距離選通成像的自動聚焦方法技術

針對距離選通成像切片成像的特點，本發明專利技術提出了一種距離選通成像多分辨率爬山自動聚焦法，用于解決距離選通成像過程中自動聚焦問題。該方法通過空間采樣處理形成不同分辨率采樣層，利用多分辨率處理，減少數據量，從而降低圖像處理時間，進而利用幀間相關性對當前幀和相鄰前兩幀進行加權計算獲得當前幀的清晰度值，解決爬山法由于局部峰值干擾導致聚焦失敗的問題，從而利用爬山法實現自動聚焦。該方法提高了圖像聚焦判定的實時性、準確性和魯棒性，且無特殊工作環境要求。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及數字成像
，更具體地涉及一種距離選通成像的自動聚焦方法。
技術介紹
距離選通成像可有效抑制大氣或水的后向散射，在導航、遠距離目標偵察、救援、勘探等民用和軍事領域具有廣泛的應用前景。實際工作中，在惡劣天氣條件下或水下環境下，后向散射的影響雖得到了一定的抑制，但是對于大景深成像仍存在較大影響，使得傳統的自動聚焦鏡頭難以實現聚焦功能。如水下成像，距離選通成像是目前最有效的光學成像探測手段，可一定程度上抑制海水的后向散射。但是對于大景深水下成像，水的后向散射仍然存在較大影響，導致圖像模糊，傳統的自動聚焦技術難以有效對焦，從而無法獲取高清晰實焦圖像。為獲得高清晰度高質量圖像，成像系統需要實時自動聚焦。基于圖像處理的數字自動聚焦相比傳統聚焦更加智能化和靈活化，能有效利用計算機控制避開復雜電路和機構，適用于距離選通成像。數字自動聚焦尋找圖像清晰度最佳的合焦點常用的方法為爬山法。在系統中，本身對比度檢測方法存在系統“過沖”的問題，需要在驗證是否檢測到最大對比度時返回最清晰的聚焦點；同時選用的ICCD鏡頭利用串口發送命令時其電機轉的圈數難以精確控制，且在最大值附近需要逐步減小聚焦步長，會存在聚焦位置的誤差；并且要求系統實時的對物體進行檢測。傳統的爬山法主要有基于清晰度極大值法，但存在的問題是：基于清晰度極大值法可能會收斂到局部最大值；雖然有的爬山法引進了閾值來克服外界不確定因素對聚焦函數波動局部峰值的干擾，但是如何調整到最佳閾值沒有詳細說明并且在確定干擾場景之后閾值在搜索中不變，而這并不能滿足各種環境和各種成像目標的實際需求。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術的目的在于提出一種距離選通成像的自動聚焦方法。使系統實時準確聚焦，獲取高清晰度高質量圖像。為了實現上述目的，本專利技術提供了一種距離選通成像的自動聚焦方法，包括以下步驟：對目標物體進行初定位；對所述目標物體的成像通過空間采樣處理形成不同分辨率采樣層；利用視頻圖像的多分辨率原理，先在最低分辨率層進行清晰度計算，每層依次連續進行，最后得到最高分辨率層的清晰度；利用幀間相關性以當前幀和相鄰前兩幀和加權求解作為當前幀的清晰度值；利用系統自動聚焦控制回路進行反饋閉環操作，利用爬山法對鏡頭電機實時控制實現自動聚焦。從上述技術方案可以看出，本專利技術的自動聚焦方法具有以下有益效果：(1)從技術上解決了距離選通成像中圖像質量差、清晰度不高的問題，該方法原理簡單易懂，實現過程快速準確，幾乎適用于所以距離選通成像系統的自動聚焦；(2)利用距離選通成像激光脈沖與選通脈沖相對延時決定成像距離，選通門寬與激光器脈寬決定切片厚度的特性進行空間初定位，使自動聚焦結果更快速準確；(3)利用圖像的多分辨率原理，通過空間采樣處理形成不同分辨率采樣層，多分辨率處理通過減少處理像素數能大大減小對圖像的處理時間，能夠保證算法速度；(4)利用幀間相關性以當前幀和相鄰前兩幀和加權求解作為當前幀的清晰度值，有效解決了爬山法由于局部峰值干擾錯誤判斷可能收斂到局部最大值問題。該方法提高了算法的速度和準確度，從而提高圖像聚焦判定的實時性和魯棒性；(5)對干擾處閾值的準確判斷采用前后幀清晰度差的絕對值最大的負差值作為閾值的判斷能準確選取局部峰值干擾；(6)檢測到最大清晰度時利用自動聚焦控制反饋回路到達最清晰的聚焦點；(7)為更精確定位到最大清晰度值所對應的焦距位置，采用1/2步長爬山法減小聚焦位置的誤差，增強系統準確度。附圖說明為了進一步說明本專利技術的
技術實現思路
，以下結合附圖和具體實施方式對本專利技術作進一步說明，其中：圖1是本專利技術的距離選通成像系統的成像原理圖；圖2是本專利技術方法的圖像多分辨率采樣層的結構示意圖；圖3是本專利技術的1/2變步長爬山法的歸一化評價函數值與離焦量的曲線關系圖；圖4是本專利技術自動聚焦方法的回路控制步驟流程圖；圖5是本專利技術自動聚焦方法的歸一化評價函數值與離焦量的曲線關系圖；圖6是本專利技術自動聚焦方法的原始圖像清晰度歸一化值與離焦量的曲線關系圖；圖7是本專利技術自動聚焦方法的幀相關加權清晰度歸一化值與離焦量的曲線關系圖；圖8是本專利技術的距離選通成像自動聚焦方法的程序流程圖。具體實施方式為使本專利技術的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實例并參照附圖，對本專利技術做進一步詳細說明。本專利技術公開了一種距離選通成像的自動聚焦方法，適用于解決所有距離選通成像過程中因手動調節不精確而需要系統實時自動聚焦的問題，有利于解決激光成像質量差、清晰度不高的問題，可以獲得高清晰度高質量的圖像。本專利技術的方法穩定且無特殊工作環境要求，其工作原理如下：如圖1所示，利用距離選通成像激光脈沖與選通脈沖相對延時決定成像距離，選通門寬與激光器脈寬決定切片厚度的特性進行空間初定位，從而對目標物體進行變焦定位。本專利技術方法需要對選通成像系統進行自動聚焦，不斷獲得當前采集到的視頻流圖像的清晰度，通過多分辨率爬山自動聚焦法對鏡頭連接的電機進行聚焦運轉并進行1/2變步長反饋，如圖2、3所示。多分辨率處理能大大減小對圖片的處理時間，能夠保證算法速度；同時利用幀間相關性減小峰值抖動，可以保證算法準確度，提高圖像聚焦判定的準確性、實時性和魯棒性。在系統工作前，還需要對圖像清晰度構建函數。圖像清晰度與邊緣特征的關系是當系統成像清晰時，邊緣點處的灰度階躍性變化就大，利用邊緣點灰度階躍變化程度可評價清晰度，因此，可以利用圖像邊緣檢測算子來構建清晰度函數。針對基于邊緣檢測算子構建的清晰度函數，也就是聚焦過程中的聚焦評價函數做實驗分析。成像目標為40cm×40cm機器視覺標定板，材質為定制乳白色復合材料，分別用Roberts、Sobel、Prewitt、Lap4、Lap8等多個邊緣檢測算子進行鏡頭在不同離焦量上的清晰度值計算。以Lap4邊緣檢測算子為例，基于圖像f(x，y)在(x，y)方向二階偏微分近似得模板表示為圖像清晰度函數為對M×N大小的圖像中各點梯度求和，可表征圖像清晰度。對聚焦位置前后采集的9幀圖像計算得到各算子的清晰度值。歸一化清晰度值為各圖像清晰度值除以其中的最大清晰度值。如圖3所示，其中橫坐標為離焦量，0表示聚焦清晰的位置，正方向為焦距變長方向，縱坐標為歸一化清晰度值；同時，實驗驗證各邊緣檢測算子實驗聚焦判斷的準確度均為100％；各算子實驗聚焦判斷的實時性，如表1。平均時間為不同邊緣檢測算子的完成一幀檢測平均時間，單位為ms。表1綜合考慮以下三種因素(1)聚焦評價函數的基本要求，即單峰函數對同一組圖片求其曲線，其最大值恰好對應最清晰的圖像；在峰值兩側分別單調上升和單調下降；在峰值兩側的斜率絕對值應該比較大；由圖3看出Lap4、Lap8、Lap25不同鄰域算子，Log25算子均表現出良好曲線特性。(2)實驗的判斷準確性；實驗中各算子均能正確判斷離焦量為0的聚焦圖片；(3)系統工作的實時性；由表1可知Roberts、Lap4、Lap8，Lap8不同鄰域算子實時性較好。Lap4即拉普拉斯四鄰域算子能正確判斷聚焦圖片且聚焦評價函數曲線性能最優，耗時位居第二，綜合性能最優。拉普拉斯算子產生邊緣較細，且對細線有較強的響應。Lap4鄰域算子對于90°旋轉各向同性，對接近水平和豎直方向的邊緣有很好的增強，從而避免梯度算子進行兩次濾波的麻煩本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種距離選通成像的自動聚焦方法，包括以下步驟：對目標物體進行初定位；對所述目標物體的成像通過空間采樣處理形成不同分辨率采樣層；利用視頻圖像的多分辨率原理，先在最低分辨率層進行清晰度計算，每層依次連續進行，最后得到最高分辨率層的清晰度；利用幀間相關性以當前幀和相鄰前兩幀和加權求解作為當前幀的清晰度值；利用系統自動聚焦控制回路進行反饋閉環操作，利用爬山法對鏡頭電機實時控制實現自動聚焦。

