CN103546692A - 一种实现一体化摄像机自动聚焦的方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明所述的一种实现一体化摄像机自动聚焦的方法及***，提供了一种基于关系型的变焦跟踪方法，即对于固定物距的被摄物，根据初始变焦倍数与初始聚焦位置的数值,以及预先储存的多条变焦跟踪曲线中，建立物距区间与聚焦位置的映射关系，实时计算出待估聚焦位置。继而利用结合大量实验数据的统计规律得出的梯度控制函数实现对变倍电机与聚焦电机的移动控制，一定程度上修正和完善了待估聚焦位置值，使得其更加接近真实的变焦跟踪曲线，自动聚焦效果更为精准。同时无需事先预存大量的变焦跟踪曲线，并且无需逐点求出不同物距下的所对应的所有的变焦跟踪曲线，算法简单，让聚焦速度满足实时性成为可能，也使得聚焦的效果可以满足全程清晰的要求。

Description

一种实现一体化摄像机自动聚焦的方法及***

技术领域

本发明属于自动聚焦技术领域，尤其涉及一种实现一体化摄像机自动聚焦的方法及***，具体地说是一种基于变焦跟踪曲线实现自动聚焦的方法及***。

背景技术

如图1所示，一体化摄像机包括图像采集模块、图像处理模块与成像控制模块。图像采集模块包括变焦镜片组102、聚焦镜片组103与图像传感器104，场景中物体发出或反射的光线101通过变焦镜片组102、聚焦镜片组103汇聚在图像传感器104的靶面上，形成清晰的像，即聚焦。图像传感器将所成的像转换为电信号。成像控制模块107，用于控制变倍电机105和聚焦电机106以移动变焦镜片组102和聚焦镜片组103处于匹配的位置，保证聚焦后所成的像清晰。图像处理模块对所成的像进行一系列的图像处理操作使得其能符合人眼观看的要求。

目前，基于数字图像处理的自动聚焦技术已经逐渐取代基于测距原理的传统的自动聚焦方法，传统的基于数字图像处理的自动聚焦技术利用特定的数字图像处理算法，获取图像清晰度的评价值（一般为高频分量的大小），并根据这一评价值，运用一定的算法和策略控制镜头的聚焦电机106移动以快速找到最大评价值，获得清晰的图像，这种方法需要耗费大量的时间用于搜索最大评价值，大大影响了聚焦的速度，使得这种方法不能用于实现变焦过程的全程清晰。

近年来，变焦跟踪已成为数字图像处理领域中自动聚焦模块的一个主要的组成部分，所谓的变焦跟踪指的是当物距固定时，成像控制模块驱动电机以移动变焦镜片组102和聚焦镜片组103处于匹配的位置，使得图像清晰。实现变焦跟踪的方法主要有查表法、线性插值法、自适应变焦跟踪法等，其核心都是依据变焦跟踪曲线并控制相应的聚焦镜片组103和变焦镜片组102运动。而查表法需要事先在一体化摄像机内储存大量的经过测试的变焦跟踪曲线，占用较多的一体化摄像机内存，并且当变倍电机从广角端向远角端移动时，传统的查表法很难选择到适当的变焦跟踪曲线，致使聚焦不够精准。而线性插值法由于变焦跟踪曲线的非线性带来的误差，即当变焦跟踪曲线的曲率越大，简单线性插值法的误差也就越大，以及其进行插值过程中引入的噪声的影响也无法保证整体聚焦的准确性。自适应变焦跟踪法则主要是利用自动对焦算法逐点求出不同物距下的跟踪曲线，即随着变焦倍数以及物距的变化计算出每一点所对应的变焦跟踪曲线，虽然提升了自动聚焦的准确性，但是计算量过大，整体的运算速度较差，致使其存在实时性较差，聚焦不够连续等不足。综上，亟需一种能够实时、高效、精准的自动聚焦方法及***。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中无法实时、高效、精准的完成自动聚焦的问题，从而提出一种实现一体化摄像机自动聚焦的方法及***。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种实现一体化摄像机自动聚焦的方法，包括如下步骤：

S1：根据初始变焦倍数与初始聚焦位置并结合预先储存的至少两条变焦跟踪曲线获取待估物距区间；

S2：将所述待估物距区间均分，并依此建立物距区间与聚焦位置的映射关系；

S3：根据初始变焦倍数、初始聚焦位置以及所述预先存储的变焦跟踪曲线获取实际物距区间；

S4：按照所述映射关系，获得所述实际物距区间的两个端点值所对应的聚焦位置值，取其平均值作为聚焦位置值；

S5：通过变焦倍数与聚焦位置值之间的变化关系，建立聚焦控制函数使得变倍电机与聚焦电机分别控制变焦镜片组与聚焦镜片组移动到相应位置。

进一步地所述步骤S2中还包括如下步骤：

将所述待估物距区间进行再次均分，使得待估聚焦位置可以满足上述映射关系。

进一步地所述步骤S4中所述的聚焦控制函数为聚焦电机移动步长与变倍电机移动步长之间的关系的梯度控制函数。

进一步地所述梯度控制函数为

$n\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{floor}(M/K)& i\≠K\\ M-(K-1)\left(\mathrm{floor}(M/K)\right)& i=K\end{array}\right.$

