本發(fā)明涉及紅外成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種紅外熱像儀自動對焦方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

對焦清晰是紅外熱像儀的紅外圖像觀察和溫度測量的前提。紅外電動鏡頭包含一組聚焦鏡片，通過驅(qū)動外置電機轉(zhuǎn)動，改變鏡片組的位置可調(diào)節(jié)對焦景深。通過自動對焦的方法和裝置來替代人工手動對焦，可極大縮短對焦耗時和提高對焦精度，提高紅外熱像儀使用體驗。自動對焦大體分為主動式和被動式兩種，主動式自動對焦利用成像設(shè)備上的超聲波發(fā)生器發(fā)出超聲波或紅外線發(fā)生器發(fā)出紅外光到被攝物體上，成像設(shè)備的接收器接收反射信號并進行對焦。此方法在物體無反射時應(yīng)用受限且需要額外器件，系統(tǒng)成本較高。被動式自動對焦直接分析來自景物自身的成像來判斷成像是否清晰，從而驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，尋找最佳對焦點。該方法屬于純軟件算法，應(yīng)用成本低，因此可廣泛應(yīng)用于各種成像系統(tǒng)。

由于紅外熱成像系統(tǒng)的中心波長約15倍于可見光系統(tǒng)，因此紅外鏡頭不同于一般的可見光鏡頭，體積較大，電機系統(tǒng)反應(yīng)遲鈍。此外，紅外圖像信噪比低于可見光圖像，因此現(xiàn)有的可見光圖像的自動聚焦算法不能直接應(yīng)用于紅外熱像儀。另外，現(xiàn)有的紅外自動調(diào)焦技術(shù)存在速度慢、對焦精度低等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，有必要提供一種能提高自動調(diào)焦速度和對焦精度的紅外熱像儀自動對焦方法和系統(tǒng)。

一種紅外熱像儀自動對焦方法，包括如下步驟：

步驟1：確定待對焦區(qū)域；

步驟2：電機全速轉(zhuǎn)動，采集待對焦區(qū)域的圖像并獲取每幀圖像的像素值；采用第一對焦評價函數(shù)并根據(jù)每幀圖像的像素值計算第一轉(zhuǎn)動方向值；根據(jù)第一轉(zhuǎn)動方向值確定電機的轉(zhuǎn)動方向是否正確，如果正確，方向不變?nèi)俎D(zhuǎn)動；如果否，方向反轉(zhuǎn)并全速轉(zhuǎn)動；

步驟3：在電機全速轉(zhuǎn)動過程中，繼續(xù)采集圖像并采用第一對焦評價函數(shù)計算第二轉(zhuǎn)動方向值；根據(jù)第二轉(zhuǎn)動方向值判斷電機是否到達最佳對焦位置附近；如果第二轉(zhuǎn)動方向值不斷增加，未到達最佳對焦位置附近，電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動；如果第二轉(zhuǎn)動方向值出現(xiàn)降低，則到達最佳對焦位置附近，電機立即停止轉(zhuǎn)動；

步驟4：將電機轉(zhuǎn)速降為全速的一半并反轉(zhuǎn)，繼續(xù)采集圖像并獲取每幀圖像的像素值，采用第二對焦評價函數(shù)并根據(jù)半速反轉(zhuǎn)過程中獲取的像素值計算第三轉(zhuǎn)動方向值；根據(jù)第三轉(zhuǎn)動方向值判斷對焦是否完成，如果第三轉(zhuǎn)動方向值連續(xù)增加，保持電機轉(zhuǎn)動方向不變，繼續(xù)轉(zhuǎn)動；如果第三轉(zhuǎn)動方向值出現(xiàn)降低，立即停止電機轉(zhuǎn)動，自動對焦完成。

