CN103997610A - 夜视摄像装置及其调焦方法 - Google Patents

Abstract

一种夜视摄像装置及其调焦的方法，包括镜头，图像传感器，红外辐射装置，窄带通光学滤光装置，可见光屏蔽装置，该夜视摄像装置采用基于多清晰度评价函数联合自动调焦设计方法，计算得到适应性强、清晰度高的图像，该夜视摄像装置具有隐蔽性好、寿命长和成像清晰的特点。

Description

夜视摄像装置及其调焦方法

技术领域

本发明涉及一种摄像装置，尤其涉及一种夜视摄像装置及调焦的方法。 

背景技术

安防业的发展关系到了千家万户甚至国家和谐社会的建设，良好的视频监控质量是关键。日间，凭借优质的摄像仪很容易得到优质的视频，但夜幕降临光线变暗，监视屏幕全是噪点，根本没有有效的图像，此时，监控就成了摆设。为了在较暗甚至零照度的环境下还能起到获得清晰的监控效果，摄像机生产商及其上游CCD/CMOS供应商费尽心思来解决产品的低照度问题，时至今日，低照度、清晰、隐蔽成像已是监控摄像仪发展的重要趋势。 

目前市场上的红外摄像机基本都采用850纳米的红外线作为补光光源，由于此波段红外线接近可见光波长上限790纳米，其光源驱动电路功率不稳，LED灯老化等问题，导致夜间作业时红外光暴强烈，毫无隐蔽性可言。尤其是室外较为复杂的环境下(例如草地、水面、煤炭等对红外光有强吸收的场所)成像效果更差。 

激光夜视仪采用激光照明器进行补光，照射可达数公里远。激光夜视仪存在着寿命短、画面分辨率低、激光视角小画面出现手电筒效应等缺点，寿命一般在10000小时左右，超过10000小时需要更换激光器。 

热成像仪采用被动红外技术通过感应物体产生的热量来实现成像，其观测距离可达到数公里，寿命在50000小时左右，价格昂贵。热成像仪通过感应物体的热量进行成像，所以只能看清物体的热轮廓。 

传统的调焦方法通过比较当前图像和调节前图像判据来修改调焦方向和调节步长，因此当目标对象改变时(镜头或景物移动)，调焦过程会发生错误；另外调整调焦方向时，若两幅图像位于峰值两侧，由于对称性会引起误判，影响调焦效率和准确度。 

以上夜间摄像设备或多或少存在隐蔽性低、清晰度低、寿命短等难以 解决的问题，且存在调焦性能不佳的缺陷，如何解决上述问题是摄像仪研发的重点方向。 

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供适应性强、隐蔽性好、清晰度高、寿命长的夜视摄像装置。 

一种夜视摄像装置，包括镜头，图像传感器，红外辐射装置，窄带通光学滤光装置，可见光屏蔽装置，所述可见光屏蔽装置贴装在所述夜视摄像装置前窗玻璃内侧，所述窄带通光学滤光装置安装在图像传感器前端，所述红外辐射装置包括：光源驱动电路和LED辐射灯板，所述LED辐射灯板作为辅助光源，LED辐射灯受光源驱动电路控制，在光源驱动电路作用下，LED光源向成像对象发出若干波长为940纳米的红外光束，所述的窄带通光学滤光装置由窄带通光学滤光片组成，所述光学滤光片的工作区域为940纳米的近红外光波段；所述可见光屏蔽装置为亚克力或玻璃材质的透红外滤光片，所述可见光屏蔽装置940纳米红外线的穿透率在90％以上，对390纳米至790纳米范围内的可见光吸收率90％以上，所述可见光屏蔽装置外观呈黑色。 

本发明还针对传统的调焦过程进行优化，传统调焦过程中，电机一步步移动，计算在不同位置的调焦评价函数，从而确定最佳调焦点，严重影响调焦效率，整个系统时效性较低。针对传统调焦方法的不足，本发明提出往复式调焦方法，该调焦方法包括以下步骤： 

第一步：选择调焦电机步长，步长的选择既确保不会错过调焦精确点，同时要满足以最小的步数走完全程； 

第二步：计算不同调焦位置处的调焦函数值，获得调焦评价函数最值区域； 

第三步：减小调焦步进电机行进的步长，在上一步计算获得调焦评价函数最值区域内再次计算调焦评价函数最值区域； 

第四步：多次重复第三步的计算，逐步缩小调焦评价函数最值区域，直至获得清晰的图像。 

优选的是，在第二步中采用公式(1)计算获得镜头不同位置的调焦评价函数值，具体公式(1)如下： 

$F\left(I\right)=\underset{x}{\mathrm{\Σ}}\underset{y}{\mathrm{\Σ}}\{{[I(x+1,y)-I(x,y)]}^2+{[I(x,y+1)-I(x,y)]}^2\}$