其中i表示变倍电机最终步长值，n(i)表示当聚焦电机每移动单位步长，对应的变倍电机的移动步长，M表示最终变焦倍数与初始变焦倍数之间的变焦倍数步长差，K表示对应的聚焦位置的步长差。

进一步地还包括如下步骤：

S0：将所述预先储存的多条变焦跟踪曲线进行分类，根据不同物距分为近距离变焦跟踪曲线、中距离变焦跟踪曲线和远距离变焦跟踪曲线三种类型的变焦跟踪曲线；

所述步骤S1还包括：

当所述待估聚焦位置所对应的物距区间大于近距离变焦跟踪曲线的物距值时，进入所述步骤S2。

进一步地，所述步骤S1中所述的初始变焦倍数与初始聚焦的数值为一体化摄像机记忆的上次使用数值。

进一步地所述近距离变焦跟踪曲线的物距小于2.5米。

进一步地所述近距离变焦跟踪曲线的物距小于2.0米。

一种实现一体化摄像机自动聚焦的***，包括：

待估物距区间获取模块：用于根据初始变焦倍数与初始聚焦位置并结合预先储存的至少两条变焦跟踪曲线获取待估物距区间；

映射关系构建模块：用于将所述待估物距区间均分，并依此建立物距区间与聚焦位置值的映射关系；

实际物距区间计算模块：用于根据初始变焦倍数、初始聚焦位置值以及所述预先存储的变焦跟踪曲线来获取实际物距区间；

聚焦位置获取模块：用于按照所述映射关系，获得所述实际物距区间的两个端点值所对应的聚焦位置值，取其平均值作为聚焦位置值；

聚焦控制模块：用于进行聚焦控制通过变焦倍数与聚焦位置值之间的变化关系，建立聚焦控制函数使得变倍电机与聚焦电机分别控制变焦镜片组与聚焦镜片组移动到相应位置。

进一步地所述映射关系构建模块中还包括：

均分模块：用于将所述待估物距区间进行再次均分，使得待估聚焦位置值可以满足上述映射关系。

进一步地所述聚焦控制模块中所述的聚焦控制函数为聚焦电机移动步长与变倍电机移动步长之间的关系的梯度控制函数。

进一步地所述梯度控制函数为

$n\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{floor}(M/K)& i\≠K\\ M-(K-1)\left(\mathrm{floor}(M/K)\right)& i=K\end{array}\right.$

其中i表示变倍电机最终步长值，n(i)表示当聚焦电机每移动单位步长，对应的变倍电机的移动步长，M表示最终变焦倍数与初始变焦倍数之间的变焦倍数步长差，K表示对应的聚焦位置的步长差。

进一步地还包括：

曲线分类模块：用于将所述预先储存的多条变焦跟踪曲线进行分类，根据不同物距分为近距离变焦跟踪曲线、中距离变焦跟踪曲线和远距离变焦跟踪曲线三种类型的变焦跟踪曲线；

所述待估物距区间获取模块还包括：

物距判断模块：用于当所述待估聚焦位置所对应的物距区间大于近距离变焦跟踪曲线的物距值时，进入所述映射关系构建模块。

进一步地所述待估物距区间获取模块中所述的初始变焦倍数与初始聚焦的数值为一体化摄像机记忆的上次使用数值。

进一步地所述近距离变焦跟踪曲线的物距小于2.5米。

进一步地所述近距离变焦跟踪曲线的物距小于2.0米。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

（1）本发明所述的一种实现一体化摄像机自动聚焦的方法及***，提供了一种基于关系型的变焦跟踪方法，即对于固定物距的被摄物，根据初始变焦倍数与初始聚焦位置的数值,以及预先储存的多条变焦跟踪曲线中，建立物距区间与聚焦位置的映射关系，并实时计算出待估聚焦位置值，继而应用聚焦控制函数实现了对变倍电机与聚焦电机的移动控制，使得估计出的变焦跟踪曲线较为精准，聚焦速度满足实时要求，聚焦效果满足全程清晰的要求。

（2）本发明所述的一种实现一体化摄像机自动聚焦的方法及***，在物距固定的前提下，随着变焦倍数的变化而实时对聚焦位置进行估算，无需事先预存大量的变焦跟踪曲线，因而也就不需要占用过多的一体化摄像机的内存。同时无需逐点求出不同物距下的所对应的所有的变焦跟踪曲线，而是在一定物距的前提下，求出该物距所对应的变焦跟踪曲线，算法简单，没有过于庞大的计算量，这在一定程度上也提升了运算速度，让聚焦速度满足实时性成为可能，也使得聚焦的连续性满足用户越来越高的使用要求。

（3）本发明所述的一种实现一体化摄像机自动聚焦的方法及***，选用的聚焦控制策略为利用梯度控制函数控制变倍电机与聚焦电机移动到相应位置，所述梯度控制函数是根据对于任意的物距下，聚焦电机与变倍电机的移动步长的统计数据规律得出来的，一定程度上修正和完善了待估聚焦位置值，使得其更加接近真实的变焦跟踪曲线，进一步地提升了自动聚焦的准确性。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明所述的一体化摄像机的***结构图；

