专利名称：基于双侧预测求交的数字光学成像系统自动调焦方法
技术领域：
本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及数字光学成像系统自动调焦方法。
背景技术：
近年来，随着电子技术和计算机技术的发展和进步，特别(XD、CMOS等数字成像器件制造技术的成熟和应用，数字光学成像系统在人类的生活和科学研究中均得到了广泛的应用。在数字光学成像系统的众多技术中，自动调焦方法是影响数字光学成像系统的成像质量和效率的关键技术之一。自动调焦技术一般可分为主动自动调焦法和被动自动调焦法。主动自动调焦法由于需要额外的光路或测距设备，导致系统复杂、成本高。基于图像处 理的被动自动调焦方法无需额外设备，利于设备的集成化和微型化，可以大幅度降低设备成本和设备复杂度。因此，基于图像处理的自动调焦方法在数字光学成像系统中得到了广泛的应用。基于图像处理的自动调焦技术主要解决评价图像像素信息的调焦评价函数和搜索聚焦位置的自动调焦方法两个问题。长期以来，由于自动调焦过程的不可预知性，研究者主要侧重于调焦评价函数的研究，而针对自动调焦方法的研究则较少。现有的自动调焦方法可以分为3大类第一类是应用爬山法及其改进方法搜索调焦评价函数曲线峰值位置的方法。Ooi等人(IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 36, No. 3, 526-530, 1990)用爬山法实现了自动聚焦。He 等人(IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 49，N
o.2，257-262，2003)在调焦过程中根据当前和上ー个调焦评价函数值的差异动态地改变调焦步长提出了一种改进的快速爬山法。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两阶段的捜索算法实现了爬山法，这种方法无需滤波器就可以减小冲击噪声的影响。爬山法最主要的问题是调焦速度慢、峰值附近的捜索可能是ー个摆动过程和存在离焦的可能性。第二类是应用二分搜索法和Fibonacci搜索法(Fifth InternationalConference on Image Processing and its Applications, pp. 232-235，1995)搜索调焦评价函数曲线峰值位置的方法。二分捜索法和Fibonacci捜索法具有易受噪声干扰、镜头运动距离过长和移动显微镜的执行器往复运动多次引入空回误差等缺点，限制了它们在实际中的应用。第3类是应用曲线拟合获得调焦评价函数曲线峰值位置的方法。Yazdanfar等人(Optics Express, Vol. 16，No. 12，8670-8677，2008)提出了ー种将 2-3 幅图像的调焦评价函数值代入经验函数确定聚焦位置的自动调焦方法，该方法将Brenner调焦评价函数和曲线拟合相结合，只需要不超过3幅图像就可以获得聚焦位置。基于曲线拟合的自动调焦方法大多假设非对称的实际调焦评价函数曲线关于峰值位置对称，这将引入原理性误差。综上所述，如何提高数字光学成像系统的自动调焦的准确性和效率依然是广泛关注的问题，其中新原理的自动调焦方法是解决问题的关键之一。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种可提高数字光学成像系统的自动调焦的准确性和效率的基于双侧预测求交的数字光学成像系统自动调焦方法。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的基于双侧预测求交的数字光学成像系统自动调焦方法，包括如下步骤I)对调焦评价函数曲线峰值位置左、右两侧的调焦评价函数曲线分别进行独立的采样和预测；2)计算预测的左、右调焦评价函数曲线的交点或预测的左、右离散调焦评价函数 值序列中相同位置的调焦评价函数值之差的绝对值的最小值位置；3)控制执行机构移动数字光学成像系统的焦平面到该交点或最小值位置(聚焦位置)。