【技術特征摘要】
1.一種距離選通成像的自動聚焦方法，包括以下步驟：對目標物體進行初定位；對所述目標物體的成像通過空間采樣處理形成不同分辨率采樣層；利用視頻圖像的多分辨率原理，先在最低分辨率層進行清晰度計算，每層依次連續進行，最后得到最高分辨率層的清晰度；利用幀間相關性以當前幀和相鄰前兩幀和加權求解作為當前幀的清晰度值；利用系統自動聚焦控制回路進行反饋閉環操作，利用爬山法對鏡頭電機實時控制實現自動聚焦。2.如權利要求1所述的距離選通成像的自動聚焦方法，其中所述對目標物體進行初定位的步驟是利用距離選通成像激光脈沖與選通脈沖相對延時決定成像距離，選通門寬與激光器脈寬決定切片厚度的特性進行空間初定位。3.如權利要求1所述的距離選通成像的自動聚焦方法，其中所述對目標物體的成像通過空間采樣處理形成不同分辨率采樣層的步驟包括：利用視頻圖像的多分辨率原理，對所述目標物體成像的圖像像素進行不同間隔采樣處理，得到不同分...

【專利技術屬性】
技術研發人員：游瑞蓉，王新偉，周燕，
申請(專利權)人：中國科學院半導體研究所，
類型：發明
國別省市：北京;11