图2是一种实施例所述的实现一体化摄像机自动聚焦的方法流程图；

图3是多条变焦跟踪曲线；

图4为获取待估物距区间示意图；

图5获取待估聚焦位置值示意图；

图6是一种实施例所述的实现一体化摄像机自动聚焦的***结构图。

图中附图标记表示为：101-场景中物体发出或反射的光线，102-变焦镜片组，103-聚焦镜片组，104-图像传感器，105-变倍电机，106-聚焦电机，107-成像控制模块。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种实现一体化摄像机自动聚焦的方法，如图2所示，包括如下步骤：

S1：根据初始变焦倍数与初始聚焦位置并结合预先储存的至少两条变焦跟踪曲线获取待估物距区间。

S2：将所述待估物距区间均分，并依此建立物距区间与聚焦位置的映射关系。

S3：根据初始变焦倍数、初始聚焦位置以及所述预先存储的变焦跟踪曲线来获取实际物距区间。

S4：按照所述映射关系，获得所述实际物距区间的两个端点值所对应的聚焦位置值，取其平均值作为聚焦位置值。

S5：通过变焦倍数与聚焦位置值之间的变化关系，建立聚焦控制函数使得变倍电机与聚焦电机分别控制变焦镜片组与聚焦镜片组移动到相应位置。

本实施例得以实施的前提是一体化摄像机中需要预先储存至少两条变焦跟踪曲线，所述变焦跟踪曲线如图3所示，其中在物距固定的前提下，所述变焦倍数与聚焦位置之间存在对应关系，即每一个变焦倍数对应着唯一的聚焦位置值。而初始变焦倍数与初始聚焦位置值反应了一体化摄像机中的变焦镜片组与聚焦镜片组在初始状态时所处的位置，***可以轻松获得。

以图3为例，横坐标为变焦倍数，纵坐标为聚焦位置，因此通过所述初始变焦位数和所述初始聚焦位置能够在该坐标系中确定一个坐标点。若确定的所述坐标点恰好落在所述多条变焦跟踪曲线中的一条上，那么此时我们可以直接获得该点的物距，此后的自动聚焦过程不必在进行本实施例所述的方法进行，只需要按照该条变焦跟踪曲线所记载的数值使得变倍电机与聚焦电机分别控制变焦镜片组与聚焦镜片组移动到相应位置即可。但是这种即使在存储大量变焦跟踪曲线的情况下发生的可能性也不大，一般我们在获得一个变焦倍数与一个聚焦位置值时是无法在多条变焦跟踪曲线中查找到同时满足两个数值条件的物距值。更多的是落在了两条变焦跟踪曲线之间，如图4所示，其中A点对应的横坐标为初始变焦倍数，纵坐标为初始聚焦位置，此时A点落在物距为d_middle的变焦跟踪曲线和物距为d_far的变焦跟踪曲线之间，故可以获得待估物距区间为[d_middle，d_far]。

众所周知，在摄像过程中，随着变焦倍数的变化，聚焦位置值也应随之变化。而变焦倍数的变化是因为用户对一体化摄像机进行的人为调整，我们可以随时获得准确的变焦倍数的具体数值，但是当前物距值和使得图像清晰的聚焦位置值是无法获得的，这个便需要我们借助已知的数值参量来进行计算获得聚焦位置值。通过将获得的待估物距区间进行均分，进而可以建立物距区间与聚焦位置的映射关系。具体方法如下：

将获得的待估物距区间[d_middle，d_far]均分为宽度为D_Z1的n_z1个小区间，即

$D_{Z1}=\frac{d_{\mathrm{far}}-d_{\mathrm{middle}}}{n_{z1}}---\left(1\right)$

同时为了使得均分的更加细致，准确度更高，对n_z1的数值设定如下：

$\mathrm{nz}1=\frac{\mathrm{\Δz}1*(\mathrm{\Δz}1+1)}{2}---\left(2\right)$

其中 $\mathrm{\Δz}1=(F_{d_{\mathrm{middle}}}\left(z_{\mathrm{init}}\right)-F_{d_{\mathrm{far}}}\left(z_{\mathrm{init}}\right)+1)---\left(3\right)$

此处的Fd_middle（z_init）为物距为d_middle时初始变焦倍数所对应的聚焦位置值，Fd_far（z_init）为物距为d_far时初始变焦倍数所对应的聚焦位置值。在完成均分后，我们建立物距区间与聚焦位置值之间的映射关系，即 $[d1,d2]\↔(F_{d_{\mathrm{middle}}}\left(z\right)-s),$

此处的z为变化的变焦倍数，物距区间[d1,d2]为需要求出的实际物距区间。这里s＝0,1,2...,Δz1-1，此时我们可以看到将s取不同的值带入映射关系后可以获得

至

，即均分的区间内的每一个物距区间都可以找到所对应的聚焦位置值，至此我们完成了映射关系的建立。由该关系可知我们如果想要获得我们需要求得的待估聚焦位置值，需要获得其所对应的物距区间的实际值，而非很宽泛的[d_middle，d_far]。我们通过下面的公式获得d₁和d₂的数值。

