本發(fā)明屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種自動聚焦調(diào)節(jié)方法，可用于高清視頻會議攝像機的自動聚焦系統(tǒng)中。

背景技術(shù)：

自動聚焦AF通過調(diào)整成像設(shè)備自身鏡頭位置使得感光器件上呈現(xiàn)清晰圖像。該技術(shù)是計算機視覺和數(shù)字成像系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。近年來，自動聚焦在數(shù)碼相機、顯微鏡、掃描儀、視頻監(jiān)控、視頻會議以及衛(wèi)星遙感等多種儀器中得到了廣泛地應(yīng)用。與傳統(tǒng)光學(xué)及測距方式相比，基于圖像處理的AF算法因其具有低成本和高精度等優(yōu)點成為自動聚焦普遍采用的方法。

基于圖像處理的自動聚焦系統(tǒng)主要有兩個研究重點：圖像清晰度函數(shù)和自動聚焦AF調(diào)節(jié)方法。

圖像清晰度函數(shù)，是反映圖像清晰程度的測度函數(shù)，圖像越清晰，該數(shù)值越大。目前提出多種圖像清晰度函數(shù)計算方法，如基于梯度的方法，基于頻域的方法以及基于圖像統(tǒng)計信息及自相關(guān)函數(shù)的方法等。理想的圖像清晰度函數(shù)應(yīng)具備無偏性、單峰性、高信噪比和低計算復(fù)雜度等特點。

自動聚焦AF調(diào)節(jié)方法，是通過分析連續(xù)幾幀圖像清晰度值及其變化趨勢確定下一幀圖像鏡頭的移動方向和步長，直到找到圖像清晰度曲線的峰值。目前普遍使用的AF調(diào)節(jié)方法有爬山法、單調(diào)性法、二分法、Fibonacci搜索法、基于預(yù)測思想的搜索方法和自適應(yīng)步長爬山算法等。AF調(diào)節(jié)方法決定自動聚焦的精度、速度和魯棒性。

隨著攝像機的發(fā)展及對拍攝質(zhì)量要求的提高，支持變焦的攝像機大范圍普及，尤其是面向高清視頻會議的攝像機。焦距可變范圍從1倍變至10倍、18倍，再到20倍乃至更大。在不同焦距下，自動聚焦圖像清晰度曲線是有差異的，即在小倍焦距下，鏡頭處于廣角拍攝狀態(tài)，此時景深較大，圖像清晰度曲線峰值區(qū)域呈寬且相對平坦趨勢；在大倍焦距下，鏡頭處于長焦拍攝狀態(tài)，此時景深較小，圖像清晰度曲線大面積平坦，局部出現(xiàn)尖銳峰值。傳統(tǒng)的自動聚焦AF調(diào)節(jié)方法由于沒有考慮不同焦距下圖像清晰度曲線的不同特點，要消耗大量的聚焦時間，且可能造成錯誤聚焦和視頻質(zhì)量的反復(fù)變化，無法滿足高清視頻會議攝像機自動聚焦的精度、速度和魯棒性要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種面向變焦攝像系統(tǒng)的自動聚焦調(diào)節(jié)方法，以提高聚焦的精度和魯棒性，減小聚焦時間，從而實現(xiàn)對高清視頻會議攝像機性能的提升。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：在Hi3516C芯片的硬件平臺上，利用其提供的圖像清晰度值，充分考慮變焦攝像系統(tǒng)焦距實時可變的特性，根據(jù)不同的焦距確定不同的鏡頭有效移動范圍，可大大縮小鏡頭的移動范圍，從而提高聚焦速度；通過圖像清晰度值s判斷當(dāng)前圖像的離焦?fàn)顟B(tài)，在不同離焦?fàn)顟B(tài)使用不同策略來確定下一步鏡頭移動的方向，保證自動聚焦AF調(diào)節(jié)方向的準(zhǔn)確性；根據(jù)小倍鏡頭下圖像清晰度曲線峰值區(qū)域呈寬且相對平坦趨勢，大倍鏡頭下圖像清晰度曲線大面積平坦且局部出現(xiàn)尖銳峰值的特點，確定不同的自適應(yīng)步長，以避免找到“假高峰”和反復(fù)“跨峰”現(xiàn)象帶來視頻“虛晃”的感覺，在保證聚焦精度和魯棒性的前提下再次提高聚焦速度；在找到圖像清晰度曲線峰值的大概位置之后，一次正向過峰和一次反向過峰后即確定最佳聚焦位置，避免鏡頭反復(fù)調(diào)整。其實現(xiàn)步驟包括如下：

