專利名稱：一種基于圖像處理的動態(tài)目標自動變焦系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及自動變焦系統(tǒng)，特別是一種基于圖像處理的動態(tài)目標自動變焦系統(tǒng)。
背景技術：
當攝像機(CCD、CMOS)拍攝動態(tài)目標時，如果攝像機的焦距固定，那么隨著與目標距離的遠近，目標在屏幕上的大小也會變化。要保持測量的精度，需要保持目標的成像大小在一個合適的尺寸范圍內，目前的攝像機(CCD、CMOS)一般有手動變焦功能，通過人工調節(jié)，進行變焦，把目標成像大小控制在合適尺寸。
但是，在拍攝跟蹤高速移動目標時，目標會連續(xù)的發(fā)生距離的快速變化，目前的方式有以下幾種，一是使用手動調節(jié)，二是計算焦距值，根據(jù)焦距值來控制變焦。這兩種方式都有效率低，精度不高的缺點，難以保證實時自動變焦。

發(fā)明內容
本發(fā)明的技術解決解決問題克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于圖像處理的動態(tài)目標自動變焦系統(tǒng)，它可以在跟蹤目標時，實時判斷目標的大小，自動變焦。
本發(fā)明的技術方案一種基于圖像處理的動態(tài)目標自動變焦系統(tǒng)，其特點在于包括可變焦鏡頭，用于調節(jié)攝像機的焦距；攝像機是用于拍攝目標圖像；圖像處理控制單元是系統(tǒng)的核心，它接受從攝像機來的圖像數(shù)據(jù)，對目標進行分割，得到目標的成像大小，根據(jù)目標大小與設定的大小比較結果決定發(fā)出控制命令給鏡頭驅動控制電路；
鏡頭驅動控制電路，與圖像處理控制單元用串口連接，同時通過兩根線纜與可變焦鏡頭的正、負控制線連接，鏡頭驅動控制電路接受圖像處理控制單元發(fā)送來的控制命令，使可變焦鏡頭發(fā)生移動，以調節(jié)攝像機的焦距。
本發(fā)明的原理對空間快速移動目標跟蹤時，保持目標在攝像機上成像大小始終在預定的尺寸范圍內，通過圖像分割，得到圖像上目標的大小，如果大于或小于預定的尺寸，發(fā)出命令給圖像處理控制單元，圖像處理控制單元通過鏡頭驅動控制電路自動調節(jié)鏡頭上的變焦電機，使變焦鏡頭移動到合適位置，把目標在屏幕上的大小調整到預定尺寸。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于本發(fā)明通過圖像處理控制單元由于可以在跟蹤目標時，實時判斷目標的大小，目標大小與預定的尺寸比較，如果大于預定尺寸或小于預定尺寸，就調節(jié)攝像機前的可變焦鏡頭，通過變焦鏡頭的控制，達到調整目標在屏幕上成像大小的目的，因此具有實時自動變焦的功能，且效率和精度大大提高。


圖1為本發(fā)明的原理示意圖；圖2為本發(fā)明的鏡頭驅動控制電路原理圖；圖3為本發(fā)明的圖像處理控制單元的原理框圖，其中圖3a為普通PC機為核心器件構成的電路處理模塊框圖，圖3b為以數(shù)字信號處理器DSP為核心器件構成的電路處理模塊框圖；圖4為本發(fā)明的自動變焦系統(tǒng)的流程圖。
具體實施例方式
如圖1、2所示，本發(fā)明由可變焦鏡頭1、攝像機2、圖像處理控制單元3、鏡頭驅動控制電路4和顯示器5組成，可變焦鏡頭1用于調節(jié)攝像機2的焦距，可變焦鏡頭1為由變焦電機12和變焦鏡頭11構成，變焦電機12與變焦鏡頭11連接，變焦電機12轉動就可以改變變焦鏡頭的焦距，變焦電機12可以為直流電極或步進電機；攝像機2用于拍攝目標圖像，捕獲視頻數(shù)據(jù)的傳感器，可以是一般常用的攝像機，也可以是電荷偶合器件CCD、CMOS等圖像采集傳感器；圖像處理控制單元3是系統(tǒng)的核心，它接受從攝像機來的圖像數(shù)據(jù)，對目標進行分割，得到目標的成像大小，根據(jù)目標大小與設定的大小比較結果決定發(fā)出控制命令給鏡頭驅動控制電路4；鏡頭驅動控制電路4與圖像處理控制單元3采用串口連接，同時它還通過兩根線纜與可變焦鏡頭1的正、負控制線連接。鏡頭驅動控制電路4接受圖像處理控制單元3發(fā)送來的控制命令，根據(jù)命令字的不同，在輸出線纜上傳送不同時間段的±12V電壓，可變焦鏡頭1上的電機在電壓的驅動下會向前或向后移動，直到驅動電壓消失。
