專利名稱：基于雙側預測求交的數(shù)字光學成像系統(tǒng)自動調焦方法
技術領域：
本發(fā)明涉及自動控制技術領域，尤其涉及數(shù)字光學成像系統(tǒng)自動調焦方法。
背景技術：
近年來，隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展和進步，特別(XD、CMOS等數(shù)字成像器件制造技術的成熟和應用，數(shù)字光學成像系統(tǒng)在人類的生活和科學研究中均得到了廣泛的應用。在數(shù)字光學成像系統(tǒng)的眾多技術中，自動調焦方法是影響數(shù)字光學成像系統(tǒng)的成像質量和效率的關鍵技術之一。自動調焦技術一般可分為主動自動調焦法和被動自動調焦法。主動自動調焦法由于需要額外的光路或測距設備，導致系統(tǒng)復雜、成本高?；趫D像處 理的被動自動調焦方法無需額外設備，利于設備的集成化和微型化，可以大幅度降低設備成本和設備復雜度。因此，基于圖像處理的自動調焦方法在數(shù)字光學成像系統(tǒng)中得到了廣泛的應用?；趫D像處理的自動調焦技術主要解決評價圖像像素信息的調焦評價函數(shù)和搜索聚焦位置的自動調焦方法兩個問題。長期以來，由于自動調焦過程的不可預知性，研究者主要側重于調焦評價函數(shù)的研究，而針對自動調焦方法的研究則較少?，F(xiàn)有的自動調焦方法可以分為3大類第一類是應用爬山法及其改進方法搜索調焦評價函數(shù)曲線峰值位置的方法。Ooi等人(IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 36, No. 3, 526-530, 1990)用爬山法實現(xiàn)了自動聚焦。He 等人(IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 49，N
o.2，257-262，2003)在調焦過程中根據當前和上ー個調焦評價函數(shù)值的差異動態(tài)地改變調焦步長提出了一種改進的快速爬山法。Yoon和Park (International Journal of AdvancedManufacturing Technology, Vol. 43，No. 3，287-293，2009)采用最大最小差分法和兩階段的捜索算法實現(xiàn)了爬山法，這種方法無需濾波器就可以減小沖擊噪聲的影響。爬山法最主要的問題是調焦速度慢、峰值附近的捜索可能是ー個擺動過程和存在離焦的可能性。第二類是應用二分搜索法和Fibonacci搜索法(Fifth InternationalConference on Image Processing and its Applications, pp. 232-235，1995)搜索調焦評價函數(shù)曲線峰值位置的方法。二分捜索法和Fibonacci捜索法具有易受噪聲干擾、鏡頭運動距離過長和移動顯微鏡的執(zhí)行器往復運動多次引入空回誤差等缺點，限制了它們在實際中的應用。第3類是應用曲線擬合獲得調焦評價函數(shù)曲線峰值位置的方法。Yazdanfar等人(Optics Express, Vol. 16，No. 12，8670-8677，2008)提出了ー種將 2-3 幅圖像的調焦評價函數(shù)值代入經驗函數(shù)確定聚焦位置的自動調焦方法，該方法將Brenner調焦評價函數(shù)和曲線擬合相結合，只需要不超過3幅圖像就可以獲得聚焦位置?；谇€擬合的自動調焦方法大多假設非對稱的實際調焦評價函數(shù)曲線關于峰值位置對稱，這將引入原理性誤差。綜上所述，如何提高數(shù)字光學成像系統(tǒng)的自動調焦的準確性和效率依然是廣泛關注的問題，其中新原理的自動調焦方法是解決問題的關鍵之一。