$d_1=d_{\mathrm{middle}}+\frac{s_m\×(s_m+1)}{2}\×D_{z1}---\left(4\right)$

d₂＝d₁+(s_m+1)×D_z1   （5）

此处的s_m可由下面的公式获得：

s_m＝F_dmiddle(z_init)-F^afstart(z_init)   （6）

此处的F^afstart(z_inint)为初始变焦倍数所对应的的聚焦位置值，公式（6）的s_m可以求出为一确定值，由于d_middle已知、D_Z1为设定值，故可以求出d₁值，同样可以得出d₂值，至此便获得了实际物距区间。

按照所述映射关系，获得所述实际物距区间的两个端点值所对应的聚焦位置值，取其平均值作为聚焦位置值。最后通过变焦倍数与聚焦位置值之间的变化关系，建立聚焦控制函数使得变倍电机与聚焦电机分别控制变焦镜片组与聚焦镜片组移动到相应位置，完成自动聚焦。

本实施例所述的一种实现一体化摄像机自动聚焦的方法，提供了一种基于关系型的变焦跟踪方法，即对于固定物距的被摄物，根据初始变焦倍数与初始聚焦位置的数值,以及预先储存的多条变焦跟踪曲线，建立物距区间与聚焦位置的映射关系，并实时计算出待估聚焦位置值，继而应用聚焦控制函数实现了对变倍电机与聚焦电机的移动控制，使得估计出的变焦跟踪曲线较为精准，聚焦速度满足实时要求，聚焦效果满足全程清晰的要求。

本实施例所述步骤S2中还包括如下步骤：

将所述待估物距区间进行再次均分，使得待估聚焦位置值可以满足上述映射关系。同上将[d_middle，d_far]区间均分为宽度为Dz2的nz2个小区间，于是就有如下公式：

$\mathrm{Dz}2=\frac{d_{\mathrm{far}}-d_{\mathrm{middle}}}{\mathrm{nz}2}---\left(7\right)$

$\mathrm{\Δz}2=(F_{d_{\mathrm{middle}}}\left(z\right)-f_{d_{\mathrm{far}}}\left(z\right)+1)---\left(9\right)$

经过均分，使得待估聚焦位置值可以满足映射关系。根据已获得的d₁和d₂的数值，得到两点处的聚焦位置值。

计算方法遵循映射关系，如图5所示，即

${\hat{F}}_z\left(d_1\right)=F_{d_{\mathrm{middle}}}\left(z\right)-(s_1-1)---\left(10\right)$

${\hat{F}}_z\left(d_2\right)=F_{d_{\mathrm{middle}}}\left(z\right)-(s_2-1)---\left(11\right)$

而s₁与s₂可由下面的两个不等式确定：

$\frac{s_1\×(s_1-1)}{2}\≤\frac{d_1-d_{\mathrm{middle}}}{D_{z2}}\≤\frac{s_1\×(s_1+1)}{2}---\left(12\right)$

$\frac{s_2\×(s_2-1)}{2}\≤\frac{d_2-d_{\mathrm{middle}}}{D_{z2}}\≤\frac{s_2\×(s_2+1)}{2}---\left(13\right)$

由公式12利用平均值法可以求得唯一的s₁的数值，同理，由公式13可以求得唯一的s₂的数值，继而可以求得公式10和公式11所列的两点的聚焦位置值。此时获得的聚焦位置值，已经较为精准。其中Dz1和Dz2的数值的设定皆是通过大量实验数据获得的，可以在一定程度上保证计算的准确性。

本实施例在物距固定的前提下，随着变焦倍数的变化而实时对聚焦位置进行估算，无需事先预存大量的变焦跟踪曲线，因而也就不需要占用过多的一体化摄像机的内存。同时无需逐点求出不同物距下的所对应的所有的变焦跟踪曲线，而是在一定物距的前提下，求出该物距所对应的变焦跟踪曲线，算法简单，没有过于庞大的计算量，这在一定程度上也提升了运算速度，让聚焦速度满足实时性成为可能，也使得聚焦的连续性满足用户越来越高的使用要求。

最后所有的聚焦算法均存在一个聚焦控制的问题，根据给定固定物距下的聚焦位置值的数据特征，即对于任意的物距，由于从广角端到窄角端3500步以内任意变倍电机的移动步长差值均是所对应聚焦电机移动步长差值的3倍以上，基于这样的统计数据规律，本实施例所述步骤S4中所述的聚焦控制函数为聚焦电机移动步长与变倍电机移动步长之间的关系的梯度控制函数。

所述梯度控制函数为

$n\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{floor}(M/K)& i\≠K\\ M-(K-1)\left(\mathrm{floor}(M/K)\right)& i=K\end{array}\right.---\left(14\right)$

其中i表示变倍电机最终步长值，n(i)表示当聚焦电机每移动单位步长，对应的变倍电机的移动步长，M表示最终变焦倍数与初始变焦倍数之间的变焦倍数步长差，K表示对应的聚焦位置的步长差。

例如根据变焦跟踪曲线，假设变倍电机转动范围平均分成400段，由计算器1-400表示当前变倍电机的位置，当变倍电机由i转动到（i+1）时，则变倍电机控制变焦透镜组朝图像传感器方向转动Z_i+1-Z_i步长。反之，当变倍电机由（i+1）转动到i时，则变倍电机控制变焦透镜组朝远离图像传感器方向转动Zi+1-Zi步长。同样聚焦电机与聚焦透镜组也存在相应的对应关系，属于本领域公知技术，此处不在赘述。此处对公式14做一个简单的举例说明，根据实施梯度控制函数可知，当i由60变到130时，所对应的M为70，同理获得K假设为30，则n(i)通过梯度控制函数为2，即每当变焦透镜组移动两步，聚焦透镜组移动一步。

