一种自动调焦处理系统及处理方法与流程

本发明涉及摄像头模组调焦技术领域，具体涉及一种自动调焦处理系统及处理方法。

背景技术：

自动调焦技术伴随着成像探测器的诞生而不断的发展，从其基本原理来区分，自动调焦技术主要有测距法、聚焦检测法和图像处理法，由于前两种方法都严重依赖于成像结构及探测器，从而限制了其推广应用。随着计算机技术及图像处理技术的不断发展，基于图像处理技术的自动调焦发展迅速，这有赖于图像处理技术的灵活性，可针对不同使用要求进行快速而准确的调焦。

目前，随着嵌入式技术及调焦算法的发展，自动调焦技术无论是在结构上，还是在调焦算法本身上都已经比较完善，因此市场上大多数摄像机都采用了集成调焦功能的嵌入式芯片进行调焦处理。但是，这种集成调焦功能的嵌入式芯片是为了适应常规条件下摄像机的调焦动作，而在一些特殊场合，例如低照度、高照度或者场景特征比较单一的情况下，这些摄像机都无法完成调焦动作。因此，在一些特殊场合下应用的摄像机依然是靠人工进行调焦，由于不同的操作人员对图像清晰度的定义和感觉不同，这就势必会造成图像采集结果的差异性，尤其是在一些科学实验或工业生产等领域，将会使摄像机的重复性和稳定性有很大差别，同时在多摄像头的条件下也会造成调焦效率的下降。

技术实现要素：

为了解决现有采用人工调焦存在的摄像机重复性和稳定性差、调焦效率低的问题，本发明提供一种自动调焦处理系统及处理方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的一种自动调焦处理系统，包括：

FPGA芯片；

与FPGA芯片以及摄像机的视频接口相连的视频解码芯片，对输入的视频信号进行解码并传输给FPGA芯片进行视频图像处理；

与FPGA芯片、调焦电机的调焦电气接口以及位置反馈元件的反馈元件接口相连的调焦控制芯片，所述FPGA芯片通过调焦控制芯片采集位置反馈元件的位置反馈信息以判断当前自动调焦处理系统的执行状态，所述FPGA芯片通过调焦控制芯片驱动调焦电机从而驱动自动调焦处理系统进行自动调焦工作；

远程计算机；

与FPGA芯片以及远程计算机相连的视频编码芯片，对经FPGA芯片处理后的视频信号进行编码并无损输出给远程计算机；

与FPGA芯片以及远程计算机相连的通讯接口芯片，所述FPGA芯片通过通讯接口芯片执行远程计算机的控制命令，同时远程计算机通过通讯接口芯片对FPGA芯片进行升级处理。

进一步的，还包括：与FPGA芯片相连的内存芯片，用于存储摄像机视频数据以及计算结果。

进一步的，还包括：与FPGA芯片相连的程序及数据存储芯片，用于存储调焦处理程序以及自动调焦处理系统的各项参数。

进一步的，所述视频解码芯片的具体型号为：TVP5150；所述调焦控制芯片的具体型号为：A3979；所述视频编码芯片的具体型号为：ADV7123；所述通讯接口芯片的具体型号为：MAX485。

本发明还提供了采用上述的自动调焦处理系统实现的一种自动调焦处理方法，包括以下步骤：

步骤一、所述FPGA芯片通过调焦控制芯片读取位置反馈元件的位置反馈信息，以获取当前自动调焦处理系统的执行状态和位置信息；

步骤二、通过视频解码芯片对输入的摄像机视频信号进行解码并将解码后的数字视频信号传输给FPGA芯片，通过FPGA芯片以及调焦算法计算当前位置图像的平均调焦评价函数F_Davg；

步骤三、通过FPGA芯片以及调焦算法设定自动调焦处理系统的调焦步长，所述调焦步长大于调焦精度，记录并保存当前位置的前两步图像的平均调焦评价函数F′_Davg；

步骤四、通过FPGA芯片判断F_Davg与F′_Davg之间的关系：若F_Davg≥F′_Davg，则执行步骤五；若F_Davg＜F′_Davg，则执行步骤六；

步骤五、通过调焦电机驱动摄像机的镜头沿光轴运行方向继续运行，返回步骤四；

步骤六、通过FPGA芯片判断调焦步长是否大于调焦精度：若是，则将调焦步长减半，然后通过调焦电机驱动自动调焦处理系统沿光轴运行方向的反方向运行，返回步骤四；若否，则自动调焦工作结束；

步骤七、当自动调焦工作结束后，最终输出的视频图像仍不能满足摄像机应用场景需求时，则需要对摄像机的应用场景进行分析并计算出一个满足系统调焦需求的平均调焦评价函数F″_Davg；

