專利名稱：一體化的自動聚焦攝像機(jī)裝置及清晰度評價(jià)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種一體化的電子攝像機(jī)以及應(yīng)用于該電子攝像機(jī)的自動聚焦技術(shù)， 尤其涉及一種一體化的自動聚焦攝像機(jī)裝置及清晰度評價(jià)方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的自動聚焦技術(shù)分為主動式和被動式兩種，主動式自動聚焦利用紅外線或超 聲波來測量攝像機(jī)與物體之間的距離，從而調(diào)整焦距位置；被動式則是通過被動接受外界 物體的光線，通過相關(guān)電子檢測的方式調(diào)整焦距位置。隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，越來越多的自動聚焦裝置依賴于圖像處理算法， 而不是主動式的測距方式。圖像處理理論認(rèn)為，鏡頭的聚焦系統(tǒng)等價(jià)于一個(gè)低通濾波器，濾 波器的截止頻率由當(dāng)前像距與鏡頭焦距決定。因此，通過提取圖像的高頻分量就能對當(dāng)前 圖像的清晰度進(jìn)行判斷。與普通相機(jī)的自動聚焦相比，攝像機(jī)，尤其是視頻監(jiān)控用攝像機(jī)對 聚焦速度和精度要求更高，這是由于場景變化復(fù)雜，光學(xué)變倍速度快，如果對焦速度慢或精 度低，則攝取的視頻圖像的視覺效果差或大多是模糊圖像，應(yīng)用于視頻監(jiān)控中具有很大局 限性。根據(jù)圖像清晰度度量的被動聚焦算法，其性能主要由以下幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行評測1、準(zhǔn)確度，即算法得出的清晰度峰值位置必須在實(shí)際的聚焦位置或附近。2、單峰范圍，即算法得出的清晰度曲線必須在盡可能大的范圍內(nèi)呈單峰特性。3、普適性，即算法必須在大部分環(huán)境中表現(xiàn)良好，而不是僅僅適用于幾種特定場
I=I O4、峰值陡峭程度，即清晰度曲線需要在聚焦區(qū)域附近陡峭上升或下降，以精確定 位聚焦位置。5、算法復(fù)雜度，算法復(fù)雜度必須適應(yīng)實(shí)時(shí)性的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種一體化的自動聚焦攝像機(jī)裝置 及清晰度評價(jià)方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的一種一體化的自動聚焦攝像機(jī)裝置，它包括可變倍的光學(xué)變焦鏡頭單元、CXD圖 像傳感器單元、電機(jī)驅(qū)動單元、攝像機(jī)信號處理單元、DSP圖像處理單元和通信單元。其中， 所述可變倍的光學(xué)變焦鏡頭單元、CCD圖像傳感器單元、攝像機(jī)信號處理單元、DSP圖像處 理單元、電機(jī)驅(qū)動單元依次串連、電機(jī)驅(qū)動單元和可變倍的光學(xué)變焦鏡頭單元相連，攝像機(jī) 信號處理單元和DSP圖像處理單元分別與通信單元相連。一種上述一體化的自動聚焦攝像機(jī)裝置的自動聚焦方法，包括以下步驟(1)選擇合適的清晰度評價(jià)區(qū)域首先在不受鄰接區(qū)域干擾的前提下選擇適當(dāng)?shù)?搜索區(qū)域大小，然后根據(jù)當(dāng)前圖像的清晰區(qū)域選擇搜索區(qū)域的位置。
