CN105430280B - 一种双视场热像仪及其自动聚焦方法 - Google Patents

一种双视场热像仪及其自动聚焦方法 Download PDF

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Abstract

本发明的双视场热像仪，包括热成像镜头、红外探测器、信号处理与控制电路以及伺服电机控制***，信号处理与控制电路由FPGA控制器电路、图像处理电路和电源电路组成；所述伺服电机控制***由焦距定位控制器、伺服电机、电机驱动电路和编码器组成，完成大视场与小视场的切换和聚焦功能。本发明的自动聚焦方法，通过调焦评价函数值来反映图像的清晰程度，并利用三个点来确定调焦的搜索方向，保证了自动调焦效果的可靠性；同时，根据相邻两点的调焦评价函数差值的大小，来适时地调整搜索的步长，提高了聚焦效率。

Description

一种双视场热像仪及其自动聚焦方法
技术领域
本发明涉及一种双视场热像仪及其自动聚焦方法，更具体的说，尤其涉及一种采用调焦评价函数和优化的登山搜索算法进行聚焦判断的双视场热像仪及其自动聚焦方法。
背景技术
在低空红外预警***中，需要红外热像仪的光学***能够在多种模式下工作，以完成***对目标的搜索，瞄准和跟踪的功能。定焦***难以满足要求，连续变焦***是最佳的选择，但在设计上的难度较大，而双视场红外光学***是实现上述要求的一种简便实用的途径。双视场热像仪在大视场模式下可用于观察大的场景区域，搜索疑似目标；在小视场模式下，可用于仔细观察或放大目标，对目标进行识别，跟踪与瞄准，完成定焦***不可能完成的任务。
我们发现，现有双视场热像仪在调试和使用过程中，使用焦距定位一段时间后，齿轮由于长时间的磨损，齿轮间的间隙会增大而引起焦距定位的误差，从而导致焦距定位不准，图像不清晰的问题。传统的手动调焦依靠人的目测和手调，耗时长，可重复性小，调整精度受人主观影响较大，不利于实现大视场与小视场切换之后的自动聚焦。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种双视场热像仪及其自动聚焦方法。
本发明的双视场热像仪，包括热成像镜头、红外探测器、信号处理与控制电路以及伺服电机控制***，热成像镜头将外界辐射的红外光汇聚于红外探测器的光敏面上，红外探测器将接收的光信号转化为电信号，并输入至信号处理与控制电路中；信号处理与控制电路通过对采集的红外图像的处理，发送控制信号至伺服电机控制***，伺服电机控制***执行大视场与小视场切换和聚焦动作；其特征在于：所述信号处理与控制电路由FPGA控制器电路、图像处理电路和电源电路组成，图像处理电路对红外探测器输出的模拟视频信号进行放大和A/D转换处理，电源电路为热像仪的工作提供稳定的电压；
所述伺服电机控制***由焦距定位控制器、伺服电机、电机驱动电路和对伺服电机的转动角度进行测量的编码器组成，焦距定位控制器根据编码器的反馈值，控制伺服电机完成大视场与小视场的切换和聚焦功能。
本发明的双视场热像仪，所述FPGA控制器电路连接有通讯电路和按键控制电路，通讯电路包括RS232通讯模块、RS485通讯模块和RS422通讯模块；所述焦距定位控制器与电机驱动电路之间设置有缓冲电路，以保证伺服电机的平稳运行，伺服电机的输出经减速箱驱使热成像镜头的大视场与小视场切换和聚焦动作。
本发明的双视场热像仪的自动聚焦方法，通过以下步骤来实现：
a).视场切换，热像仪在大视场状态下，用于监控大的场景区域，在小视场状态下，用于观察场景中目标的细节，以实现跟踪和瞄准；当FPGA控制器电路接收到由大视场向小视场或者由小视场向大视场切换的指令后，将视场切换指令发送至焦距定位控制器，由焦距定位控制器驱使伺服电机完成视场切换，执行步骤b)；
