一种红外热像仪自动对焦方法和系统与流程

本发明涉及红外成像技术领域，具体涉及一种红外热像仪自动对焦方法和系统。

背景技术：

对焦清晰是红外热像仪的红外图像观察和温度测量的前提。红外电动镜头包含一组聚焦镜片，通过驱动外置电机转动，改变镜片组的位置可调节对焦景深。通过自动对焦的方法和装置来替代人工手动对焦，可极大缩短对焦耗时和提高对焦精度，提高红外热像仪使用体验。自动对焦大体分为主动式和被动式两种，主动式自动对焦利用成像设备上的超声波发生器发出超声波或红外线发生器发出红外光到被摄物体上，成像设备的接收器接收反射信号并进行对焦。此方法在物体无反射时应用受限且需要额外器件，系统成本较高。被动式自动对焦直接分析来自景物自身的成像来判断成像是否清晰，从而驱动电机转动，寻找最佳对焦点。该方法属于纯软件算法，应用成本低，因此可广泛应用于各种成像系统。

由于红外热成像系统的中心波长约15倍于可见光系统，因此红外镜头不同于一般的可见光镜头，体积较大，电机系统反应迟钝。此外，红外图像信噪比低于可见光图像，因此现有的可见光图像的自动聚焦算法不能直接应用于红外热像仪。另外，现有的红外自动调焦技术存在速度慢、对焦精度低等问题。

技术实现要素：

有鉴于此，有必要提供一种能提高自动调焦速度和对焦精度的红外热像仪自动对焦方法和系统。

一种红外热像仪自动对焦方法，包括如下步骤：

步骤1：确定待对焦区域；

步骤2：电机全速转动，采集待对焦区域的图像并获取每帧图像的像素值；采用第一对焦评价函数并根据每帧图像的像素值计算第一转动方向值；根据第一转动方向值确定电机的转动方向是否正确，如果正确，方向不变全速转动；如果否，方向反转并全速转动；

步骤3：在电机全速转动过程中，继续采集图像并采用第一对焦评价函数计算第二转动方向值；根据第二转动方向值判断电机是否到达最佳对焦位置附近；如果第二转动方向值不断增加，未到达最佳对焦位置附近，电机继续转动；如果第二转动方向值出现降低，则到达最佳对焦位置附近，电机立即停止转动；

步骤4：将电机转速降为全速的一半并反转，继续采集图像并获取每帧图像的像素值，采用第二对焦评价函数并根据半速反转过程中获取的像素值计算第三转动方向值；根据第三转动方向值判断对焦是否完成，如果第三转动方向值连续增加，保持电机转动方向不变，继续转动；如果第三转动方向值出现降低，立即停止电机转动，自动对焦完成。

以及，一种红外热像仪自动对焦系统，包括：

对焦区域确定单元，用于确定待对焦区域；

图像获取单元，用于采集待对焦区域的图像并获取每帧图像的像素值；

电机控制单元，用于控制电机转动的方向和速度；

全速方向确定单元，采用第一对焦评价函数，根据图像获取单元在电机全速转动过程中获取的像素值，计算第一转动方向值；根据第一转动方向值确定电机的转动方向是否正确；所述电机控制单元根据全速方向确定单元确定的结果控制电机全速转动；

对焦位置附近判断单元，采用第一对焦评价函数，根据图像获取单元在电机在全速方向确定单元确定的转动方向转动过程中获取的像素值，计算第二转动方向值；根据第二转动方向值判断电机是否到达最佳对焦位置附近；如果第二转动方向值出现降低，到达最佳对焦位置附近，电机控制单元控制电机立即停止转动，接着控制电机转速降为全速的一半并反转；

对焦完成判断单元，采用第二对焦评价函数，根据图像获取单元在电机在半速反转过程中获取的像素值，计算第三转动方向值；根据第三转动方向值判断对焦是否完成，如果第三转动方向值连续增加，对焦未完成，电机控制单元控制电机转动方向不变，继续转动；如果第三转动方向值出现降低，电机控制单元控制电机立即停止转动，自动对焦完成。

本发明的一种红外自动对焦方法和系统通过采用两个差异化的对焦评价函数，当电机高速转动时，采用低精度对焦评价函数，快速定位至附近；当电机低速转动时，采用高精度对焦评价函数，精确定位到最佳对焦位置，克服了红外对焦电机速度慢、响应慢的缺陷，提高了红外热像仪自动对焦速度和对焦精度。

附图说明

图1为本发明一种红外自动对焦方法的流程图；

图2为本发明一种红外自动对焦系统的框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的一种红外热像仪自动对焦方法的流程，如图1所示，具体过程如下：

步骤1：确定待对焦区域。

具体的，在同一红外场景中，不同区域的景深不同，采用图像清晰度评价函数前首先应该确定待对焦区域。在本发明中，待对焦区域可通过通信命令、电脑鼠标或触摸显示屏指定。

步骤2：确定电机全速转动方向。

具体的，电机全速转动，转动的方向可任意选择，优选远焦方向为电机全速转动方向。在电机全速转动过程中，采集待对焦区域的图像并获取每帧图像的像素值。采用第一对焦评价函数并根据每帧图像的像素值计算第一转动方向值。根据第一转动方向值确定电机的转动方向是否正确。如果正确，方向不变全速转动。如果否，方向反转并全速转动。