如圖2所示，鏡頭驅動控制電路4是以DSP為核心器件的電路，實際使用中，DSP選用了TI公司的TMS320LF2407A。DSP與圖像處理控制單元3通過串口按照約定好的協(xié)議實現(xiàn)通信，它以中斷響應的方式等待圖像處理控制單元3的中斷請求，實時響應中斷，在中斷處理程序中，判斷圖像處理控制單元3通過串口送來的字符串命令，根據(jù)不同的字符串，在電壓輸出接口上輸出±12V電壓信號，輸出接口上電壓持續(xù)時間的長短與不同的字符串對應，再通過信號檢測，判斷可變焦鏡頭1中的變焦電機12是否轉動到位。DSP還實時檢測外部的限位信號，一旦信號有效，就停止轉動。圖2中電壓輸出接口通過電纜與變焦電機12的正負接連，根據(jù)DSP的命令，完成電壓轉換輸出的功能。
鏡頭驅動控制電路4的驅動控制的流程當DSP通過串口收到圖像處理控制單元3的命令，就按照程序約定的協(xié)議對命令處理，根據(jù)命令的不同輸出不同時間長度的電壓，電壓的輸出時間采用分檔法，為探索步進過程，距期望值遠時采用大步距，當接近時，切換到小步距，在細微調節(jié)時切換到更小的步距，這樣可以提高響應性，保證調節(jié)時間快速。通過的電路板上電壓輸出接口輸出±12V電壓，驅動變焦電機12進行相應的轉動。變焦電機12轉動過程中DSP同時檢測電機轉動的位置，判斷變焦電機12是否轉到端點位置，并向圖像處理單元3給出反饋。
顯示器屏幕5用于顯示圖像的設備，可以是一般的液晶或CRT顯示設備。
如圖3a和圖3b所示，圖像處理控制單元3是以普通PC機或數(shù)字信號處理器DSP為核心器件構成的電路處理模塊。
如圖3a所示，基于PC機的圖像處理控制單元的硬件包括PC機、圖像采集卡兩個部分。PC機內包含一般使用的CPU、硬盤、內存等普通PC機內安裝圖像采集卡，運行圖像處理軟件程序，通過串口與鏡頭驅動控制電路連接。把控制命令發(fā)送到鏡頭驅動控制電路。圖像采集卡插在計算機的PCI插槽內，通過視頻線與攝像機或CCD連接，圖像采集卡完成視頻信號的模數(shù)轉換并把數(shù)字圖像信號采集入計算機內存。
如圖3b所示，基于數(shù)字信號處理器DSP的圖像處理控制單元的硬件包括數(shù)字信號處理器DSP、復雜可編程邏輯器件CPLD、Flash Memory。
數(shù)字信號處理器DSP進行圖像算法處理，包括濾波去噪，圖像邊緣檢測，圖像分割、區(qū)域標記、區(qū)域連通，計算成像的尺寸。復雜可編程邏輯器件CPLD的作用是控制DSP讀取圖像傳感器傳來的圖像的時序，把DSP要求得到的圖像數(shù)據(jù)給DSP。Flash Memory的功能是存儲DSP系統(tǒng)運行的軟件程序代碼和存儲圖像信息。
本發(fā)明中的圖像處理單元3的處理軟件包括圖像采集程序，圖像處理程序，判斷控制程序三部分。
(1)圖像采集程序用來對攝像機或CCD的視頻信號通過圖像采集卡硬件進行模數(shù)轉換。軟件可以設定采集的頻率，采集的圖像分辨率，可以調節(jié)對比度等功能。
(2)圖像處理程序對采集進來的數(shù)字圖像進行處理。包括濾波去噪，圖像邊緣檢測，圖像分割、區(qū)域標記、區(qū)域連通，計算成像的長和寬，即成像大小A。
(3)判斷控制程序用來對成像的大小A與期望的大小B比較，期望的大小尺寸B可以在軟件中事先設定，也可以實時修改。當成像尺寸A大于期望尺寸B時，控制程序通過串口向驅動控制電路發(fā)出變焦鏡頭前移的字符串命令。反之，當成像尺寸A小于期望尺寸B時，控制程序通過串口向驅動控制電路發(fā)出變焦鏡頭后移的字符串命令。
如圖4所示，本發(fā)明的具體工作過程如下(1)監(jiān)控設備打開，用于觀測被跟蹤拍攝的目標，目標處于移動中。
(2)圖像處理控制單元3設定期望得到的目標大小尺寸，可以事先設定，也可以在跟蹤過程中修改。
(3)攝像機2拍攝圖像，圖像數(shù)據(jù)一路送到顯示屏幕顯示，另一路送到圖像處理控制單元3。
(4)圖像處理單元3內運行相關軟件，對圖像內的目標進行分割，圖像分割的算法，軟件提取目標的尺寸特征，根據(jù)分割得到的目標邊緣線，提取目標的尺寸長寬信息A。