(1)通過攝像機中的Hi3516C芯片獲取圖像清晰度值s，根據(jù)圖像清晰度值s判斷圖像離焦?fàn)顟B(tài)，確定鏡頭下一步移動的方向d_i+1：

若圖像清晰度值滿足s≤T₁，則表明圖像處于重度離焦?fàn)顟B(tài)，根據(jù)鏡頭當(dāng)前位置L_i，確定鏡頭下一步移動的方向d_i+1：

其中，T₁是圖像清晰度第一閾值，取值為T₁＝50；near為鏡頭靠近成像平面的方向，far為鏡頭遠離成像平面的方向；R為鏡頭有效移動范圍：R＝v_max-v_min；v_min、v_max分別為鏡頭焦距f對應(yīng)的鏡頭有效移動范圍的左邊界和右邊界；

若圖像清晰度值滿足T₁<s<T₂，則表明圖像處于中度離焦?fàn)顟B(tài)，根據(jù)連續(xù)N幀圖像清晰度值及其上升和下降次數(shù)，確定鏡頭下一步移動的方向d_i+1：

其中，T₂是圖像清晰度第二閾值，取值為T₂＝400；為鏡頭當(dāng)前移動方向d_i的反方向；s_i、s_i-1、s_i-2、s_i-3分別為當(dāng)前幀、前第一幀、前第二幀、前第三幀圖像的清晰度值；m為連續(xù)N幀圖像清晰度值上升次數(shù)，n為連續(xù)N幀圖像清晰度值下降次數(shù)；

若圖像清晰度值滿足s≥T₂，則表明圖像處于輕度離焦?fàn)顟B(tài)，根據(jù)連續(xù)3幀圖像清晰度值，確定鏡頭下一步移動的方向d_i+1：

(2)確定自適應(yīng)步長，進行自適應(yīng)步長調(diào)節(jié)：

(2a)根據(jù)圖像清晰度曲線斜率與其變化趨勢，確定增量因子a：

初始設(shè)置a＝1，

若圖像清晰度曲線斜率滿足r_i≤T₃或者r_i-2<r_i-1<r_i，表明圖像清晰度曲線斜率呈上升趨勢，則a值自增1；

若圖像清晰度曲線斜率滿足r_i>T₃或者r_i-2>r_i-1>r_i，表明圖像清晰度曲線斜率呈下降趨勢，則a值自減1，

其中，r_i、r_i-1、r_i-2分別為當(dāng)前幀、前第一幀、前第二幀與前第三幀圖像確定的圖像清晰度曲線斜率；T₃是圖像清晰度曲線斜率閾值，取值為T₃＝0.3；

(2b)根據(jù)攝像機變焦值z、當(dāng)前圖像清晰度曲線斜率r_i和增量因子a，計算自適應(yīng)步長因子k：

其中，在z≤T₄時限制k的調(diào)整區(qū)間為[1,6]，在z>T₄時限制k的調(diào)整區(qū)間為[1,13]，T₄是攝像機變焦閾值，取值為T₄＝3500；

(2c)根據(jù)自適應(yīng)步長因子k確定自適應(yīng)步長Δ_i+1：

Δ_i+1＝kΔ

其中，Δ為基步長，在z≤T₄時，Δ取值為1，在z>T₄時，Δ取值為2；

(3)對圖像清晰度曲線進行精細峰值調(diào)整：

(3a)設(shè)置s_max＝s_i，其中，s_max表示圖像最大清晰度值，s_i為圖像清晰度曲線下降起始點的圖像清晰度值，即當(dāng)前圖像清晰度值；

(3b)尋找圖像清晰度曲線的反向下降沿：按照鏡頭當(dāng)前移動方向微調(diào)鏡頭位置，若s_i>s_max，則更新s_max＝s_i，直到滿足s_i<s_max為止；