b).计算第一点的调焦评价函数，FPGA控制器电路通过公式(1)计算出热像仪当前所获取图像的调焦评价函数：
F(i)表示一幅图像中灰度值差分和，f(x,y)表示一幅图像中第x行、第y列像素的灰度值，|f(x,y)-f(x,y-1)|表示第x行相邻列像素灰度值之差的绝对值，|f(x,y)-f(x+1,y-1)|表示第y列相邻行像素灰度值之差的绝对值；
设此时第一点的调焦评价函数为F1(i)；
c).计算第二点的调焦评价函数，伺服电机沿当前的搜索方向和步长转动，运动至第二点，通过公式(1)计算出此时的调焦评价函数F2(i)，执行步骤d)；
d).计算前两点的调焦评价函数差，通过公式(2)计算出前两点的调焦评价函数差ΔF(i)1：
ΔF(i)1＝F2(i)-F1(i) (2)
如果，ΔF(i)1＞0，表明当前搜索方向正确，执行步骤e)；
如果，ΔF(i)1≤0，表明当前搜索方向错误，改变当前的搜索方向，伺服电机驱使热成像镜头重新回到第一点，执行步骤b)；
e).计算第三点的调焦评价函数，伺服电机沿当前搜索方向转动，运动至第三点，通过公式(1)计算出此时的调焦评价函数F3(i)，执行步骤f)；
f).计算后两点的调焦评价函数差，通过公式(3)计算出后两点的调焦评价函数差ΔF(i)2：
ΔF(i)2＝F3(i)-F2(i)(3)
如果，ΔF(i)2＞0，表明通过三个点的确认，伺服电机当前的搜索方向正确，执行步骤g)；
如果，ΔF(i)2≤0，表明连续三点的调焦评价函数具有先升、后降的趋势，则将第二点作为新一轮计算的第一点，执行步骤b)；
g).判断聚焦位置是否满足要求，判断第三点的调焦评价函数大于设定的调焦评价函数的阈值或者当前伺服电机的步长为最小步长是否成立，如果成立，则第三点即为最终的聚焦点，伺服电机间驱使热成像镜头运动至该点，完成聚焦，此时目标的聚焦最清楚；如果不成立，则第三点作为新一轮计算的第一点，执行步骤b)。
本发明的双视场热像仪的自动聚焦方法，步骤d)和步骤f)中，如果相邻两点的调焦评价函数的差值小于设定的阈值下限ΔF(i)min，则表明伺服电机转动的当前步长对调焦的效果影响不大，则增大当前调焦步长；如果相邻两点的调焦评价函数的差值大于设定的阈值上限ΔF(i)max，则表明伺服电机转动的当前步长对调焦的效果影响较大，同时表明搜索已经进入了聚焦点附近的区域，则减小搜索步长。
本发明的有益效果是：本发明的双视场热像仪，通过设置由图像处理电路、FPGA控制器电路组成的信号处理与控制电路，图像处理电路将红外探测器输出的模拟信号进行放大和A/D转换后，输入至FPGA控制器电路中，以实现红外图像的处理；通过设置由焦距定位控制器、伺服电机和编码器组成的伺服电机控制***，焦距定位控制器通过伺服电机驱使热成像镜头进行调焦，通过编码器的输出信号获取编码器的位置信息，以实现聚焦。
本发明的双视场热像仪的自动聚焦方法，通过计算红外图像的调焦评价函数值来反映当前聚焦位置红外图像的清晰程度，并利用三个点来确定调焦的搜索方向，避免了以往采用两个点判断搜索方向时，容易将局部极值作为全局最值情形的发生，保证了自动调焦效果的可靠性。同时，根据相邻两点的调焦评价函数差值的大小，来适时地调整搜索的步长，提高了聚焦效率。
本发明的双视场热像仪和自动聚焦方法，在视场切换完成后，对焦距值进行微调，可以很好的弥补定位调焦的不足，使用光电编码器来提供电机的位置反馈，构造闭环位置反馈控制来实现焦距定位，检测容易，精度高,使热像仪能够快速准确定位到“图像预置点”，采用优化的登山搜索算法，使自动调焦效果的可靠性得到提高。
附图说明
图1为本发明的双视场热像仪的原理图；
图2为本发明中信号处理与控制电路、伺服电机控制***的原理图；
