一种变焦镜头快速自动标定方法与流程

1.本发明属于图像处理技术领域，涉及一种变焦镜头快速自动标定方法。


背景技术：

2.随着变焦镜头等光学成像产品越来越多的应用到生产、生活中，成像是否清晰成为了人们关注的焦点。变焦镜头种类繁多，应用场景广泛，比如按对焦范围划分可以分为长焦镜头、短焦镜头、中波镜头等。变焦镜头在变焦过程中是否可以始终保持清晰成像直接影响用户体验及性能测试，因此如何保证变焦过程中清晰成像成了关键问题。常用的方法是对变焦镜头进行人工标定，但会引入人工误差。同时，由于温度的影响，不同温度下标定数据也不一样，这就加大了人工标定的工作量。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是提供一种变焦镜头快速自动标定方法，该方法具有标定全过程自动化、速度快、人为影响少的优点。
4.为了解决上述技术问题，本发明的变焦镜头快速自动标定方法如下：
5.在变焦镜头的焦距范围内选取至少5个焦距点作为待标定的离散焦距点，针对任一离散焦距点，首先控制变倍电机运行到该离散焦距点对应的位置；然后控制调焦电机归零，采用粗调方法获得粗调最优图像对应的调焦电机码值；以粗调最优图像对应的码值为中心，左右各取调焦电机全行程码值的1％-3％作为精调范围；最后采用精调方法获得精调最优图像对应的调焦电机码值，该调焦电机码值对应的位置即为该离散焦距点对应的离散标定点；同理可得到其他离散焦距点对应的离散标定点；对得到的离散标定点进行非线性拟合得到焦距点-标定点拟合曲线，根据焦距点-标定点拟合曲线找出变焦范围内所有焦距点对应的标定点，完成变焦镜头快速自动标定。
6.设变焦镜头的焦距范围内包含n个焦距点，从中选取n个焦距点作为待标定的离散焦距点，n＝(8％～10％)
×
n。
7.取调焦电机全行程码值的1％-3％作为精调范围后，对精调范围进行边界检测；如果检测到的上限值超过调焦电机最大码值，则用最大码值作为右边界值；如果检测到的下限值出现负值则用零作为左边界值。
8.每个离散焦距点开始标定时开始计时，如果超过设定时间没有获取到标定结果则认为当前标定操作失败，重新开始标定；针对任一离散焦距点，如果标定三次都失败，则选取初始时未选定为离散焦距点，且离该离散焦距点最近的其他焦距点代替该离散焦距点进行标定。
9.采用三次样条插值算法对离散标定点进行非线性拟合得到焦距点-标定点拟合曲线。
10.所述的粗调方法如下：设置调焦电机速度为理论最大速度的87％～93％作为粗调速度；以该粗调速度控制调焦电机运行到最大码值并实时采集图像，对每帧粗调图像进行
处理并计算清晰度评价值，得到粗调最优图像对应的调焦电机码值。
11.所述的精调方法如下：控制调焦电机运行到精调范围的左边界位置，并设置调焦电机速度为理论最大速度的8％～12％作为精调速度，以该精调速度控制调焦电机运行到精调范围的右边界位置；对每帧精调图像进行处理并计算清晰度评价值；将清晰度评价值作为纵坐标，调焦电机码值作为横坐标，对离散点进行非线性拟合，计算出精调最优图像对应的调焦电机码值。
12.所述的粗调方法和精调方法中，调焦电机码值通过实时读取反馈的码值获得。
13.优选的，设置调焦电机速度为理论最大速度的90％作为粗调速度，设置调焦电机速度为理论最大速度的10％作为精调速度。
14.所述的粗调方法和精调方法中，调焦电机码值还可以通过调焦电机速度与时间乘积方法计算得到。
15.有益效果
16.本发明通过对常温下离散焦距点的自动标定，拟合得到全焦距范围各焦距点的标定数据，具有标定全过程自动化、速度快、人为影响少的优点。
附图说明
17.图1为本发明的流程图。
具体实施方式
18.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
19.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义的理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况具体理解上述术语在本发明中的具体含义。
