一种基于液体镜头的自动调焦方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于液体镜头的自动调焦方法及系统，包括以下步骤：对整幅图像进行Canny算子边缘检测，得到原图的边界图；对边界图进行2×2窗口的膨胀操作，增加边界区域宽度；对原图进行Sobel算子计算，通过改进型的Tenengrad梯度图像质量评价函数计算得到的改进型Tenengrad梯度值，作为最终的图像清晰度评估参考值；将图像清晰度评估参考值转化为电压信号，液体镜头接收电压信号后，通过变步长的峰值搜索爬山算法实现自动调焦。通过自动调焦算法的改进以及硬件系统的设置，得到的图像清晰度评估参考值具有良好的单峰性和鲁棒性，提高了对焦速度，保证了自对调焦的实时性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于液体镜头的自动调焦方法及系统
本专利技术涉及自动调焦
，尤其是涉及一种基于液体镜头的自动调焦方法及系统。
技术介绍
调焦系统是光电成像系统的关键技术，光电成像系统作为获取图像信息的工具，它可以用于生产过程监控、工况检测、图像拍摄、显微观察、医学图像分析、地质遥感和军事遥感等。要想获取清晰的图像，准确调焦是其中关键点。传统的手动调焦过分依赖人眼的判断，要得到清晰的图像需要反复手动操作，直到取得看似清晰的图像，由于人眼的反应速度受到一定的限制，也许目前调焦得到的清晰图像未必是最清晰的。近些年，随着计算机硬件水平以及数字图像处理技术的不断发展，基于数字图像处理的自动聚焦技术开始蓬勃发展起来。传统的自动调焦方法主要有三种：测距法；相位法；对比度法。其中测距法基本原理是通过向目标发射电磁波，根据反射回来的电磁波判断目标物体的位置，然后通过计算机的控制以实现自动对焦，根据测距电磁波源的不同可分为红外测距法、超声波测距法以及激光测距仪等。相位法主要是根据基准光线和参考光线随被摄物体具体不同而产生不同的位置差，将该位置差换算成相位差，将它与不产生相位差时比较，再根据对焦运算，得到镜头的移动量和运动方向，最后由控制系统控制点击调整镜头，使其相位差为零来完成对焦过程。对比度法是根据图像的边缘信息进行判断，图像轮廓边缘越清晰，则图像亮度梯度值就越大，也就是边缘处物体与背景之间的对比度越大；通过将两个光电检测器放在底片位置的前后相等距离处，分别得到两幅像并计算相应的对比度，如果对比度差值越小，说明两个图像就越接近焦点，不断调整焦距，使得对比度差值最小，完成对焦过程。基于数字图像技术的自动调焦方法是从与传统的自动调焦技术完全不同的角度出发，它是直接针对拍摄的图像采用图像处理技术，对图像进行成像质量的清晰度评价，得到系统当前的对焦状态，然后通过驱动机构调整成像系统镜头的焦距，从而实现自动调焦。目前，在数字成像系统中，自动调焦方法大制可分为两种：离焦深度法和对焦深度法。离焦深度法通过获取图像的深度信息来实现自动对焦，只需要获得几幅不同清晰程度的图像，便能实现自动对焦。这种方法需要获得2～3幅不同的成像参数下的图像，还需要事先用数学模型描述成像系统，然后根据少量的的成像位置获取的图像来计算最佳对焦位置。因为离焦深度法所需图像数量小，大大减少了驱动电机等机械机构获取图像的次数，所以速度较快，但是由于信息量少一些的缘故，精度比较低。离焦深度法主要有两类：一种是基于图像恢复的离焦深度法，与之相关的就是点扩散函数，利用图像退化模型，反演计算恢复出模糊图像的原图；另一种是基于离焦量估计，与之相关的是模糊程度(弥散斑的大小)的分析，确定弥散斑大小与镜头成像参数之间的关系，从而计算出最佳成像位置。