專利名稱：基于高階矩的自動快速聚焦方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于高階矩的自動快速聚焦方法。
背景技術(shù)：
相機自動聚焦的原理是散焦時拍得的圖像比聚焦時拍得的圖像所含的高頻分量少，換言之即聚焦圖像所包含的高頻分量比散焦圖像多，并且散焦程度越大，那么圖像所包含的高頻分量越少。所以可以根據(jù)圖像所含的高頻分量來判斷圖像是否聚焦，在聚焦過程中所獲得的一系列圖像當中，高頻分量最多的圖像是聚焦圖像，這時數(shù)碼相機正確聚焦。
傳統(tǒng)的數(shù)碼相機的自動聚焦方法一般采用登山隨動法，即HCS(Hill-climbing search)算法。HCS算法包括三個模式(1)查找模式；(2)校準模式；(3)觀望模式。查找模式?jīng)Q定初始鏡頭的移動方向并查找到聚焦算子的最大值；校準模式和觀望模式用于判斷在查找模式中所找到的聚焦算子最大值點是否是聚焦點，即判斷在查找模式中所找到的聚焦算子最大值是否是全局最大值，也即是一個消除局部最大值的過程。在這三個模式中都可以采用一些聚焦算子來計算該模式中的最優(yōu)值。常用的聚焦算子有Tenengrad算子、修正拉普拉斯總和SML(Sum-Modified-Laplacian)算子、模數(shù)偏差總和SMD(Sum-Modulus-Difference)算子、亮度變化VAR(Variance)算子和FSWM(Frequency-Selective-Weighted-Median)濾波算子。
Tenenbaum算子的思想是計算圖像每個點的梯度，然后簡單地將所有的梯度幅值相加，梯度幅值最大的那幅圖像就是聚焦圖像。
SML算子的思想是計算圖像每個像素點的二次偏差的絕對值，然后將這些絕對值求和，和最大的那幅圖像就是聚焦圖像。
SMD算子的思想是計算兩相鄰像素點的水平方向和垂直方向的一階灰度偏差的總和，然后將這兩個方向的總和相加，最后得到的和最大的那幅圖像就是聚焦圖像。
VAR算子的思想是計算圖像每個像素點灰度與圖像平均灰度值之差的總和，然后將這些和相加，最后得到的和最大的那幅圖像就是聚焦圖像。
FSWM濾波算子的思想是對一幅圖像沿水平方向和垂直方向濾波，求出濾波結(jié)果的平方和，平方和最大的就是聚焦圖像。
這種目前實際應(yīng)用的自動聚焦方法有幾個缺點一是由于數(shù)碼相機的光學成像系統(tǒng)是一個很復(fù)雜的系統(tǒng)，受到光線、鏡頭失常、衍射等的影響，每個數(shù)碼相機的點擴展函數(shù)在不同的實際應(yīng)用中都是不同的，無法用一個很明確的表達式來表達，只能根據(jù)其光學成像的原理推知數(shù)碼相機處于散焦狀態(tài)時，數(shù)碼相機的成像系統(tǒng)是一個低通濾波器，但這個低通濾波器的具體參數(shù)是不可知的，無法用一個明確的低通濾波器的表達式來表達，在實際應(yīng)用中只能假設(shè)其為一個低通的二維高斯濾波器。所以在實際應(yīng)用中，不可能找到一種聚焦算子能夠完全的表達圖像的狀態(tài)，因此利用聚焦算子來分析所拍攝的圖像進行數(shù)碼相機的自動聚焦的過程中，聚焦算子值不僅具有一個全局最大值點、還具有很多的局部最大值，其曲線不是一條單調(diào)上升或單調(diào)下降的光滑曲線，局部最大值的存在給數(shù)碼相機的自動聚焦增加了很大的難度。因為數(shù)碼相機的自動聚焦過程是一個實時性要求比較高的過程，一般利用HCS算法找到一個最大值點即認為是聚焦點，而不會在相機的每個位置都拍攝圖像從而進行全局搜索。如果不進行全局搜索的話，不可能找到一種算法能夠從具有很多局部最大值的一系列數(shù)據(jù)中，完全將局部最大值過濾掉從而找出全局最大值。所以即使采用新的HCS尋優(yōu)搜索算法也不能完全克服局部最大值的問題，因此采用現(xiàn)有的自動聚焦方法進行數(shù)碼相機的自動聚焦過程中，不可避免的會引入錯誤，不能達到保證在任何情況下、每次都能正確聚焦。
現(xiàn)有數(shù)碼相機自動聚焦方法的第二個缺點是數(shù)碼相機自動聚焦方法采用根據(jù)聚焦算子值的比較結(jié)果來調(diào)整鏡頭位置的方法來實現(xiàn)聚焦，如果鏡頭的初始位置里聚焦的位置比較遠，那么一方面就需要拍攝多幅圖像，這樣會增加圖像處理的時間；另一方面，在鏡頭位置里聚焦位置比較遠時，散焦程度比較大，那么聚焦算子值的局部最大值點很多，利用HCS算法的校準模式和觀望模式消除局部最大值的過程時，鏡頭需前后移動來拍攝圖像，這樣也會增加圖像處理的時間、增加了錯誤聚焦的概率。增加了圖像處理時間就相當于增加了數(shù)碼相機自動聚焦的時間，如果要求數(shù)碼相機能夠在很短的時間內(nèi)實現(xiàn)自動聚焦的話，由于現(xiàn)有的自動聚焦方法要利用很多幀圖像，這樣就增加了對圖像采集系統(tǒng)的要求、增加了對數(shù)碼相機處理芯片進行圖像處理能力的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有聚焦方法的不足，提供一種新的、完全不同于現(xiàn)有的自動聚焦方法的具有更高的準確性、更短的聚焦時間，并且具有很大的實用價值的基于高階矩的自動快速聚焦方法。