20.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或者仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”、“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
21.在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
22.变焦镜头一般包括物镜组、变倍组、补偿组和后组；控制系统通过控制变倍电机运转调节变倍组的位置实现变焦距调整，通过控制调焦电机运转调节补偿组的位置实现对
焦。
23.实施例1
24.如图1所示，本发明的变焦镜头快速自动标定方法如下：
25.设置控制系统采集图像的采样帧频为f，串口通讯波特率为r，控制系统实时获取变倍电机与调焦电机码值的时间间隔为t。本发明中可以设置成像设备图像采样频率fps为45～50。具体的，本实施例设置f＝50，r＝115200，t＝20毫秒。
26.变倍电机码值与变焦镜头焦距点的对应关系已知；假设变焦镜头的焦距范围是a～b，其中包含了n个焦距点；从中选取n个焦距点作为待标定的离散焦距点，本发明选取n＝(8％～10％)
×
n且n≥5。在常温进行标定。
27.控制系统控制变倍电机运行到第一个离散焦距点对应的位置，然后控制调焦电机从零位以最快速度运行到最大位置，并实时采集图像，进行粗调，得到粗调最优图像对应的调焦电机码值；粗调方法如下：
28.首先调焦电机先归零，当控制系统检测到调焦电机到达零位时，设置调焦电机速度为理论最大速度的87％作为粗调速度；以该粗调速度控制调焦电机运行到最大码值并实时读取反馈的调焦电机码值，先对每帧粗调图像进行滤波处理再转换为灰度图，最后计算平均梯度得到每帧粗调图像清晰度评价值；由于图像采样频率比较高，所以控制系统优选采用多线程的方式计算每帧粗调图像清晰度评价值，得到粗调最优图像对应的调焦电机码值。粗调过程中由于是全行程运动，所以采用较快的速度，配合高图像采样频率，可以保证采样图像的数量，同时节省粗调的时间。采用全行程寻找粗调最优值图像的方式可以实现对焦自动化，不需要人为先找到粗调最优值图像大概位置，提高了自动化程度，减少人为误差。
29.根据理论景深占据的码值，以粗调最优图像对应的调焦电机码值为中心，左右各取调焦电机全行程码值的1％-3％作为精调范围，并对精调范围进行边界检测；如果检测到的上限值超过调焦电机最大码值，则用最大码值作为右边界值；如果检测到的下限值出现负值则用零作为左边界值。
30.确定精调范围边界后开始精调，得到精调最优图像对应的调焦电机码值；精调方法如下：
31.控制系统控制调焦电机运行到精调范围的左边界位置，并设置调焦电机速度为理论最大速度的8％作为精调速度，以该精调速度控制调焦电机运行到精调范围的右边界位置，开始进行精调，调焦电机运行过程中实时读取反馈的调焦电机码值。对每帧精调图像进行滤波处理再转换为灰度图，最后计算平均梯度得到每帧精调图像清晰度评价值；将清晰度评价值作为纵坐标，实时反馈的调焦电机码值作为横坐标，对离散点进行非线性拟合，计算出精调最优图像对应的调焦电机码值作为对焦位置。本发明采用高斯拟合方法进行非线性拟合。对光学成像系统而言，理论会存在一个最佳成像位置，如果直接用最高清晰度评价值对应的调焦电机码值作为对焦位置，由于采样过程中不能保证每次都会采集到该位置的图像，所以会有误差。采用非线性拟合的方法，可以近似拟合出图像清晰度评价值与调焦电机码值的关系，进而计算出精调最优图像对应的调焦电机码值，减少了误差；精调最优图像对应的调焦电机码值对应的位置即为第一个离散标定点。
32.控制系统控制变倍电机运行到第二个待标定的离散焦距点对应的位置，依照与第
一个离散标定点相同的方法得到第二个离散标定点；以此类推，得到n个离散标定点。
33.在进行离散标定点的标定过程中，如果自动标定流程异常则代表当前离散标定点标定失败，则重新进行标定。导致标定失败的原因主要是电机码值获取异常，导致自动标定流程异常。为了解决这个问题，本发明采用添加计时线程的方法，每个离散焦距点开始标定时开始计时，如果超过设定时间没有获取到标定结果则认为当前标定操作失败，重新开始标定。每个离散焦距点最多标定三次，如果三次都失败，则选取初始时未选定为离散焦距点，且离该标定失败的离散焦距点最近的其他焦距点代替该离散焦距点进行标定。