步骤八、利用远程计算机通过通讯接口芯片将升级数据传输给FPGA芯片，然后对FPGA芯片本身的调焦处理程序进行升级处理；将上述的平均调焦评价函数F″_Davg替换步骤二中的当前位置图像的平均调焦评价函数F_Davg，并继续执行步骤一。

本发明的有益效果是：

1、本发明的一种自动调焦处理系统，接口丰富，使用灵活方便，体积小且功耗和成本低，便于现有系统的改造升级，满足特殊场合应用需求。

2、本发明的一种自动调焦处理方法，粗调焦时步长增大，细调焦时步长减小，相较于已有调焦函数计算速度快、精度高。

3、本发明的一种自动调焦处理方法与现有的通用型处理方法相比，能够针对图像清晰度评价函数即平均调焦评价函数F_Davg进行优化，以满足特殊场合应用需求。

4、本发明的一种自动调焦处理方法能兼容目前通用的调焦方法，同时针对特殊场合的应用，它还提供了一种极为方便的升级和设置方法，从而有利于自动调焦技术的应用。

附图说明

图1为本发明的一种自动调焦处理系统的结构框图。

图2为本发明的一种自动调焦处理系统的具体结构示意图。

图3为摄像机接口模块的结构框图。

图4为自动调焦处理模块的结构框图。

图5为信号接口输出模块的结构框图。

图6为摄像机与本发明的自动调焦处理系统之间的位置关系示意图。

图中：1、调焦电机，2、位置反馈元件，3、自动调焦处理系统，4、光轴，5、摄像机。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种自动调焦处理系统主要包括：摄像机接口模块、自动调焦处理模块、信号接口输出模块。摄像机接口模块与摄像机5、摄像机5中的调焦电机1以及位置反馈元件2相连，摄像机接口模块与自动调焦处理模块通过IO接口相连，自动调焦处理模块与信号接口输出模块通过IO接口相连，信号接口输出模块与远程计算机相连并进行远程通讯。如图6所示，本发明的自动调焦处理系统3在与摄像机5进行安装时，对自动调焦处理系统3的具体位置并无明确要求，只需要根据系统的实际需要进行安装，满足其灵活方便的特点。

如图2和图3所示，摄像机接口模块包括：视频解码芯片和调焦控制芯片。视频解码芯片和调焦控制芯片均与自动调焦处理模块相连，视频解码芯片与摄像机5的视频接口相连，调焦控制芯片与调焦电机1的调焦电气接口相连，同时调焦控制芯片还与位置反馈元件2的反馈元件接口相连。摄像机接口模块为本发明的自动调焦处理系统3前端，主要是为了匹配原有摄像机5的视频接口、调焦电机1的调焦电气接口和位置反馈元件2的反馈元件接口。针对目前常见的视频接口如LVDS差分视频接口、CameraLink接口、CVBS接口、SDI接口及HDMI等接口输出的视频信号，通过视频解码芯片对输入的视频信号进行解码并提供给自动调焦处理模块进行视频图像处理；针对目前常见的调焦电机1如直流电机、步机电机、压电陶瓷等器件，通过调焦控制芯片进行匹配，使调焦电机1接入自动调焦处理系统3以驱动其进行自动调焦工作；针对目前常见的位置反馈元件2如电位机、编码器、光电开关等器件，通过调焦控制芯片进行匹配，使位置反馈元件2接入自动调焦处理系统3，以实时反馈当前自动调焦处理系统3的位置信息和执行状态，调焦控制芯片包含各种状态的反馈功能。

如图4所示，自动调焦处理模块包括：FPGA芯片、内存芯片、程序及数据存储芯片。FPGA芯片分别与视频解码芯片、调焦控制芯片、信号接口输出模块、内存芯片和程序及数据存储芯片相连。FPGA芯片与视频解码芯片、调焦控制芯片、信号接口输出模块之间通过IO接口相连。自动调焦处理模块主要是采用FPGA芯片作为主处理芯片进行摄像机5视频信号的采集，以进行图像清晰度的判别和调焦算法处理。针对所要匹配的调焦电机1的调焦电气接口进行相应的驱动处理，同时采集位置反馈元件2的位置反馈信息，以判断当前自动调焦处理系统3的执行状态例如是否达到限位、是否达到要求位置、自动调焦处理系统3工作是否正常等，同时FPGA芯片与后端的信号接口输出模块进行通讯，以执行远程计算机的控制命令以及FPGA芯片的远程升级功能等。

内存芯片的功能是：通常FPGA芯片的内部存储器容量很小，尤其是对于高分辨率的摄像机视频数据，只能通过外部大容量的内存芯片进行摄像机视频数据的存储以及计算结果的存放等，补充FPGA芯片的内存小的缺点。

程序及数据存储芯片的功能是：程序及数据存储芯片的主要功能是存储调焦处理程序，同时针对自动调焦处理系统3的一些特点参数，例如调焦距离、起始位置、调焦电机速度值、最小调焦量等数据存储在该芯片中，这样在执行调焦处理程序时，可根据当前芯片存储的数据进行调节。