离焦深度法的主要缺点是：需要事先获得成像系统精确的数学模型，才能保证对焦的精度，而该数学模型在理论上还不能精确的确定，只能近似估计，从而导致误差极大。对焦深度法：是一种建立在搜寻过程上的对焦方式。它通过选取一种适当图像质量评价函数来评价不同对焦位置所获得图像的清晰度，清晰度值最大时对应最佳的对焦位置。这种方法要通过一系列对焦逐渐准确的图像来确定物体到探测器相面的距离，一般要搜索10～12幅图像才能够精确地找到这个位置，所用图像越多则对焦精度越高。这种方法的理论基础是理想的自动对焦评价函数具有单峰性，即峰值点是对焦最清晰的位置。为了能准确地找到峰值的位置，减少由于噪声产生的局部极值即边缘凸出效应的干扰，可以采用Fibonacci搜索法、爬山法及曲线拟合法等来寻找最佳对焦位置。一个典型的搜索过程需要不同成像参数下的多幅图像，点击驱动镜头移动，镜头每走一个补偿，探测器获得一幅图像，图像送到PC进行采样、分析、评价等计算，得到图像清晰度评价函数值。镜头连续移动(电机的机械移动控制)，系统获得多幅图像的评价函数值，将这些评价函数值进行比较，判断图像是否清晰，对焦是否准确，并给出反馈信号控制微动电机，直到采集到的图像符合使用要求，即完成自动调焦。目前基于数字图像处理的自动聚焦算法各有局限，存在各种缺点，需要进一步完善。目前自动聚焦系统存在的问题：(1)对焦精确度不够高，易对焦失误；(2)对焦稳定性不强，易受环境和噪声的影响；(3)对焦速度到不到要求，实时性有待提高；(4)硬件误差及延时问题的存在，比如系统硬件中的控制镜头移动的步进电机存在误差；镜头移动存在惯性，硬件驱动存在时间延迟等问题；通常以上变步长峰值爬山搜索算法只需要8～12步的调焦过程就可以完成一次对焦，调焦过程在2秒钟左右完成，一定程度上满足了实时性需求。最重要的一点就是在于自动聚焦算法的实时性，因为在不同的环境下，对于相机的自动聚焦成像系统的实时性有一定的要求；只有满足一定的实时性才能满足用户的需求。尤其在微循环监测领域，对于微循环检测仪自动聚焦成像系统的实时性要求较高，以便于快速精确的判断危重病人的微循环状况。
技术实现思路
为了解决上述现有技术中的问题，本专利技术的目的是提供一种基于液体镜头的自动调焦方法及系统，通过自动调焦算法的改进以及硬件系统的设置，得到的图像清晰度评估参考值具有良好的单峰性，提高了对焦速度，保证了自对调焦的实时性；避免了传统硬件中的控制镜头移动的步进电机存在的误差及延时问题。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于液体镜头的自动调焦方法，包括步骤：a)对整幅图像进行Canny算子边缘检测，得到原图的边界图；b)对边界图进行2×2窗口的膨胀操作，增加边界区域宽度；c)对原图进行Sobel算子计算；d)对窗口区域进行选择；e)根据步骤b)膨胀后的边界图和步骤d)选择的窗口区域，采用改进型的Tenengrad梯度图像质量评价函数计算得到改进型的Tenengrad梯度值，作为最终的图像清晰度评估参考值；所述改进型的Tenengrad梯度图像质量评价函数表达式如下：其中，Gx(x，y)，Gy(x，y)分别是图像各像素点f(x，y)与Sobel算子的卷积，M和N分别代表被评估图像窗口区域的水平方向像素点个数和垂直方向像素点个数，FTenengrad为改进型Tenengrad梯度值，f(x，y)为图像的(x，y)坐标位置像素点的灰度值，可直接读取获得；f)将所述图像清晰度评估参考值转化为电压信号，液体镜头接收所述电压信号后，采用变步长的峰值搜索爬山算法对成像目标、液体镜头及控制模块进行反馈控制，从而完成实时自动对焦。