen. Das zweite wesentliche Merkmal ist die hellste Stelle 5 im Fig. 1 , Y720 = Ymin
Die hellste Stelle ergibt sich in diesem Beispiel etwa am Pixel 720. Das Signal Ymin wird in bekannter Weise zur Belichtungssteuerung verwendet. Ymin mL|ß innerhalb gewisser Grenzen gehalten werde. So darf es zum Beispiel nicht Null werden, da dann die CCD- Zeile überbelichtet wird.
Der erste für die Fokussierung wesentliche Wert, der aus dem Meßbild gewonnen wird, ist das maximale Signal S] :
S] = YD - Ymin 0 ) Aus Fig J. 1 kann man daraus ableiten, ' daß YD '-' = 21 0 und Y min = 1 00 sind. Somit ergibt sich S] zu 1 10.
Anhand der Fig. 2 wird nun die Gewinnung des zweiten Wertes aus dem dargestell- ten Meßbild erläutert. In dieser Fig. 2 wird eine Signaldarstellung einer CCD- Zeile bei defokussiertem Bild gezeigt. Ein gewisser Bildinhalt ist hier bereits erkennbar. Das Pixel 1 0 auf der Kurve, das der optischen Achse am nächsten kommt, sei das Pixel i = 900. Es wird im folgenden als Mittelpixel (MPX) bezeichnet. Es wird, ausgehend vom MPX, die lokale Signalamplitude S2 aus dem monoton fallenden oder stei- genden Signal bis zum nächsten lokalen Maximum Ylmax und Minimum Y|min berechnet. Dazu wird i ausgehend von i = MPX solange verringert, bis sich entweder ein lokales Maximum oder ein lokales Minimum ergibt, so daß folgende Vorschriften oder Regeln vorgesehen werden:
i von i = MPX in Schritten -1 fallend, maximal N Schritte, (2) solange Yj < Yj+i , das letzte i ergibt Y|min oder
i von i = MPX in Schritten -1 fallend, maximal N Schritte (3) solange Yj > Yj+i , das letzte i ergibt Y|max
Anschließend wird i von MPX aus vergrößert, so daß:
i von i = MPX in Schritten +1 ansteigend, maximal N Schritte (4) solange Yj+i > Yj ; das letzte i ergibt Ylmax
oder
i von i = MPX in Schritten +1 ansteigend, maximal N Schritte (5) solange Yj+i ≤ Yjj das letzte i ergibt Ylmin,
wobei für die Regeln (4) oder (5) nur das jeweilig umgekehrte Kleiner- oder Größerzeichen ausgewertet wird, wie in der Regel (2) oder (3) realisiert.
Die Zahl N, über die die Regeln (2) bis (5) maximal laufen dürfen, ergibt sich aus der halben Strukturbreite des bei der kürzesten Zielweite zu fokussierenden Gegenstan- des. In diesem Beispiel sei N = 1 80. Dieser Wert ergibt sich aus den Strukturbreiten der abgebildeten Digitalnivelliermeßlatte.
Falls sich jedoch nach den Regeln (2) bis (5) in beiden Richtungen ein Maximum bzw. ein Minimum ergibt, wird Y PX = Ylmin bzw. YMpχ = Y|max-
In weiterer Verfeinerung der Regeln (2) bis (5) kann zur Rauschunterdrückung eine lokal von der monotonen Folge abweichend, andere Amplitude von ca. ± 3 Amplitudenschritten zugelassen werden.
Die lokale Signalamplitude ergibt sich somit zu:
S2 = Ylmax - Ylmin (6)
In Fig. 2 sei ein Pixel 1 2 dasjenige mit dem lokalen Maximum (Imax) bei i = 800 und ein Pixel 1 1 dasjenige mit dem lokalen Minimum (Imin) bei i = 950. Es gilt:
Ylmax = Y800 = 1 40
Ylmin = Y950 = 80
Somit ergibt sich S2 = Y800 - Y950 = 60.
Die erste Beziehung (Formel) zur Fokussierung lautet wie folgt:
Fokussierweg = (Si / S2)» Fokusstellung • Konstante (7)
Dabei gelten folgende Regeln bzw. Festlegungen:
S, / S2 wird auf einen Maximalwert begrenzt, z.B. 4 Fig. 4).
Fokusstellung normiert auf den Fokussierweg = 1 ; Unendlich hat den niedrigsten
Wert (= 0).
In der Fig. 1 ist Si = 1 1 0, S2 = 20. Somit wird 5, 7 52 = 5.5. Wird als Konstante z.B. 0.05 gewählt, kann mit diesen Werten bei einer Fokusstellung nahe 1 (kürzeste Zielweite) ein Fokussierweg von 0.28 mit dem nächsten Schritt überfahren werden.
