自动聚焦方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及视频监控领域，具体而言，涉及一种自动聚焦方法及装置。
【背景技术】
[0002] 目前，对于相关技术中的摄像机中所采用的自动聚焦（Auto Focus，即通过采用预 设方式可以使得摄像机自动调节被摄物体聚焦到一个清晰的位置上）技术从基本原理而 言，可以分为以下两类：
[0003] 第一类、主动式聚焦，即通过向被摄物体发射超声波或红外线，然后检测其反射的 声波或光线以计算得到被射物体与摄像机镜头之间的距离，从而使得电机驱动镜头移动至 聚焦位置；
[0004] 第二类、被动式聚焦，即不依赖于成像系统的波源，而是通过透镜部分来接收成像 目标发射的光线，进而直接利用成像目标的亮度（即人对发光体或被照射物体表面的发光 或反射光强度实际感受的物理量）及其它信息进行聚焦检测的自动聚焦。
[0005] 上述被动式聚焦可以包括：聚焦检测法和基于数字图像处理法，基于数字图像处 理的自动聚焦方式由于无需额外的发射装置，可以利用现有的软、硬件资源及先进的数字 图像处理技术，大大降低了设备的复杂性和费用，而成为当前自动聚焦技术发展的主流。
[0006] 基于图像处理的自动聚焦方式通常可以包括以下工作流程：当摄像机每采集一帧 图像时，对所采集的图像使用图像清晰度评价函数（其能够反映图像的离焦程度）计算该 图像的聚焦评价值（由图像清晰度评价函数计算图像有效区域的标量），当驱动聚焦电机 通过连续采集得到多帧图像时，计算出的聚焦评价值可以构成一条时间序列的聚焦曲线； 然后对该曲线搜索聚焦极值，并使得电机驱动镜头移动至与该极值对应的焦点位置，即完 成自动聚焦。此方法即为"爬山法"。
[0007] 随着摄像机自动聚焦功能的普及化，对自动聚焦速度及其性能要求也越来越高。 在一些自动聚焦技术中，相关技术中已经公开的技术方案提出利用高通滤波器和低通滤波 器计算图像聚焦评价值的方法。在实际操作过程中，这种利用滤波器计算聚焦评价值的聚 焦曲线虽然在大多数成像场景中能够表现出较好的单峰性，仅有一个极值，即为清晰点， 但是在一些灯光场景中，例如：室外有路灯的场景，其聚焦曲线则较为复杂，难以找到清晰 点。另外，还有其他相关技术方案提出采用可变步长的搜索方法来提高自动聚焦速度，利用 相邻点聚焦评价值连线的斜率来决定采样步长，然而图像的聚焦评价值容易受到电路及环 境影响，特别是离焦严重的情况下，此时相邻点斜率大小无规律性，难以确定正确的采样步 长。另外，当聚焦曲线不太平滑存在毛刺时，这种搜索方法很容易陷入局部极值，即假峰值。 此时，无法找到准确的清晰点。
[0008] 综上所述，相关技术中缺乏一种在能够确保聚焦稳定性和精度的前提下快速聚焦 的技术方案。
【发明内容】
[0009] 本发明提供了一种自动聚焦方法及装置，以至少解决相关技术中缺乏一种在能够 确保聚焦稳定性和精度的前提下快速聚焦的技术方案的问题。
[0010] 根据本发明的一个方面，提供了 一种自动聚焦方法。
[0011] 根据本发明实施例的自动聚焦方法包括：连续获取多帧图像数据，并分别对多帧 图像数据中的每帧图像数据进行聚焦窗口的划分；对每个聚焦窗口内的图像数据依次进行 灰度变换处理和滤波处理；对经过滤波处理后的图像数据中的每个像素点分别求取与该像 素点对应的第一梯度值和第二梯度值；根据每个聚焦窗口内与各个像素点对应的第一梯度 值和第二梯度值，获取与每个聚焦窗口对应的第一聚焦评价值和第二聚焦评价值；通过第 一聚焦评价值和第二聚焦评价值确定电机的聚焦方向以及通过第一聚焦评价值的第一聚 焦变化率和第二聚焦评价值的第二聚焦变化率调整电机的步长，直至电机将镜头调整至聚 焦状态。
[0012] 优选地，按照以下方式对图像数据进行灰度变换处理包括：获取在图像数据中的 亮度区域分布信息；根据亮度区域分布信息对图像数据进行分段线性变换，重新调整图像 数据的灰度级。
[0013] 优选地，按照以下方式对图像数据进行灰度变换处理：将f(x，y)的灰度级按照预 设映射关系变换为 gl(x，y)的灰度级，其中，预设映射关系如下：
[0014]
[0015] f (X，y)为图像数据，gjx, y)为经过灰度变化处理后的图像数据,a古b,且a、b、c 和d均在图像数据的最大灰度级范围内。
[0016] 优选地，采用以下公式对经过灰度变化处理后的图像数据进行滤波处理：
[0017] g2 (x, y) = Mask^g1 (x, y)；
[0018] 其中，g2(x，y)为经过滤波处理后的图像数据，Mask为滤波模板，符号表示卷 积计算。
