一种一体化摄像机自动跟踪聚焦方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种一体化摄像机自动跟踪聚焦方法及系统，设置目标物区域，并使目标物区域的FV值所占比重大于非目标物区域的FV值所占比重，驱动聚焦镜片运动，再进行搜索终结判断，最后完成聚焦。克服了传统的“爬山法”会导致摄像机成像时存在聚焦位置与实际期望不一致的问题，聚焦的速度快，耗时短。聚焦后进行目标物区域跟踪，这样就可以估计目标物的运动或者位置，使得聚焦的方向和聚焦的区域可以得到确认，在目标物区域模糊或者目标物位移超过一定阈值的情况下重新触发聚焦，保证自动聚焦准确。采用了变步长搜索的方法，可以提高效率，加快自动聚焦的速度。采用了峰值区域FV阈值的自适应估计算法，使得自动聚焦更加快捷。
【专利说明】一种一体化摄像机自动跟踪聚焦方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及成像领域的自动聚焦技术，具体地涉及一种一体化摄像机自动跟踪聚焦方法及系统。
【背景技术】
[0002]近年来，可变倍一体化摄像机产品丰富起来，自动聚焦模块已成为其中的一个主要的功能模块。该模块通过调节聚焦电机改变聚焦镜片位置使得图像清晰度描述值达到最大，即到达聚焦位置。图像清晰度描述值用图像FV (Focus Value)表示，常用的清晰度描述算子为统计得到的图像的高频能量的大小。
[0003]一般在对一个目标进行聚焦操作时，聚焦镜片位置与图像FV的对应关系曲线(称为搜索曲线)呈现如图1所示的单峰形状，SI和S3表示远焦区域，S2表示近焦区域，S表示整个聚焦范围。传统的聚焦算法是沿着使得FV增大的方向小步推进聚焦镜片，直到找到图像FV峰值来确定聚焦位置点，即“爬山法”。在摄像机的实际使用中，由于不同倍率下场景景深差异很大、在聚焦范围内存在前后多个目标物等原因，会导致搜索曲线呈现图2所示的多峰特性。
[0004]针对图2所示的具有多峰特性的搜索曲线来说，传统“爬山法”会选取图像FV最大的区域作为聚焦区域即图中的实际聚焦位置T2，然而该区域不一定是目标物区域，图2中的期望聚焦位置Tl所对应的为目标物区域，因此传统的“爬山法”会导致摄像机成像时存在聚焦位置与实际期望不一致的问题。而且当初始位置离聚焦位置比较远时，沿着使得图像FV增大的方向小步推进聚焦镜片，聚焦的速度慢耗时长。综上，如何快速、准确的完成自动聚焦是急需解决的问题。
【发明内容】
[0005]为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中用于自动聚焦的方法速度慢耗时长，摄像机成像时存在聚焦位置与实际期望不一致的问题，从而提出一种一体化摄像机自动跟踪聚焦方法及系统。
[0006]为解决上述技术问题，本发明的提供如下技术方案:
[0007]一种一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，包括如下步骤:
[0008]S1:设置当前帧图像中的目标物区域，计算当前帧图像的FV值，其中目标物区域的FV值所占比重大于非目标物区域的FV值所占比重；
[0009]S2:根据搜索方向和搜索步长驱动聚焦镜片运动到达当前搜索位置；
[0010]S3:计算当前帧图像的FV值，并判断搜索是否终结，是则进入S4，否则返回步骤
S2；
[0011]S4:驱动聚焦镜片到最大FV值所对应的位置，完成聚焦。
[0012]上述一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，所述步骤SI中具体包括如下步骤:
[0013]Sll:将当前帧图像划分为MXN个区块，设定所述目标物区域所占的区块；
[0014]S12:以每一区块的高频能量作为该区块的FV值；
[0015]S13:以每一区块FV值的加权和作为当前帧图像的FV值，并设定目标物区域所占区块的权重值大于非目标物区域所占区块的权重值。
[0016]上述一体化摄像机自动跟踪聚焦方法,还包括如下步骤:
[0017]S5:对聚焦后获取的图片进行目标物区域跟踪，当目标物区域的位移超出第一阈值Ty或者缩放比例超出第二阈值Ry时重新进入步骤SI。
[0018]上述一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，所述步骤S3具体包括如下步骤:
[0019]S31:判断是否确定最大FV值或者已经完成了整个搜索区域的搜索，是进入S4，否则继续步骤S32 ；
[0020]S32:判断搜索是否达到搜索区域的边界，是则设定搜索方向为反方向，否则继续步骤S33 ；
[0021]S33:获取峰值区域的FV阈值，当前帧图像的FV值大于所述FV阈值时，设定搜索步长为小步，当前帧图像的的FV值小于所述FV阈值时，设定搜索步长为长步；
[0022]S34:返回步骤 S2。
[0023]上述一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，所述步骤S33中获取峰值区域的FV阈值的具体步骤如下:
