СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ФОКУСИРОВКИ
AUTOMATIC FOCUSING METHOD

Предлагаемое изобретение относится к области цифровой фото- и видеосъемки, а именно к области автофокусировки цифровых фото- и видеосистем, а также может найти применение в области медицины, материаловедения и криминалистики.
Известен способ [1], который обеспечивает перемещение предметного столика в положение наилучшей фокусировки с переменным шагом, каждое последующее значение которого меньше предыдущего в случае приближения к глобальному максимуму. Постоянно величиной в этом способе является произведение текучего значения шага на значение расфокусировочной функции. Как и в случае способа половинного деления шага, реверс направления и уменьшение произведения вдвое происходят при устойчивом переходе значений расфокусировочной функции через максимум. Быстродействие данного способа, как и чувствительность к шумам изображения выше, чем у предыдущего.
Известен способ автоматической фокусировки определения положения наилучшей фокусировки при непрерывном изменении изображения (например, в процессе сканирования) [2], основанный на процедуре половинного деления шага после прохождения локального максимума оценочной функции.
В данном процессе вводятся два основных параметра: C - центральное положение предметного столика из диапазона поиска наилучшего фокуса по вертикали и D - диапазон поиска - текущее значение вертикальных перемещений, в пределах которых проводится поиск наилучшего фокуса. Значения параметров C и D вводит оператор или задаются программно.
c
a
b
min
min
a
b
После запуска программы управления проводится оценка положения предметного столика. Если столик находится в положении, не соответствующем значению координаты по вертикали C, то на исполнительный механизм подается команда перемещения предметного столика в положение с координатой C. Далее происходит захват изображения и осуществляется анализ захваченного изображения путем его фильтрации по одному из выбранных алгоритмов с последующим расчетом оценочной функции в данной точке F. Затем на исполнительный механизм поступает команда на перемещение предметного столика в точку A с координатой C-D/2. После захвата изображения рассчитывается оценочная функция в данной точке F. Затем предметный столик перемещается в точку В с координатой C+D/2 и происходит захват изображения в данной точке, после чего рассчитывается оценочная функция в точке F. На следующем шаге процесса текущее значение диапазона поиска D сравнивается с заранее установленным минимальным D (как правило, равным значению, для которого перемещение предметного столика не оказывает существенного влияния на резкость изображения). В случае, если D>D, происходит уменьшение диапазона вдвое. Далее сравнивают значения F и F и в зависимости от их соотношения проводят следующие действия:
a
b
b
c
c
- при F>F изменяется положение центра диапазона, на исполнительный механизм подается команда перемещения предметного столика в точку C-D/2, происходят переназначение величин F=F и захват нового изображения с вычислением нового значения F;
a
b
a
c
c
- при F<F на исполнительный механизм подается команда перемещения предметного столика в точку C+D/2, происходят переназначение величин F=F и захват нового изображения с вычислением нового значения F.
min
Данная процедура повторяется до тех пор, пока диапазон поиска наилучшего фокуса не станет меньше значения D. Таким образом, описанный выше процесс напоминает алгоритм поиска корня функции методом половинного деления.
Преимуществом бинарной процедуры автофокусировки являются надежность и низкая чувствительность к шумам изображения. Однако достижение результата поиска глобального максимума носит вероятностный характер и зависит от объекта наблюдения: для образцов, имеющих значительную протяженность по глубине, вероятность нахождения глобального максимума оценочной функции уменьшается с ростом толщины образца. Наиболее значимым недостатком данной процедуры является значительное время, необходимое для ее реализации, особенно в тех случаях, когда резкость изображения неодинакова по полю наблюдения. При этих обстоятельствах необходимо либо увеличивать размер поля изображения, по которому проводятся анализ резкости и вычисление оценочной функции, либо многократно повторять процедуры для участков изображения, расположенных в различных частях поля зрения. И то, и другое неизбежно приводит к падению быстродействия процесса фокусировки.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ автоматической фокусировки [3], включающий вычисление множества различных значений параметров резкости, каждое из которых соответствует различному положению фокусирующего устройства, и перемещение фокусирующего устройства в положение, соответствующее максимальному значению параметра резкости, определяемому путем сравнения множества вычисленных различных значений параметров резкости.