(3c)將鏡頭移動方向設(shè)置為鏡頭上一步移動方向的反方向，微調(diào)鏡頭位置，直到再次滿足s_i<s_max為止；

(3d)將鏡頭移動至兩次峰值間隔的中心位置，自動聚焦調(diào)節(jié)結(jié)束；

(4)攝像機進入場景監(jiān)測狀態(tài)進行場景監(jiān)測，若監(jiān)測到場景發(fā)生變化，則重啟新一輪聚焦，否則一直處于場景監(jiān)測狀態(tài)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：

第一，本發(fā)明在不同離焦?fàn)顟B(tài)下使用不同策略確定鏡頭下一步移動的方向，可以更加準(zhǔn)確地確定鏡頭移動的方向，且考慮到不同焦距對應(yīng)的鏡頭有效移動范圍不同，減少了鏡頭移動步數(shù)，提高了自動聚焦精度和速度。

第二，本發(fā)明在考慮實際場景中圖像清晰度曲線會受到旁瓣、噪聲甚至是假峰值的影響而出現(xiàn)不可避免的波動影響的前提下，進一步考慮不同焦距下圖像清晰度曲線的不同特征，采用自適應(yīng)步長因子確定最終調(diào)節(jié)步長，以及在精細峰值調(diào)節(jié)階段兩次過峰即確定最佳聚焦位置，避免了視頻質(zhì)量的反復(fù)變化，有效提高了自動聚焦的精度和魯棒性，且提高了聚焦速度。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有基于數(shù)字圖像處理的被動式自動聚焦系統(tǒng)圖；

圖2為本發(fā)明中的自動聚焦AF調(diào)節(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖；

圖3為本發(fā)明的實現(xiàn)流程圖；

圖4為本發(fā)明中的鏡頭移動示意圖；

圖5為本發(fā)明中的自動聚焦圖像清晰度曲線示意圖；

圖6為用本發(fā)明對一種典型會議場景的聚焦過程圖；

圖7為用本發(fā)明對圖6會議場景自動聚焦的圖像清晰度曲線示意圖；

圖8為用本發(fā)明對普通場景和單一場景測試結(jié)果圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明作進一步詳細描述。

參照圖1，在基于數(shù)字圖像處理的被動式自動聚焦系統(tǒng)中，物體經(jīng)過變焦鏡頭在圖像傳感器上成像。通過Hi3516C芯片對采集到的圖像信息進行分析評價，輸出圖像清晰度值，在此基礎(chǔ)上根據(jù)自動聚焦AF調(diào)節(jié)算法合理控制鏡頭位置，得到質(zhì)量最佳的圖像。

參照圖2，本發(fā)明的實現(xiàn)步驟如下：

步驟1，調(diào)節(jié)攝像機鏡頭，使其進入聚焦調(diào)節(jié)狀態(tài)。

在攝像機自動聚焦中，設(shè)置三個狀態(tài)：聚焦準(zhǔn)備狀態(tài)、聚焦調(diào)節(jié)狀態(tài)和場景監(jiān)測狀態(tài)，通過這三個狀態(tài)的有序切換保證整個聚焦系統(tǒng)的穩(wěn)定性，當(dāng)攝像機云臺停止轉(zhuǎn)動后，攝像機的自動聚焦AF首先進入聚焦準(zhǔn)備狀態(tài)，之后進入聚焦調(diào)節(jié)狀態(tài)。

參照圖3，本步驟的具體實現(xiàn)如下：

(1a)根據(jù)攝像機當(dāng)前變焦值z確定鏡頭有效移動范圍R；

攝像機變焦值z與變焦系統(tǒng)透鏡組中凹透鏡的位置有關(guān)，z的范圍為[0,5140]，映射成鏡頭放大倍數(shù)為[1,20]，z值越大，表示鏡頭的焦距越大，放大倍數(shù)越大；