进ー步，所述步骤I)具体包括如下步骤11)确定包含调焦评价函数曲线峰值位置的区域，将其的左、右侧邻域作为左、右采样区域；12)在数字光学成像系统的焦平面所在的采样区域内进行图像采样和评价，用获得调焦评价函数值和相应的采样位置构造用于预测的样本点序列；13)通过获得的样本点序列和该侧的预测模型预测该侧的调焦评价函数曲线或离散的调焦评价函数值序列；14)将数字光学成像系统的焦平面移动到调焦评价函数曲线峰值位置另ー侧的采样区域，在该采样区域内进行图像采样和评价，用获得调焦评价函数值和相应的采样位置构造样本点序列。15)通过获得的样本点序列和该侧的预测模型预测该侧的调焦评价函数曲线或离散的调焦评价函数值序列。进ー步，若步骤I)中获得的预测数据为调焦评价函数曲线，则步骤2)中计算预测的左、右调焦评价函数曲线的交点，步骤3)中控制执行机构移动数字光学成像系统的焦平面到该交点。进ー步，若步骤I)中获得的预测数据为离散调焦评价函数值序列，则步骤2)中计算预测的左、右离散调焦评价函数值序列中相同位置的调焦评价函数值之差的绝对值的最小值位置，步骤3)中控制执行机构移动数字光学成像系统的焦平面到该最小值位置。与现有技术相比，本发明的基于双侧预测求交的数字光学成像系统自动调焦方法具有如下优点I.本发明通过在调焦评价函数曲线峰值位置左、右侧分别预测左、右调焦评价函数曲线，避免了函数拟合法中假设非対称的实际调焦评价函数曲线为对称曲线所带来的原
理性误差。2.本发明采用计算预测的左、右调焦评价函数曲线的交点确定聚焦位置，避免了快速爬山法中在峰值位置附件可能出现的摆动搜索过程。3.本发明采用预测值代替实际的调焦评价函数值，能有效减少图像采集和调焦评价函数计算次数，具有较高的调焦效率。
4.本发明采用预测的方法获取数字光学成像系统的聚焦位置，调焦精度受采样步长的影响小，具有闻的调焦精度和调焦效率。5.本发明中可以选用各种调焦评价函数来评价图像像素信息，可以使用具有少数采样点预测多个预测点功能的各种预测方法，两个采样区域内使用的预测方法和采样步长可以不一致，使本发明的方法更灵活，适用范围广泛。本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
图I是理想的调焦评价函数曲线图；图2是基于双侧预测求交的数字光学成像系统自动调焦方法的原理示意图，其中图2 (a)是确定左、右采样区域的示意图，图2(b)是在LSA采样和预测的示意图，图2 (c)是在RSA采样和预测的示意图，图2(d)是当预测结果是调焦评价函数曲线时预测的左右调焦评价函数的交点的示意图，图2(e)是当预测结果是调焦评价函数值和相应的位置构造的离散点序列时预测的获取系列Ip中最小值对应的位置的示意图；图3是实施例I的流程示意图；图4是本发明实施例I的程序流程示意图，其中图4(a)是主程序流程图，图4(b)是7点爬山法确定包含峰值位置区域的流程图，图4(c)是更新样本点的流程图；图5是实施例2的流程示意图；图6是实施例3的流程示意图；图7是实施例4的流程示意图。
具体实施例方式以下将对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。參见图1，从图I所示的一种表征调焦过程的调焦评价函数曲线可知，曲线峰值位置Sp和曲线峰值位置邻域最左边位置和最右边位置S1和ち组成的两个区域，[Si Sp]和[SpSj，可以当作曲线峰值位置的左、右邻域。因此，峰值位置左、右邻域内的左、右调焦评价函数曲线ち(8)和f；(S)可表示为
「 ^[s, s ]⑴\ ,、 r⑴
[/“め=丨 se[sp sr]式中FV(S)为在采样位置s处的采样图像的调焦评价函数值。根据图I和式⑴，调焦评价函数曲线的峰值位置可以看作是左、右两条调焦评价函数曲线も(S)和f；(s)的交点位置。针对调焦评价函数曲线的上述特征，本发明提出的双侧预测和求交自动调焦方法确定包含调焦评价函数曲线峰值位置的区域和该区域的左、右邻域，并将这个左、右邻域确定为左、右采样区域(LSA和RSA);根据能表示调焦评价函数曲线峰值位置两侧的曲线发展趋势的预测模型和分别在LSA和RSA内获得的采样图像的调焦评价函数值和相应的采样位置构造的两个样本点序列预测峰值位置左、右侧的调焦评价函数曲线；获得预测的左、右调焦评价函数曲线的交点并控制执行机构移动焦平面到该交点实现自动调焦。