本实施例所述的一种实现一体化摄像机自动聚焦的方法，选用的聚焦控制策略为利用梯度控制函数控制变倍电机与聚焦电机移动到相应位置，所述梯度控制函数是根据对于任意的物距下，聚焦电机与变倍电机的移动步长的统计数据规律得出来的，一定程度上修正和完善了待估聚焦位置值，使得其更加接近真实的变焦跟踪曲线，进一步地提升了自动聚焦的准确性。

由变焦跟踪曲线我们可以看到物距较远的情况下，随着变焦倍数的扩大，聚焦位置值随之下降，此时我们按照我们上述所述的方法进行自动聚焦。但是当物距较近的时候，变焦跟踪曲线的规律不同于物距较远时，且现有技术已经可以满足近距离的聚焦需求，故本实施例还包括如下步骤：

S0：将所述预先储存的多条变焦跟踪曲线进行分类，根据不同物距分为近距离变焦跟踪曲线、中距离变焦跟踪曲线和远距离变焦跟踪曲线三种类型的变焦跟踪曲线；

所述步骤S1还包括：

当所述待估聚焦位置所对应的物距区间大于近距离变焦跟踪曲线的物距值时，进入所述步骤S2。

所述步骤S1中所述的初始变焦倍数与初始聚焦的数值为一体化摄像机记忆的上次使用数值。

所述近距离变焦跟踪曲线的物距优选为小于2.5米或者小于2.0米。此数据的选择为经过大量实验数据获得的，在此处作为划分，可以使得近距离和远距离都能获得很好的聚焦效果。但是本领域技术人员应当知晓，此数据只是用来使得实施例可以充分实施，而非对本实施例的限制，其他可变数据亦在本实施例的保护范围之内。

通过对不同物距的划分，可以使得在近距离时按照现有的相对成熟的技术进行操作，便可以轻松进行自动聚焦。在远距离时，通过本实施例所述的方法进行运算，获得的效果也较为明显，不会因为物距的差异影响聚焦效果，如此便可以实时、全程、高效、精准的实现自动聚焦过程。

实施例2

本实施例提供了一种实现一体化摄像机自动聚焦的***，如图6所示，包括：

待估物距区间获取模块：用于根据初始变焦倍数与初始聚焦位置并结合预先储存的至少两条变焦跟踪曲线获取待估物距区间。

映射关系构建模块：用于将所述待估物距区间均分，并依此建立物距区间与聚焦位置的映射关系。

实际物距区间计算模块：用于根据初始变焦倍数、初始聚焦位置以及所述预先存储的变焦跟踪曲线来获取实际物距区间。

聚焦位置获取模块：用于按照所述映射关系，获得所述实际物距区间的两个端点值所对应的聚焦位置值，取其平均值作为聚焦位置值。

聚焦控制模块：用于通过变焦倍数与聚焦位置值之间的变化关系，建立聚焦控制函数使得变倍电机与聚焦电机分别控制变焦镜片组与聚焦镜片组移动到相应位置。

本实施例得以实施的前提是一体化摄像机中需要预先储存至少两条变焦跟踪曲线，所述变焦跟踪曲线如图3所示，其中在物距固定的前提下，所述变焦倍数与聚焦位置之间存在曲线对应关系，即每一个变焦倍数对应着唯一的聚焦位置值。而初始变焦倍数与初始聚焦位置值反应了一体化摄像机中的变焦镜片组与聚焦镜片组在初始状态时所处的位置，***可以轻松获得。

以图3为例，横坐标为变焦倍数，纵坐标为聚焦位置，因此通过所述初始变焦位数和所述初始聚焦位置能够在该坐标系中确定一个坐标点。若确定的所述坐标点恰好落在所述多条变焦跟踪曲线中的一条上，那么此时我们可以直接获得该点的物距，此后的自动聚焦过程不必在进行本实施例所述的方法进行，只需要按照该条变焦跟踪曲线所记载的数值使得变倍电机与聚焦电机分别控制变焦镜片组与聚焦镜片组移动到相应位置即可。但是这种即使在存储大量变焦跟踪曲线的情况下发生的可能性也不大，一般我们在获得一个变焦倍数与一个聚焦位置值时是无法在多条变焦跟踪曲线中查找到同时满足两个数值条件的聚焦位置值。更多的是落在了两条变焦跟踪曲线之间，如图4所示，其中A点对应的横坐标为初始变焦倍数，纵坐标为初始聚焦位置，此时A点落在物距为d_middle的变焦跟踪曲线和物距为d_far的变焦跟踪曲线之间，故可以获得待估物距区间为[d_middle，d_far]。

众所周知，在摄像过程中，随着变焦倍数的变化，聚焦位置值也应随之变化。而变焦倍数的变化是因为用户对一体化摄像机进行的人为调整，我们可以随时获得准确的变焦倍数的具体数值，但是当前物距值和使得图像清晰的聚焦位置值是无法获得的，这个便需要我们借助已知的数值参量来进行计算获得聚焦位置值。通过将获得的待估物距区间进行均分，进而可以建立物距区间与聚焦位置的映射关系。具体方法如下：