發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種可提高數(shù)字光學成像系統(tǒng)的自動調焦的準確性和效率的基于雙側預測求交的數(shù)字光學成像系統(tǒng)自動調焦方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現(xiàn)的基于雙側預測求交的數(shù)字光學成像系統(tǒng)自動調焦方法，包括如下步驟I)對調焦評價函數(shù)曲線峰值位置左、右兩側的調焦評價函數(shù)曲線分別進行獨立的采樣和預測；2)計算預測的左、右調焦評價函數(shù)曲線的交點或預測的左、右離散調焦評價函數(shù) 值序列中相同位置的調焦評價函數(shù)值之差的絕對值的最小值位置；3)控制執(zhí)行機構移動數(shù)字光學成像系統(tǒng)的焦平面到該交點或最小值位置(聚焦位置)。進ー步，所述步驟I)具體包括如下步驟11)確定包含調焦評價函數(shù)曲線峰值位置的區(qū)域，將其的左、右側鄰域作為左、右采樣區(qū)域；12)在數(shù)字光學成像系統(tǒng)的焦平面所在的采樣區(qū)域內進行圖像采樣和評價，用獲得調焦評價函數(shù)值和相應的采樣位置構造用于預測的樣本點序列；13)通過獲得的樣本點序列和該側的預測模型預測該側的調焦評價函數(shù)曲線或離散的調焦評價函數(shù)值序列；14)將數(shù)字光學成像系統(tǒng)的焦平面移動到調焦評價函數(shù)曲線峰值位置另ー側的采樣區(qū)域，在該采樣區(qū)域內進行圖像采樣和評價，用獲得調焦評價函數(shù)值和相應的采樣位置構造樣本點序列。15)通過獲得的樣本點序列和該側的預測模型預測該側的調焦評價函數(shù)曲線或離散的調焦評價函數(shù)值序列。進ー步，若步驟I)中獲得的預測數(shù)據為調焦評價函數(shù)曲線，則步驟2)中計算預測的左、右調焦評價函數(shù)曲線的交點，步驟3)中控制執(zhí)行機構移動數(shù)字光學成像系統(tǒng)的焦平面到該交點。進ー步，若步驟I)中獲得的預測數(shù)據為離散調焦評價函數(shù)值序列，則步驟2)中計算預測的左、右離散調焦評價函數(shù)值序列中相同位置的調焦評價函數(shù)值之差的絕對值的最小值位置，步驟3)中控制執(zhí)行機構移動數(shù)字光學成像系統(tǒng)的焦平面到該最小值位置。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的基于雙側預測求交的數(shù)字光學成像系統(tǒng)自動調焦方法具有如下優(yōu)點I.本發(fā)明通過在調焦評價函數(shù)曲線峰值位置左、右側分別預測左、右調焦評價函數(shù)曲線，避免了函數(shù)擬合法中假設非対稱的實際調焦評價函數(shù)曲線為對稱曲線所帶來的原
理性誤差。2.本發(fā)明采用計算預測的左、右調焦評價函數(shù)曲線的交點確定聚焦位置，避免了快速爬山法中在峰值位置附件可能出現(xiàn)的擺動搜索過程。3.本發(fā)明采用預測值代替實際的調焦評價函數(shù)值，能有效減少圖像采集和調焦評價函數(shù)計算次數(shù)，具有較高的調焦效率。
4.本發(fā)明采用預測的方法獲取數(shù)字光學成像系統(tǒng)的聚焦位置，調焦精度受采樣步長的影響小，具有聞的調焦精度和調焦效率。5.本發(fā)明中可以選用各種調焦評價函數(shù)來評價圖像像素信息，可以使用具有少數(shù)采樣點預測多個預測點功能的各種預測方法，兩個采樣區(qū)域內使用的預測方法和采樣步長可以不一致，使本發(fā)明的方法更靈活，適用范圍廣泛。本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書和權利要求書來實現(xiàn)和獲得。