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(2)選擇合適的清晰度評價(jià)函數(shù)首先通過頻域評價(jià)函數(shù)、空間域評價(jià)函數(shù)、及頻 域和空域相結(jié)合的最優(yōu)評價(jià)函數(shù)作為清晰度評價(jià)函數(shù)，然后基于DSP對算法進(jìn)行優(yōu)化。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明以圖像信號的高頻分量為聚焦清晰度的特征估計(jì) 值，采用了空域和頻域相結(jié)合的計(jì)算方法確保對聚焦清晰度的可靠評價(jià)。自動聚焦裝置除 實(shí)現(xiàn)清晰度評價(jià)值計(jì)算之外，通過對步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)光學(xué)聚焦透鏡的前后移動控制， 采用空域和頻域多特征的爬山搜索策略，使成像處在聚焦最清晰位置，實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)的一體 化成像功能。與現(xiàn)有的自動聚焦攝像機(jī)相比，能夠在滿足實(shí)時(shí)性能的前提下，實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)定 的聚焦。


圖1是本發(fā)明裝置的框圖；圖2是搜索框過小時(shí)的清晰度曲線圖；圖3是鄰接區(qū)域?qū)λ阉鲄^(qū)域的影響示意圖；圖4是搜索框過大時(shí)的清晰度曲線圖；圖5是高通濾波器的截面圖；圖6是算法優(yōu)化前后的計(jì)算復(fù)雜度對比圖；圖7是本算法采用的最優(yōu)清晰度曲線圖。圖8是dsp圖像處理單元的電路圖
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明一體化的自動聚焦攝像機(jī)裝置包括可變倍的光學(xué)變焦鏡頭單 元、CXD圖像傳感器單元、電機(jī)驅(qū)動單元、攝像機(jī)信號處理單元、DSP圖像處理單元和通信單 元，其中，可變倍的光學(xué)變焦鏡頭單元、CCD圖像傳感器單元、攝像機(jī)信號處理單元、DSP圖 像處理單元、電機(jī)驅(qū)動單元依次串連、電機(jī)驅(qū)動單元和可變倍的光學(xué)變焦鏡頭單元相連，攝 像機(jī)信號處理單元和DSP圖像處理單元分別與通信單元相連。通信單元負(fù)責(zé)與上位機(jī)通可變倍的光學(xué)變焦鏡頭單元、CCD圖像傳感器單元和電機(jī)驅(qū)動單元組成成像部分， 其中可變倍的光學(xué)變焦鏡頭單元和電機(jī)驅(qū)動單元可購買舜宇光學(xué)科技(集團(tuán))有限公司的 LMlO鏡頭實(shí)現(xiàn)，CXD圖像傳感器單元可采用索尼公司的4103-227套片組實(shí)現(xiàn)。可變倍的光學(xué)變焦鏡頭單元包括聚焦透鏡組和用于驅(qū)動透鏡組的步進(jìn)電機(jī)。同 時(shí)，還包括其他部件，例如，用于阻止紅外入射光的紅外濾鏡，用于改變?nèi)肷涔饬康目烧{(diào)節(jié) 光圈和用于驅(qū)動紅外濾鏡和可調(diào)光圈的驅(qū)動電路。電機(jī)驅(qū)動單元用于控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動聚焦透鏡組的移動，光圈的調(diào)節(jié)，曝光時(shí)間 的調(diào)節(jié)等。CCD圖像傳感器單元將拍攝對象由鏡頭單元傳至感光元件并將其轉(zhuǎn)化成以像素為 單位的電子信號，并輸出該視頻信號。與CMOS成像原理不同，CCD成像時(shí)各個(gè)像素均在同 一時(shí)間曝光，時(shí)間相關(guān)性更強(qiáng)。攝像機(jī)信號處理單元用于將CXD傳感器傳出的電子信號做進(jìn)一步處理，改善圖像 質(zhì)量。