При включении видеокамеры объектив перемещают в одно из крайних положений. Затем объектив перемещают в противоположное направление с предзаданным шагом, при этом на каждом шаге вычисляется значение параметра резкости.
Вычисляют предварительное максимальное значение параметра резкости и положение объектива, соответствующее этому значению. По достижении противоположного крайнего положения объектив возвращают в положение, соответствующее предварительному максимальному значению параметра резкости.
Затем в течение этапов, количество которых не меньше одного, происходит уточнение с предзаданного максимального значения параметра резкости, при переходе на первый и на каждый последующий этап происходит уменьшение шага перемещения объектива.
Объектив перемещается на шаг вправо. Если соответствующее значение параметра резкости больше, чем предварительно вычисленное максимальное значение, то новое значение считается предварительно вычисленным максимальным значением. Затем происходит переход на следующий этап уточнения максимального значения параметра резкости.
Если же значение параметра меньше, чем предварительно вычисленное значение резкости, то объектив перемещается на шаг в противоположном направлении от предварительно вычисленного максимального значения. При этом если значение текущего параметра резкости меньше, чем предварительно вычисленное максимальное значение, то объектив перемещается в предварительно вычисленное максимальное значение. Происходит переход на следующий цикл уточнения.
Если же значение параметра резкости, соответствующее текущему положению объектива больше, чем предварительно вычисленное максимальное значение, то текущее значение резкости считается предварительно вычисленным максимальным значением резкости, а соответствующее положение объектива - положением объектива предварительно вычисленного максимального значения резкости. Затем происходит переход на следующий этап поиска.
На последующем этапе уточнения предварительно вычисленное максимальное значение считают точным максимальным значением параметра резкости. А положение объектива, соответствующее этому значению, есть положение объектива, при котором снимаемое изображение будет в фокусе.
Основным недостатком известного способа автоматической фокусировки является значительное время, необходимое для его реализации, особенно в тех случаях, когда резкость изображения неодинакова по полю наблюдения. При этих обстоятельствах необходимо либо увеличивать размер поля изображения, по которому проводятся анализ резкости и вычисление параметра резкости, либо многократно повторять процедуры для участков изображения, расположенных в различных частях поля зрения. И то, и другое неизбежно приводит к падению быстродействия процесса фокусировки.
Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности и быстродействия процесса автофокусировки за счет исключения поисковых движений фокусирующего устройства.
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого способа автоматической фокусировки, который, как и прототип, включает вычисление множества различных значений параметров резкости, каждое из которых соответствует различному положению фокусирующего устройства, и перемещение фокусирующего устройства в положение, соответствующее максимальному значению параметра резкости, определяемому путем сравнения множества вычисленных различных значений параметров резкости.
В отличие от прототипа в предлагаемом способе автоматическую фокусировку дополнительно проводят в две фазы, первая из которых включает пошаговое сканирование зоны фокусировки, при котором снимают характеристику изменения контраста изображения при перемещении наблюдаемого объекта вдоль оптической оси фокусирующего устройства, вторая фаза включает перемещение наблюдаемого объекта в точку наилучшего контраста, которую определяют по результатам сравнения функции изменения контраста, полученного на первой фазе, и текущего значения контраста.
Сущность предлагаемого способа автоматической фокусировки заключается в том, что упрощается проведение способа за счет исключения поисковых движений фокусирующего устройства путем предварительного однократного сканирования зоны фокусировки, при котором снимают характеристику изменения контраста изображения при перемещении наблюдаемого объекта вдоль оптической оси фокусирующего устройства.