圖I是理想的調焦評價函數(shù)曲線圖；圖2是基于雙側預測求交的數(shù)字光學成像系統(tǒng)自動調焦方法的原理示意圖，其中圖2 (a)是確定左、右采樣區(qū)域的示意圖，圖2(b)是在LSA采樣和預測的示意圖，圖2 (c)是在RSA采樣和預測的示意圖，圖2(d)是當預測結果是調焦評價函數(shù)曲線時預測的左右調焦評價函數(shù)的交點的示意圖，圖2(e)是當預測結果是調焦評價函數(shù)值和相應的位置構造的離散點序列時預測的獲取系列Ip中最小值對應的位置的示意圖；圖3是實施例I的流程示意圖；圖4是本發(fā)明實施例I的程序流程示意圖，其中圖4(a)是主程序流程圖，圖4(b)是7點爬山法確定包含峰值位置區(qū)域的流程圖，圖4(c)是更新樣本點的流程圖；圖5是實施例2的流程示意圖；圖6是實施例3的流程示意圖；圖7是實施例4的流程示意圖。
具體實施例方式以下將對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。應當理解，優(yōu)選實施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。參見圖1，從圖I所示的一種表征調焦過程的調焦評價函數(shù)曲線可知，曲線峰值位置Sp和曲線峰值位置鄰域最左邊位置和最右邊位置S1和ち組成的兩個區(qū)域，[Si Sp]和[SpSj，可以當作曲線峰值位置的左、右鄰域。因此，峰值位置左、右鄰域內的左、右調焦評價函數(shù)曲線ち(8)和f；(S)可表示為
「 ^[s, s ]⑴\ ,、 r⑴
[/“め=丨 se[sp sr]式中FV(S)為在采樣位置s處的采樣圖像的調焦評價函數(shù)值。根據圖I和式⑴，調焦評價函數(shù)曲線的峰值位置可以看作是左、右兩條調焦評價函數(shù)曲線も(S)和f；(s)的交點位置。針對調焦評價函數(shù)曲線的上述特征，本發(fā)明提出的雙側預測和求交自動調焦方法確定包含調焦評價函數(shù)曲線峰值位置的區(qū)域和該區(qū)域的左、右鄰域，并將這個左、右鄰域確定為左、右采樣區(qū)域(LSA和RSA);根據能表示調焦評價函數(shù)曲線峰值位置兩側的曲線發(fā)展趨勢的預測模型和分別在LSA和RSA內獲得的采樣圖像的調焦評價函數(shù)值和相應的采樣位置構造的兩個樣本點序列預測峰值位置左、右側的調焦評價函數(shù)曲線；獲得預測的左、右調焦評價函數(shù)曲線的交點并控制執(zhí)行機構移動焦平面到該交點實現(xiàn)自動調焦。該方法的技術方案是這樣實現(xiàn)的首先，如圖2(a)所示，根據現(xiàn)有的方法獲得包含峰值位置的區(qū)域(spl Spr)和該區(qū)域的左、右鄰域[S1 Spl]和[sPr sj，將該區(qū)域的左、右鄰域當作LSA和RSA。其次，如圖2(b)和圖2(c)所示，通過評估分別以一定的采樣步長在LSA和RSA內獲得的采樣圖像，獲得兩個樣本點系列S1和も，可分別表示為S1= {(S1 ⑴，F(xiàn)V1 ⑴)，(S1 ⑵，F(xiàn)V·1 ⑵)，...，(S1 (n)，F(xiàn)V1 (η))} n e N* (2)Sr= {(sr (I), FVr(I)), (sr(2)，F(xiàn)Vr(2))，…，(sr (m), FVr (m)) }m e N* (3)式中n和m分別是S1和SJ勺樣本點數(shù)量，(S1 (i) FV1 (i))和(sr (i) FVr (i))分別表示S1和Sr的第i個樣本點，對S1和Sr而言，i彡η和m，其中Sl(i)和FV1⑴表示S1的第I個樣本點的采樣位置和調焦評價函數(shù)值，Sr(i)和FVJi)表示も的第i個樣本點的采樣位置和調焦評價函數(shù)值，N*表示正整數(shù)?？紤]預測模型形式為/ (-s) = /(<s)(4)式中f (S)和/レ)分別表示預測模型和預測結果。預測結果/(s)是預測調焦評價函數(shù)曲線或預測的調焦評價函數(shù)值和相應的預測位置構造的離散點序列，根據式(4)和采樣系列S1和Sp計算預測的左、右調焦評價函數(shù)曲線j；和/'或預測的左、右側的離散點序列/,
和i。其中又,和/·P分別可表示為flp = Ji1(I),^(1)1(^(2),FF1(A)J) AeN*(4)