包括對電子信號進(jìn)行采樣放大處理，通過A/D轉(zhuǎn)化將其轉(zhuǎn)化至數(shù)字信號，對數(shù)字信號進(jìn)行矯正、自動白平衡等改善其圖像質(zhì)量，處理完后將其按照數(shù)字圖像的輸出格式進(jìn)行輸 出。此單元可采用索尼公司的4103-227套片組實(shí)現(xiàn)DSP圖像處理單元負(fù)責(zé)自動聚焦(AF)算法的實(shí)現(xiàn)。首先，裝置用于分析聚焦算法 所必需的圖像清晰度。清晰度是由當(dāng)前圖像的高頻分量以及對比度決定的，如果當(dāng)前圖像 高頻分量占整個(gè)圖像能量的比例越多且對比度越高，則圖像越接近聚焦區(qū)域，反之則圖像 越遠(yuǎn)離聚焦區(qū)域。同時(shí)，DSP模塊通過對圖像清晰度的對比，確定聚焦鏡片移動的方向，并 將該信號傳遞給電機(jī)驅(qū)動模塊進(jìn)行控制。此單元的原理圖如圖8所示。其中，Ul可以采用ADI公司的Blackfin系列dsp芯片，U2為攝像機(jī)信號處理單 元，可采用索尼公司的4103-227套片組實(shí)現(xiàn)，U3可采用SIPEX公司的SP3220EEA芯片。Ul 的PPICLK連接至U2的CLK，Ul的PPID0-7依次連接到U2的DATEO-7，Ul的SCL與SDA分 別連接至U2的SCL與SDA。Ul的UART_TX與UART_RX分別連接至U3的DIN和ROUT端口。 電阻Rl —頭接3. 3V，一頭接至Ul的SCL腳，電阻R2 —頭接3. 3V，一頭接至Ul的SDA腳， 電容Cl分別連接U3的Cl-腳和Cl+腳，電容C2分別連接U3的C2-腳與C2+腳，電容C3 分別連接地線與V+腳，電容C4分別連接地線與V-腳。具有以上設(shè)備配置的攝像機(jī)，能夠?qū)⑼饨缇拔镄纬汕逦囊曨l信號，并將其輸出 至外接的顯示屏或儲存介質(zhì)中。本發(fā)明的自動聚焦方法，包括以下步驟1、選擇合適的清晰度評價(jià)區(qū)域，包括(1)在不受鄰接區(qū)域干擾的前提下選擇適 當(dāng)?shù)乃阉鲄^(qū)域大小，(2)根據(jù)當(dāng)前圖像的清晰區(qū)域選擇搜索區(qū)域的位置。2、選擇合適的清晰度評價(jià)函數(shù)，包括(1)通過頻域評價(jià)函數(shù)、空間域評價(jià)函數(shù)、 及頻域和空域相結(jié)合的最優(yōu)評價(jià)函數(shù)作為清晰度評價(jià)函數(shù)，(2)基于DSP對算法進(jìn)行優(yōu)化。1、選擇合適的清晰度評價(jià)區(qū)域清晰度評價(jià)區(qū)域的選擇會直接影響到聚焦算法的計(jì)算復(fù)雜度以及聚焦精度。一方 面，聚焦區(qū)域大小的選擇直接影響到聚焦算法的計(jì)算復(fù)雜度，加快聚焦速度。另一方面，通 過一定算法挑選出感興趣的區(qū)域進(jìn)行聚焦，剔除背景部分，能夠有效的改善清晰度曲線的 單峰性能，提高聚焦精度。本發(fā)明提供了一種確定清晰度評價(jià)區(qū)域大小和位置的方法。1.1在不受鄰接區(qū)域干擾的前提下選擇適當(dāng)?shù)乃阉鲄^(qū)域大小搜索區(qū)域過大或過小都會破壞聚焦曲線的單峰性。圖3是說明在散焦?fàn)顟B(tài)下，圖 像會發(fā)生模糊，圖像邊界會有一定程度上的擴(kuò)張。圖2若選取的評價(jià)區(qū)域太小，圖像會由于 區(qū)域附近擴(kuò)張圖像的干擾而使清晰度曲線喪失單峰性。圖4說明了評價(jià)區(qū)域過大，則會因 為混入了過多不同深度的景物而使清晰度曲線單峰性變差。因此，評價(jià)區(qū)域的上限與下限 必須滿足上述2個(gè)條件。通過對上述2個(gè)條件的測試，本發(fā)明取原圖像的MXN作為評價(jià)區(qū) 域的大小。其中，M，N取圖像行數(shù)和列數(shù)的1/3至1/2。