其中F(I)为调焦评价函数函数值，当F(I)值越大时图像越清晰。I(x,y)为当前图像中第x行第y列像素灰度值，计算相邻的三个位置处的调焦评价函数值A、B和C，若A<B>C，则确定第一点和第三点之间为调焦评价函数最值区域。 

优选的是，在首次获得调焦评价函数最值区间后，采用公式(2)进行细化计算，直至获得最佳调焦点，获取最清晰图像，公式(2)为： 

$F\left(I\right)=\underset{x}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{y}{\mathrm{\&Sigma;}}\left\{\frac{{[I(x+2,y)-I(x,y)]}^2+{[I(x+4,y)-I(x+2,y)]}^2}{2}\right\}$

式中，I(x，y)均表示图像中第x行第y列像素灰度值，F(I)为调焦评价函数函数值。 

本发明中的夜视摄像装置通过调整红外光的波长以及可见光屏蔽装置的使用，有效的提高了其隐蔽性能，降低了成本；并且通过其调焦方法提高了调焦的效率，进而增加了图像的清晰度。 

附图说明

图1为窄带通光学滤光片滤光性能示意图； 

图2为透红外滤光片性能示意图； 

图3和4为调焦评价函数函数值与调焦位置关系图； 

具体实施方式

下面结合附图来深入了解本发明，应理解这些实施例只用于解释此发明并不限制本发明的使用范围，在阅读本发明后，相关技术人员所有解读及修改均落于本发明所保护的范畴内。 

夜视摄像装置，包括镜头，图像传感器，红外辐射装置，窄带通光学滤光装置，可见光屏蔽装置，所述可见光屏蔽装置贴装在所述夜视摄像装置的前窗玻璃内侧，所述窄带通光学滤光装置安装在图像传感器的前端，所述红外辐射装置包括：光源驱动电路和LED辐射灯板，所述LED辐射灯板作为 辅助光源，LED辐射灯受光源驱动电路控制，在光源驱动电路作用下，LED光源向成像对象发出若干波长为940纳米的红外光束，所述LED辐射灯板设置在所述夜视摄像装置的前端；所述的窄带通光学滤光装置由窄带通光学滤光片组成，所述光学滤光片的工作区域为940纳米的近红外光波段；所述可见光屏蔽装置为亚克力或玻璃材质的透红外滤光片，所述可见光屏蔽装置940纳米红外线的穿透率在90％以上，对390纳米至790纳米范围内的可见光吸收率90％以上，所述可见光屏蔽装置外观呈黑色。 

在零照度或低照度环境中，光源驱动电路驱动红外辐射LED灯向成像目标发出940纳米的红外光束，光束经目标对象反射，通过镜头及滤光片作用于图像处理器，窄带通光学滤光片，能够衰减或过滤掉除940纳米红外光束外的杂散光(如图1所示)，避免芯片接收过多噪音信号，致使图像出现失真和乱码现象。保证图像清晰度和信号传输速率。 

将亚克力或玻璃材质透红外滤光片安装于摄像仪前窗内，在不影响设备性能的前提下，增加对夜视仪内部部件的保护等级，避免各种光线对设备内部光元件的损害，如图2所示，由于本发明选择的透红外滤光片对390纳米至790纳米的可见光吸收率达到90％以上，外观呈深黑色，有效防止外界透过前窗玻璃观察设备内部结构和当前工作状态，增强隐蔽性和稳定性。 

如图3和4所示，本发明的调焦方法包括以下步骤： 

第一步：选择镜头调焦电机步长为Lα，步长根据摄像仪镜头参数、机芯性能、拍摄环境属性等进行设定，既确保不会错过调焦精确点，同时要满足以最小的步数走完全程需要。 

第二步：计算不同调焦位置处的调焦函数值，获得调焦评价函数最值区域；采用公式(1)计算获得镜头不同位置的调焦评价函数值，具体公式(1)如下： 

$F\left(I\right)=\underset{x}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{y}{\mathrm{\&Sigma;}}\{{[I(x+1,y)-I(x,y)]}^2+{[I(x,y+1)-I(x,y)]}^2\}$

其中F(I)为调焦评价函数函数值，当F(I)值越大时图像越清晰。I(x,y)为当前图像中第x行第y列像素灰度值，计算相邻的三个位置处的调焦评价函数值A、B和C，若A<B>C，则确定第一点和第三点之间为调焦评价函数最值区 域。即在图像场同步信号的消隐期间，使聚焦电机朝预定义的固定方向转动一步，预设步长为Lα。在下一场图像场同步的下降沿采集自动聚焦算法模块输出的聚焦函数值比较结果信号，如函数值高于前者则信号为高电平，则表示当前图像比前一场图像清晰，电机转动方向正确，继续向该方向转动一步。同理，在下一场图像的场同步下降沿采集聚焦函数值比较结果信号，若仍为高电平，则继续向该方向转动直到首次变为低电平。首次出现低电平则表明以首次设定的聚焦马达步长Lα移动的最后两次区间存在聚焦函数最高值区域，则聚焦马达向相反方向转动两步。 