以及，一種紅外熱像儀自動對焦系統(tǒng)，包括：

對焦區(qū)域確定單元，用于確定待對焦區(qū)域；

圖像獲取單元，用于采集待對焦區(qū)域的圖像并獲取每幀圖像的像素值；

電機控制單元，用于控制電機轉(zhuǎn)動的方向和速度；

全速方向確定單元，采用第一對焦評價函數(shù)，根據(jù)圖像獲取單元在電機全速轉(zhuǎn)動過程中獲取的像素值，計算第一轉(zhuǎn)動方向值；根據(jù)第一轉(zhuǎn)動方向值確定電機的轉(zhuǎn)動方向是否正確；所述電機控制單元根據(jù)全速方向確定單元確定的結(jié)果控制電機全速轉(zhuǎn)動；

對焦位置附近判斷單元，采用第一對焦評價函數(shù)，根據(jù)圖像獲取單元在電機在全速方向確定單元確定的轉(zhuǎn)動方向轉(zhuǎn)動過程中獲取的像素值，計算第二轉(zhuǎn)動方向值；根據(jù)第二轉(zhuǎn)動方向值判斷電機是否到達最佳對焦位置附近；如果第二轉(zhuǎn)動方向值出現(xiàn)降低，到達最佳對焦位置附近，電機控制單元控制電機立即停止轉(zhuǎn)動，接著控制電機轉(zhuǎn)速降為全速的一半并反轉(zhuǎn)；

對焦完成判斷單元，采用第二對焦評價函數(shù)，根據(jù)圖像獲取單元在電機在半速反轉(zhuǎn)過程中獲取的像素值，計算第三轉(zhuǎn)動方向值；根據(jù)第三轉(zhuǎn)動方向值判斷對焦是否完成，如果第三轉(zhuǎn)動方向值連續(xù)增加，對焦未完成，電機控制單元控制電機轉(zhuǎn)動方向不變，繼續(xù)轉(zhuǎn)動；如果第三轉(zhuǎn)動方向值出現(xiàn)降低，電機控制單元控制電機立即停止轉(zhuǎn)動，自動對焦完成。

本發(fā)明的一種紅外自動對焦方法和系統(tǒng)通過采用兩個差異化的對焦評價函數(shù)，當(dāng)電機高速轉(zhuǎn)動時，采用低精度對焦評價函數(shù)，快速定位至附近；當(dāng)電機低速轉(zhuǎn)動時，采用高精度對焦評價函數(shù)，精確定位到最佳對焦位置，克服了紅外對焦電機速度慢、響應(yīng)慢的缺陷，提高了紅外熱像儀自動對焦速度和對焦精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種紅外自動對焦方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明一種紅外自動對焦系統(tǒng)的框圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提供的一種紅外熱像儀自動對焦方法的流程，如圖1所示，具體過程如下：

步驟1：確定待對焦區(qū)域。

具體的，在同一紅外場景中，不同區(qū)域的景深不同，采用圖像清晰度評價函數(shù)前首先應(yīng)該確定待對焦區(qū)域。在本發(fā)明中，待對焦區(qū)域可通過通信命令、電腦鼠標(biāo)或觸摸顯示屏指定。

步驟2：確定電機全速轉(zhuǎn)動方向。

具體的，電機全速轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的方向可任意選擇，優(yōu)選遠焦方向為電機全速轉(zhuǎn)動方向。在電機全速轉(zhuǎn)動過程中，采集待對焦區(qū)域的圖像并獲取每幀圖像的像素值。采用第一對焦評價函數(shù)并根據(jù)每幀圖像的像素值計算第一轉(zhuǎn)動方向值。根據(jù)第一轉(zhuǎn)動方向值確定電機的轉(zhuǎn)動方向是否正確。如果正確，方向不變?nèi)俎D(zhuǎn)動。如果否，方向反轉(zhuǎn)并全速轉(zhuǎn)動。