鏡頭有效移動范圍R＝v_max-v_min；v_min、v_max分別為鏡頭焦距f對應(yīng)的鏡頭有效移動范圍的左邊界和右邊界，通過下式確定：

其中，f為攝像機鏡頭焦距；u_max為攝像機最遠的可聚焦點，取值為u_max＝0.5H；H為超焦距，即指當(dāng)鏡頭對焦在無窮遠時，景深前界到鏡頭的距離；u_min為攝像機最近的可聚焦點，鏡頭焦距f越大，u_min越大；

(1b)根據(jù)鏡頭當(dāng)前位置L_i和鏡頭有效移動范圍位置之間的相對位置關(guān)系，確定鏡頭移動的方向和步長：

若鏡頭當(dāng)前位置L_i位于鏡頭有效移動范圍左邊界v_min的左邊，則鏡頭移動的方向為靠近左邊界的方向；若|v_min-L_i|≥step，則鏡頭移動步長為step，否則鏡頭移動步長為|v_min-L_i|；step為最大步長，取值為step＝40；

若鏡頭當(dāng)前位置L_i位于鏡頭有效移動范圍右邊界v_max的右邊，則鏡頭移動的方向為靠近右邊界的方向；若|v_max-L_i|≥step，則鏡頭移動步長為step，否則鏡頭移動步長為|v_max-L_i|；

若鏡頭當(dāng)前位置L_i位于鏡頭有效移動范圍位置內(nèi)，則鏡頭移動步長為0；

(1c)根據(jù)鏡頭移動步長和方向?qū)㈢R頭調(diào)整至當(dāng)前變焦值z對應(yīng)的鏡頭有效移動范圍內(nèi)，進入聚焦調(diào)節(jié)狀態(tài)。

步驟2，根據(jù)不同焦距下圖像清晰度值s及其變化趨勢設(shè)計自適應(yīng)步長調(diào)節(jié)方式，將鏡頭調(diào)整至最佳聚焦位置。

參照圖4，本步驟的具體實現(xiàn)如下：

(2a)根據(jù)高清視頻會議攝像機的Hi3516C芯片輸出圖像清晰度值s，判斷相鄰兩幀圖像清晰度值是否發(fā)生劇烈變化，若滿足|s_i-s_i-1|>T₀，即認(rèn)為相鄰兩幀圖像清晰度值發(fā)生了劇烈變化，調(diào)節(jié)過程中存在干擾，返回步驟(1a)；否則，執(zhí)行步驟(2b)；

圖像清晰度值s代表圖像的清晰程度，該值越大表示圖像越清晰。s_i為當(dāng)前圖像的清晰度值，s_i-1為前一幀圖像的清晰度值，T₀是圖像清晰度變化閾值，取值為T₀＝1000；

(2b)設(shè)置圖像清晰度第一閾值T₁和第二閾值T₂，判斷當(dāng)前圖像的離焦?fàn)顟B(tài)：

若s≤T₁，則當(dāng)前圖像處于重度離焦?fàn)顟B(tài)；若T₁<s<T₂，則當(dāng)前圖像處于中度離焦?fàn)顟B(tài)；若s≥T₂，則當(dāng)前圖像處于輕度離焦?fàn)顟B(tài)，其中，T₁＝50，T₂＝400；

(2c)根據(jù)不同的離焦?fàn)顟B(tài)設(shè)計不同的策略，確定鏡頭下一步移動的方向d_i+1；

本步驟是根據(jù)圖像所處的離焦?fàn)顟B(tài)分別確定：

若圖像處于重度離焦?fàn)顟B(tài)，則根據(jù)鏡頭當(dāng)前位置L_i，確定鏡頭下一步移動的方向d_i+1：

其中，near為鏡頭靠近成像平面的方向，far為鏡頭遠離成像平面的方向；重度離焦表明鏡頭距離圖像清晰度曲線峰值很遠，可直接根據(jù)鏡頭在鏡頭有效移動范圍內(nèi)的位置判斷鏡頭下一步移動方向；

