高清一体化摄像机的自动对焦技术研究与实现

发布时间：2020-04-10 15:54

【摘要】：安防视频监控领域的一体化摄像机已经有近二十年的发展历史。近年来,随着数字图像处理技术和芯片技术的进步,一体化摄像机正由模拟向数字、标清向高清的方向发展,高清一体化摄像机应运而生,以其清晰度高、传输方式灵活、适应范围广、体积小巧、安装方便的优势很快成为监控类摄像机中的主力军。自动对焦技术作为高清一体化摄像机的关键技术,直接决定着摄像机的成像质量和图像清晰度。高清一体化摄像机中一般采用基于图像处理的自动对焦技术,主要包括三个核心子算法:图像清晰度评价函数、变焦跟踪算法和对焦搜索算法。基于此,本文深入分析现有自动对焦算法存在的问题,从工程应用的角度提出了改进的算法,最后在自行设计的自动对焦系统上完成了算法的对比实验。(1)在分析现有典型图像清晰度评价函数和海思AF模块的基础上,设计对比性实验,实际论证了本文选用的海思AF模块在工程实践中的可行性。(2)研究了现有的变焦跟踪算法,针对现有算法变焦过程不连续、通用性不足的问题,首次提出采用相邻两个变焦点的状态信息来修正评估跟踪曲线,从而得到本文的变焦跟踪算法。经过对比性实验验证,本文提出的跟踪算法解决了反馈法和自适应法变焦过程不连续的问题,同时在变焦精度和速度方面也有了明显的改进,综合性能提升明显,实际应用价值较高。(3)研究了不同种类改进的对焦搜索算法,总结发现现有算法无法解决光源场景和无细节场景下的对焦问题,基于此提出了一种基于场景判断的对焦搜索算法,该算法能够智能识别场景并作出判断,针对光源场景提出利用图像高亮度像素统计值作为对焦搜索的依据;针对无细节场景,提出了改进的全局搜索算法;针对普通场景对焦电机位于离焦区时判断方向困难的问题,提出了采用模糊度评价模型判断峰值方向的办法。实验结果表明,本文设计的算法提高了对焦搜索的速度、准确率和稳定性。(4)最后本文搭建了以海思Hi3518A处理器SoC芯片为核心的自动对焦系统,详细描述了系统的软硬件设计方案,在此基础上编写了算法程序和电机驱动程序,在自行设计的实验方案上完成了本文算法的验证工作。该系统作为一种典型的高清一体化摄像机解决方案,具备很强的市场竞争力。
【图文】：

变焦镜头,光路图,镜片

自动对焦过程就是对光学系统不断校正的过程，本章将从光学系统的成像原理和光学设备的机械结构两方面入手，对光学成像系统作必要的介绍。2.1.1 变焦镜头的光学结构镜头是一种接收光信号并将光信号汇聚至感光元件的成像装置，按照焦距是否可以改变，分为变焦镜头和定焦镜头。变焦镜头的焦距在一定范围内可以连续变化，从而得到不同视场角、不同影像大小的图像。镜头的变焦和对焦操作一般通过多枚镜片之间的相对运动实现，根据所处位置和功能不同，大致可将镜片分成三组，一组镜片称为一群，变焦镜头一般由以下部分组成：三群镜片、固定筒、凸轮结构曲线筒、光圈、快门、步进电机、光遮断传感器等。根据镜头组成，在光轴上从物方到成像端，变焦镜头依次包括具有负屈光率的一群、具备正屈光率的二群和三群，不同镜片组可以沿着光轴运动，通过改变一群和二群之间的相对距离实现变倍的功能，驱动三群镜片沿着光轴运动可以达到对焦的效果。图 2-1显示了三群镜片组之间的相对位置关系，其中 G1、G2、G3 构成一群，，G4、G5、G6 构成二群，G7 即为三群[25]。

跟踪曲线,变焦,跟踪曲线,物距

图 4-2 舜宇 20 倍镜头不同物距下的变焦跟踪曲线图 4-2 列举了 1 米、2 米、5 米和无穷远物距下 20 倍变焦镜头的变焦跟踪曲线，横轴表示变焦电机位置，纵轴表示对焦电机位置。以光遮断传感器位置为原点，以步进电机运行一步带动镜片移动的距离为最小刻度单位，实测得到镜头内变焦电机与对焦电机的可移动范围，变焦电机从 1 倍位置到 20 倍位置的总行程范围为[-1200,102]，对焦电机总行程范围为[-300, 400]。分析图 4-2 中的曲线，发现变焦电机在[-1200, -668]的范围内曲线呈线性变化，称为线性区；而在[-668,102]范围内，曲线呈非线性变化，称为非线性区域。变焦跟踪曲线在线性区域基本重合，各曲线之间的距离差别很小，随着变焦电机往长焦端（tele-angle）移动，各条曲线逐渐分离，曲线之间的距离越来越大。由此可知，如果变焦跟踪前的变焦电机位于长焦端附近的区域且对焦清晰，则可以通过线性插值的方法确定一条评估跟踪曲线，对焦电机的位置可以沿着这条评估跟踪曲线调节；如果初始变焦位置位于广角端（wide-angle）附近，则由于各条曲线重合，当变焦电机往长焦端移动时，各条曲线逐渐分离，在没有任何策略的情况下，很难确定一条评估跟踪曲线。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.41

【参考文献】