长焦镜头的自动聚焦控制方法

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摘要： 针对视频监控系统中长焦电动二可变/三可变镜头不能实现自动聚焦的问题，提出了两种实现自动聚焦的控制方法。第一种为开环控制，在此论述了其关键点—动作时间的获取方法；第二种为闭环控制，在此给出了控制流程，并分析了常用的两种图像清晰度判断方法，最后给出了一种改进算法。两种控制方法各有优缺点，可在应用中灵活采用。所提出的两种自动聚焦控制方法可采用软件方式来实现，成本低，能够广泛应用于大范围长焦视频监控系统中。

Abstract： According to the problems which long-focal lens electric two variable or three variable lens in video monitoring system can not realize automatic focusing， this paper puts forward two kinds of control methods of realization of automatic focusing. One is open-loop control， the acquisition method of action time which is the key point is discussed； Another is a closed-loop control， the control process is given， and the commonly used two kinds of image resolution judgment method are analyzed. Finally， an improved algorithm is given. Both control methods have its advantages and disadvantages， in the application， you can use neatly. It can use the two auto-focus control methods which are proposed can be achieved by software， which has low cost and can be widely applied in large long focal length lens video surveillance system.

关键词： 视频监控；长焦镜头；自动聚焦；开环控制；闭环控制；图像清晰度判断

Key words： video monitor；long focal lens；automatic focusing；open-loop control；closed-loop control；image resolution judgment method

中图分类号：TB851 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）13-0186-03

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作者简介：闫俊生（1954-），男，山西阳曲人，现为中国电子科技集团公司第三十三研究所高级工程师，主要研究方向为计算机应用技术；张游杰（1973-），男，山西交城人，现为中国电子科技集团公司第三十三研究所高级工程师，主要研究方向为计算机应用技术。

0 引言

在视频监控系统中为了能够实现对目标的快速定位监控，往往需要对云台摄像系统采取自动定位和自动聚焦的方法[1]。在一些安防监控中，由于监测范围较小，常常采用一体化摄像机，这种摄像机小巧灵活、安装方便，并且内置了自动聚焦功能[2，3]，使用时非常方便。但是，在一些特殊场合的监控系统（如环境远程视频监控、森林防火监控等）中，为了获取较大的监控范围，常常采用长焦电动两可变或三可变镜头[1]。这种镜头一般都不具备自动聚焦功能。在实际使用中，监控人员一般是要先通过变倍调整好图像的监控范围，然后再通过监控软件或监控键盘手动调整其焦距，直到监控人员目测认为图像清晰为止。由于每次调整镜头都需要人工干预，很难实现系统的完全自动化。

但是，在这些视频监控系统中，为了能够实现系统的自动巡检，并能快速准确地定位到目标点，往往需要采用预置位的方法。监控人员预先将摄像机对准目标，通过对镜头进行变倍和聚焦调整好监控范围，并将此点设置为预置位。在需要时，只要向摄像系统发一条命令即可快速定位到目标位置，准确地寻找到监控目标[1]。为此，我们须建立一种较好的实现自动聚焦的方法。

1 解决思路

以图1所示的结构为例，对镜头的自动聚焦控制可采用开环控制和闭环控制两种方法。

开环控制，即计算机软件通过RS232控制线直接发一条命令让镜头向某个方向聚焦动作一段时间，然后就认为聚焦到了最佳位置。

闭环控制，其原理是：控制镜头向某个方向（远或近）聚焦，如果图像越来越清晰，则认为方向正确，继续控制镜头向这个方向动作，直到清晰度达到最佳；如果清晰度越来越差，则认为调整方向错误，应该向反方向加以聚焦。如此循环此过程，直到图像清晰度达到最佳，则认为自动聚焦成功。

2 开环控制实现方法

在开环控制方式下，最重要的一个参数就是聚焦动作所需的时间。为获取该时间，可首先取得一些经验值（如表1），然后根据经验值进行插值运算，获得当前需要聚焦的时间。表1是以镜头Tokina TM16Z7518GAIPN（焦距为7.5-120mm）为例得到的一组数据。

表1中，变倍时间指的是从最小变倍位置到达目标变倍位置动作所需的时间，这个时间可以在调整变倍时自动取得；聚焦时间是指从聚焦最远位置向聚焦最近位置动作所需的时间；在此例中，当变倍时间小于2300ms时，焦距的位置基本上不会对图像的清晰度产生影响，因此不需要调焦。

计算聚焦时间时，首先要根据表1判断变倍时间在哪个范围内，假设这个范围的上一个聚焦时间为s1，下一个聚焦时间为s2，上一个变倍时间为x1，下一个变倍时间为x2，假设在一个范围内其变化是线性关系，则此范围内的变倍聚焦时间比为：

v1=■

v2=■

v=■+v1

当需要定位到预置位时，只需得知变倍时间（假设为x），就可用以下公式计算出镜头动作需要的时间s。

s=■

以表1为例，如果当前变倍时间为3200ms，则：

x1=3000，x2=3500，s1=650，s2=550

v1=■=■=4.615

v2=■=■=6.364

v=■+v1=■+4.615=5.315

s=■=■≈602ms

此时，只需要向镜头发命令使镜头从聚焦最远位置向聚焦近方向动作602ms即可达指定位置。

3 闭环控制实现方法

3.1控制流程 采用闭环控制时，需要通过判断当前图像的清晰度来确定聚焦是否到达了最佳位置。其具体流程如下：①摄像机定位到某个方向后，判断当前图像的清晰度x1。②对镜头做一次聚集操作，再次判断图像的清晰度x2。此处的做一次聚焦操作是指控制镜头向某个方向（远或近）做一个短时间（如100ms）的聚焦动作然后停止，下同。③如果本次清晰度大于或高于上次清晰度（x2？叟x1），则向相同方像再次做聚焦操作，且执行操作x1：=x2，并重新计算x2。重复执行这一步，直到x2

