專利名稱：熱像儀自動聚焦方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種熱像儀自動聚焦裝置，屬于紅外圖像處理技術領域。
背景技術：
獲得清晰的圖像是各種數字成像設備的最基本要求，攝像鏡頭多組鏡 片中專門設有一組聚焦鏡片，通過改變聚焦組鏡片的位置即可達到聚焦目 的，自動聚焦可以代替人工完成此過程，從而節省大量時間，提高成像質 量。自動聚焦可分為主動式和被動式兩類。主動式自動聚焦是利用發射紅 外線或超聲波來度量被攝物的距離，并使用一定的數學模型計算出最佳聚 焦位置，該方式需要額外的測距設備，適用范圍相對較小。被動方式指利 用所獲取圖像的自有信息判斷圖像是否清晰，并給出反饋信號控制鏡頭運 動，這種基于圖像處理的自動聚焦算法的實現不需要額外的信號源和相應 接收傳感器，有利于縮小器件體積和降低成本，所以被廣泛的采用。
由于熱像儀所用紅外鏡頭制造材料與普通可見光鏡頭不同，所以通常 采用手動轉動鏡頭或者手動控制直流電機帶動鏡頭來獲得聚焦清晰的圖 像，這種方法調節過程長，聚焦精度受操作人員主觀影響較大；紅外熱成 像反映了物體表面的溫度分布，目標的熱圖像和人眼所能看到的可見光圖 像不同，可見光鏡頭通常采用步進電機帶動，搜索算法通常針對步進電機 控制，所以現有的應用于CCD可見光圖像的被動式自動聚焦技術并不適用 于熱像儀。
發明內容
本發明是針對現有技術所存在的缺點，而提供了 一種針對熱像儀自動聚 焦方法及裝置的技術方案，采用該方案可以提高成像質量，減少反復的手 動操作，增強使用方便性。
本發明的熱像儀自動聚焦方法是通過如下技術措施實現的紅外探測 器輸出的復合視頻信號經視頻解碼器輸出數字圖像數據給微處理器，或者 紅外探測器輸出高精度數字信號經解串器給微處理器，微處理器計算清晰度評價函數值，并根據所得到的清晰度評價函數值的變化趨勢驅動電機帶動紅外鏡頭移動到最佳聚焦位置。
上述微處理器計算清晰度評價函數值時，首先對選擇的聚焦區域，對圖像進行預處理，采用差分模板算子檢測邊緣灰度變化，對邊緣梯度值進行閾值處理，舍掉過大或過小的值后計算邊緣總和得到清晰度評價函數值。
上述微處理器是通過如下方式驅動電機帶動紅外鏡頭移動到最佳聚焦位置先以大步長逼近最佳聚焦位置并記錄當前鏡頭位置，再以小步長精確定位。
上述差分模板算子包含兩組3x3矩陣，分別為橫向及縱向，將之與圖
像做平面巻積，即可分別得出橫向及縱向的灰度差分近似值，以F(x，y)代表點(x， y)的原始圖像灰度
<formula>formula see original document page 5</formula>計算每個點(x， y)的巻積累加再取平均即可得到清晰度評價函數值E;<formula>formula see original document page 5</formula>
其中G(x，y) = |Gx| + |Gy|， n為比例因子，與聚焦區域內的像素總個數成正比，Tl， T2是灰度差分的大小閾值，這兩個值根據圖像質量和熱像儀機芯的不同而稍有不同，需要經過試驗預先設定。
本發明中的熱像儀自動聚焦裝置是通過如下方式實現的它包括微處理器，視頻輸入電路，電機驅動電路，串口通訊電路，所述微處理器包括圖像采集模塊、圖像清晰度判斷模塊、UART通訊模塊、電機控制模塊；所述圖像采集模塊用于接收熱像儀輸出的經過處理的紅外圖像，并根據預先設定的聚焦窗口將需要的數字信號讀入內存，所述圖像清晰度判斷模塊用