_] Λ = |ir (I), (1)}^ (2), FF1 (2))· · ·, (ir ImXFV1 (Λ))} ^eN*(5)最后，如果預測結果是預測調焦評價函數(shù)曲線，那么如圖2(d)所示，預測的左、右調焦評價函數(shù)曲線的交點滿足/(-sp)-/r(ip) = 0(6)交點ち不僅是調焦評價函數(shù)曲線的峰值位置，而且也是數(shù)字光學成像設備的聚焦位置。如果預測結果是離散點序列，根據式(4)和(5)構造的新序列可表示為Xp=IFF1(Z)-FF1(Z)I i<h(7)如圖2(e)所示，序列X中最小值對應的位置作為聚焦位置。移動數(shù)字光學成像系統(tǒng)的焦平面到&位置或序列Ip中最小值對應的位置實現(xiàn)自動調焦。本發(fā)明中，左、右采樣步長、左、右樣本點序列包含的樣本點個數(shù)和雙側的預測模型均可以不一致。預測模型可以使用趨勢外推預測方法和時間序列預測方法，例如灰色預測模型、指數(shù)預測模型等。實施例I參照圖3，本實施例的基于雙側預測求交的數(shù)字光學成像系統(tǒng)自動調焦方法的流程圖，包括確定峰值位置的區(qū)域(I)、左、右采樣區(qū)域(2)、獲得左側樣本點序列(3)右側樣本點序列(4)、左側模型參數(shù)(5)右側模型參數(shù)(6)、交點位置(7)、移動焦平面到交點位置(8)。為說明本實施例的具體實現(xiàn)，以Variance函數(shù)作為調焦評價函數(shù),7點爬山法作為確定包含調焦評價函數(shù)曲線峰值位置的區(qū)域和左、右采樣區(qū)域的方法，指數(shù)預測模型作為雙側預測模型，最小二乗法作為計算雙側預測模型的模型參數(shù)的方法。本實施例的具體實現(xiàn)如下在確定左、右采樣區(qū)域的步驟中，用一定的采樣步長和7點爬山法按照調焦方向(從初始采樣位置指向調焦評價函數(shù)曲線峰值位置的方向)依次獲得7個Variance調焦評價函數(shù)值和相應的采樣位置，得到采樣序列S可表示為S={(s(l),FV(I)), (s(2),FV(2)), ···, (s (i), FV (i)), , (s (7), FV (7))} i = 1,2, -,7 (8)判斷序列S中的FV (4)是否是序列中所有調焦評價函數(shù)值的最大值并且兩個序列(FV(3)，F(xiàn)V(2)，F(xiàn)V(I))和(FV(5)，F(xiàn)V(6)，F(xiàn)V(7))是否均為單調遞減序列。如有ー個條件不滿足，按調焦方向増加ー個調焦評價函數(shù)值和相應采樣位置，更新采樣序列S，直到滿足序列S中FV (4)是最大值且兩個序列(FV (3)，F(xiàn)V (2)，F(xiàn)V(I))和(FV (5)，F(xiàn)V (6)，F(xiàn)V (7))均為單調遞減序列，確定包含調焦評價函數(shù)曲線峰值位置的區(qū)域是(s (3) s (5))，實現(xiàn)本實施例中的⑴。包含調焦評價函數(shù)曲線峰值位置的區(qū)域的左、右鄰域分別為[S(I) s (3)]和[s(5)s (7)]，將這個左、右鄰域當作左、右采樣區(qū)域，實現(xiàn)本實施例中的(2)。將序列((s(l)FV(l)),(s (2) FV (2)), (s(3)FV(3)))和((s (5) FV (5)), (s (6)FV(6)), (s(7)FV(7)))分別當作左側和右側樣本點序列，實現(xiàn)本實施例中的(3)和(4)。指數(shù)預測模型可表示為f (s) =aebs (9)式中a和b是需要計算的模型參數(shù)，s是采樣位置，f (S)是在采樣位置s處獲得的調焦評價函數(shù)值。為利用最小二乗法確定模型參數(shù)a和b，式(9)可表示為In f{s)-\na + hs(10)將樣本點序列代入式(10)，可得InFV (i) =lna+bs (i) (11)用最小二乗法求解指數(shù)預測模型參數(shù)Ina和b的等式可表示為=(BTBYBrYN(12)式中 = I 4)，；= ln(FF(/))。通過分別將左側和右側樣本點序列代入式(10)