图3为红外图像的边缘点数与焦距的函数关系图；
图4为本发明的双视场热像仪的自动聚焦方法的流程图。
图中：1热成像镜头，2红外探测器，3信号处理与控制电路，4伺服电机控制***，5FPGA控制器电路，6图像处理电路，7电源电路，8焦距定位控制器，9电机驱动电路，10伺服电机，11编码器，12通讯电路，13按键控制电路，14缓冲电路，15减速箱。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，给出了本发明的双视场热像仪的原理图，其由热成像镜头1、红外探测器2、信号处理与控制电路3和伺服电机控制***4组成，热成像镜头1中设置有光学***，并可在伺服电机控制***4的控制下进行视场切换和聚焦，红外探测器2设置于热成像镜头1的后端，其可采用红外焦平面探测器。外界辐射的红外光透过热成像镜头1中光学***的聚焦，汇聚到红外探测器2的光敏面上。
红外探测器2将光信号转换成与入射光成正比的电荷包，并经过读出电路转换成一组在时间上按序输出的视频信号，该信号经过模拟电路处理，A/D转换后，再输入至后端的信号处理与控制电路3中，以完成相应的处理。
如图2所示，给出了本发明中信号处理与控制电路、伺服电机控制***的原理图，所示的信号处理与控制电路3由图像处理电路6、FPGA控制器电路5、电源电路7、按键控制电路13和通讯电路12组成，图像处理电路6主要是将红外探测器2输出的模拟视频进行放大，一路作为视频的输出，另一路再经过模拟/数字转换为数字视频信号，数字信号输入至FPGA控制器电路中，通过对数字图像的处理，实现自动聚焦。
电源电路7将外部输入的电源供电转化为***各个模块需要的电压值，外部供电电源的电压是+12V，电源电路将其转化为+5V、+3.3V、+1.8V、+1.2V的直流电压。为了保证设备的安全性，电源电路中还可加入防电源反接电路，以提高了***的可靠性。为了提供了丰富的对外接口，通讯电路12由RS232通讯模块、RS485通讯模块以及RS422通讯模块组成，用户可以根据需要，选择不同的通讯方式。按键控制电路即可通过RS232、RS485或RS422接口与FPGA控制器电路5相连接，也可采用直接与FPGA控制器电路5相连接的形式来实现。
所示的伺服电机控制***4由焦距定位控制器8、电机驱动电路9、伺服电机10、编码器11、缓冲电路14和减速箱15组成，所示的焦距定位控制器8由微控制器组成，其具有采集、运算和输出功能，电机驱动电路9用于直接驱使伺服电机10的运行，焦距定位控制器8输出的电机控制信号经缓冲电路14的处理后输入至电机驱动电路9中，以保证伺服电机10的平稳运行。编码器11设置于伺服电机10的输出端，用于将伺服电机10的位置信号反馈至焦距定位控制器8中；伺服电机10的输出经减速箱15的减速后驱使热成像镜头1变焦运动。
如图3所示，给出了红外图像的边缘点数与焦距的函数关系图，由图可以看出，在正焦位置(即理想聚焦点)的两侧，焦距距离正焦位置越远，相应的边缘点数小，距离正焦位置越近，相应的边缘点数越大。在距离正焦位置较远处搜索时，边缘点数随焦距的变化缓慢，而在聚焦点位置的两侧，边缘点数变化较大，根据这种关系特性，采用自适应步长搜索算法来加快初始阶段的搜索速度，自适应搜索基于以下两个原则：(1)如果相邻两幅图像的边缘点数相差不大，说明上一次用的步长对调焦效果的影响不大，则增大调焦步长。(2)如果相邻两幅图像的边缘点数相差较大，说明上一次用的步长对调焦效果的影响较大，同时表明搜索已经进入了聚焦点附近的区域，则减小搜索步长。由于红外图像的调焦评价函数与边缘点数具有成比例关系，因此本发明中利用调焦评价函数的变化来表征边缘点数随焦距的变化。