Достигнутый технический результат заключается в повышении точности и быстродействия процесса автофокусировки.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом, на фиг.1 которого изображена схема алгоритма, реализующего способ автоматической фокусировки, на фиг.2 приведена блок-схема устройства, в котором может быть реализован заявляемый способ.
Способ автоматической фокусировки включает вычисление множества различных значений параметров резкости, каждое из которых соответствует различному положению фокусирующего устройства и перемещение фокусирующего устройства в положение, соответствующее максимальному значению параметра резкости, определяемому путем сравнения множества вычисленных различных значений параметров резкости.
Автоматическую фокусировку дополнительно проводят в две фазы.
Первая фаза включает пошаговое сканирование зоны фокусировки, при котором снимают характеристику изменения контраста изображения при перемещении наблюдаемого объекта вдоль оптической оси фокусирующего устройства.
При первой фазе сканирование зоны фокусировки осуществляют на всю зону глубины резкости. По результатам такого сканирования вычисляют параметры резкости для каждого шага сканирования, тем самым формируется «фокусирующая» кривая S(i) и S'(i), характеризующая функцию изменения контрастности в зависимости от положения объектива в области глубины резкости.
Вторая фаза включает перемещение наблюдаемого объекта в точку наилучшего контраста, которую определяют по результатам сравнения параметра резкости, полученного на первой фазе S'(i), и текущего значения контраста S(i).
При достижении приемлемой разности между текущем значением параметра резкости S(i) и максимумом ранее измеренной кривой параметра резкости S'(i) процедура автофокусировки считается завершенной.
Предлагаемый способ автоматической фокусировки может быть реализован с помощью устройства, содержащего следующие блоки.
Сенсор 1, связанный с блоком преобразования изображения из RGB представления в яркостное представление, блок RGB-яркость 2, связанный с сенсором 1 и блоком вычисления параметра резкости 3.
Блок вычисления параметра резкости 3, формирующий массив значений S(i) и S'(i), связан с блоком преобразования изображения из RGB представления в яркостное представление и блоком анализа параметра резкости 4.
max
Блок анализа параметра резкости 4 сравнивает текущее значение S(i) с S'(i), связанным с блоком вычисления параметра резкости 3, формирует и механизм управления автофокусировкой 5.
Механизм управления автофокусировкой 5 осуществляет перемещения оптической системы в процессе автофокусировки, связан с блоком анализа параметра резкости 4 и исполнительным механизмом с люфтом 6.
max
В блоке 1 происходит захват изображения, в блоке 2 преобразуют изображение из RGB представления в яркостное представление. В блоке вычисления параметра резкости 3 в результате предсканирования формируются массивы S(i) и S'(i) параметров резкости. В блоке анализа параметра резкости 4 происходит сравнение текущего значения S(i) с S'(i), при значениях меньше максимального перемещение из крайнего начального значения в направлении конечного крайнего положения продолжается, если значение параметра резкости достигло максимального, то процесс автофокусировки завершен. Блок 6 представляет собой непосредственно исполнительный механизм с люфтом с помощью которого совершаются все перемещения в процессе автоматической фокусировки.
Таким образом, в предлагаемом способе достигнуто повышение точности и быстродействия процесса автофокусировки за счет исключения поисковых движений фокусирующего устройства.
К преимуществам предлагаемого способа можно отнести также то, что для его реализации не требуются высокоточные механизмы автофокусировки, он позволяет использовать механизмы с люфтом.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. США, патент №20080151097, МПК: H04N 5/232; G02B 7/38; H04N 5/23212, опубл. 26.06.2008 г.
2. США, патент №5790710, МПК: G01N 15/147; G01N 21/64; G21B 21/00; G21B 21/24, опубл. 04.08.1998 г.
3. Российская Федерация, патент №2389050, МПК: G02B 7/09; G03B 13/36, опубл. 10.05.2010 - прототип.