该方法的技术方案是这样实现的首先，如图2(a)所示，根据现有的方法获得包含峰值位置的区域(spl Spr)和该区域的左、右邻域[S1 Spl]和[sPr sj，将该区域的左、右邻域当作LSA和RSA。其次，如图2(b)和图2(c)所示，通过评估分别以一定的采样步长在LSA和RSA内获得的采样图像，获得两个样本点系列S1和も，可分别表示为S1= {(S1 ⑴，FV1 ⑴)，(S1 ⑵，FV·1 ⑵)，...，(S1 (n)，FV1 (η))} n e N* (2)Sr= {(sr (I), FVr(I)), (sr(2)，FVr(2))，…，(sr (m), FVr (m)) }m e N* (3)式中n和m分别是S1和SJ勺样本点数量，(S1 (i) FV1 (i))和(sr (i) FVr (i))分别表示S1和Sr的第i个样本点，对S1和Sr而言，i彡η和m，其中Sl(i)和FV1⑴表示S1的第I个样本点的采样位置和调焦评价函数值，Sr(i)和FVJi)表示も的第i个样本点的采样位置和调焦评价函数值，N*表示正整数。考虑预测模型形式为/ (-s) = /(<s)(4)式中f (S)和/レ)分别表示预测模型和预测結果。预测結果/(s)是预测调焦评价函数曲线或预测的调焦评价函数值和相应的预测位置构造的离散点序列，根据式(4)和采样系列S1和Sp计算预测的左、右调焦评价函数曲线j；和/'或预测的左、右侧的离散点序列/,
和i。其中又,和/·P分别可表示为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，如果预测结果是预测调焦评价函数曲线，那么如图2(d)所示，预测的左、右调焦评价函数曲线的交点满足/(-sp)-/r(ip) = 0(6)交点ち不仅是调焦评价函数曲线的峰值位置，而且也是数字光学成像设备的聚焦位置。如果预测结果是离散点序列，根据式(4)和(5)构造的新序列可表示为Xp=IFF1(Z)-FF1(Z)I i<h(7)如图2(e)所示，序列X中最小值对应的位置作为聚焦位置。移动数字光学成像系統的焦平面到&位置或序列Ip中最小值对应的位置实现自动调焦。本发明中，左、右采样步长、左、右样本点序列包含的样本点个数和双侧的预测模型均可以不一致。预测模型可以使用趋势外推预测方法和时间序列预测方法，例如灰色预测模型、指数预测模型等。实施例I參照图3，本实施例的基于双侧预测求交的数字光学成像系统自动调焦方法的流程图，包括确定峰值位置的区域(I)、左、右采样区域(2)、获得左侧样本点序列(3)右侧样本点序列(4)、左侧模型參数(5)右侧模型參数(6)、交点位置(7)、移动焦平面到交点位置(8)。为说明本实施例的具体实现，以Variance函数作为调焦评价函数,7点爬山法作为确定包含调焦评价函数曲线峰值位置的区域和左、右采样区域的方法，指数预测模型作为双侧预测模型，最小二乗法作为计算双侧预测模型的模型參数的方法。本实施例的具体实现如下在确定左、右采样区域的步骤中，用一定的采样步长和7点爬山法按照调焦方向(从初始采样位置指向调焦评价函数曲线峰值位置的方向)依次获得7个Variance调焦评价函数值和相应的采样位置，得到采样序列S可表示为S={(s(l),FV(I)), (s(2),FV(2)), ···, (s (i), FV (i)), , (s (7), FV (7))} i = 1,2, -,7 (8)判断序列S中的FV (4)是否是序列中所有调焦评价函数值的最大值并且两个序列(FV(3)，FV(2)，FV(I))和(FV(5)，FV(6)，FV(7))是否均为单调递减序列。如有ー个条件不满足，按调焦方向増加ー个调焦评价函数值和相应采样位置，更新采样序列S，直到满足序列S中FV (4)是最大值且两个序列(FV (3)，FV (2)，FV(I))和(FV (5)，FV (6)，FV (7))均为单调递减序列，确定包含调焦评价函数曲线峰值位置的区域是(s (3) s (5))，实现本实施例中的⑴。