优选地，所述Sobel算子定义为：Gx＝[f(x-1，y-1)+2f(x+1，y)+f(x+1，y+1)]-[f(x-1，y-1)+2f(x-1，y)+f(x-1，y+1)]Gy＝[f(x-1，y+1)+2f(x，y+1)+f(x+1，y+1)]-[f(x-1，y-1)+2f(x，y-1)+f(x+1，y-1)]。优选地，所述窗口区域通过调焦窗口进行选择，其中，所述调焦窗口采用多点取窗口区域选择算法进行选取；多点取窗口区域选择算法通过对图像进行统计，给出主体景物估计区域，然后，取多点窗口区域作为调焦区域；具体为，对一幅大小为m×n的数字图像f进行多点取窗口区域选择，包括中心区域的一个大窗口以及中心区域周边的四个小窗口，选择窗口区域表示为下式：其中，I为选择本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于液体镜头的自动调焦方法，其特征在于，包括步骤：a)对整幅图像进行Canny算子边缘检测，得到原图的边界图；b)对边界图进行2×2窗口的膨胀操作，增加边界区域宽度；c)对原图进行Sobel算子计算；d)对窗口区域进行选择；e)根据步骤b)膨胀后的边界图和步骤d)选择的窗口区域，采用改进型的Tenengrad梯度图像质量评价函数计算得到改进型的Tenengrad梯度值，作为最终的图像清晰度评估参考值；所述改进型的Tenengrad梯度图像质量评价函数表达式如下：

【技术特征摘要】
1.一种基于液体镜头的自动调焦方法，其特征在于，包括步骤：a)对整幅图像进行Canny算子边缘检测，得到原图的边界图；b)对边界图进行2×2窗口的膨胀操作，增加边界区域宽度；c)对原图进行Sobel算子计算；d)对窗口区域进行选择；e)根据步骤b)膨胀后的边界图和步骤d)选择的窗口区域，采用改进型的Tenengrad梯度图像质量评价函数计算得到改进型的Tenengrad梯度值，作为最终的图像清晰度评估参考值；所述改进型的Tenengrad梯度图像质量评价函数表达式如下：其中，Gx(x，y)，Gy(x，y)分别是图像各像素点f(x，y)与Sobel算子的卷积，M和N分别代表步骤d)选择的窗口区域的水平方向像素点个数和垂直方向像素点个数，FTenengrad为改进型Tenengrad梯度值，f(x，y)为图像的(x，y)坐标位置像素点的灰度值；f)将所述图像清晰度评估参考值转化为电压信号，液体镜头接收所述电压信号后，采用变步长的峰值搜索爬山算法对成像目标、液体镜头及控制模块进行反馈控制，从而完成实时自动对焦。2.根据权利要求1所述的一种基于液体镜头的自动调焦方法，其特征在于，所述Sobel算子定义为：Gx＝[f(x-1，y-1)+2f(x+1，y)+f(x+1，y+1)]-[f(x-1，y-1)+2f(x-1，y)+f(x-1，y+1)]Gy＝[f(x-1，y+1)+2f(x，y+1)+f(x+1，y+1)]-[f(x-1，y-1)+2f(x，y-1)+f(x+1，y-1)]。3.根据权利要求1所述的一种基于液体镜头的自动调焦方法，其特征在于，所述窗口区域通过调焦窗口进行选择，其中，所述调焦窗口采用多点取窗口区域选择算法进行选取；所述多点取窗口区域选择算法通过对图像进行统计，给出主体景物估计区域，然后，取多点窗口区域作为调焦区域；具体为，对一幅大小为m×n的图像进行多点取窗口区域选择，包括中心区域的一个大窗口以及中心区域周边的四个小窗口...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐遥芳，陈大强，刘嘉惠，亚历克斯布兰多，罗晓川，
申请(专利权)人：广州医软智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44