(5)期望得到的尺寸大小范圍B事先固化在圖像處理單元的軟件中，也可以在軟件界面上修改。軟件中比較A與B，如果目標尺寸A小于設定的B，發(fā)送向前移動的控制字命令。反之如果目標尺寸A大于設定的B，發(fā)送向后移動的控制字命令。如果目標尺寸A在設定的B范圍內，則不發(fā)送命令。
(6)圖像處理單元3內發(fā)送的命令，通過串口線傳到控制驅動電路4，鏡頭驅動控制電路4接受圖像處理控制單元發(fā)送來的控制命令，根據(jù)命令字的不同，在輸出線纜上傳送不同時間段的±12V電壓。
(7)可變焦鏡頭1上的電機受電壓控制，當收到±12V電壓時，便會前后轉動，從而帶動鏡頭前后移動，達到改變焦距的目的。焦距的改變，使得成像的尺寸改變。
(8)通過這樣的閉環(huán)控制，達到在動態(tài)目標快速移動時，自動調整目標成像大小到指定尺寸。
權利要求
1.一種基于圖像處理的動態(tài)目標自動變焦系統(tǒng)，其特征在于主要包括可變焦鏡頭，用于調節(jié)攝像機的焦距；攝像機，用于拍攝目標圖像；圖像處理控制單元，接受從攝像機來的圖像數(shù)據(jù)，對目標進行分割，得到目標的成像大小，根據(jù)目標大小與設定的大小比較結果決定發(fā)出控制命令給鏡頭驅動控制電路；鏡頭驅動控制電路，與圖像處理控制單元用串口連接，同時通過兩根線纜與可變焦鏡頭的正、負控制線連接，鏡頭驅動控制電路接受圖像處理控制單元發(fā)送來的控制命令，使可變焦鏡頭發(fā)生移動，以調節(jié)攝像機的焦距。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于圖像處理的動態(tài)目標自動變焦系統(tǒng)，其特征在于所述的可變焦鏡頭由變焦電機和變焦鏡頭構成。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于圖像處理的動態(tài)目標自動變焦系統(tǒng)，其特征在于所述的變焦電機為直流電極或步進電機。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于圖像處理的動態(tài)目標自動變焦系統(tǒng)，其特征在于所述的攝像機為常用的攝像機，或電荷偶合器件CCD、CMOS等圖像采集傳感器。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于圖像處理的動態(tài)目標自動變焦系統(tǒng)，其特征在于所述的圖像處理控制單元為以普通PC機或數(shù)字信號處理器DSP為核心器件構成的電路處理模塊。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的基于圖像處理的動態(tài)目標自動變焦系統(tǒng)，其特征在于所述的鏡頭驅動控制電路是以DSP為核心器件的電路，DSP與圖像處理控制單元通過串口按照約定好的協(xié)議實現(xiàn)通信，它根據(jù)圖像處理控制單元通過串口送來的命令完成控制命令的判斷，發(fā)出時間不等的電壓信號，再通過信號檢測，判斷可變焦鏡頭中的變焦電機是否轉動到位；DSP還實時檢測外部的限位信號，一旦信號有效，就停止轉動。
全文摘要
一種基于圖像處理的動態(tài)目標自動變焦系統(tǒng)，主要包括可變焦鏡頭，用于調節(jié)攝像機的焦距；攝像機，用于拍攝目標圖像；圖像處理控制單元，接受從攝像機來的圖像數(shù)據(jù)，對目標進行分割，得到目標的成像大小，根據(jù)目標大小與設定的大小比較結果決定發(fā)出控制命令給鏡頭驅動控制電路；鏡頭驅動控制電路，與圖像處理控制單元用串口連接，同時通過兩根線纜與可變焦鏡頭的正、負控制線連接，鏡頭驅動控制電路接受圖像處理控制單元發(fā)送來的控制命令，使可變焦鏡頭發(fā)生移動，以調節(jié)攝像機的焦距。本發(fā)明具有實時自動變焦的功能，且具有效率和精度高的優(yōu)點。
文檔編號G03B13/36GK101021604SQ20071006468
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月23日 優(yōu)先權日2007年3月23日
發(fā)明者倪軍, 周進, 王岱, 張海清, 王成剛 申請人:中國科學院光電技術研究所