包含调焦评价函数曲线峰值位置的区域的左、右邻域分别为[S(I) s (3)]和[s(5)s (7)]，将这个左、右邻域当作左、右采样区域，实现本实施例中的(2)。将序列((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)))分别当作左侧和右侧样本点序列，实现本实施例中的(3)和(4)。指数预测模型可表示为f (s) =aebs (9)式中a和b是需要计算的模型參数，s是采样位置，f (S)是在采样位置s处获得的调焦评价函数值。为利用最小二乗法确定模型參数a和b，式(9)可表示为In f{s)-\na + hs(10)将样本点序列代入式(10)，可得InFV (i) =lna+bs (i) (11)用最小二乗法求解指数预测模型參数Ina和b的等式可表示为=(BTBYBrYN(12)式中 = I 4)，；= ln(FF(/))。通过分别将左侧和右侧样本点序列代入式(10)
并根据式(12)，获得左侧指数预测模型參数(Inal bol)和右侧指数预测模型參数(Inもbj，实现本实施例中的(5)和(6)。预测的左、右调焦评价函数组可表示为
权利要求
1.基于双侧预测求交的数字光学成像系统自动调焦方法，其特征在于包括如下步骤 1)对调焦评价函数曲线峰值位置左、右两侧的调焦评价函数曲线分别进行独立的采样和预测； 2)计算预测的左、右调焦评价函数曲线的交点或预测的左、右离散调焦评价函数值序列中相同位置的调焦评价函数值之差的绝对值的最小值位置； 3)控制执行机构移动数字光学成像系统的焦平面到该交点或最小值位置(聚焦位置)。
2.根据权利要求I所述的基于双侧预测求交的数字光学成像系统自动调焦方法，其特征在于所述步骤I)具体包括如下步骤 11)确定包含调焦评价函数曲线峰值位置的区域，将其的左、右侧邻域作为左、右采样区域； 12)在数字光学成像系统的焦平面所在的采样区域内进行图像采样和评价，用获得调焦评价函数值和相应的采样位置构造用于预测的样本点序列； 13)通过获得的样本点序列和该侧的预测模型预测该侧的调焦评价函数曲线或离散的调焦评价函数值序列； 14)将数字光学成像系统的焦平面移动到调焦评价函数曲线峰值位置另ー侧的采样区域，在该采样区域内进行图像采样和评价，用获得调焦评价函数值和相应的采样位置构造样本点序列； 15)通过获得的样本点序列和该侧的预测模型预测该侧的调焦评价函数曲线或离散的调焦评价函数值序列。
3.根据权利要求I或2所述的基于双侧预测求交的数字光学成像系统自动调焦方法，其特征在于若步骤I)中获得的预测数据为调焦评价函数曲线，则步骤2)中计算预测的左、右调焦评价函数曲线的交点，步骤3)中控制执行机构移动数字光学成像系统的焦平面到该交点。
4.根据权利要求I或2所述的基于双侧预测求交的数字光学成像系统自动调焦方法，其特征在于若步骤I)中获得的预测数据为离散调焦评价函数值序列，则步骤2)中计算预测的左、右离散调焦评价函数值序列中相同位置的调焦评价函数值之差的绝对值的最小值位置，步骤3)中控制执行机构移动数字光学成像系统的焦平面到将最小值位置。
全文摘要
本发明涉及数字光学成像系统自动调焦方法，包括对调焦评价函数曲线峰值位置左、右两侧的调焦评价函数曲线分别进行独立采样和预测；计算预测左、右调焦评价函数曲线的交点或预测左、右离散调焦评价函数值序列中相同位置的调焦评价函数值之差的绝对值的最小值位置；控制执行机构移动数字光学成像系统的焦平面到交点或最小值位置(聚焦位置)。本发明在包含峰值位置区域的左、右侧邻域独立采样和预测，能够避免基于曲线拟合的自动调焦方法中将实际不对称的调焦评价函数曲线当作对称曲线带来的原理性误差和快速爬山法在峰值附近可能出现的摆动搜索过程。双侧预测求交自动调焦方法的调焦精度受采样步长的影响小，具有较高的调焦精度和速度。
文档编号H04N5/232GK102841486SQ20121032316
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月3日 优先权日2012年9月3日
发明者王代华, 周锋, 吴朝明 申请人:重庆大学