CN111818261A - 一种基于飞行时间的自动对焦方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及成像系统技术领域，具体是一种基于飞行时间的自动对焦方法及系统，包括如下步骤：通过激光测距模块测量其与目标物的物距u，并将物距数据发送给图像采集卡；所述图像采集卡以物距u为设置依据，通过插值运算估算出镜头初始的焦距f；所述图像采集卡由焦距f设定对焦搜索范围和对焦电机运动步数，在对焦搜索范围内获取若干图像，比对获取的图像得到最大特征值，并记录最大特征值时对焦电机的调节值；将调节值与初始的焦距相加得到镜头的对焦焦距。本发明的有益效果是：提升了镜头在图像移动或者光线不足情况下对焦的精度和稳定性，扩展了镜头的对焦范围，适用于超远距离的对焦。

Description

一种基于飞行时间的自动对焦方法及系统

技术领域

本发明涉及成像系统技术领域，具体是一种基于飞行时间的自动对焦方法及系统。

背景技术

成像系统的不断升级，基于各种场景下的摄像技术也在更新，对焦是成像系统一个比 较最基本的需求，但是如果做到鲁棒性比较好，难度相当大；实时对焦，图像会受到光线 与场景变化的干扰；当场景内部有快速移动或者变化的物体时，对焦所依赖多帧图像的特 征值关联性被破坏掉。

现有技术中，在微光低照度环境下，可见光被环境吸收，成像系统感光部分接收的信 号本就微弱，同时成像系统产生的噪声严重影响到设备成像质量，造成图像模糊；目前支 持从50-3000米之间成像范围的对焦方式不太成熟，很难甚至无法处理超远距离的对焦情 况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于飞行时间的自动对焦方法及系统，以解决上述背景技 术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于飞行时间的自动对焦方法，包括以下步骤：

S11、通过激光测距模块测量其与目标物的物距u，并将物距数据发送给图像采集卡；

S12、所述图像采集卡以物距u为设置依据，算出镜头初始的焦距f；

S13、所述图像采集卡由焦距f设定对焦搜索范围和对焦电机运动步数，在对焦搜索 范围内获取若干图像，比对获取的图像得到最大特征值，并记录最大特征值时对焦电机的 调节值；

S14、将调节值与初始的焦距相加得到镜头的对焦焦距。

作为本发明进一步的方案：步骤S12中，由公式I：1/u＝k*(1/f)+z，得出初始的焦距 f，公式I中的k、z为常数。

作为本发明再进一步的方案：步骤S12中的焦距f，由公式II： fn＝(fa*db+fb*da)/(da+db)，其中da＝un-ua，db＝ub-un；得出fn，对焦电机带动镜头运 动使镜头的焦距f＝fn；其中n、a、b分别为目标点n、及与目标点n临近的第一临近点a、 第二临近点b；ua、ub、un分别为第一临近点a、第二临近点b、目标点n的物距；da和 db分别为目标点n与第一临近点a的距离、目标点n与第二临近点b的距离；fn为目标 点n的焦距。

作为本发明再进一步的方案：所述最大特征值的获取步骤：对获取的图像进行分块滤 波，提取特征值比对，通过边缘检测，得出最大特征值。

本发明提供的另一个方案：一种基于飞行时间的自动对焦系统，包括镜框、激光测距 模块、镜头、对焦电机和图像采集卡，所述激光测距模块、对焦电机设置在所述镜框内，所述对焦电机带动所述镜头在所述镜框内运动，所述激光测距模块、对焦电机与所述图像采集卡连接；采用如上任一所述的基于飞行时间的自动对焦方法，实现自动对焦。

作为本发明进一步的方案：所述图像采集卡包括相互连接的主板和感光芯片，所述感 光芯片接收所述镜头传递的光线形成图像，并将图像数据发送给所述主板。

作为本发明再进一步的方案：所述激光测距模块包括ToF摄像头，所述ToF摄像头与 所述主板连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：提升了镜头在图像移动或者光线不足情况下 对焦的精度和稳定性，扩展了镜头的对焦范围，适用于超远距离的对焦。

附图说明

图1为本发明实施例中基于飞行时间的自动对焦方法及系统的系统框图。

图2为本发明实施例中物距与焦距的关系图一。

图3为本发明实施例中物距与焦距的关系图二；

其中，线型I为1/u*2000的变化曲线；线型II为镜头移动距离(d-f)*22.7066的变化 曲线。

图4为本发明实施例中焦距与镜头移动距离的线性关系图。

图5为本发明实施例中表1的物距焦距对照表。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图 时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中 所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权 利要求书中所详述的、本实施例公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