在实际应用中发现，镜头从偏离聚焦点的位置向聚焦点运动时，函数值在远离焦点的位置并不是严格按照单调递增的方式变化，而是有局部的最大值，因此运用普通的登山搜索法在那里难以确定电机的转动方向，并且当出现多个峰值时，普通的登山搜索法很容易搜索到局部极值，导致自动调焦失败。通常情况下，调焦曲线受到干扰而出现的局部极值都比较窄，为此，普通的登山算法在比较前后两次调焦结果时，即可确定曲线方向，所以一旦遇到局部峰值，就以为找到了峰值，这是不正确的。
本发明的双视场热像仪的自动聚焦方法，通过以下步骤来实现：
a).视场切换，热像仪在大视场状态下，用于监控大的场景区域，在小视场状态下，用于观察场景中目标的细节，以实现跟踪和瞄准；当FPGA控制器电路接收到由大视场向小视场或者由小视场向大视场切换的指令后，将视场切换指令发送至焦距定位控制器，由焦距定位控制器驱使伺服电机完成视场切换，执行步骤b)；
b).计算第一点的调焦评价函数，FPGA控制器电路通过公式(1)计算出热像仪当前所获取图像的调焦评价函数：
F(i)表示一幅图像中灰度值差分和，f(x,y)表示一幅图像中第x行、第y列像素的灰度值，|f(x,y)-f(x,y-1)|表示第x行相邻列像素灰度值之差的绝对值，|f(x,y)-f(x+1,y-1)|表示第y列相邻行像素灰度值之差的绝对值；
设此时第一点的调焦评价函数为F1(i)；
c).计算第二点的调焦评价函数，伺服电机沿当前的搜索方向和步长转动，运动至第二点，通过公式(1)计算出此时的调焦评价函数F2(i)，执行步骤d)；
d).计算前两点的调焦评价函数差，通过公式(2)计算出前两点的调焦评价函数差ΔF(i)1：
ΔF(i)1＝F2(i)-F1(i) (2)
如果，ΔF(i)1＞0，表明当前搜索方向正确，执行步骤e)；
如果，ΔF(i)1≤0，表明当前搜索方向错误，改变当前的搜索方向，伺服电机驱使热成像镜头重新回到第一点，执行步骤b)；
e).计算第三点的调焦评价函数，伺服电机沿当前搜索方向转动，运动至第三点，通过公式(1)计算出此时的调焦评价函数F3(i)，执行步骤f)；
f).计算后两点的调焦评价函数差，通过公式(3)计算出后两点的调焦评价函数差ΔF(i)2：
ΔF(i)2＝F3(i)-F2(i) (3)
如果，ΔF(i)2＞0，表明通过三个点的确认，伺服电机当前的搜索方向正确，执行步骤g)；
如果，ΔF(i)2≤0，表明连续三点的调焦评价函数具有先升、后降的趋势，则将第二点作为新一轮计算的第一点，执行步骤b)；
g).判断聚焦位置是否满足要求，判断第三点的调焦评价函数大于设定的调焦评价函数的阈值或者当前伺服电机的步长为最小步长是否成立，如果成立，则第三点即为最终的聚焦点，伺服电机间驱使热成像镜头运动至该点，完成聚焦，此时目标的聚焦最清楚；如果不成立，则第三点作为新一轮计算的第一点，执行步骤b)。
其中，步骤d)和步骤f)中，如果相邻两点的调焦评价函数的差值小于设定的阈值下限ΔF(i)min，则表明伺服电机转动的当前步长对调焦的效果影响不大，则增大当前调焦步长；如果相邻两点的调焦评价函数的差值大于设定的阈值上限ΔF(i)max，则表明伺服电机转动的当前步长对调焦的效果影响较大，同时表明搜索已经进入了聚焦点附近的区域，则减小搜索步长。

Claims (2)

1.一种双视场热像仪的自动聚焦方法，双视场热像仪包括热成像镜头(1)、红外探测器(2)、信号处理与控制电路(3)以及伺服电机控制***(4)，热成像镜头将外界辐射的红外光汇聚于红外探测器的光敏面上，红外探测器将接收的光信号转化为电信号，并输入至信号处理与控制电路中；信号处理与控制电路通过对采集的红外图像的处理，发送控制信号至伺服电机控制***，伺服电机控制***执行大视场与小视场切换和聚焦动作；所述信号处理与控制电路由FPGA控制器电路(5)、图像处理电路(6)和电源电路(7)组成，图像处理电路对红外探测器输出的模拟视频信号进行放大和A/D转换处理，电源电路为热像仪的工作提供稳定的电压；