1.2根據(jù)當(dāng)前圖像的清晰區(qū)域選擇搜索區(qū)域的位置。評價(jià)區(qū)域的位置直接影響聚焦的精度。本發(fā)明采用圖像梯度方法判斷評價(jià)區(qū)域的 位置。具體的，通過式(1)求得當(dāng)前圖像水平和垂直梯度，由式(2)求得當(dāng)前像素點(diǎn)的梯度 大小，在預(yù)設(shè)的N個(gè)區(qū)域分別求得區(qū)域內(nèi)梯度大小之和作為判斷每個(gè)區(qū)域清晰度大小的判 據(jù)，將清晰度最大的區(qū)域作為聚焦搜索區(qū)域。
權(quán)利要求
一種一體化的自動聚焦攝像機(jī)裝置，其特征在于，它包括可變倍的光學(xué)變焦鏡頭單元、CCD圖像傳感器單元、電機(jī)驅(qū)動單元、攝像機(jī)信號處理單元、DSP圖像處理單元和通信單元。其中，所述可變倍的光學(xué)變焦鏡頭單元、CCD圖像傳感器單元、攝像機(jī)信號處理單元、DSP圖像處理單元、電機(jī)驅(qū)動單元依次串連、電機(jī)驅(qū)動單元和可變倍的光學(xué)變焦鏡頭單元相連，攝像機(jī)信號處理單元和DSP圖像處理單元分別與通信單元相連。
2.一種應(yīng)用權(quán)利要求1所述一體化的自動聚焦攝像機(jī)裝置的自動聚焦方法，其特征在 于，包括以下步驟(1)選擇合適的清晰度評價(jià)區(qū)域首先在不受鄰接區(qū)域干擾的前提下選擇適當(dāng)?shù)乃阉?區(qū)域大小，然后根據(jù)當(dāng)前圖像的清晰區(qū)域選擇搜索區(qū)域的位置。(2)選擇合適的清晰度評價(jià)函數(shù)首先通過頻域評價(jià)函數(shù)、空間域評價(jià)函數(shù)、及頻域和 空域相結(jié)合的最優(yōu)評價(jià)函數(shù)作為清晰度評價(jià)函數(shù)，然后基于DSP對算法進(jìn)行優(yōu)化。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述自動聚焦方法，其特征在于，所述通過頻域評價(jià)函數(shù)、空間域評 價(jià)函數(shù)、及頻域和空域相結(jié)合的最優(yōu)評價(jià)函數(shù)作為清晰度評價(jià)函數(shù)具體如下(A)通過下式采用2維傅立葉變換將圖像信號由空域轉(zhuǎn)換至頻域
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述自動聚焦方法，其特征在于，所述基于DSP對算法進(jìn)行優(yōu)化具體為(a)利用下式將2維DFT轉(zhuǎn)化為2次1維DFT的疊加，再利用快速傅立葉變換FFT代替
全文摘要
本發(fā)明公開了一種一體化的自動聚焦攝像機(jī)裝置及清晰度評價(jià)方法，以圖像信號的高頻分量為聚焦清晰度的特征估計(jì)值，采用了空域和頻域相結(jié)合的計(jì)算方法確保對聚焦清晰度的可靠評價(jià)。自動聚焦裝置除實(shí)現(xiàn)清晰度評價(jià)值計(jì)算之外，通過對步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)光學(xué)聚焦透鏡的前后移動控制，采用空域和頻域多特征的爬山搜索策略，使成像處在聚焦最清晰位置，采用數(shù)字信號處理器加速，保證快速聚焦。結(jié)合通信接口和控制協(xié)議，實(shí)現(xiàn)一體化攝像機(jī)設(shè)備。
文檔編號G03B13/36GK101943839SQ20101022039
公開日2011年1月12日 申請日期2010年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月6日
發(fā)明者劉云海, 賈晨陽 申請人:浙江大學(xué)