In Fig. 2 ist Si = 1 50, S2 = 60 und 5, 7 52 = 2.5. Mit der Konstante 0.05 ergibt sich bei einer Fokusstellung nahe 1 (kürzeste Zielweite) ein Fokussierweg von 0.1 2, der mit dem nächsten Schritt überfahren werden kann. Bei einer Fokusstellung nahe 0 (Unendlich) ergibt sich trotz extremer Defokussie- rung nur ein kleiner möglicher Betrag für den Fokussierweg. Hierbei hat es sich nämlich gezeigt, daß mit Hilfe des Kriteriums S / S2 zielweitenabhängig entschie- den werden kann, ob bis zur nächsten Messung ein großer oder ein kleiner Fokussierweg zurückgelegt werden kann, ohne den Fokus dabei zu überfahren. Das Flußdiagramm dazu ist in Fig. 4 dargestellt.
Die Tatsache, daß in die Regel (7) nicht die Signalamplitude, sondern das Verhältnis 5, 7 52 eingeht, hat den Vorteil, daß die Regel (7) amplitudenunabhängig ist. Daher kann sie schon angewendet werden, bevor eine optimale Belichtungsregelung erfolgt ist. Somit können die Berechnungen und Fokussierstellungsänderungen der Glieder für den Autofokus schon während der Belichtungsregelung erfolgen.
Das für die nachfolgende Feinfokussierung erforderliche Verfahren und ein weiterer, dabei benutzter Rechenwert werden anhand der Fig. 3 erläutert, welche wiederum dasselbe Objekt wie in Fig. 1 und 2, aber in fokussiertem Zustand, zeigt. Die Meßkurve 20 enthält dunkle Bereiche 21 und helle Bereiche 22, die durch Kanten 23 getrennt sind. Die Kanten erstrecken sich nur über wenige Pixel des Bildes. Die Pixel 24, 25, 26 und 27 der Kante 23 sind in Fig. 3 eingezeichnet.
Die Pixel 24 bis 27 haben in dieser Reihenfolge die Signale:
24: Y860 = 189; 25: Y861 = 170; 26: Y862 = 135 und 27: Y863 = 115.
Die dritte, für den Fokussiervorgang wesentliche Funktion sei die Kreuzkorrelationsfunktion (KKF) aus jeweils vier Pixeln und einer idealen Dunkel-Hell-Kante mit den Signalen (+1 ;+l ;-l ;-l ).
Sie wird nach folgender Gleichung gebildet:
KKF(i) = Yj + Yj+i - Yj+2 - Yi+3 (8)
im Beispiel der Kante 23 ergibt sich für KKF(860) = 1 09. In der aus der DE 1 95 00 81 7 bekannten Weise wird die KKF pixelweise gebildet. An Stellen eines lokalen Maximums dieser Funktion ergeben sich Kanten im Meßbild, die jeweils im Bereich der Pixel Yj+i und Yj+2 liegen. Die genaue Lage wird anschließend durch Interpolation ermittelt. Für den Vorgang der Fokussierung ist wesentlich, daß die KKF ein Maß für den Bildkontrast ist. Aus den KKF- Maxima kann eine Bezugsfunktion gebildet werden, die es gestattet, Aussagen über den Fokussierzustand zu machen. Es ist zweckmäßig und am einfachsten, als Bezugsfunktion den Maximalwert der KKF im ganzen Bildfeld zu verwenden. Mit etwas größerem Aufwand könnte ebenfalls als Bezugsfunktion der Mittelwert aus den lokalen Maxima der KKF verwendet werden. Im folgenden wird die so gebildete Bezugsfunktion als KKF MAX bezeichnet.
Der weitere Fokussiervorgang besteht darin, die Funktion KKFMAχ / S2 zu maximie- ren. Es ist zweckmäßig, abhängig von der Größe der Funktion KKFMAχ / S2 den Fokussierweg entweder auf die doppelte Tiefenschärfe einzustellen, solange KKFMAχ / S2 < 0.5 ist. Bei Überschreiten des Wertes 0.5 wird dann der Fokussierweg bis zur nächsten Messung auf die Tiefenschärfe begrenzt. Der Ablauf des Fokussiervorganges ist als Flußdiagramm in Fig. 5 dargestellt.
Der Fokussierweg kann dabei gemessen werden oder auch durch eine geeignete Steuerung des Fokussiermotors, z.B. eines Schrittmotors, ohne Messung mit hinreichender Genauigkeit eingestellt werden.