将获得的待估物距区间[d_middle，d_far]均分为宽度为D_Z1的n_z1个小区间，即

$D_{Z1}=\frac{d_{\mathrm{far}}-d_{\mathrm{middle}}}{n_{z1}}---\left(1\right)$

同时为了使得均分的更加细致，准确度更高，对n_z1的数值设定如下：

$\mathrm{nz}1=\frac{\mathrm{\Δz}1*(\mathrm{\Δz}1+1)}{2}---\left(2\right)$

其中 $\mathrm{\Δz}1=(F_{d_{\mathrm{middle}}}\left(z_{\mathrm{init}}\right)-F_{d_{\mathrm{far}}}\left(z_{\mathrm{init}}\right)+1)---\left(3\right)$

此处的Fd_middle（z_init）为物距为d_middle时初始变焦倍数所对应的聚焦位置值，Fd_far（z_init）为物距为d_far时初始变焦倍数所对应的聚焦位置值。在完成均分后，我们建立物距区间与聚焦位置值之间的映射关系，即 $[d1,d2]\↔(F_{d_{\mathrm{middle}}}\left(z\right)-s),$

此处的z为变化的变焦倍数，物距区间[d1,d2]为需要求出的实际物距区间。这里s＝0,1,2...,Δz1-1，此时我们可以看到将s取不同的值带入映射关系后可以获得至即均分的区间内的每一个物距区间都可以找到所对应的聚焦位置值，至此我们完成了映射关系的建立。由该关系可知如果想要获得我们需要求得的待估聚焦位置值，需要获得其所对应的物距区间的实际值，而非很宽泛的[d_middle，d_far]。我们通过下面的公式获得d₁和d₂的数值。

$d_1=d_{\mathrm{middle}}+\frac{s_m\×(s_m+1)}{2}\×D_{z1}---\left(4\right)$

d₂＝d₁+(s_m+1)×D_z1  （5）

此处的s_m可由下面的公式获得：

s_m＝F_dmiddle(z_init)-F^afstart(z_init)   （6）

此处的F^afstart(z_inint)为初始变焦倍数所对应的的聚焦位置值，公式（6）的s_m可以求出为一确定值，由于d_middle已知、D_Z1为设定值，故可以求出d₁值，同样可以得出d₂值，至此便获得了实际物距区间。

按照所述映射关系，获得所述实际物距区间的两个端点值所对应的聚焦位置值，取其平均值作为聚焦位置值。最后采用通过变焦倍数与聚焦位置值之间的变化关系，建立聚焦控制函数使得变倍电机与聚焦电机分别控制变焦镜片组与聚焦镜片组移动到相应位置，完成自动聚焦。

本实施例所述的一种实现一体化摄像机自动聚焦的***，提供了一种基于关系型的变焦跟踪方法，即对于固定物距的被摄物，根据初始变焦倍数与初始聚焦位置的数值,以及预先储存的多条变焦跟踪曲线中，建立物距区间与聚焦位置的映射关系，并实时计算出待估聚焦位置值，继而应用聚焦控制函数实现了对变倍电机与聚焦电机的移动控制，使得估计出的变焦跟踪曲线较为精准，聚焦速度满足实时要求，聚焦效果满足全程清晰的要求。

本实施例所述映射关系构建模块中还包括：

均分模块：用于将所述待估物距区间进行再次均分，使得待估聚焦位置值可以满足上述映射关系。同上将[d_middle，d_far]区间均分为宽度为Dz2的nz2个小区间，于是就有如下公式：

$\mathrm{Dz}2=\frac{d_{\mathrm{far}}-d_{\mathrm{middle}}}{\mathrm{nz}2}---\left(7\right)$

$\mathrm{\Δz}2=(F_{d_{\mathrm{middle}}}\left(z\right)-f_{d_{\mathrm{far}}}\left(z\right)+1)---\left(9\right)$

经过均分，使得待估聚焦位置值可以满足映射关系。根据已获得的d₁和d₂的数值，得到两点处的聚焦位置值。

计算方法遵循映射关系，如图5所示，即

${\hat{F}}_z\left(d_1\right)=F_{d_{\mathrm{middle}}}\left(z\right)-(s_1-1)---\left(10\right)$

${\hat{F}}_z\left(d_2\right)=F_{d_{\mathrm{middle}}}\left(z\right)-(s_2-1)---\left(11\right)$

而s₁与s₂可由下面的两个不等式确定：

$\frac{s_1\×(s_1-1)}{2}\≤\frac{d_1-d_{\mathrm{middle}}}{D_{z2}}\≤\frac{s_1\×(s_1+1)}{2}---\left(12\right)$

$\frac{s_2\×(s_2-1)}{2}\≤\frac{d_2-d_{\mathrm{middle}}}{D_{z2}}\≤\frac{s_2\×(s_2+1)}{2}---\left(13\right)$

由公式12运用平均法可以求得唯一的s₁的数值，同理，由公式13可以求得唯一的s₂的数值，继而可以求得公式10和公式11所列的两点的聚焦位置值。此时获得的聚焦位置值，已经较为精准。其中Dz1和Dz2的数值的设定皆是通过大量实验数据获得的，可以在一定程度上保证计算的准确性。

