一种粗调细调相结合的快速插值焦点探索算法制造技术

本发明专利技术公开一种粗调细调相结合的快速插值焦点探索算法，主要包括如下步骤：（１）粗调：在全域范围内以一定的采样间隔进行探索并分别计算各采样点的对焦评价函数值；（２）细调：在细调区间内以较小的采样间隔进行精确探索，分别计算各采样点的对焦评价函数值，焦点的位置处于采样得到的最大值所在区间及其前后两个采样区间之内；（３）插值：取最大值左边的两个采样点和右边的两个采样点的值，将其分别连成的直线，两条直线的交点作为采样区间的插入值，该插入值所在的位置即为非常接近实际焦点的位置。本发明专利技术采用了全域探索、局部插值的技术，通过粗调、细调、插值这三个过程，可以实现非常快速精确的焦点定位，具有探索速度快、精度高等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于自动对焦领域、工业自动控制领域，具体涉及一种焦点探索算法。
技术介绍
光学成像系统是机器视觉系统的“眼睛”，其重要性毋容置疑。自动对焦技术是数 字成像系统的核心技术之一，当违背成像规律产生离焦时，一方面需要机器视觉系统能够 智能、快速的调节光学参数以聚焦，从而得到清晰、可用的图像，保证机器视觉系统的正常 运行。可以说只要有对输入视频进行监控或处理的的设备上都需要用到自动对焦模块。自动对焦技术广泛的应用在工业生产及社会生活的各个领域。在医疗器械领域， 生化分析仪、内窥镜、CT、MRIα线机等都需要自动对焦功能；在光学仪器如数码相机、摄像 机、视频监控器材、显微镜、望远镜等产品上自动对焦模块是必不可少的；在工业生产设备 如电路板印刷机、液晶显示板印刷机、太阳能电池板印刷机、薄膜面板印刷机等设备上自动 对焦功能更能够提高生产效率，满足设备智能性的要求；在办公仪器如扫描仪，投影仪以及 在计量仪器如遥感遥测、测量仪等诸多产品上，自动对焦功能同样在提高市场竞争力，改善 产品效能上都起着不可或缺的作用。图像的清晰度可以通过计算图像的高频分量来进行判断，数字图像处理理论认 为，信号或图像的能量大部分集中在幅度谱的低频和中频分量部分，但轮廓的锐度和细节 取决于图像的高频分量部分。对焦评价函数是通过计算图像的高频分量值而确定图像的离焦程度的，对焦评价 函数输出值越大，则图像中的高频分量就越多，图像边缘轮廓就越清晰；相反对焦评价函数 输出值越小，则图像中的高频分量就越少，图像的边缘轮廓就越模糊。一般而言在焦点位置 的图像边缘轮廓最为清晰，也就是说对焦评价函数的最大值对应于焦点位置。这就给自动 对焦技术提供了理论依据。基于图像处理的自动对焦技术的基本原理都是通过探索对焦评价函数的最大值 来实现的。目前针对对焦评价函数的研究比较多，也提出了很多性能比较好的对焦评价函 数。但优秀的对焦评价函数最大值探索算法很少有相关的研究论文发表。目前最常用的焦点探索算法是爬山搜索算法，其原理如图1所示。驱动聚焦镜头 的步进电机从起始位置(Α点位置)出发，以等幅间距自左向右逐步探索。每走一步，就计 算一次图像的对焦评价函数值。若计算所得的对焦评价函数值逐渐增大，说明电机驱动方 向正确，系统逐步对焦。当对焦评价函数值第一次出现减小时(B点位置)，说明镜头已经 超过焦点位置，此时应自右向左做反向探索，直到再次出现对焦评价函数值变小时(C点位 置)，说明焦点位置在B点与C点之间。此时减小采样间隔，重复上述探索步骤直到找到焦 点位置。虽然从理论上说爬山探索法非常适用于探索焦点位置，但在实际应用中，传统的 爬山探索法存在着诸多技术问题，主要归纳为以下几点1、在实际应用中，由于在远离准焦 点的区域内，对焦评价函数的曲线是平坦而稍有起伏的，其值的变化缓慢且没有特点，因此运用普通的爬山探索法在那里难以确定电机的转动方向。当电机遇到一个局部极值时就会 错误地认为已经找到准焦点而改变镜头的运动方向或者停止继续对焦，从而无法找到准确 的对焦点；2、爬山探索法实现起来比较简单，但对于一些要求比较高的应用往往达不到所 需的速度和精度。
技术实现思路