并根據式(12)，獲得左側指數(shù)預測模型參數(shù)(Inal bol)和右側指數(shù)預測模型參數(shù)(Inもbj，實現(xiàn)本實施例中的(5)和(6)。預測的左、右調焦評價函數(shù)組可表示為
權利要求
1.基于雙側預測求交的數(shù)字光學成像系統(tǒng)自動調焦方法，其特征在于包括如下步驟 1)對調焦評價函數(shù)曲線峰值位置左、右兩側的調焦評價函數(shù)曲線分別進行獨立的采樣和預測； 2)計算預測的左、右調焦評價函數(shù)曲線的交點或預測的左、右離散調焦評價函數(shù)值序列中相同位置的調焦評價函數(shù)值之差的絕對值的最小值位置； 3)控制執(zhí)行機構移動數(shù)字光學成像系統(tǒng)的焦平面到該交點或最小值位置(聚焦位置)。
2.根據權利要求I所述的基于雙側預測求交的數(shù)字光學成像系統(tǒng)自動調焦方法，其特征在于所述步驟I)具體包括如下步驟 11)確定包含調焦評價函數(shù)曲線峰值位置的區(qū)域，將其的左、右側鄰域作為左、右采樣區(qū)域； 12)在數(shù)字光學成像系統(tǒng)的焦平面所在的采樣區(qū)域內進行圖像采樣和評價，用獲得調焦評價函數(shù)值和相應的采樣位置構造用于預測的樣本點序列； 13)通過獲得的樣本點序列和該側的預測模型預測該側的調焦評價函數(shù)曲線或離散的調焦評價函數(shù)值序列； 14)將數(shù)字光學成像系統(tǒng)的焦平面移動到調焦評價函數(shù)曲線峰值位置另ー側的采樣區(qū)域，在該采樣區(qū)域內進行圖像采樣和評價，用獲得調焦評價函數(shù)值和相應的采樣位置構造樣本點序列； 15)通過獲得的樣本點序列和該側的預測模型預測該側的調焦評價函數(shù)曲線或離散的調焦評價函數(shù)值序列。
3.根據權利要求I或2所述的基于雙側預測求交的數(shù)字光學成像系統(tǒng)自動調焦方法，其特征在于若步驟I)中獲得的預測數(shù)據為調焦評價函數(shù)曲線，則步驟2)中計算預測的左、右調焦評價函數(shù)曲線的交點，步驟3)中控制執(zhí)行機構移動數(shù)字光學成像系統(tǒng)的焦平面到該交點。
4.根據權利要求I或2所述的基于雙側預測求交的數(shù)字光學成像系統(tǒng)自動調焦方法，其特征在于若步驟I)中獲得的預測數(shù)據為離散調焦評價函數(shù)值序列，則步驟2)中計算預測的左、右離散調焦評價函數(shù)值序列中相同位置的調焦評價函數(shù)值之差的絕對值的最小值位置，步驟3)中控制執(zhí)行機構移動數(shù)字光學成像系統(tǒng)的焦平面到將最小值位置。
全文摘要
本發(fā)明涉及數(shù)字光學成像系統(tǒng)自動調焦方法，包括對調焦評價函數(shù)曲線峰值位置左、右兩側的調焦評價函數(shù)曲線分別進行獨立采樣和預測；計算預測左、右調焦評價函數(shù)曲線的交點或預測左、右離散調焦評價函數(shù)值序列中相同位置的調焦評價函數(shù)值之差的絕對值的最小值位置；控制執(zhí)行機構移動數(shù)字光學成像系統(tǒng)的焦平面到交點或最小值位置(聚焦位置)。本發(fā)明在包含峰值位置區(qū)域的左、右側鄰域獨立采樣和預測，能夠避免基于曲線擬合的自動調焦方法中將實際不對稱的調焦評價函數(shù)曲線當作對稱曲線帶來的原理性誤差和快速爬山法在峰值附近可能出現(xiàn)的擺動搜索過程。雙側預測求交自動調焦方法的調焦精度受采樣步長的影響小，具有較高的調焦精度和速度。
文檔編號H04N5/232GK102841486SQ20121032316
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月3日 優(yōu)先權日2012年9月3日
發(fā)明者王代華, 周鋒, 吳朝明 申請人:重慶大學