第三步：在首次获得调焦评价函数最值区间后，采用公式(2)进行细化计算，直至获得最佳调焦点，获取最清晰图像，公式(2)为： 

$F\left(I\right)=\underset{x}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{y}{\mathrm{\&Sigma;}}\left\{\frac{{[I(x+2,y)-I(x,y)]}^2+{[I(x+4,y)-I(x+2,y)]}^2}{2}\right\}$

式中，I(x，y)均表示图像中第x行第y列像素灰度值，F(I)为调焦评价函数函数值。 

第四步：在检测到采集的聚焦函数值比较结果信号为首次低电平，聚焦马达继续以预设步长Lβ继续沿初始方向转动，且Lβ<Lα，L3值越小则聚焦精度越高，若以步长Lβ移动后对比结果为高电平，则表示当前图像比前一场图像清晰，电机转动方向正确，继续向该方向转动一步。同理，在下一场图像的场同步下降沿采集聚焦函数值比较结果信号，若仍为高电平，则继续向该方向转动直到再次变为低电平，聚焦马达则向相反方向转动一步后停止电机转动，自动聚焦结束。 

本发明采用的调焦过程更加智能化，系统采用ARM芯片完成对图像的信号采集，调焦函数的计算。根据图像处理器提供的信号，方便选取调焦窗口。采用ARM中的AF(自动调焦)引擎，逐行采集像素灰度值，直至完成单帧图像，系统采集单帧图像数据后立即进行调焦评价函数计算，计算结束后开始进行下一图像采集工作，计算得出下一图像调焦评价函数后与 前者进行对比，反复进行数据采集，直至在给定范围内找到调焦函数最值，结束自动调焦过程，确定镜头位置，获取最清晰图像。 

Claims (4)

1.一种夜视摄像装置，其特征在于，包括镜头，图像传感器，红外辐射装置，窄带通光学滤光装置，可见光屏蔽装置，所述可见光屏蔽装置贴装在所述夜视摄像装置前窗玻璃内侧，所述窄带通光学滤光装置安装在所述图像传感器的前端，所述红外辐射装置包括：光源驱动电路和LED辐射灯板，所述LED辐射灯板作为辅助光源，LED辐射灯板受光源驱动电路控制，在光源驱动电路作用下，LED辐射灯板向成像对象发出若干波长为940纳米的红外光束，所述的窄带通光学滤光装置由窄带通光学滤光片组成，所述光学滤光片的工作区域为940纳米的近红外光波段；所述可见光屏蔽装置为亚克力或玻璃材质的透红外滤光片，所述可见光屏蔽装置940纳米红外线的穿透率在90％以上，对390纳米至790纳米范围内的可见光吸收率90％以上，所述可见光屏蔽装置外观呈黑色。

2.一种权利要求1所述的夜视摄像装置的调焦方法，该调焦方法包括以下步骤：

第一步：选择镜头调焦电机步长，该步长的选择既确保不会错过调焦精确点，同时要满足以最小的步数走完全程；

第二步：计算不同调焦位置处的调焦函数值，获得调焦评价函数最值区域；

第三步：减小调焦步进电机行进的步长，在上一步计算获得调焦评价函数最值区域内再次计算调焦评价函数最值区域；

第四步：多次重复第三步的计算，逐步缩小调焦评价函数最值区域，直至获得清晰的图像。

3.如权利要求2所述的方法，其中，在第二步中采用下述公式计算获得不同位置的调焦评价函数值：

$F\left(I\right)=\underset{x}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{y}{\mathrm{\&Sigma;}}\{{[I(x+1,y)-I(x,y)]}^2+{[I(x,y+1)-I(x,y)]}^2\}$

其中F(I)为调焦评价函数函数值，当F(I)值越大时图像越清晰。I(x，y)为当前图像中第x行第y列像素灰度值，计算相邻的三个位置处的调焦评价函数值A、B和C，若A<B>C，则确定第一点和第三点之间为调焦评价函数最值区域。

4.如权利要求3所述方法，其中，在首次获得调焦评价函数最值区间后，采用下述公式进行细化计算，直至获得最佳调焦点，获取最清晰图像：

$F\left(I\right)=\underset{x}{\mathrm{\&Sigma;}}\underset{y}{\mathrm{\&Sigma;}}\left\{\frac{{[I(x+2,y)-I(x,y)]}^2+{[I(x+4,y)-I(x+2,y)]}^2}{2}\right\}$

式中，I(x，y)均表示图像中第x行第y列像素灰度值，F(I)为调焦评价函数函数值。