本实施例在物距固定的前提下，随着变焦倍数的变化而实时对聚焦位置进行估算，无需事先预存大量的变焦跟踪曲线，因而也就不需要占用过多的一体化摄像机的内存。同时无需逐点求出不同物距下的所对应的所有的变焦跟踪曲线，而是在一定物距的前提下，求出该物距所对应的变焦跟踪曲线，算法简单，没有过于庞大的计算量，这在一定程度上也提升了运算速度，让聚焦速度满足实时性成为可能，也使得聚焦的连续性满足用户越来越高的使用要求。

最后所有的聚焦算法均存在一个聚焦控制的问题，根据给定固定物距下的聚焦位置值的数据特征，即对于任意的物距，由于从广角端到窄角端3500步以内任意变倍电机的移动步长差值均是所对应聚焦电机移动步长差值的3倍以上，基于这样的统计数据规律，本实施例所述聚焦控制模块中所述的聚焦控制函数为聚焦电机移动步长与变倍电机移动步长之间的关系的梯度控制函数。

所述梯度控制函数为

$n\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{floor}(M/K)& i\≠K\\ M-(K-1)\left(\mathrm{floor}(M/K)\right)& i=K\end{array}\right.---\left(14\right)$

其中i表示变倍电机最终步长值，n(i)表示当聚焦电机每移动单位步长，对应的变倍电机的移动步长，M表示最终变焦倍数与初始变焦倍数之间的变焦倍数步长差，K表示对应的聚焦位置的步长差。

例如根据变焦跟踪曲线，假设变倍电机转动范围平均分成400段，由计算器1-400表示当前变倍电机的位置，当变倍电机由i转动到（i+1）时，则变倍电机控制变焦透镜组朝图像传感器方向转动Z_i+1-Z_i步长。反之，当变倍电机由（i+1）转动到i时，则变倍电机控制变焦透镜组朝远离图像传感器方向转动Zi+1-Zi步长。同样聚焦电机与聚焦透镜组也存在相应的对应关系，属于本领域公知技术，此处不在赘述。此处对公式14做一个简单的举例说明，根据实施梯度控制函数可知，当i由60变到130时，所对应的M为70，同理获得K假设为30，则n(i)通过梯度控制函数为2，即每当变焦透镜组移动两步，聚焦透镜组移动一步。

本实施例所述的一种实现一体化摄像机自动聚焦的***，选用的聚焦控制策略为利用梯度控制函数控制变倍电机与聚焦电机移动到相应位置，所述梯度控制函数是根据对于任意的物距下，聚焦电机与变倍电机的移动步长的统计数据规律得出来的，一定程度上修正和完善了待估聚焦位置值，使得其更加接近真实的变焦跟踪曲线，进一步地提升了自动聚焦的准确性。

由变焦跟踪曲线我们可以看到物距较远的情况下，随着变焦倍数的扩大，聚焦位置值随之下降，此时我们按照我们上述的所述的方法进行自动聚焦。但是当物距较近的时候，变焦跟踪曲线的规律不同于物距较远时，且现有技术已经可以满足近距离的聚焦需求，故本实施例还包括：

曲线分类模块：用于将所述预先储存的多条变焦跟踪曲线进行分类，根据不同物距分为近距离变焦跟踪曲线、中距离变焦跟踪曲线和远距离变焦跟踪曲线三种类型的变焦跟踪曲线；

所述待估物距区间获取模块还包括：

物距判断模块：用于当所述待估聚焦位置所对应的物距区间大于近距离变焦跟踪曲线的聚焦位置值时，进入所述映射关系构建模块。

所述待估物距区间获取模块中所述的初始变焦倍数与初始聚焦的数值为一体化摄像机记忆的上次使用数值。

所述近距离变焦跟踪曲线的物距优选为小于2.5米或者小于2.0米。此数据的选择为经过大量实验数据获得的，在此处作为划分，可以使得近距离和远距离都能获得很好的聚焦效果。但是本领域技术人员应当知晓，此数据只是用来使得实施例可以充分实施，而非对本实施例的限制，其他可变数据亦在本实施例的保护范围之内。

通过对不同物距的划分，可以使得在近距离时按照现有的相对成熟的技术进行操作，便可以轻松进行自动聚焦。在远距离时，通过本实施例所述的方法进行运算，获得的效果也较为明显，不会因为物距的差异影响聚焦效果，如此便可以实时、全程、高效、精准的实现自动聚焦过程。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（***）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

Claims (16)

1.一种实现一体化摄像机自动聚焦的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：根据初始变焦倍数与初始聚焦位置并结合预先储存的至少两条变焦跟踪曲线获取待估物距区间；