34.当所有离散焦距点都标定完成后，利用记录的离散标定点进行非线性拟合，本发明采用三次样条插值算法进行拟合(或者采用指数拟合、高斯拟合、最小二乘法拟合等)得到焦距点-标定点拟合曲线，根据焦距点-标定点拟合曲线找出变焦范围内所有焦距点对应的标定点。
35.实施例2
36.本实施例与实施例1不同之处在于设置调焦电机速度为理论最大速度的93％作为粗调速度，设置调焦电机速度为理论最大速度的12％作为精调速度。
37.实施例3
38.本实施例与实施例1不同之处在于设置调焦电机速度为理论最大速度的90％作为粗调速度，设置调焦电机速度为理论最大速度的10％作为精调速度。
39.实施例4
40.本实施例与实施例1不同之处在于粗调、精调过程中采用调焦电机速度与时间乘积计算调焦电机码值，得到粗调最优图像对应的调焦电机码值及精调最优图像对应的调焦电机码值；设置调焦电机速度为理论最大速度100％作为粗调速度；设置调焦电机速度为理论最大速度的50％作为精调速度。
41.实施例5
42.本实施例与实施例1不同之处在于粗调过程中采用3000码值步进，精调过程中采用200码值步进方式控制调焦电机运行；设置调焦电机速度为理论最大速度100％作为粗调速度；设置调焦电机速度为理论最大速度的10％作为精调速度。
43.实施例6
44.本实施例与实施例1不同之处在于粗调过程中采用3000码值步进，精调过程中采用200码值步进方式控制调焦电机运行；设置调焦电机速度为理论最大速度100％作为粗调速度；设置调焦电机速度为理论最大速度的100％作为精调速度。
45.实施例7
46.本实施例与实施例1不同之处在于设置调焦电机速度为理论最大速度的100％作为粗调速度，设置调焦电机速度为理论最大速度的10％作为精调速度。
47.实施例8
48.本实施例与实施例1不同之处在于设置调焦电机速度为理论最大速度的80％作为粗调速度，设置调焦电机速度为理论最大速度的10％作为精调速度。
49.实施例9
50.本实施例与实施例1不同之处在于设置调焦电机速度为理论最大速度的90％作为粗调速度，设置调焦电机速度为理论最大速度的20％作为精调速度。
51.通过实验验证，本发明自动标定的数据有效，整个成像过程中图像没有出现不清晰的情况。
52.同一焦距不同自动对焦方法实验数据见表1；由于实验是针对自然场景，图像易受到干扰，所以排除了爬坡算法。粗调、精调调焦电机码值最大行程都是95000。
53.表1
[0054][0055]
表1中，实施例4采用调焦电机速度与时间乘积的方法计算调焦电机码值，通过多次调整粗调速度和精调速度，精调最优图像清晰度评价值最高仅能达到102.383；通过分析发现，采用该方法是因为把调焦电机速度按线性速度计算，导致回算的精调最优图像对应的码值偏差较大，每次回算的精调最优图像对应的码值比精调最优图像对应的实际码值小了大约0.3倍，受调焦电机影响比较大，不能保证方法的通用性。实施例5、6采用的是步进方
式，经过多次调整粗调、精调步长以及粗调、精调速度，发现步长小的情况下，虽然能够得到清晰的图像，但即使在粗调、精调速度都设置为理论最大速度，用时也比较长；而当步长较大时，虽然用时较短，但无论怎样调整粗调、精调速度，均不能获得理想的高清晰度图像；实施例7～9和实施例1-3都是利用实时反馈的调焦电机码值得到粗调最优图像对应的码值及精调最优图像对应的码值，通过比较不同粗调速度、精调速度及图像清晰度评价值，最后发现粗调采用理论最大速度的90％，精调采用理论最大速度的10％，得到的图像清晰度评价值最优，且用时较短；时间瓶颈在粗调电机，粗调电机100％速度跑全行程(对应95000个码值)，需要用时2.8s左右，精调大概用时0.5s左右。实施例1-3对应的精调范围为左右各取调焦电机全行程码值的2％；实验中还尝试过修改精调范围，范围太小不能保证找到精调最优图像，范围太大又会导致对焦时间加长；实验证明，左右各取调焦电机全行程码值的1％-3％作为精调范围，理论上能够保证找到精调最优图像；所以为了保证得到理想的精调最优图像，本发明选取实施例3作为最优实施例，即采用调焦电机码值实时反馈方式，粗调采用理论最大速度的90％，精调采用理论最大速度的10％的方式，最后得到对焦位置。