其中，第一對焦評價函數(shù)G_A采用sobel算子與與待對焦區(qū)域圖像求平面卷積，得到邊緣銳度因子，計算每個像素值的邊緣因子平方和的平方根并求和。具體的，sobel算子為2組3×3矩陣，分別為橫向算子和縱向算子。橫向算子和縱向算子分別與待對焦區(qū)域的圖像I_M×N做平面卷積，分別得到橫向邊緣銳度因子G_h與縱向邊緣銳度因子G_v，接著計算各個像素銳度因子平方和的平方根并求和，即得到第一轉(zhuǎn)動方向值。具體如下：

如果第一轉(zhuǎn)動方向值不斷增加，則電機轉(zhuǎn)動方向正確。如果第一轉(zhuǎn)動方向值不斷降低，則電機轉(zhuǎn)動方向錯誤，將電機反轉(zhuǎn)。如果不能判斷增加或降低，則電機保持方向不變，繼續(xù)轉(zhuǎn)動，直至能確定方向。如果一直無法確定方向，則對焦失敗。

步驟3：全速轉(zhuǎn)動至最佳對焦位置附近。

具體的，在電機全速轉(zhuǎn)動過程中，繼續(xù)采集圖像并采用第一對焦評價函數(shù)G_A計算第二轉(zhuǎn)動方向值。根據(jù)第二轉(zhuǎn)動方向值判斷電機是否到達最佳對焦位置附近。如果第二轉(zhuǎn)動方向值不斷增加，未到達最佳對焦位置附近，電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動。如果第一轉(zhuǎn)動方向值出現(xiàn)降低，則到達最佳對焦位置附近，電機立即停止轉(zhuǎn)動。

步驟4：低速轉(zhuǎn)動至最佳對焦位置。

具體的，將電機轉(zhuǎn)速降為全速的一半并反轉(zhuǎn)，繼續(xù)采集圖像并獲取每幀圖像的像素值。采用第二對焦評價函數(shù)和半速反轉(zhuǎn)過程中獲取的像素值計算第三轉(zhuǎn)動方向值。根據(jù)第三轉(zhuǎn)動方向值判斷對焦是否完成。如果第三轉(zhuǎn)動方向值連續(xù)增加，保持電機轉(zhuǎn)動方向不變，繼續(xù)轉(zhuǎn)動。如果第三轉(zhuǎn)動方向值出現(xiàn)降低，立即停止電機轉(zhuǎn)動，自動對焦完成。

其中，第二對焦評價函數(shù)G_B為待對焦區(qū)域內(nèi)每幀圖像中各個像素值的均方差。具體如下：

其中，f(x,y)為圖像I_M×N的像素值。

第二對焦評價函數(shù)G_B根據(jù)半速反轉(zhuǎn)過程中獲取的每幀圖像計算第三轉(zhuǎn)動方向值。如果第三轉(zhuǎn)動方向值連續(xù)增加，保持電機轉(zhuǎn)動方向不變，繼續(xù)轉(zhuǎn)動。如果第三轉(zhuǎn)動方向值出現(xiàn)降低，立即停止電機轉(zhuǎn)動，自動對焦完成。

在對焦過程中，設(shè)置最長對焦時間，并記錄整個方法運行時間。判斷運行時間是否大于最長對焦時間。如果是，對焦失敗停止電機轉(zhuǎn)動。以防止電機堵轉(zhuǎn)降低電機壽命。

本發(fā)明的一種紅外熱像儀自動對焦方法采用兩個差異化的對焦評價函數(shù)，當(dāng)電機高速轉(zhuǎn)動時，采用低精度對焦評價函數(shù)，快速定位至附近；當(dāng)電機低速轉(zhuǎn)動時，采用高精度對焦評價函數(shù)，精確定位到最佳對焦位置，從而同時提高紅外熱像儀自動對焦速度和對焦精度。

同時，本發(fā)明還提供一種紅外熱像儀自動對焦系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖2所示，包括：