于根據讀入內存的數字信號，計算清晰度評價函數值；所述的電機控制模塊與電機驅動電路連接，并根據所得到的清晰度評價函數值的變化趨勢驅動電機帶動紅外鏡頭移動到最佳聚焦位置;所述UART通訊模塊用于與外部的通訊。
上述的視頻輸入電路可以接收熱像儀的模擬視頻信號，也可以接收熱像儀的數字視頻信號。
本發明的進一步改進還有，它還設置有異步串行通訊接口，控制參數可以根據使用環境通過該串口進行設定。
本方案的有益效果可根據對上述方案的敘述得知，由于采用了微處理器計算清晰度評價函數值，并根據所得到的清晰度評價函數值的變化趨勢驅動電機帶動紅外鏡頭移動到最佳聚焦位置的方法和裝置，它能夠大大提高成像質量，減少反復的手動操作，增強使用方便性。
圖1為本發明實施方式的硬件原理框圖。
圖2為本發明具體實施方式
的主程序流程圖。
圖中，1、視頻輸入電路，2、微處理器，3、電機驅動電路，4、串口通訊電路，5、電源管理模塊，6、 SRAM， 7、 FLASH， 8、圖像采集模塊，9、UART通訊模塊，10、圖像清晰度判斷模塊，11、電機控制模塊。
具體實施例方式
為能清楚說明本方案的技術特點，下面通過一個具體實施方式
，對本方案進行闡述。
一種熱像儀自動聚焦方法，紅外探測器輸出的復合視頻信號經視頻解碼器輸出數字圖像數據給微處理器，或者紅外探測器輸出高精度數字信號經解串器給微處理器2，微處理器2計算清晰度評價函數值，并根據所得到
的清晰度評價函數值的變化趨勢驅動電機帶動紅外鏡頭移動，先以大步長逼近最佳聚焦位置并記錄當前鏡頭位置，再以小步長精確定位，直到找到最佳聚焦位置。微處理器2計算清晰度評價函數值時，首先對選擇的聚焦區域，對圖像進行預處理，采用差分模板算子檢測邊緣灰度變化，對邊緣梯度值進行閾值處理，舍掉過大或過小的值后計算邊緣總和得到清晰度評
價函數值。差分模板算子包含兩組3x3矩陣，分別為橫向及縱向，將之與圖像做平面巻積，即可分別得出橫向及縱向的灰度差分近似值，以F(x，y)代表點(x， y)的原始圖像灰度
X方向
+4 -1 _3+1 0 -1+1 0 —1
Y方向
+4 +1 +1-10 0_3 —l —1
計算每個點(x， y)的巻積累加再取平均即可得到清晰度評價函數值E;Gx 二 4*F(x, y)-F(x+1， y)-3*F(x+2， y)+F(x， y+l)-F(x+2， y+l)+F(x， y+2)-F(x+2,y+2)，
Gy = 4*F(x，y)-F(x，y+1)-3*F(x，y+2)+F(x+l，y)_F(x+l，y+2)+F(x+2，y)-F (x+2， y+2)，
"S S G"，力/n Ti>G(a /) >T2
f ， 賃
其中G(x，y) = |Gx| + |Gy|， n為比例因子，與聚焦區域內的像素總個數成正比，Tl， T2是灰度差分的大小閾值，這兩個值根據圖像質量和熱像儀機芯的不同而稍有不同，需要經過試驗預先設定。
本發明實現上述方法對應的裝置的技術方案為 一種熱像儀自動聚焦裝置，如圖1所示，它包括微處理器2，視頻輸入電路l，電機驅動電路3，串口通訊電路4，所述微處理器2包括圖像采集模塊8、圖像清晰度判斷模塊10、 UART通訊模塊9、電機控制模塊11;所述圖像采集模塊8用于接收熱像儀輸出的經過處理的紅外圖像，并根據預先設定的聚焦窗口將需要的數字信號讀入內存，所述圖像清晰度判斷模塊IO用于根據讀入內存的數字信號，計算清晰度評價函數值；所述的電機控制模塊U與電機驅動電路3連接，并根據所得到的清晰度評價函數值的變化趨勢驅動電機帶動紅外鏡頭移動到最佳聚焦位置；所述UART通訊模塊9用于與外部的通訊。視頻輸入電路1可以接收熱像儀的模擬視頻信號，也可以接收熱像儀的數字視頻信號。它還設置有異步串行通訊接口，控制參數可以根據使用環境通過所