[0024]S331:获取初始时连续m次搜索得到的当前帧图像的FV值，其中m为大于或等于3的整数；
[0025]S332:判断m个FV值的连续变化幅度，
[0026]若连续变化幅度小于设定阈值，则将m个FV值取平均再加上增量FVz作为峰值区域的FV阈值；
[0027]若连续变化幅度大于或等于设定阈值，则选取其中最小的FV值作为峰值区域的FV阈值。
[0028]上述一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，所述步骤S5中目标物区域跟踪具体包括如下步骤:
[0029]S51:获取前帧图像中目标物区域特征信息和当前帧图像信息，所述目标物区域特征包括第一特征和第二特征，所述第一特征为目标物区域中心位置，所述第二特征为目标物区域内的亮度分布；
[0030]S52:根据目标物区域第一特征最相似原理获取当前帧图像中目标物区域中心位置；
[0031]S53:根据目标物区域第二特征最相似原理获取当前帧图像中目标物区域；
[0032]S54:计算前帧图像和当前帧图像的目标物区域中心位置的位移T，计算前帧图像和当前帧图像的目标物区域的缩放比例R ；
[0033]S55:若位移T超出第一阈值Ty或者缩放比例R超过第二阈值Ry判定需要重新触发聚焦，进入步骤Si，否则保存当前帧的目标物区域特征信息。
[0034]上述一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，所述步骤S52获取当前帧图像的目标物区域中心位置的过程为:
[0035]S521:获取当前帧图像中所有与目标物区域具有相同形状的η个区块组成的候选区；
[0036]S522:获取前帧图像中目标物区域内η个区块的亮度(L1，L2，…Ln)及当前帧图像中第i个候选区域内η个区块的亮度(Lli，L2i，…Lni)；
[0037]S523:计算当前帧图像中第i个候选区域内η个区块的亮度与前帧图像中目标物区域内η个区块的亮度绝对差之和SAD，选取该SAD最小的候选区域，采用如下公式计算:
【权利要求】
1.一种一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，其特征在于，包括如下步骤: S1:设置当前帧图像中的目标物区域，计算当前帧图像的FV值，其中目标物区域的FV值所占比重大于非目标物区域的FV值所占比重； S2:根据搜索方向和搜索步长驱动聚焦镜片运动到达当前搜索位置； S3:计算当前帧图像的FV值，并判断搜索是否终结，是则进入S4，否则返回步骤S2 ； S4:驱动聚焦镜片到最大FV值所对应的位置，完成聚焦。
2.根据权利要求1所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，其特征在于，所述步骤SI中具体包括如下步骤: S11:将当前帧图像划分为MXN个区块，设定所述目标物区域所占的区块； S12:以每一区块的高频能量作为该区块的FV值； S13:以每一区块FV值的加权和作为当前帧图像的FV值，并设定目标物区域所占区块的权重值大于非目标物区域所占区块的权重值。
3.根据权利要求1或2所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，其特征在于，还包括如下步骤: S5:对聚焦后获取的图片进行目标物区域跟踪，当目标物区域的位移超出第一阈值Ty或者缩放比例超出第二阈值Ry时重新进入步骤SI。
4.根据权利要求1-3任一所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括如下步骤: S31:判断是否确定最大FV值或者已经完成了整个搜索区域的搜索，是进入S4，否则继续步骤S32 ； S32:判断搜索是否达到搜索区域的边界，是则设定搜索方向为反方向，否则继续步骤S33 ； S33:获取峰值区域的FV阈值，当前帧图像的FV值大于所述FV阈值时，设定搜索步长为小步，当前帧图像的的FV值小于所述FV阈值时，设定搜索步长为长步； S34:返回步骤S2。
5.根据权利要求4所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，其特征在于，所述步骤S33中获取峰值区域的FV阈值的具体步骤如下: S331:获取初始时连续m次搜索得到的当前帧图像的FV值，其中m为大于或等于3的整数； S332:判断m个FV值的连续变化幅度， 若连续变化幅度小于设定阈值，则将m个FV值取平均再加上增量FVz作为峰值区域的FV阈值； 若连续变化幅度大于或等于设定阈值，则选取其中最小的FV值作为峰值区域的FV阈值。