對焦區(qū)域確定單元，用于確定待對焦區(qū)域。

具體的，待對焦區(qū)域可通過通信命令、電腦鼠標(biāo)或觸摸顯示屏指定。

圖像獲取單元，用于采集待對焦區(qū)域的圖像并獲取每幀圖像的像素值。

電機控制單元，用于控制電機轉(zhuǎn)動的方向和速度。

全速方向確定單元，采用第一對焦評價函數(shù)，根據(jù)圖像獲取單元在電機全速轉(zhuǎn)動過程中獲取的像素值，計算第一轉(zhuǎn)動方向值；根據(jù)第一轉(zhuǎn)動方向值確定電機的轉(zhuǎn)動方向是否正確；所述電機控制單元根據(jù)全速方向確定單元確定的結(jié)果控制電機全速轉(zhuǎn)動。

其中，第一對焦評價函數(shù)采用sobel算子與待對焦區(qū)域圖像求平面卷積，得到邊緣銳度因子，計算每個像素值的邊緣因子平方和的平方根并求和，具體如式(1)所示。第一對焦評價函數(shù)根據(jù)圖像獲取單元在電機全速轉(zhuǎn)動過程中獲取的像素值，計算第一轉(zhuǎn)動方向值。如果第一轉(zhuǎn)動方向值不斷增加，全速方向確定單元確定電機轉(zhuǎn)動方向正確，所述電機控制單元控制電機繼續(xù)保持轉(zhuǎn)動。如果第一轉(zhuǎn)動方向值不斷降低，全速方向確定單元確定電機轉(zhuǎn)動方向錯誤，所述電機控制單元控制電機反轉(zhuǎn)。如果不能判斷單調(diào)遞增或遞減，全速方向確定單元確定為電機轉(zhuǎn)動方向不變，電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動，直至能確定方向。如果一直無法確定方向，則確定為對焦失敗。

對焦位置附近判斷單元，采用第一對焦評價函數(shù)，根據(jù)圖像獲取單元在電機在全速方向確定單元確定的轉(zhuǎn)動方向轉(zhuǎn)動過程中獲取的像素值，計算第二轉(zhuǎn)動方向值；根據(jù)第二轉(zhuǎn)動方向值判斷電機是否到達最佳對焦位置附近；如果第二轉(zhuǎn)動方向值出現(xiàn)降低，到達最佳對焦位置附近，所述電機控制單元控制電機立即停止轉(zhuǎn)動，接著控制電機轉(zhuǎn)速降為全速的一半并反轉(zhuǎn)；

對焦完成判斷單元，采用第二對焦評價函數(shù)，根據(jù)圖像獲取單元在電機在半速反轉(zhuǎn)過程中獲取的像素值，計算第三轉(zhuǎn)動方向值；根據(jù)第三轉(zhuǎn)動方向值判斷對焦是否完成，如果第三轉(zhuǎn)動方向值連續(xù)增加，電機控制單元控制電機轉(zhuǎn)動方向不變，繼續(xù)轉(zhuǎn)動；如果第三轉(zhuǎn)動方向值出現(xiàn)降低，電機控制單元控制電機立即停止轉(zhuǎn)動，自動對焦完成。

其中，第二對焦評價函數(shù)為待對焦區(qū)域內(nèi)每幀圖像中各個像素值的均方差，具體如式(2)所示。第二對焦評價函數(shù)G_B根據(jù)半速反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動過程中獲取的每幀圖像計算第三轉(zhuǎn)動方向值。如果第三轉(zhuǎn)動方向值連續(xù)增加，對焦完成判斷單元判斷對焦未完成，則所述電機控制單元控制電機轉(zhuǎn)動方向不變，繼續(xù)轉(zhuǎn)動。如果第三轉(zhuǎn)動方向值出現(xiàn)降低，對焦完成判斷單元判斷對焦完成，所述電機控制單元控制電機立即停止轉(zhuǎn)動。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。