7述異步串行通訊接口進行設定。
圖2所示為自動聚焦裝置的主程序流程圖，系統初始化后，從UART通 訊模塊9等待接收命令，如果有設置命令，則根據新的設定值重新設置參 數，如果沒有串口命令，則采集一幀圖像，判斷是否需要自動聚焦，如果 需要，則運行搜索算法，驅動電機到最佳聚焦位置。
數字圖像處理理論認為，圖像聚焦程度(即圖像是否清晰)主要由光強 分布中高頻分量的多少決定，圖像模糊的本質是高頻分量的損失，完全聚 焦的圖像比離焦的圖像包含更多的細節和信息量， 一幅圖像是否聚焦，反 映在空域上是圖像的邊界及細節部分是否清晰，離焦量越小，圖像邊緣越 鋒利，灰度變化越劇烈，其微分值就越大，本發明就是根據這一特點，采 用像素差分模板對圖像進行邊緣紋理提取并累加，從而計算出清晰度評價 函數。Tl， T2是灰度差分的大小閾值，經過閾值化處理后，可以有效的降 低噪聲。
理想的清晰度評價函數具有單峰性和單調性，單峰性是指在調節范圍 內只有一個極值，達到這個極值時對應于最佳成像位置，單調性是指在極 值兩側要么單調遞增要么單調遞減。而實際的聚焦評價函數由于受噪聲的 干擾，會有一些局部峰值，這些局部峰值會影響爬山搜索算法的準確性， 本方案采用優化的爬山算法，先采用大步長粗略的找到峰值范圍，再以小 步長精確定位，同時對邊緣檢測后的值采用閾值化處理，可以進一步減小 局部峰值的干擾。
本發明采用的優化的爬山搜索方法如下
在預定的透鏡驅動范圍內，設定聚焦方向，先以較大的步長驅動電機 轉動，每走一步就采集一幀圖像，計算清晰度評價函數值，如果計算所得 的函數值逐漸增大，說明電機驅動方向正確，繼續沿同一方向帶動鏡頭移 動，如果函數值第一次減小時，說明有可能已經越過最佳聚焦點，為了排 除局部峰值干擾，此時驅動電機再前行一步，如果函數值進一步降低，說 明確實己經越過了峰值，驅動電機后退兩個步長，大致回到峰值點附近， 再以小步長驅動電機，以同樣的方法找到最佳鏡頭位置，得到聚焦清晰的 圖像。在電機運行過程中，如果檢測到已經達到鏡頭限定位置，則改變方向繼續搜索。采用大小步長二次搜索的方法，既可以保證聚焦速度，又可 以保證精確定位到清晰度評價函數的峰值點。
參與計算的像素越多，聚焦評價函數的運算時間越長，另一方面如果 聚焦窗口過大，引入背景圖像太多會引起誤判，窗口太小則會導致偏離目 標，所以聚焦區域的選擇直接影響著聚焦速度和聚焦精度。本方案中采用 三種窗口選擇方法， 一是選擇中央區域，這是因為使用者通常會把目標放 在畫面中心，但是這種方法由于目標的大小不同，窗口大小不好控制；二
是為了彌補對中央聚焦的不足，采用多窗口法，除了中心區域外，再以較
小的權值將畫面中心左上，右上，左下，右下部分區域計算在內；三是用 戶自己設定感興趣區域。這些選擇方式可以通過串口由用戶發送命令設置。 為了適應不同場合，滿足多樣化的要求，達到最優化的聚焦效果，本 發明還設置了部分附加功能，如圖像預濾波，聚焦窗口選擇，聚焦評價函 數閾值以及搜索步長都可以由用戶通過異步串行通信接口設定。由上述描 述可見，本發明具有突出的實質性特點和顯著的進步，因此，其具有創造 性。
本發明未經描述的技術特征可以通過現有技術實現，在此不再贅述。 當然，上述說明并非是對本發明的限制，本發明也并不僅限于上述舉例， 本技術領域的普通技術人員在本發明的實質范圍內所做出的變化、改型、 添加或替換，也應屬于本發明的保護范圍。
9
權利要求