6.根据权利要求2-5任一所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，其特征在于，所述步骤S5中目标物区域跟踪具体包括如下步骤: S51:获取前帧图像中目标物区域特征信息和当前帧图像信息，所述目标物区域特征包括第一特征和第二特征，所述第一特征为目标物区域中心位置，所述第二特征为目标物区域内的亮度分布；552:根据目标物区域第一特征最相似原理获取当前帧图像中目标物区域中心位置； 553:根据目标物区域第二特征最相似原理获取当前帧图像中目标物区域； 554:计算前帧图像和当前帧图像的目标物区域中心位置的位移T，计算前帧图像和当前帧图像的目标物区域的缩放比例R ； 555:若位移T超出第一阈值Ty或者缩放比例R超过第二阈值Ry判定需要重新触发聚焦，进入步骤SI，否则保存当前帧的目标物区域特征信息。
7.根据权利要求6所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，其特征在于，所述步骤S52获取当前帧图像的目标物区域中心位置的过程为: S521:获取当前帧图像中所有与目标物区域具有相同形状的η个区块组成的候选区； S522:获取前帧图像中目标物区域内η个区块的亮度(L1，L2，…Ln)及当前帧图像中第i个候选区域内η个区块的亮度(Lli，L2i，…Lni)； S523:计算当前帧图像中第i个候选区域内η个区块的亮度与前帧图像中目标物区域内η个区块的亮度绝对差之和SAD，选取该SAD最小的候选区域，采用如下公式计算:
以上公式中，Lw是指前帧图像目标物区域内的第w个区块亮度，Lwi是指当前帧图像中第i个候选区域内第w个区块的亮度；第？个候选区域的中心位置就是当前帧图像的目标物区域中心位置。
8.根据权利要求6所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，其特征在于，所述步骤S53中获取当前帧图像中目标物区域的过程为: 5531:获取前帧图像中目标物区域内的归一化直方图，获取当前帧图像中第j个候选区内的归一化直方图； 5532:计算当前帧图像中第j个候选区内归一化直方图与前帧图像中目标物区域内的归一化直方图的绝对差之和SAD，并选取该SAD最小的候选区，采用如下公式计算:
以上公式中，k表示直方图上每个灰度的级别，LumMax表示最大的灰度级别，hist(k)表示前帧图像中目标物区域内归一化直方图上灰度级别为k时候的取值，histj(k)表示当前帧图像中第j个候选区内归一化直方图上灰度级别为k时候的取值，第7个候选区就是当前帧图像的目标物区域。
9.根据权利要求3-8任一所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，其特征在于: 所述步骤S5中所述第一阈值Ty为两个区块，所述第二阈值Ry选取1.2。
10.根据权利要求1-9任一所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，其特征在于，所述步骤Si之前还包括如下步骤: SO:根据最近聚焦跟踪曲线和最远聚焦跟踪曲线获取摄像机在当前变倍倍率下的聚焦范围，以所述聚焦范围作为搜索区域。
11.根据权利要求1-10任一所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦方法，其特征在于:所述步骤S31中所述长步为所述搜索区域总长的1/32，所述小步为所述长步的1/16。
12.—种一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，其特征在于，包括如下模块: 目标物区域设置模块，用于设置当前帧图像中的目标物区域，计算当前帧图像的FV值，其中目标物区域的FV值所占比重大于非目标物区域的FV值所占比重； 搜索模块，用于根据搜索方向和搜索步长驱动聚焦镜片运动到达当前搜索位置； 计算及判断模块，用于计算当前帧图像的FV值，并判断搜索是否终结； 聚焦模块，用于在所述计算及判断模块判断搜索终结后驱动聚焦镜片到最大FV值所对应的位置，完成聚焦。
13.根据权利要求12所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，其特征在于，所述目标物区域设置模块具体包括: 区块划分子模块，用于将当前帧图像划分为MXN个区块，设定所述目标物区域所占的区块； 区块FV值计算子模块，以每一区块的高频能量作为该区块的FV值； 当前帧图像的FV值计算子模块，以每一区块FV值的加权和作为当前帧图像的FV值，并设定目标物区域所占区块的权重值大于非目标物区域所占区块的权重值。
14.根据权利要求12或13所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，其特征在于，还包括: 目标物区域跟踪模块，用于对聚焦后获取的图片进行目标物区域跟踪，当目标物区域的位移超出第一阈值Ty或者缩放比例超出第二阈值Ry时重新触发聚焦。