為了達到上述的發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下本發(fā)明采用二維高斯濾波器h(x,y)=12πσ2exp(-x2+y22σ2)]]>來表示相機的成像系統(tǒng)的點擴展函數(shù)，那么根據(jù)高階矩的特性，能夠?qū)⑾鄼C中的成像圖像f(x，y)與被拍攝的物體本身g(x，y)和數(shù)碼相機的成像系統(tǒng)的點擴展函數(shù)h(x，y)之間的關(guān)系f(x，y)＝g(x，y)*h(x，y)推導得出二階中心距upq(f)=Σk=0pΣl=0qpkqluk,l(h)up-k,q-l(g)]]>所以，通過在不同位置拍攝三副不同的圖像，就能確定聚焦的位置，v0=(v3+v2)u20(f1)+(v1+v3)u20(f2)+(v2+v1)u20(f3)u20(f1)+u20(f2)+u20(f3)]]>其中，v0為數(shù)碼相機鏡頭處于聚焦時鏡頭距成像平面的距離，v1為數(shù)碼相機鏡頭處于位置1時鏡頭距成像平面的距離，v2為數(shù)碼相機鏡頭處于位置2時鏡頭距成像平面的距離，v3為數(shù)碼相機鏡頭處于位置3時鏡頭距成像平面的距離，u20(f1)為數(shù)碼相機鏡頭處于位置1所拍攝圖像的二階中心距，u20(f2)為數(shù)碼相機鏡頭處于位置2所拍攝圖像的二階中心距，u20(f3)為數(shù)碼相機鏡頭處于位置3所拍攝圖像的二階中心距。
本發(fā)明的有益效果是比常規(guī)的自動聚焦方法具有更高的聚焦準確性，而且聚焦所需時間也更少。
具體實施例方式
下面通過具體實施例子對本發(fā)明做進一步的說明。
通過五種不同的聚焦方法分別對五種不同的實物進行聚焦來對比，從而說明本發(fā)明提供的一種基于高階矩的自動快速聚焦方法的優(yōu)越性。第一種為常規(guī)的HCS算法；第二種通過本發(fā)明提供的基于高階矩的自動快速聚焦方法算出聚焦點的位置，然后用FSWM算子、HCS算法的搜索模式；第三種通過本發(fā)明提供的基于高階矩的自動快速聚焦方法算出聚焦點的位置，然后用FSWM算子、HCS算法的三個模式；第四種通過本發(fā)明提供的基于高階矩的自動快速聚焦方法算出聚焦點的位置，然后用VAR算子、HCS算法的搜索模式；第五種通過本發(fā)明提供的基于高階矩的自動快速聚焦方法算出聚焦點的位置，然后用VAR算子、HCS算法的三個模式。
五種聚焦方法的結(jié)果對比如下表所示表1 不同自動聚焦方法的準確性分析

表2 不同自動聚焦方法所需時間的分析

表1中修正標準偏差MSD的計算如下MSD=Σi=1N(mp-ma)N]]>
權(quán)利要求
1.一種基于高階矩的自動快速聚焦方法，成像圖像f(x，y)與物體本身g(x，y)和相機的成像系統(tǒng)的點擴展函數(shù)h(x，y)之間的關(guān)系為f(x，y)＝g(x，y)*h(x，y)，其特征在于所述的聚焦方法通過在不同的位置拍攝物體本身的三幀不同的圖像，所述的三幀圖像確定了聚焦的位置；具體的聚焦公式為v0=(v3+v2)u20(f1)+(v1+v3)u20(f2)+(v2+v1)u20(f3)u20(f1)+u20(f2)+u20(f3)]]>其中，v0為相機鏡頭處于聚焦時鏡頭距成像平面的距離，v1為相機鏡頭處于位置1時鏡頭距成像平面的距離，v2為相機鏡頭處于位置2時鏡頭距成像平面的距離，v3為相機鏡頭處于位置3時鏡頭距成像平面的距離， 為相機鏡頭處于位置1所拍攝圖像的二階中心距， 為相機鏡頭處于位置2所拍攝圖像的二階中心距， 為相機鏡頭處于位置3所拍攝圖像的二階中心距。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于高階矩的自動快速聚焦方法，其特征在于所述的相機的成像系統(tǒng)的點擴展函數(shù)h(x，y)采用二維高斯濾波器h(x,y)=12πσ2exp(-x2+y22σ2)]]>來表示，其中σ為擴散系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于高階矩的自動快速聚焦方法，其特征在于所述的二階中心距為upq(f)=Σk=0pΣl=0qpkqluk,l(h)up-k,q-l(g).]]>
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于高階矩的自動快速聚焦方法，把相機中的成像圖像f(x，y)與被拍攝的物體本身g(x，y)和相機的成像系統(tǒng)的點擴展函數(shù)h(x，y)之間的關(guān)系表示成(式1)，就能通過在三個不同的位置拍攝三幀圖像，根據(jù)這三幀圖像就確定數(shù)碼相機聚焦的位置(式2)本發(fā)明簡單實用，比常規(guī)的自動聚焦方法具有更高的聚焦準確性，而且聚焦所需時間也更少，適合推廣使用。
文檔編號G03B13/36GK1560697SQ20041001558
公開日2005年1月5日 申請日期2004年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月8日
發(fā)明者劉樹鳳, 杜明輝, 李慧芳 申請人:華南理工大學