专利技术目的本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种粗调细调相结合的 快速插值焦点探索算法，可以避免电机的盲目反转，确保系统快速的找到正确的焦点位置， 并通过插值算法进一步提高焦点精度。技术方案本专利技术所述的粗调细调相结合的快速插值焦点探索算法，主要包括如 下步骤(1)粗调在全域范围内以一定的采样间隔进行探索并分别计算各采样点的对焦 评价函数值，确定采样得到的最大值所在区间及其前后两个采样区间为细调区间；(2)细调在步骤⑴确定的细调区间内以较小的采样间隔再进行精确探索，分别 计算各采样点的对焦评价函数值，焦点的位置处于采样得到的最大值所在区间及其前后两 个采样区间之内；细调区间的采样间隔根据需要设置，间隔越小探索的精度越高；但是如 果采样间隔设定得过于窄小，虽然可以提高精度，但探索次数就会大幅增加，从而大大增加 了电机移动次数和探索时间。(3)插值取最大值左边的的两个采样点a点、b点和右边的两个采样点c点、d点 的值，将a点和b点连成的直线ab，将c点和d点连成的直线cd，直线ab与直线cd的交点 作为采样区间的插入值，该插入值所在的位置即为非常接近实际焦点位置。本专利技术所述的粗调细调相结合的快速插值焦点探索算法，步骤(1)的具体流程 为(11)定义粗调采样间隔Stl，定义探索开始位置Pstl和结束位置Peci，定义对焦评价函 数最大值Fmax = 0(12)计算当前位置的对焦评价函数值Fi，若Fi > Fmax则Fmax = Fi，驱动电机将 镜头移动到下一个采样点；(13)判断电机是否移动到结束位置Peci，若是，则确定Fmax所在区间及其前后区间 为细调区间，进入步骤(2)，若否，则返回步骤(12)。步骤(2)的具体流程为(21)定义细调采样间隔S1，定义探索开始位置Psi和结束位置Pei，复位对焦评价函 数最大值Fmax = 0，定义采样值数组F = Fi，若Fi > Fmax则Fmax = Fi, 驱动电机将镜头移动到下一个采样点；(23)判断电机是否移动到结束位置Pei，若是，则进入步骤(3)，若否，则返回步骤。步骤(3)的具体流程为取F、F、F、F值，计算直线 FF 与直线FF的交点，驱动电机将镜头移动到该交点位置，对焦结束。本专利技术的有益效果为1、本专利技术通过理论结合实际的研究方法，提出了一种粗调 细调相结合的快速插值焦点探索算法，采用了全域探索、局部插值的技术，通过粗调、细调、 插值这三个过程，可以实现非常快速精确的焦点定位，具有探索速度快、精度高等特点，大 大改善了传统的爬山探索法，并提高了结果的正确性和精确性；2、本专利技术粗调过程在探索 全域找到正确的焦点范围，避免算法落入局部极值的错误计算中；细调过程精确定位焦点 位置的小范围区间，提高对焦精度；插值过程预测焦点在小范围区间中的具体位置，在无需 额外采样的情况下进一步提高对焦精度；3、本专利技术方法可以避免电机的盲目反转，确保系 统快速的找到正确的焦点位置，并通过插值算法进一步提高焦点精度；4、本专利技术方法对焦 精度高，由于采用了细调和插值的过程，一般使用本算法可比传统算法精度提高2-3倍；正 确性高，本算法是在全域范围内探索得出焦点区间的，避免了算法落入局部极值的可能性， 因此较传统算法有更高的正确性；快速，由于采用粗调和细调相结合的方法，缩小了探索范 围，减少了探索次数，提高了对焦速度；实现简单，不需要提高计算性能，不需要高级编程技 巧就可以较容易的实现本算法。附图说明图1为本专利技术现有的爬山搜索算法原理图；图2为本专利技术算法原理图；图3为本专利技术算法的流程图。具体实施例方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实施例仅用于说明 专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种 等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。实施例1 一种粗调细调相结合的快速插值焦点探索算法，本算法的原理如图2所 示。首先进行粗调，在全域(A1B1)范围内以较大的采样间隔进行探索并分别计算各采样点 的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种粗调细调相结合的快速插值焦点探索算法，其特征在于主要包括如下步骤：（１）粗调：在全域范围内以一定的采样间隔进行探索并分别计算各采样点的对焦评价函数值，确定采样得到的最大值所在区间及其前后两个采样区间为细调区间；（２）细调：在步骤（１）确定的细调区间内以一定的采样间隔进行精确探索，分别计算各采样点的对焦评价函数值，焦点的位置处于采样得到的最大值所在区间及其前后两个采样区间之内；（３）插值：取最大值左边的的两个采样点ａ点、ｂ点和右边的两个采样点ｃ点、ｄ点的值，将ａ点和ｂ点连成的直线ａｂ，将ｃ点和ｄ点连成的直线ｃｄ，直线ａｂ与直线ｃｄ的交点作为采样区间的插入值，该插入值所在的位置即为非常接近实际焦点位置。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：梁凯，
申请(专利权)人：镇江中信科技开发有限公司，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]