[0019] 优选地，按照以下公式分别求取与每个像素点对应的第一梯度值和第二梯度值：
[0020] Grad1 (x, y) = Wi^g2 (x, y), Gradh (x, y) = Wi*B*g2 (x, y)；
[0021] 其中，Grad1为第一梯度值，Gradh为第二梯度值，W 1表示与不同灰度等级对应的权 重，A和B分别为两种不同大小及不同系数的梯度算子模板，符号表示卷积计算。
[0022] 优选地，按照以下公式获取与每个聚焦窗口对应的第一聚焦评价值和第二聚焦评 价值：
[0023]
[0024] 其中，AFL1为第一聚焦评价值，AFH1为第二聚焦评价值，且AFL 1大于AFH1, w、h表 示每个聚焦窗口的大小，i表示第i个聚焦窗口，（x，y)表示每个聚焦窗口内的每个像素点。
[0025] 优选地，通过第一聚焦变化率和第二聚焦变化率调整搜索步长包括：
[0026] 按照以下公式计算第一聚焦变化率和第二聚焦变化率：
[0027] R1 = AFL1AFL1 n, R2 = AFH1AFH1 n,
[0028] 其中，R1为第一聚焦变化率，R2为第二聚焦变化率，AFL 1 "是相对AFL1前第m个采 样位置的聚焦评价值，AFH1 "是相对AFH1前第m个采样位置的聚焦评价值；
[0029] 将Rl和R2分别与R进行比较，并根据比较结果实时调整搜索步长，其中，R为预 设聚焦变化率阈值。
[0030] 根据本发明的另一方面，提供了 一种自动聚焦装置。
[0031] 根据本发明实施例的自动聚焦装置包括：划分模块，用于连续获取多帧图像数据， 并分别对多帧图像数据中的每帧图像数据进行聚焦窗口的划分；处理模块，用于对每个聚 焦窗口内的图像数据依次进行灰度变换处理和滤波处理；第一计算模块，用于对经过滤波 处理后的图像数据中的每个像素点分别求取与该像素点对应的第一梯度值和第二梯度值； 第二计算模块，用于根据每个聚焦窗口内与各个像素点对应的第一梯度值和第二梯度值， 获取与每个聚焦窗口对应的第一聚焦评价值和第二聚焦评价值；调整模块，用于通过第一 聚焦评价值和第二聚焦评价值确定电机的聚焦方向以及通过第一聚焦评价值的第一聚焦 变化率和第二聚焦评价值的第二聚焦变化率调整电机的步长，直至电机将镜头调整至聚焦 状态。
[0032] 优选地，处理模块包括：获取单元，用于获取在图像数据中的亮度区域分布信息； 处理单元，用于根据亮度区域分布信息对图像数据进行分段线性变换，重新调整图像数据 的灰度级。
[0033] 优选地，处理单元，用于将f(x，y)的灰度级按照预设映射关系变换为gl(x，y)的 灰度级，其中，预设映射关系如下：
[0034]
[0035] f(x，y)为图像数据，gjxj)为经过灰度变化处理后的图像数据，a古b，且a、b、c 和d均在图像数据的最大灰度级范围内。
[0036] 优选地，处理模块，用于采用以下公式对经过灰度变化处理后的图像数据进行滤 波处理：
[0037] g2 (χ, y) = Mask^g1 (x, y)；
[0038] 其中，g2(x，y)为经过滤波处理后的图像数据，Mask为滤波模板，符号表示卷 积计算。
[0039] 优选地，第一计算模块，用于按照以下公式分别求取与每个像素点对应的第一梯 度值和第二梯度值：
[0040] Grad1 (x, y) = Wi^g2 (x, y), Gradh (x, y) = Wi*B*g2 (x, y)；
[0041] 其中，Grad1为第一梯度值，Gradh为第二梯度值，W 1表示与不同灰度等级对应的权 重，A和B分别为两种不同大小及不同系数的梯度算子模板，符号表示卷积计算。
[0042] 优选地，第二计算模块，用于按照以下公式获取与每个聚焦窗口对应的第一聚焦 评价值和第二聚焦评价值：
[0043]
[0044] 其中，AFL1为第一聚焦评价值，AHl1为第二聚焦评价值，且AFL 1大于AFH1, w、h表 示每个聚焦窗口的大小，i表示第i个聚焦窗口，（x，y)表示每个聚焦窗口内的每个像素点。
[0045] 优选地，调整模块包括：计算单元，用于按照以下公式计算第一聚焦变化率和第二 聚焦变化率=R 1 = AFL1AFL1 "，R2 = AFH1AFH1 "，其中，R1为第一聚焦变化率，R2为第二聚焦 变化率，AFL1 "是相对AFL1前第m个采样位置的聚焦评价值，AFH1 "是相对AFH1前第m个采 样位置的聚焦评价值；调整单元，用于将Rl和R2分别与R进行比较，并根据比较结果实时 调整搜索步长，其中，R为预设聚焦变化率阈值。
[0046] 通过本发明实施例，采用连续获取多帧图像数据，并分别对多帧图像数据中的每 帧图像数据进行聚焦窗口的划分；对每个聚焦窗口内的图