[发明专利]基于双侧预测求交的数字光学成像系统自动调焦方法

说明书

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及数字光学成像系统自动调焦方法。

背景技术

近年来，随着电子技术和计算机技术的发展和进步，特别CCD、CMOS等数字成像器件制造技术的成熟和应用，数字光学成像系统在人类的生活和科学研究中均得到了广泛的应用。在数字光学成像系统的众多技术中，自动调焦方法是影响数字光学成像系统的成像质量和效率的关键技术之一。自动调焦技术一般可分为主动自动调焦法和被动自动调焦法。主动自动调焦法由于需要额外的光路或测距设备，导致系统复杂、成本高。基于图像处理的被动自动调焦方法无需额外设备，利于设备的集成化和微型化，可以大幅度降低设备成本和设备复杂度。因此，基于图像处理的自动调焦方法在数字光学成像系统中得到了广泛的应用。

基于图像处理的自动调焦技术主要解决评价图像像素信息的调焦评价函数和搜索聚焦位置的自动调焦方法两个问题。长期以来，由于自动调焦过程的不可预知性，研究者主要侧重于调焦评价函数的研究，而针对自动调焦方法的研究则较少。现有的自动调焦方法可以分为3大类：

第一类是应用爬山法及其改进方法搜索调焦评价函数曲线峰值位置的方法。Ooi等人(IEEE Transactions on Consumer Electronics,Vol.36,No.3,526-530,1990)用爬山法实现了自动聚焦。He等人(IEEE Transactions on Consumer Electronics,Vol.49,No.2,257-262,2003)在调焦过程中根据当前和上一个调焦评价函数值的差异动态地改变调焦步长提出了一种改进的快速爬山法。Yoon和Park(International Journal of Advanced Manufacturing Technology,Vol.43,No.3,287-293,2009)采用最大最小差分法和两阶段的搜索算法实现了爬山法，这种方法无需滤波器就可以减小冲击噪声的影响。爬山法最主要的问题是调焦速度慢、峰值附近的搜索可能是一个摆动过程和存在离焦的可能性。

第二类是应用二分搜索法和Fibonacci搜索法(Fifth International Conference on Image Processing and its Applications,pp.232-235,1995)搜索调焦评价函数曲线峰值位置的方法。二分搜索法和Fibonacci搜索法具有易受噪声干扰、镜头运动距离过长和移动显微镜的执行器往复运动多次引入空回误差等缺点，限制了它们在实际中的应用。

第3类是应用曲线拟合获得调焦评价函数曲线峰值位置的方法。Yazdanfar等人(Optics Express,Vol.16,No.12,8670-8677,2008)提出了一种将2-3幅图像的调焦评价函数值代入经验函数确定聚焦位置的自动调焦方法，该方法将Brenner调焦评价函数和曲线拟合相结合，只需要不超过3幅图像就可以获得聚焦位置。基于曲线拟合的自动调焦方法大多假设非对称的实际调焦评价函数曲线关于峰值位置对称，这将引入原理性误差。

综上所述，如何提高数字光学成像系统的自动调焦的准确性和效率依然是广泛关注的问题，其中新原理的自动调焦方法是解决问题的关键之一。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种可提高数字光学成像系统的自动调焦的准确性和效率的基于双侧预测求交的数字光学成像系统自动调焦方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于双侧预测求交的数字光学成像系统自动调焦方法，包括如下步骤：

1)对调焦评价函数曲线峰值位置左、右两侧的调焦评价函数曲线分别进行独立的采样和预测；

2)计算预测的左、右调焦评价函数曲线的交点或预测的左、右离散调焦评价函数值序列中相同位置的调焦评价函数值之差的绝对值的最小值位置；

3)控制执行机构移动数字光学成像系统的焦平面到该交点或最小值位置（聚焦位置）。

进一步，所述步骤1）具体包括如下步骤：

11)确定包含调焦评价函数曲线峰值位置的区域，将其的左、右侧邻域作为左、右采样区域；

12)在数字光学成像系统的焦平面所在的采样区域内进行图像采样和评价，用获得调焦评价函数值和相应的采样位置构造用于预测的样本点序列；

13)通过获得的样本点序列和该侧的预测模型预测该侧的调焦评价函数曲线或离散的调焦评价函数值序列；