3.2 图像清晰度判断算法 在闭环控制的过程中，最关键的步骤是图像清晰度的判断。

一般用来判断图像清晰度的方法有三种：第一种是基于图像统计的方法，比如信息熵法，灰度方差法和直方图法等；第二种是基于图像边缘检测的方法，比如Laplacian 算子法和Sobel算子法等；第三种是基于变换域的方法，比如快速Fouricr算法等。这几种清晰度判断方法的曲线图均具有单峰特性，即存在一个唯一的焦距位置使图像的清晰度函数值最大。这几种方法在计算速度和对图像清晰度的敏感程度上各有不同，而且对具体的图像也有不同的敏感性[5-8]。

下面，介绍三种运算速度较快的方法：信息熵法和灰度方差法以及灰度方差法的改进方法—两重灰度方差法。

3.2.1 图像信息熵法

图像信息熵表示了图像灰度级集合的比特数均值，描述了图像信源的平均信息量。

设图像灰度集合为：{d1，d2，d3，……，dn}，其在图像中出现的概率分别为p（d1），p（d2），p（d3），……，p（dn），则图像熵定义为：H（d）=-■p（di）log2p（di）

H的绝对值越大，则认为图像所含信息量越大，图像越清晰。

3.2.2 灰度方差法

灰度方差法通过计算相邻像素的灰度方差来确定图像的清晰度。其公式如下：

S=■[∑I（x，y）-I（x，y-1）+∑I（x，y）-I（x+1，y）]

式中，I（x，y）对应于（x，y）位置的灰度值或亮度分量，n为图像的像素总数。

在此算法中，计算了相邻的左面与上面的各1个像素的方差。

通过比较（见表2），图像信息熵法和灰度方法在图像清晰度差别较大（以人眼观察为准）时，判别比较准确，当图像清晰度差别不大时，其判别结果有时会产生误差。为此，对灰度方差法进行了改进，提出了第三种算法：两重灰度方差法。

3.2.3 两重灰度方差法

在此方法中，要计算相邻的左面与上面的各2个像素的方差。其公式如下：

S=■[∑I（x，y）-I（x，y-1）+∑I（x，y）-I（x+1，y）+∑I（x，y）-I（x，y-2）+∑I（x，y）-I（x+2，y）]

通过这种算法，在图像清晰度差别不大时也能得出准确的判别结果。如图，图2，图3，图4分别是三幅聚焦到不同程度的图片，像素均为699×572，表2是按上述三种方法分别得到的值。

4 两种控制方法的比较

这两种控制方法各有优缺点，其比较如表3。

下面对表3进行解释。

①控制精度：

闭环控制：采用图像清晰度分析的方法用以找到最清晰的图像，所以控制精度较高；开环控制：直接发一条控制命令，使镜头向某方向聚焦动作一段时间，由于执行机构机械误差、经验参数的准确性等原因，可能导致较大的偏差，精度较低。

②控制速度：

闭环控制：需要来回调整以找到最清晰点，因此速度较慢。开环控制：镜头只需执行一次动作即可完成，因此速度很快。

③针对不同镜头取得经验数据：这一条只在开环控制中需要。由于不同型号镜头的参数、性能均不相同，因此，表2中的经验值只适用于一种镜头。如果更换了其它镜头，需要重新做实验取得经验数据。在应用中，可根据实际情况灵活采用这两种方式。

5 结论

本文提出的这两种控制方法，实现了长焦电动二可变或三可变镜头的自动聚焦功能，如果结合云台自动定位的方法，就可以实现长焦距大范围视频监控系统的自动巡检，并可在此基础上实现自动图像分析等功能，将大大提高视频监控系统的智能化程度。同时，由于控制方法完全可通过软件来实现，具有成本低、适用性强等特点，有良好的推广应用前景。

参考文献：

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[2]胡建萍，于鹏.基于图像处理的一体化摄像机自动聚焦系统设计[J].电子器件，2012，2，35（01）：75-78.

[3]严爱杰.一体化摄像机控制系统的设计与实现[D].南京：南京理工大学，2007.

[4]郑玉珍，吴勇，倪旭翔.实时自动对焦的研究[J].光电工程，2004，4，31（04）：64-66.

[5]朱孔凤，姜威，王端芳，张进，周贤.一种新的图像清晰度评价函数[J].红外与激光工程，2005（04）：993-996.

[6]王勇，谭毅华，田金.一种新的图像清晰度评价函数[J].武汉理工大学学报，2007，3，29（3）：124-126.

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