请参阅图1，本发明实施例中，一种基于飞行时间的自动对焦方法，包括以下步骤：

S21、通过激光测距模块测量其与目标物的物距u，并将物距数据发送给图像采集卡；

S22、所述图像采集卡以物距u为设置依据，算出镜头初始的焦距f；

S23、所述图像采集卡由焦距f设定对焦搜索范围和对焦电机运动步数，在对焦搜索 范围内获取若干图像，比对获取的图像得到最大特征值，并记录最大特征值时对焦电机的 调节值；

S24、将调节值与初始的焦距相加得到镜头的对焦焦距。

具体的，所述激光测距模块包括ToF镜头，使用ToF镜头的飞行时间方式测量所述ToF 镜头与目标物的物距u，通过对不同物距u的测量，得到：表1为物距焦距对照表(u-f 对照表)。步骤S22中，镜头初始的焦距f由插值运算得出；由公式I：1/u＝k*(1/f)+z， 得出初始的焦距f，公式I中的k、z为常数。将所述物距u代入公式I中得到初始的焦距 f为f0。设定对焦搜索范围为(f0-E，f0+E)；E为自然数，从图2-4可以看出，焦距f与 镜头移动距离d-f为线性关系，在对焦搜索范围内获取焦距对应图像，并对获取的图像进 行特征值提取，制作特征图，由特征图绘制焦距fN与特征值的变化曲线图，找到对焦搜 索范围内在最大特征值Fmax，记录此时焦距f0+Et即为目标物的对焦焦距，其中Et对应 为对焦电机调节的调节值，即镜头的移动距离。通过ToF镜头进行测距，然后结合图像采 集卡内设定的参数进行分析得到镜头的对焦焦距，避免了直接使用镜头其对焦可靠性与稳 定性在微光环境下很难保证，还解决了在超远距离时镜头难以对焦的情况。

为了提高对焦精度和稳定性，在相关器件的误差较大导致线性度不好时，本发明提供 的一个实施例中，步骤S22中的焦距f，由公式II：fn＝(fa*db+fb*da)/(da+db)，其中da＝un-ua，db＝ub-un；得出fn，对焦电机带动镜头运动使镜头的焦距f＝fn；其中n、a、 b分别为目标点n、及与目标点n临近的第一临近点a、第二临近点b；ua、ub、un分别 为第一临近点a、第二临近点b、目标点n的物距；da和db分别为目标点n与第一临近点 a的距离、目标点n与第二临近点b的距离；fn为目标点n的焦距。

具体的，使用ToF镜头的飞行时间方式测量所述ToF镜头与目标物的物距u，查找物距焦距对照表(u-f对照表)得出临近焦距(fa，fb)和物距(ua，ub)，然后进行插值，得 出预估焦距f0。设定对焦搜索范围为(f0-E，f0+E)；E为自然数，在对焦搜索范围内获取 焦距对应图像，并对获取的图像进行特征值比对，找到对焦搜索范围内的最大特征值Fmax， 记录此时焦距f0+Et即为目标物的对焦焦距。所述Et对应为对焦电机调节的调节值。进 一步提升了上述实施例中对焦的精度和稳定性。

本发明的一个实施例中，所述最大特征值的获取步骤：对获取的图像进行分块滤波， 提取特征值比对，通过边缘检测，得出最大特征值。

在进行分块滤波时，各区域分布的滤波低频分量相对均匀为对焦模糊区域，对焦清晰 区域中的中心区域分布的滤波低频分量远大于边缘区域分布的滤波低频分量；找出最大特 征值Fmax，并记录调节的Et值，此时焦距f0+Et即为目标物的对焦焦距。通过所述ToF 镜头的测距结合所述图像采集卡的参数设定，得到镜头的对焦焦距，取代采用对焦电机反 复带动镜头运动的直接调焦。减少了对焦电机的使用次数，延长了对焦电机的使用寿命。

请参阅图1，本发明的另一个实施例中，一种基于飞行时间的自动对焦系统，包括镜 框、激光测距模块、镜头、对焦电机和图像采集卡，所述激光测距模块、对焦电机设置在所述镜框内，所述对焦电机带动所述镜头在所述镜框内运动，所述激光测距模块、对焦电机与所述图像采集卡连接；采用如上任一所述的基于飞行时间的自动对焦方法，实现自动对焦。