所述伺服电机控制***由焦距定位控制器(8)、伺服电机(10)、电机驱动电路(9)和对伺服电机的转动角度进行测量的编码器(11)组成，焦距定位控制器根据编码器的反馈值，控制伺服电机完成大视场与小视场的切换和聚焦功能；
所述FPGA控制器电路(5)连接有通讯电路(12)和按键控制电路(13)，通讯电路包括RS232通讯模块、RS485通讯模块和RS422通讯模块；所述焦距定位控制器(8)与电机驱动电路(9)之间设置有缓冲电路(14)，以保证伺服电机(10)的平稳运行，伺服电机的输出经减速箱(15)驱使热成像镜头的大视场与小视场切换和聚焦动作；
其特征在于，双视场热像仪的自动聚焦方法通过以下步骤来实现：
a).视场切换，热像仪在大视场状态下，用于监控大的场景区域，在小视场状态下，用于观察场景中目标的细节，以实现跟踪和瞄准；当FPGA控制器电路接收到由大视场向小视场或者由小视场向大视场切换的指令后，将视场切换指令发送至焦距定位控制器，由焦距定位控制器驱使伺服电机完成视场切换，执行步骤b)；
b).计算第一点的调焦评价函数，FPGA控制器电路通过公式(1)计算出热像仪当前所获取图像的调焦评价函数：
F(i)表示一幅图像中灰度值差分和，f(x,y)表示一幅图像中第x行、第y列像素的灰度值，|f(x,y)-f(x,y-1)|表示第x行相邻列像素灰度值之差的绝对值，|f(x,y)-f(x+1,y)|表示第y列相邻行像素灰度值之差的绝对值；
设此时第一点的调焦评价函数为F1(i)；
c).计算第二点的调焦评价函数，伺服电机沿当前的搜索方向和步长转动，运动至第二点，通过公式(1)计算出此时的调焦评价函数F2(i)，执行步骤d)；
d).计算前两点的调焦评价函数差，通过公式(2)计算出前两点的调焦评价函数差ΔF(i)1：
ΔF(i)1＝F2(i)-F1(i) (2)
如果，ΔF(i)1＞0，表明当前搜索方向正确，执行步骤e)；
如果，ΔF(i)1≤0，表明当前搜索方向错误，改变当前的搜索方向，伺服电机驱使热成像镜头重新回到第一点，执行步骤b)；
e).计算第三点的调焦评价函数，伺服电机沿当前搜索方向转动，运动至第三点，通过公式(1)计算出此时的调焦评价函数F3(i)，执行步骤f)；
f).计算后两点的调焦评价函数差，通过公式(3)计算出后两点的调焦评价函数差ΔF(i)2：
ΔF(i)2＝F3(i)-F2(i) (3)
如果，ΔF(i)2＞0，表明通过三个点的确认，伺服电机当前的搜索方向正确，执行步骤g)；
如果，ΔF(i)2≤0，表明连续三点的调焦评价函数具有先升、后降的趋势，则将第二点作为新一轮计算的第一点，执行步骤b)；
g).判断聚焦位置是否满足要求，判断第三点的调焦评价函数大于设定的调焦评价函数的阈值或者当前伺服电机的步长为最小步长是否成立，如果成立，则第三点即为最终的聚焦点，伺服电机驱使热成像镜头运动至该点，完成聚焦，此时目标的聚焦最清楚；如果不成立，则第三点作为新一轮计算的第一点，执行步骤b)。
2.根据权利要求1所述的双视场热像仪的自动聚焦方法，其特征在于：步骤d)和步骤f)中，如果相邻两点的调焦评价函数的差值小于设定的阈值下限ΔF(i)min，则表明伺服电机转动的当前步长对调焦的效果影响不大，则增大当前调焦步长；如果相邻两点的调焦评价函数的差值大于设定的阈值上限ΔF(i)max，则表明伺服电机转动的当前步长对调焦的效果影响较大，同时表明搜索已经进入了聚焦点附近的区域，则减小搜索步长。
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