1、一種熱像儀自動聚焦方法，其特征是，紅外探測器輸出的復合視頻信號經視頻解碼器輸出數字圖像數據給微處理器，或者紅外探測器輸出高精度數字信號經解串器給微處理器，微處理器計算清晰度評價函數值，并根據所得到的清晰度評價函數值的變化趨勢驅動電機帶動紅外鏡頭移動到最佳聚焦位置。
2、 根據權利要求1所述的熱像儀自動聚焦方法，其特征是，所述微處 理器計算清晰度評價函數值時，首先對選擇的聚焦區域，對圖像進行預處 理，采用差分模板算子檢測邊緣灰度變化，對邊緣梯度值進行閾值處理， 舍掉過大或過小的值后計算邊緣總和得到清晰度評價函數值。
3、 根據權利要求2所述的熱像儀自動聚焦方法，其特征是，所述微處理器是通過如下方式驅動電機帶動紅外鏡頭移動到最佳聚焦位置先以大步長逼近最佳聚焦位置并記錄當前鏡頭位置，再以小步長精確定位。
4、 根據權利要求2所述的熱像儀自動聚焦方法，其特征是，差分模板 算子包含兩組3x3矩陣，分別為橫向及縱向，將之與圖像做平面巻積，即 可分別得出橫向及縱向的灰度差分近似值，以F(x， y)代表點(x， y)的原始圖 像灰度X方向<formula>formula see original document page 2</formula>Y方向<formula>formula see original document page 2</formula>計算每個點(x， y)的巻積累加再取平均即可得到清晰度評價函數值E; <formula>formula see original document page 2</formula>其中G(x,y) = |Gx| + |Gy|， n為比例因子，與聚焦區域內的像素總個數成正比，Tl， T2是灰度差分的大小閾值。
5、 一種實現權利要求1至4所述方法的熱像儀自動聚焦裝置，其特征 是，它包括微處理器，視頻輸入電路，電機驅動電路，串口通訊電路，所 述微處理器包括圖像采集模塊、圖像清晰度判斷模塊、UART通訊模塊、電 機控制模塊；所述圖像采集模塊用于接收熱像儀輸出的經過處理的紅外圖 像，并根據預先設定的聚焦窗口將需要的數字信號讀入內存，所述圖像清 晰度判斷模塊用于根據讀入內存的數字信號，計算清晰度評價函數值；所 述的電機控制模塊與電機驅動電路連接，并根據所得到的清晰度評價函數 值的變化趨勢驅動電機帶動紅外鏡頭移動到最佳聚焦位置；所述UART通訊 模塊用于與外部的通訊。
6、 根據權利要求5所述的熱像儀自動聚焦裝置，其特征是，所述的視頻輸入電路可以接收熱像儀的模擬視頻信號，也可以接收熱像儀的數字視 頻信號。
7、 根據權利要求5所述的熱像儀自動聚焦裝置，其特征是，它還設置 有異步串行通訊接口 ，控制參數可以根據使用環境通過所述異步串行通訊 接口進行設定。
全文摘要
本發明為一種熱像儀自動聚焦方法及裝置，屬于紅外圖像處理技術領域。本發明公開了一種紅外探測器輸出的復合視頻信號經視頻解碼器輸出數字圖像數據給微處理器，或者紅外探測器輸出高精度數字信號經解串器給微處理器，微處理器計算清晰度評價函數值，并根據所得到的清晰度評價函數值的變化趨勢驅動電機帶動紅外鏡頭移動到最佳聚焦位置的方法及裝置。其有益效果為微處理器能夠準確快速地找到最佳聚焦位置，減少反復的手動操作，減少人工干預，提高成像質量增強使用方便性。
文檔編號G01J5/00GK101660946SQ20091001916
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月28日 優先權日2009年9月28日
發明者陳大明, 陳玉花 申請人:山東神戎電子股份有限公司