具体的，所述激光测距模块为激光测距仪，通过所述激光测距仪测量目标物至激光测 距仪的距离为物距u，并将物距u反馈给所述图像采集卡，图像采集卡再根据设定参数估 算出镜头的初始的焦距f0，对焦电机调节镜头的焦距为f0，所述图像采集卡进行图像采集并对图像进行特征值比对，得到最大特征值及最大特征值时对焦电机的调节值，所述图像采集卡对所述对焦电机进行补偿，继而所述对焦电机带动所述镜头实现对焦。通过所述ToF镜头的测距结合所述图像采集卡的参数设定，得到镜头的对焦焦距，取代采用对焦电机反复带动镜头运动的直接调焦。提高了镜头各使用场景下的精度和稳定性；还减少了对焦电机的使用次数，延长了对焦电机的使用寿命。

进一步的，所述图像采集卡包括相互连接的主板和感光芯片，所述感光芯片接收所述 镜头传递的光线形成图像，并将图像数据发送给所述主板。

所述主板上设置有储存单元，用于储存图像数据。也可将图像通过通讯单元发送给智 能设备。

再进一步的，所述激光测距模块包括ToF摄像头，所述ToF摄像头与所述主板连接。通过ToF摄像头测量目标物的物距，并将物距数据反馈给所述主板。所述主板根据收到的物距数据进行分析处理得到对焦焦距，控制所述对焦电机调节镜头的焦距，实现对焦摄像。

本发明的工作原理是：使用ToF镜头的飞行时间方式测量所述ToF镜头与目标物的物 距u，步骤S22中，镜头初始的焦距f由插值运算得出；由公式I：1/u＝k*(1/f)+z，得出 初始的焦距f，公式I中的k、z为常数。首先对物距u、像距v和焦距f进行系统标定， 通过公式：1/u+1/v＝1/f，统计制定物距焦距对照表(u-f对照表)。公式I中的k、z由 所述u-f对照表通过线性拟合得出。将所述物距u代入公式I中得到初始的焦距f为f0。 设定对焦搜索范围为(f0-E，f0+E)；E为自然数，在对焦搜索范围内获取焦距对应图像， 并对获取的图像进行特征值提取，制作特征图，由特征图绘制焦距fN与特征值的变化曲 线图，找到对焦搜索范围内在最大特征值Fmax，记录此时焦距f0+Et即为目标物的对焦焦 距，其中Et对应为对焦电机调节的调节值。

需要说明的是，本发明所采用的对焦电机、主板和感光芯片均为现有技术的应用，本 专业技术人员能够根据相关的描述实现所要达到的功能，或通过相似的技术实现所需完成 的技术特性，在这里就不再详细描述。

本领域技术人员在考虑说明书及实施例处的公开后，将容易想到本公开的其它实施方 案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应 性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用 技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且 可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种基于飞行时间的自动对焦方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过激光测距模块测量其与目标物的物距u，并将物距数据发送给图像采集卡；

S2、所述图像采集卡以物距u为设置依据，算出镜头初始的焦距f；

S3、所述图像采集卡由焦距f设定对焦搜索范围和对焦电机运动步数，在对焦搜索范围内获取若干图像，比对获取的图像得到最大特征值，并记录最大特征值时对焦电机的调节值；

S4、将调节值与初始的焦距相加得到镜头的对焦焦距。

2.根据权利要求1所述的一种基于飞行时间的自动对焦方法，其特征在于，步骤S2中，由公式I：1/u＝k*(1/f)+z，得出初始的焦距f，公式I中的k、z为常数。

3.根据权利要求1所述的一种基于飞行时间的自动对焦方法，其特征在于，步骤S2中的焦距f，由公式II：fn＝(fa*db+fb*da)/(da+db)得出fn，对焦电机带动镜头运动使镜头的焦距f＝fn；

其中n、a、b分别为目标点n、及与目标点n临近的第一临近点a、第二临近点b；da和db分别为目标点n与第一临近点a的距离、目标点n与第二临近点b的距离；fn为目标点n的焦距。

4.根据权利要求1所述的一种基于飞行时间的自动对焦方法，其特征在于，所述最大特征值的获取步骤：对获取的图像进行分块滤波，提取特征值比对，通过边缘检测，得出最大特征值。

5.一种基于飞行时间的自动对焦系统，其特征在于，包括镜框、激光测距模块、镜头、对焦电机和图像采集卡，所述激光测距模块、对焦电机设置在所述镜框内，所述对焦电机带动所述镜头在所述镜框内运动，所述激光测距模块、对焦电机与所述图像采集卡连接；采用如权利要求1-4任一所述的基于飞行时间的自动对焦方法，实现自动对焦。

6.根据权利要求5所述的一种基于飞行时间的自动对焦系统，所述图像采集卡包括相互连接的主板和感光芯片，所述感光芯片接收所述镜头传递的光线形成图像，并将图像数据发送给所述主板。

7.根据权利要求6所述的一种基于飞行时间的自动对焦系统，所述激光测距模块包括ToF摄像头，所述ToF摄像头与所述主板连接。

Images