15.根据权利要求12-14任一所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，其特征在于，所述计算及判断模块具体包括: 搜索终结判断子模块，用于在确定最大FV值或者已经完成了整个搜索区域的搜索后进入聚焦模块: 搜索方向设定子模块，用于在搜索达到搜索区域的边界后设定搜索方向为反方向；搜索步长设定子模块，用于获取峰值区域的FV阈值，当前帧图像的FV值大于所述FV阈值时，设定搜索步长为小步，当前帧图像的的FV值小于所述FV阈值时，设定搜索步长为长步。
16.根据权利要求15所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，其特征在于，搜索步长设定子模块具体包括: 初始搜索子模块，用于获取初始时连续m次搜索得到的当前帧图像的FV值，其中m为大于或等于3的整数； FV阈值获取子模块，判断m个FV值的连续变化幅度， 若连续变化幅度小于设定阈值，则将m个FV值取平均加上增量FVz作为峰值区域的FV阈值； 若连续变化幅度大于或等于设定阈值，则选取其中最小的FV值作为峰值区域的FV阈值。
17.根据权利要求13-16任一所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，其特征在于，所述目标物区域跟踪模块具体包括: 特征信息获取子模块，用于获取前帧图像中目标物区域特征信息和当前帧图像信息，所述目标物区域特征包括第一特征和第二特征，所述第一特征为目标物区域中心位置，所述第二特征为目标物区域内的亮度分布； 目标物区域中心位置获取子模块，用于根据目标物区域第一特征最相似原理获取当前帧图像中目标物区域中心位置； 目标物区域获取子模块，用于根据目标物区域第二特征最相似原理获取当前帧图像中目标物区域； 位移和缩放比例计算子模块，用于计算前帧图像和当前帧图像的目标物区域中心位置的位移T，计算前帧图像和当前帧图像的目标物区域的缩放比例R ； 触发聚焦判断子模块，用于当位移T超出第一阈值Ty或者缩放比例R超过第二阈值Ry判定需要重新触发聚焦，进入目标物区域设置模块。
18.根据权利要求17所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，其特征在于，所述目标物区域中心位置获取子模块具体包括: 候选区获取子模块，用于获取当前帧图像中所有与目标物区域具有相同形状的η个区块组成的候选区； 区块亮度获取子模块，用于获取前帧图像中目标物区域内η个区块的亮度(L1，L2，…Ln)及当前帧图像中第i个候选区域内η个区块的亮度(Lli, L2i,…Lni)； 目标物区域中心位 置计算子模块，用于计算当前帧图像中第i个候选区域内η个区块的亮度与前帧图像中目标物区域内η个区块的亮度绝对差之和SAD，选取该SAD最小的候选区域，采用如下公式计算:
以上公式中，Lw是指前帧图像目标物区域内的第w个区块亮度，Lwi是指当前帧图像中第i个候选区域内第w个区块的亮度；第::个候选区域的中心位置就是当前帧图像的目标物区域中心位置。
19.根据权利要求17所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，其特征在于，所述目标物区域获取子模块具体包括: 归一化直方图获取子模块，用于获取前帧图像中目标物区域内的归一化直方图，获取当前帧图像中第j个候选区内的归一化直方图； 目标物区域计算子模块，用于计算当前帧图像中第j个候选区内归一化直方图与前帧图像中目标物区域内的归一化直方图的绝对差之和SAD，并选取该SAD最小的候选区，采用如下公式计算:
其中，k表示直方图上每个灰度的级别，LumMax表示最大的灰度级别，hist(k)表示前帧图像中目标物区域内归一化直方图上灰度级别为k时候的取值，histj(k)表示当前帧图像中第j个候选区内归一化直方图上灰度级别为k时候的取值，第]个候选区就是当前帧图像的目标物区域。
20.根据权利要求14-19任一所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，其特征在于: 所述目标物区域跟踪模块中，所述第一阈值Ty为两个区块，所述第二阈值Ry选取1.2。
21.根据权利 要求12-20任一所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，其特征在于，还包括: 聚焦范围获取模块，用于根据最近聚焦跟踪曲线和最远聚焦跟踪曲线获取摄像机在当前变倍倍率下的聚焦范围，以所述聚焦范围作为搜索区域。
22.根据权利要求12-21任一所述的一体化摄像机自动跟踪聚焦系统，其特征在于: 搜索步长设定子模块中，所述长步为所述搜索区域总长的1/32，所述小步为所述长步的 1/16。
【文档编号】H04N5/232GK104079832SQ201410307921
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年6月30日 优先权日:2014年6月30日
【发明者】汤峰峰, 章勇, 曹李军, 陈卫东 申请人:苏州科达科技股份有限公司