S2：将所述待估物距区间均分，并依此建立物距区间与聚焦位置的映射关系；

S3：根据初始变焦倍数、初始聚焦位置以及所述预先存储的变焦跟踪曲线获取实际物距区间；

S4：按照所述映射关系，获得所述实际物距区间的两个端点值所对应的聚焦位置值，取其平均值作为聚焦位置值；

S5：通过变焦倍数与聚焦位置值之间的变化关系，建立聚焦控制函数使得变倍电机与聚焦电机分别控制变焦镜片组与聚焦镜片组移动到相应位置。

2.根据权利要求1所述的实现一体化摄像机自动聚焦的方法，其特征在于，所述步骤S2中还包括如下步骤：

将所述待估物距区间进行再次均分，使得待估聚焦位置可以满足上述映射关系。

3.根据权利要求1或2所述的实现一体化摄像机自动聚焦的方法，其特征在于，所述步骤S4中所述的聚焦控制函数为聚焦电机移动步长与变倍电机移动步长之间的关系的梯度控制函数。

4.根据权利要求3所述的实现一体化摄像机自动聚焦的方法，其特征在于，所述梯度控制函数为

$n\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{floor}(M/K)& i\≠K\\ M-(K-1)\left(\mathrm{floor}(M/K)\right)& i=K\end{array}\right.$

其中i表示变倍电机最终步长值，n(i)表示当聚焦电机每移动单位步长，对应的变倍电机的移动步长，M表示最终变焦倍数与初始变焦倍数之间的变焦倍数步长差，K表示对应的聚焦位置的步长差。

5.根据权利要求1-4任一所述的实现一体化摄像机自动聚焦的方法，其特征在于，还包括如下步骤：

S0：将所述预先储存的多条变焦跟踪曲线进行分类，根据不同物距分为近距离变焦跟踪曲线、中距离变焦跟踪曲线和远距离变焦跟踪曲线三种类型的变焦跟踪曲线；

所述步骤S1还包括：

当所述待估聚焦位置所对应的物距区间大于近距离变焦跟踪曲线的物距值时，进入所述步骤S2。

6.根据权利要求1-5任一所述的实现一体化摄像机自动聚焦的方法，其特征在于，所述步骤S1中所述的初始变焦倍数与初始聚焦的数值为一体化摄像机记忆的上次使用数值。

7.根据权利要求5所述的实现一体化摄像机自动聚焦的方法，其特征在于，所述近距离变焦跟踪曲线的物距小于2.5米。

8.根据权利要求5所述的实现一体化摄像机自动聚焦的方法，其特征在于，所述近距离变焦跟踪曲线的物距小于2.0米。

9.一种实现一体化摄像机自动聚焦的***，其特征在于，包括：

待估物距区间获取模块：用于根据初始变焦倍数与初始聚焦位置并结合预先储存的至少两条变焦跟踪曲线获取待估物距区间；

映射关系构建模块：用于将所述待估物距区间均分，并依此建立物距区间与聚焦位置值的映射关系；

实际物距区间计算模块：用于根据初始变焦倍数、初始聚焦位置值以及所述预先存储的变焦跟踪曲线来获取实际物距区间；

聚焦位置获取模块：用于按照所述映射关系，获得所述实际物距区间的两个端点值所对应的聚焦位置值，取其平均值作为聚焦位置值；

聚焦控制模块：用于进行聚焦控制通过变焦倍数与聚焦位置值之间的变化关系，建立聚焦控制函数使得变倍电机与聚焦电机分别控制变焦镜片组与聚焦镜片组移动到相应位置。

10.根据权利要求9所述的实现一体化摄像机自动聚焦的***，其特征在于，所述映射关系构建模块中还包括：

均分模块：用于将所述待估物距区间进行再次均分，使得待估聚焦位置值可以满足上述映射关系。

11.根据权利要求9或10所述的实现一体化摄像机自动聚焦的***，其特征在于，所述聚焦控制模块中所述的聚焦控制函数为聚焦电机移动步长与变倍电机移动步长之间的关系的梯度控制函数。

12.根据权利要求11所述的实现一体化摄像机自动聚焦的***，其特征在于，所述梯度控制函数为

$n\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{floor}(M/K)& i\≠K\\ M-(K-1)\left(\mathrm{floor}(M/K)\right)& i=K\end{array}\right.$

其中i表示变倍电机最终步长值，n(i)表示当聚焦电机每移动单位步长，对应的变倍电机的移动步长，M表示最终变焦倍数与初始变焦倍数之间的变焦倍数步长差，K表示对应的聚焦位置的步长差。

13.根据权利要求9-12任一所述的实现一体化摄像机自动聚焦的***，其特征在于，还包括：

曲线分类模块：用于将所述预先储存的多条变焦跟踪曲线进行分类，根据不同物距分为近距离变焦跟踪曲线、中距离变焦跟踪曲线和远距离变焦跟踪曲线三种类型的变焦跟踪曲线；

所述待估物距区间获取模块还包括：

物距判断模块：用于当所述待估聚焦位置所对应的物距区间大于近距离变焦跟踪曲线的物距值时，进入所述映射关系构建模块。

14.根据权利要求9-14任一所述的实现一体化摄像机自动聚焦的***，其特征在于，所述待估物距区间获取模块中所述的初始变焦倍数与初始聚焦的数值为一体化摄像机记忆的上次使用数值。

15.根据权利要求14所述的实现一体化摄像机自动聚焦的***，其特征在于，所述近距离变焦跟踪曲线的物距小于2.5米。

16.根据权利要求14所述的实现一体化摄像机自动聚焦的***，其特征在于，所述近距离变焦跟踪曲线的物距小于2.0米。

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