如图5所示，信号接口输出模块包括：视频编码芯片和通讯接口芯片。视频编码芯片和通讯接口芯片均与FPGA芯片均通过IO接口相连，同时，视频编码芯片和通讯接口芯片均与远程计算机相连。信号接口输出模块作为本发明的自动调焦处理系统3后端，主要是为了匹配原有摄像机5的视频信号输出，将采集到的摄像机5的视频信号无损的输出或者按照需要进行编码处理输出；同时还具有与远程计算机进行通讯的功能。通过远程计算机接收经过自动调焦处理系统3调焦处理后的摄像机5的无损视频信号，同时通过通讯接口芯片控制自动调焦处理系统3实现对摄像机5的调焦功能以及通过远程计算机实现FPGA芯片的远程升级功能。

本发明的一种自动调焦处理方法主要包括三个部分，第一部分就是确定原有摄像机5的视频接口和调焦电机1的调焦电气接口；第二部分是确定与远程计算机相连接的视频编码芯片及通讯接口芯片；第三部分是确认当前位置图像的平均调焦评价函数F_Davg是否满足应用需求。

本发明的一种自动调焦处理方法，其具体过程如下：

步骤一、首先根据摄像机5的视频接口和调焦电机1的调焦电气接口，确认图3中所需要的视频解码芯片和调焦控制芯片的选型；本实施方式中，视频解码芯片具体型号为：TVP5150，调焦控制芯片具体型号为：A3979。

步骤二、再根据对视频编码芯片及通讯接口芯片的需求，确认图5中所需要的视频编码芯片和通讯接口芯片的选型；本实施方式中，视频编码芯片具体型号为：ADV7123，通讯接口芯片具体型号为：MAX485。

步骤三、自动调焦处理模块中的FPGA芯片通过调焦控制芯片读取位置反馈元件2的位置反馈信息，以获取当前自动调焦处理系统3的执行状态和确切的位置信息，作为初始位置即零位。

步骤四、摄像机5的视频信号通过视频解码芯片接入自动调焦处理系统3，通过视频解码芯片对输入的视频信号进行解码，自动调焦处理模块中的FPGA芯片通过视频解码芯片读取解码后的数字视频信号，通过FPGA芯片以及调焦算法计算当前位置图像的平均调焦评价函数F_Davg。

步骤五、通过FPGA芯片以及调焦算法设定自动调焦处理系统3的调焦步长，所说的调焦步长大于调焦精度，记录并保存当前位置的前两步图像的平均调焦评价函数F′_Davg。

步骤六、通过FPGA芯片判断当前位置图像的平均调焦评价函数F_Davg与当前位置的前两步图像的平均调焦评价函数F′_Davg之间的关系，结果分为两种情况：一是当前位置图像的平均调焦评价函数F_Davg等于或者大于当前位置的前两步图像的平均调焦评价函数F′_Davg，二是当前位置图像的平均调焦评价函数F_Davg小于当前位置的前两步图像的平均调焦评价函数F′_Davg。

第一种情况：如果当前位置图像的平均调焦评价函数F_Davg等于或者大于当前位置的前两步图像的平均调焦评价函数F′_Davg，则执行步骤七；

第二种情况：如果当前位置图像的平均调焦评价函数F_Davg小于当前位置的前两步图像的平均调焦评价函数F′_Davg，则执行步骤八。

步骤七、通过调焦电机1驱动摄像机5的镜头沿光轴4运行方向继续运行，返回步骤六。

步骤八、通过FPGA芯片判断自动调焦处理系统3的调焦步长与调焦精度之间的关系，结果分为两种情况：一是调焦步长大于调焦精度；二是调焦步长等于或者小于调焦精度。

第一种情况：如果调焦步长大于调焦精度，则将调焦步长减半，然后通过调焦电机1驱动自动调焦处理系统3沿光轴4运行方向的反方向运行，返回步骤六；

第二种情况：如果调焦步长等于或者小于调焦精度，则自动调焦结束。

步骤九、当完成步骤八后即自动调焦工作结束后，通过人眼判断最终输出的视频图像仍不清晰时即无法满足摄像机5的应用场景需求时，则需要由专业算法人员对摄像机5的应用场景进行分析，并得出一个合理的、满足系统调焦需求的平均调焦评价函数F″_Davg。

步骤十、当完成步骤九后，利用远程计算机通过通讯接口芯片将升级数据传输给FPGA芯片，然后对FPGA芯片本身的调焦处理程序进行升级处理；将步骤九中由专业算法人员计算的平均调焦评价函数F″_Davg替换步骤四中当前位置图像的平均调焦评价函数F_Davg，并继续执行步骤三。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。