若圖像處于中度離焦?fàn)顟B(tài)，則統(tǒng)計連續(xù)N幀圖像清晰度值s及其上升和下降次數(shù)，確定鏡頭下一步移動的方向d_i+1：

其中，為鏡頭當(dāng)前移動方向d_i的反方向；s_i、s_i-1、s_i-2、s_i-3分別為當(dāng)前幀、前第一幀、前第二幀、前第三幀圖像的清晰度值；m為連續(xù)N幀圖像清晰度值上升次數(shù)，n為連續(xù)N幀圖像清晰度值下降次數(shù)；若圖像清晰度值滿足s_i-3<s_i-2<s_i-1<s_i或者m>4n+2，則表明此時鏡頭位于圖像清晰度曲線的上升沿，鏡頭下一步移動方向不變；若圖像清晰度值滿足s_i-3>s_i-2>s_i-1>s_i或者n>4m+2，則表明此時鏡頭位于圖像清晰度曲線的下降沿，將鏡頭下一步移動方向設(shè)置為鏡頭當(dāng)前移動方向的反方向；

若圖像處于輕度離焦?fàn)顟B(tài)，則根據(jù)連續(xù)3幀圖像清晰度值，確定鏡頭下一步移動的方向d_i+1：

輕度離焦表明鏡頭距離圖像清晰度曲線峰值很近，一旦發(fā)現(xiàn)圖像清晰度值上升，即滿足s_i-2≤s_i-1≤s_i，則認(rèn)為找到圖像清晰度曲線的上升沿，鏡頭下一步移動的方向不變；一旦發(fā)現(xiàn)圖像清晰度值下降，即滿足s_i-2≥s_i-1≥s，則認(rèn)為找到圖像清晰度曲線的下降沿，將鏡頭下一步移動方向設(shè)置為鏡頭當(dāng)前移動方向的反方向；

(2d)確定自適應(yīng)步長，進行自適應(yīng)步長調(diào)節(jié)鏡頭至圖像清晰度曲線峰值附近；

參照圖5，本步驟的具體實現(xiàn)如下：

(2d1)設(shè)置圖像清晰度曲線斜率閾值T₃，根據(jù)圖像清晰度曲線斜率與其變化趨勢，確定增量因子a：

初始設(shè)置a＝1，

若圖像清晰度曲線斜率滿足r_i≤T₃或者r_i-2<r_i-1<r_i，表明圖像清晰度曲線斜率呈上升趨勢，則增量因子a的值自增1；

若圖像清晰度曲線斜率滿足r_i>T₃或者r_i-2>r_i-1>r_i，表明圖像清晰度曲線斜率呈下降趨勢，則增量因子a的值自減1，

其中，r_i為當(dāng)前幀與前第一幀圖像確定的圖像清晰度曲線斜率，r_i-1為前第一幀與前第二幀圖像確定的圖像清晰度曲線斜率，r_i-2為前第二幀與前第三幀圖像確定的圖像清晰度曲線斜率；T₃＝0.3；

(2d2)設(shè)置攝像機變焦閾值T₄，根據(jù)攝像機變焦值z、當(dāng)前圖像清晰度曲線斜率r_i和增量因子a，計算自適應(yīng)步長因子k：

其中，在z≤T₄時限制k的調(diào)整區(qū)間為[1,6]，在z>T₄時限制k的調(diào)整區(qū)間為[1,13]，T₄＝3500；

(2d3)設(shè)定基步長Δ：

在z≤T₄時，Δ取值為1，在z>T₄時，Δ取值為2；

(2d4)確定最終調(diào)整步長Δ_i+1：

Δ_i+1＝kΔ

(2d5)根據(jù)鏡頭移動方向d_i+1和步長Δ_i+1，調(diào)節(jié)鏡頭至圖像清晰度曲線峰值附近；

(2e)對圖像清晰度曲線進行精細峰值調(diào)整；

(2e1)設(shè)置s_max＝s_i，其中，s_max為最大圖像清晰度值，s_i為下降起始點的圖像清晰度值，即當(dāng)前圖像清晰度值；

(2e2)尋找圖像清晰度曲線的反向下降沿，按照鏡頭當(dāng)前移動方向微調(diào)鏡頭位置，若s_i>s_max，則更新s_max＝s_i，直到滿足s_i<s_max為止；