其中，第一对焦评价函数G_A采用sobel算子与与待对焦区域图像求平面卷积，得到边缘锐度因子，计算每个像素值的边缘因子平方和的平方根并求和。具体的，sobel算子为2组3×3矩阵，分别为横向算子和纵向算子。横向算子和纵向算子分别与待对焦区域的图像I_M×N做平面卷积，分别得到横向边缘锐度因子G_h与纵向边缘锐度因子G_v，接着计算各个像素锐度因子平方和的平方根并求和，即得到第一转动方向值。具体如下：

如果第一转动方向值不断增加，则电机转动方向正确。如果第一转动方向值不断降低，则电机转动方向错误，将电机反转。如果不能判断增加或降低，则电机保持方向不变，继续转动，直至能确定方向。如果一直无法确定方向，则对焦失败。

步骤3：全速转动至最佳对焦位置附近。

具体的，在电机全速转动过程中，继续采集图像并采用第一对焦评价函数G_A计算第二转动方向值。根据第二转动方向值判断电机是否到达最佳对焦位置附近。如果第二转动方向值不断增加，未到达最佳对焦位置附近，电机继续转动。如果第一转动方向值出现降低，则到达最佳对焦位置附近，电机立即停止转动。

步骤4：低速转动至最佳对焦位置。

具体的，将电机转速降为全速的一半并反转，继续采集图像并获取每帧图像的像素值。采用第二对焦评价函数和半速反转过程中获取的像素值计算第三转动方向值。根据第三转动方向值判断对焦是否完成。如果第三转动方向值连续增加，保持电机转动方向不变，继续转动。如果第三转动方向值出现降低，立即停止电机转动，自动对焦完成。

其中，第二对焦评价函数G_B为待对焦区域内每帧图像中各个像素值的均方差。具体如下：

其中，f(x,y)为图像I_M×N的像素值。

第二对焦评价函数G_B根据半速反转过程中获取的每帧图像计算第三转动方向值。如果第三转动方向值连续增加，保持电机转动方向不变，继续转动。如果第三转动方向值出现降低，立即停止电机转动，自动对焦完成。

在对焦过程中，设置最长对焦时间，并记录整个方法运行时间。判断运行时间是否大于最长对焦时间。如果是，对焦失败停止电机转动。以防止电机堵转降低电机寿命。

本发明的一种红外热像仪自动对焦方法采用两个差异化的对焦评价函数，当电机高速转动时，采用低精度对焦评价函数，快速定位至附近；当电机低速转动时，采用高精度对焦评价函数，精确定位到最佳对焦位置，从而同时提高红外热像仪自动对焦速度和对焦精度。

同时，本发明还提供一种红外热像仪自动对焦系统，系统框图如图2所示，包括：

对焦区域确定单元，用于确定待对焦区域。

具体的，待对焦区域可通过通信命令、电脑鼠标或触摸显示屏指定。

图像获取单元，用于采集待对焦区域的图像并获取每帧图像的像素值。

电机控制单元，用于控制电机转动的方向和速度。

全速方向确定单元，采用第一对焦评价函数，根据图像获取单元在电机全速转动过程中获取的像素值，计算第一转动方向值；根据第一转动方向值确定电机的转动方向是否正确；所述电机控制单元根据全速方向确定单元确定的结果控制电机全速转动。

其中，第一对焦评价函数采用sobel算子与待对焦区域图像求平面卷积，得到边缘锐度因子，计算每个像素值的边缘因子平方和的平方根并求和，具体如式(1)所示。第一对焦评价函数根据图像获取单元在电机全速转动过程中获取的像素值，计算第一转动方向值。如果第一转动方向值不断增加，全速方向确定单元确定电机转动方向正确，所述电机控制单元控制电机继续保持转动。如果第一转动方向值不断降低，全速方向确定单元确定电机转动方向错误，所述电机控制单元控制电机反转。如果不能判断单调递增或递减，全速方向确定单元确定为电机转动方向不变，电机继续转动，直至能确定方向。如果一直无法确定方向，则确定为对焦失败。

对焦位置附近判断单元，采用第一对焦评价函数，根据图像获取单元在电机在全速方向确定单元确定的转动方向转动过程中获取的像素值，计算第二转动方向值；根据第二转动方向值判断电机是否到达最佳对焦位置附近；如果第二转动方向值出现降低，到达最佳对焦位置附近，所述电机控制单元控制电机立即停止转动，接着控制电机转速降为全速的一半并反转；

对焦完成判断单元，采用第二对焦评价函数，根据图像获取单元在电机在半速反转过程中获取的像素值，计算第三转动方向值；根据第三转动方向值判断对焦是否完成，如果第三转动方向值连续增加，电机控制单元控制电机转动方向不变，继续转动；如果第三转动方向值出现降低，电机控制单元控制电机立即停止转动，自动对焦完成。

其中，第二对焦评价函数为待对焦区域内每帧图像中各个像素值的均方差，具体如式(2)所示。第二对焦评价函数G_B根据半速反转转动过程中获取的每帧图像计算第三转动方向值。如果第三转动方向值连续增加，对焦完成判断单元判断对焦未完成，则所述电机控制单元控制电机转动方向不变，继续转动。如果第三转动方向值出现降低，对焦完成判断单元判断对焦完成，所述电机控制单元控制电机立即停止转动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。