Um das Maximum von KKF1 MIAX / S, 2 zu finden, sind dann, wenn es einmal überfahren wurde, im allgemeinen drei Messungen in der Nähe des Maximums ausreichend. Im einfachsten Fall ist das Maximum der g "Jrößte Wert von KKF, M,A,„X / S„ 2 dieser drei Mes- sungen. Mit etwas erhöhtem Aufwand kann ein die Lage des Maximums auch mit höherer Auflösung zum Beispiel durch parabolische Interpolation aus den drei Meßwerten berechnet werden. Derartige Verfahren sind bekannt und daher nicht näher beschrieben.
Die bezüglich der Fokussierung lautenden Regeln sind zusammenfassend in Fig. 4 und 5 dargestellt. Fig. 4 zeigt, daß die Regel (7) angewendet wird, bis entweder die Fokusstellung < 0.1 ist, oder Si / S2 einen Wert von 1 .4 unterschreitet.
Fig. 5 zeigt, daß, wenn eine der obigen Bedingungen erfüllt ist, KKFMAχ / S2 gebildet wird. Die Schrittweite wird auf die Tiefenschärfe begrenzt, sobald KKFMAχ / S2 > 0.5. Anschließend erfolg -"t das Einfahren bis zum Maximum KKF, M,AX / S2 *- '
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehende Beispiel begrenzt. Die für Entscheidun- gen gewählten Konstanten können andere Werte annehmen, die optimal an das jeweilige optische System angepaßt sind. Die in der Fig. 5 angegebenen Schrittweiten für die Fokussierung können auch andere Werte annehmen, so die ganze und halbe Tiefenschärfe. Anstelle der KKF kann auch eine andere stark kontrastabhängige Funktion verwendet werden. Es ist auch möglich anstelle von KKFMAχ / S2 als Entscheidung Jskriterium die Funktion KKF. M,AΛVX zu verwenden,' nur muß dann g 3esichert sein, daß sich die Belichtung während des Fokussiervorgangs nicht mehr ändert.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Autofokussierung, insbesondere für Fernrohre von Vermessungsgeräten, mit Bildsensoren, die das Bildsignal in einzelne Bildelemente (Pixel) auflösen, wie CCD- Zeilen und/oder -Matrizen sowie CMOS- Bildsensoren, dadurch gekennzeichnet, — daß ausgehend von dem Pixel, das der optischen Achse am nächsten gelegen ist, die lokale Signalamplitude aus dem monoton fallenden oder steigenden Signal bis zum nächsten lokalen Maximum und Minimum berechnet wird,
— daß solange diese lokale Signalamplitude wesentlich kleiner ist, als das maximale Signal und sich das Fokussierglied des Fernrohrobjektives in Fokussier- Stellung für kurze Zielweiten befindet, dieses Fokussierglied in großen Schritten verschoben wird,
— daß je nach Größe der lokalen Signalamplitude im Verhältnis zum Maximalsignal und der Lage (Position) des Fokussiergliedes im Bereich größerer Zielweiten die Schrittweite verkürzt wird, — daß bei einer bestimmten Größe der lokalen Signalamplitude im Verhältnis zum Maximalsignal zusätzlich die Kreuzkorrelationsfunktionen (KKF) jeweils aus einigen Pixeln des Signals und geeigneten Vergleichsstrukturen gebildet werden
— und daß bei einem bestimmten Verhältnis einer aus der KKF gebildeten Be- zugsfunktion zur lokalen Signalamplitude eine mit der optischen Tiefenschärfe vergleichbare Schrittweite gewählt und auf das Maximum der KKF fokussiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß für Bilder von zwei- dimensionalen Bildempfängern die Berechnungen in Richtung der Zeilen, der
Spalten oder gleichzeitig in beiden Richtungen durchgeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Fokussierweg bis zur nächsten Messung als Produkt aus dem Verhältnis des maximalen Si- gnals zur lokalen Signalamplitude, der Fokusstellung in Bezug auf die Stellung bei Fokussierung auf unendlich und einer Konstante ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß als Vergleichsstruktur für die KKF eine ideale Kante vorgesehen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß als Bezugsfunkti- on das Maximum der KKF verwendet wird.
EP01960486A 2000-07-10 2001-07-10 Verfahren zur autofokussierung für fernrohre von vermessungsgeräten Withdrawn EP1299760A1 (de)

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DE10033483A DE10033483C1 (de) 2000-07-10 2000-07-10 Verfahren zur Autofokussierung für Fernrohre von Vermessungsgeräten
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