(2e3)將鏡頭移動方向設(shè)置為鏡頭上一步移動方向的反方向，微調(diào)鏡頭位置，直到再次滿足s_i<s_max為止；

(2e4)將鏡頭移動至兩次峰值間隔的中心位置，自動聚焦調(diào)節(jié)結(jié)束。

步驟3，攝像機自動聚焦AF進入場景監(jiān)測狀態(tài)，如果場景未發(fā)生改變，則繼續(xù)停留在該狀態(tài)；如果場景發(fā)生改變，攝像機自動聚焦AF進一步監(jiān)測場景變化是否停止，若停止則返回步驟1，重啟新一輪聚焦；否則，繼續(xù)停留在該狀態(tài)進行監(jiān)測。

本發(fā)明的效果通過以下測試進一步說明：

測試內(nèi)容1：

選取一種典型會議測試場景用本發(fā)明方法進行測試，結(jié)果如圖6。

從圖6可見，初始輸出的第一幅圖像很模糊，在聚焦過程中，圖像逐漸變清晰，直到鏡頭到達最佳聚焦位置，輸出最后一幅圖像最清晰，且在整個聚焦過程中視頻質(zhì)量未發(fā)生反復(fù)變化。

為了進一步驗證攝像機聚焦精度，跟蹤自動聚焦調(diào)節(jié)過程中鏡頭移動的方向與步長，繪制圖6中測試場景的自動聚焦調(diào)節(jié)過程對應(yīng)的圖像清晰度曲線，結(jié)果如圖7所示。圖7中圓點實線代表固定鏡頭移動方向和步長的清晰度曲線，箭頭實線代表AF調(diào)節(jié)過程中鏡頭的移動位置。

從圖7可見，本發(fā)明方法合理控制鏡頭移動的方向和步長，可迅速將鏡頭調(diào)整至最佳聚焦位置，具有良好的聚焦精度。

測試內(nèi)容2：

用本發(fā)明方法對普通場景及單一場景進行測試，結(jié)果如圖8。其中8(a)和8(b)分別為普通場景的離焦和對焦?fàn)顟B(tài)圖像，8(c)和8(d)分別為單一場景的離焦和對焦?fàn)顟B(tài)圖像。

從圖8可見，攝像機無論對普通場景還是對單一場景，皆可有效聚焦，魯棒性強。

測試內(nèi)容3：

記錄攝像機從聚焦準(zhǔn)備狀態(tài)開始到進入場景監(jiān)測狀態(tài)時的幀數(shù)frameNum，根據(jù)幀率計算自動聚焦AF調(diào)節(jié)時間T，T＝frameNum/30fps，其中30fps為幀率；在攝像機變焦值z等于0、2500和5000的三個值下各隨機選取6組不同場景，用本發(fā)明方法測試自動聚焦調(diào)節(jié)時間，如表1所示。

表1三個倍數(shù)下的聚焦時間(單位：秒)

從表1可看出，本發(fā)明自動聚焦AF調(diào)節(jié)方法的平均聚焦時間為0.89秒。其中小倍數(shù)下平均聚焦時間為0.6秒，聚焦速度最快；中倍數(shù)下平均聚焦時間為0.84秒；大倍數(shù)下平均聚焦時間為1.22秒，聚焦速度較慢。其原因為小倍數(shù)下鏡頭有效移動范圍較小，可省去電機許多不必要的移動。大倍數(shù)下鏡頭有效移動范圍非常寬，盡管使用大步長方法調(diào)節(jié)，仍需較多時間才能達到聚焦。通過對大量會議場景進行測試統(tǒng)計證明，本發(fā)明實時性良好。

以上內(nèi)容是結(jié)合基于Hi3516C芯片的高清視頻會議攝像機的聚焦調(diào)節(jié)方式對本發(fā)明所作了詳細說明，但本發(fā)明不限于上述實施方式。在所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，都可能在不背離本發(fā)明原理結(jié)構(gòu)的情況下，進行形式和細節(jié)上的各種修正和改變，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。