[发明专利]基于频域比较法的自动调节焦点的方法

权利要求书

1.基于频域比较法的自动调节焦点的方法，其特征在于：包括以下过程：

计算机控制机械伸缩镜筒，调整数字相机或成像非球面透镜或显微物镜的位置，伸缩镜筒一边进行伸缩移动，照相机一边进行拍摄，获取K幅图像数据I₀,…,I_i,…,I_j,…,I_K-1，对每一幅图像的水平或垂直成分进行离散傅里叶变换，傅里叶变换后的数据用式1表示：

其中，表示第i幅摄影图像的第y行/列的水平或垂直成分，i的单位为幅；N为图像横向/纵向的像素数目，单位为pixel，x为图像横向/纵向的坐标，y为图像纵向/横向的坐标，单位为pixel，u为图像数据频域坐标，单位为Hz；

将上述的变换结果转化为以dB为数值单位的能量频谱，再对能量频谱进行平均计算得到该图像的水平/垂直能量频谱，也就是图像的频域成分，以G_i(u)[dB]表示，计算公式如下所示：

图像中，第i幅图像和第j幅图像的水平/垂直频域成分间距离d(G_i,G_j)使用二乘平均平方根求得，如式4所示：

其中，d表示两幅图像间的频域距离，单位为[dB]，G_i,G_j分别为两幅图像的频域成分，单位为[dB]；

理论上，当两幅图像的模糊程度相同，也就是离焦点位置的距离相同时，频域距离为0，这种情况下，根据式4可得式5：

由于[G_i(u)-G_j(u)]²≥0，因此：

其中，下标j表示图像的位置，单位为幅；公式中的j表示复数符号；

因为拍摄图像时，一边移动数字相机或成像非球面透镜或显微物镜，一边拍摄，所以，图像组中的每一幅图像的位置，对应数字相机，或者成像非球面透镜，又或者显微物镜的位置，也即机械伸缩镜筒的伸缩位置，根据式6可知，与对焦位置相同的两幅非对焦图像，它们在机械伸缩镜筒的伸缩位置上的关系满足式7所示的函数关系：

|f_u(m)|＝|f_u(n)| 式7

|f_u(m)|＝log|F_u(m)|

|f_u(n)|＝log|F_u(n)|

根据几何光学原理，非对焦产生的图像模糊可以看作对对焦图像进行了低通高斯滤波处理，因此式7中的函数可以近似的看作为高斯函数，如式8所示：

这里，m表示机械伸缩镜筒的伸缩位置，单位为μm，m_c表示高斯函数的中心位置，即对焦位置，单位为μm，K表示拍摄图像的数目，单位为幅，σ表示一个关于镜头的常数参数；

对式8进行绝对值和自然对数取值计算，可得式9：

将式9的计算基底换为10，式9可变为式10的形式：

根据式10，得到式7中关于m的函数，如式11所示：

|f_u(m)|＝log|F_u(m)|＝am²+bm+c 式11

将式11带入式7，可得：

因此，通过对图像频域的比较，可以得到以下两个极小值：

根据式13，两个极小值分别代表平面坐标上的两条直线，两条直线的交点坐标就是唯一极小值，这个唯一极小值，就是所要求得的对焦时机械镜筒的伸缩位置；

通过对二维数据的逐行最小值计算可得式13中的两条直线的参数，再对两条直线进行交点求解，其横轴/纵轴坐标值就是对焦时机械镜筒的伸缩位置；

控制机械镜筒伸缩到该位置即可实现自动对焦。

2.一种利用如权利要求1所述的方法进行自动对焦的方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)用户使用摇杆控制机械镜筒的伸缩，调整呈像单元、成像单元或者镜头单元的位置，完成对焦粗调；

(2)用户通过摇杆及其他指令装置向计算机发送自动对焦指令，计算机接收指令，开始自动对焦；

(3)计算机控制机械镜筒，以当前位置为中心，按照预设范围向上/下移动，到达预设位置后停止移动；照相机开始记录图像，同时机械镜筒开始以停止后的位置为起点的向下/上移动；机械镜筒一边移动，照相机一边记录图像，记录的图像保存在内存或是硬盘的存储器中；

(4)拍摄结束后，计算机读取图像信息，利用频域比较法处理图像信息，得到RMS分布图；

(5)计算机使用算法，在RMS分布图中逐行计算最小值点，并连接这些点得到两条交叉的直线；

(6)计算机使用算法，计算求得两条交叉之直线的交点坐标，利用RMS分布图坐标到机械镜筒动作坐标间的变换，计算机械镜筒对焦时的伸缩位置；

(7)计算机控制伸缩镜筒移动到以上计算求得的位置上，完成自动对焦。