双目3D相机自动调焦系统及方法

1.一种双目3D相机自动调焦系统，其特征在于，包括：依次相连的光学模块、摄像模块、控制模块和驱动模块，其中，
所述光学模块用以调整光圈和焦距，实现光路控制；
所述摄像模块用以采集3D图像，并将采集到的3D图像发送至所述控制模块；
所述控制模块用以对接收到的3D图像进行分析处理，确定场景最佳聚焦位置，并根据确定的最佳聚焦位置向所述驱动模块输出判决量；
所述驱动模块用以根据接收到的判决量驱动所述光学模块准确聚焦；
所述控制模块包括：
纹理分析子模块：与所述摄像模块连接，用以对3D图像的高频分量进行分析，检测图像的模糊程度；
深度分析子模块：与所述摄像模块连接，用以对双目3D图像计算深度图，根据深度图计算深度信息熵；
综合判断子模块：分别与所述纹理分析子模块和深度分析子模块连接，用以对所述纹理分析模块和深度分析模块的计算结果做混合处理，产生唯一的信息量，并根据对该信息量的遍历，最终确定最佳聚焦位置。
2.根据权利要求1所述的双目3D相机自动调焦系统，其特征在于，所述光学模块包括两个百摄宝Icarex 35S‐EOS变焦镜头。
3.根据权利要求1所述的双目3D相机自动调焦系统，其特征在于，所述摄像模块包括两个CMOS摄像头。
4.根据权利要求1所述的双目3D相机自动调焦系统，其特征在于，所述控制模块采用ARM11ProcessorS3C 6410芯片。
5.根据权利要求1所述的双目3D相机自动调焦系统，其特征在于，所述驱动模块包括D/A变换电路和模拟放大器，所述D/A变换电路与所述控制模块连接，用以将控制模块输出的判决量数值控制信号线性变换为模拟量；所述模拟放大器与所述D/A变换电路连接，用以实现对D/A信号的放大，使其具有足够的功率驱动调焦镜头。
6.一种双目3D相机自动调焦方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，摄像模块采集场景3D图像，并将采集到的3D图像发送至控制模块；
步骤二，控制模块对接收到的3D图像进行深度分析和纹理分析处理，并根据纹理分析和深度分析计算结果做综合判断，确定最佳聚焦位置；
深度分析处理过程为：首先，双目3D图像经过预处理降低噪声等无效信息；然后，将处理后的双目3D图像采用对极约束进行匹配处理，获取匹配点对；最后，在匹配点对的基础上，计算视差信息，并将视差信息与深度进行转换，计算出深度图场景；
纹理分析处理过程为：选取图像中心区域为聚焦窗口A、B，窗口A包含窗口B，对聚焦窗口采用阈值梯度检测图像的模糊程度，采用对梯度矩阵进行阈值M处理，去掉较小的梯度值，减小其负面影响，并给梯度矩阵加一个大的阈值N，去掉梯度值中很大的部分即噪声部分；
步骤三，控制模块根据得到的最佳聚焦位置向驱动模块发出判决信号，驱动模块根据接收到的判决信号驱动光学模块准确聚焦。
7.根据权利要求6所述的双目3D相机自动调焦方法，其特征在于，步骤二中所述的深度分析处理具体为：首先，双目3D图像经过预处理降低包含噪声在内的无效信息；然后，将处理后的双目3D图像采用对极约束进行匹配处理，获取匹配点对；最后，在匹配点对的基础上，计算视差信息，并将视差信息与深度进行转换，计算出深度图场景。
8.根据权利要求6所述的双目3D相机自动调焦方法，其特征在于，步骤二中所述的纹理分析处理具体为：选取图像中心区域为聚焦窗口A、B，窗口A包含窗口B，窗口大小可根据实际情况调整，对聚焦窗口采用阈值梯度检测图像的模糊程度，采用对梯度矩阵进行阈值处理，去掉较小的梯度值，减小其负面影响，并给梯度矩阵加一个大的阈值，去掉梯度值中很大的部分即噪声部分。
9.根据权利要求6所述的双目3D相机自动调焦方法，其特征在于，步骤二中所述的综合判断采用自适应变步长登山搜索算法，在离焦点较远的位置采用图像边缘点判据和大步长进行快速粗调，而在焦点附近由改进的聚焦评价Tenengrad函数精确细调，具体为：
首先，采用式(2)计算序列图像相邻两帧图像窗口A中各点像素的G(x，y)，比较满足阈值条件的边缘点数目，并边缘点数目被该区域内的深度熵乘性加权，进行粗略聚焦，其中：
式(2)为：
式中：Gx(i,j)和Gy(i,j)为图像与Sobel边缘算子的卷积在(i，j)处的值；
设当前图像i窗口A的边缘点数目为N(Ai)，前一帧图像i-1窗口A的边缘点数目为N(Ai-
1)，则：
(1)若N(Ai)与N(Ai‐1)相差不大，表明以上一次的步长进行搜索对调焦效果的影响不大，则保持聚焦搜索方向不变，增大调焦步长；
(2)若N(Ai)与N(Ai‐1)相差较大，表明以上一次的步长搜索对调焦效果的影响较大，搜索已经进入了聚焦点附近区域，则保持聚焦搜索方向不变，减小搜索步长；
(3)若N(Ai)与N(Ai‐1)相比明显减少，则说明聚焦峰值已出现，应改变搜索方向，进入精确细调聚焦；
之后，在粗略聚焦后，采用改进的聚焦评价Tenengrad函数对相邻两帧采样图像窗口B进行分析，每次过峰值之后，调整步长减为原来的一半，直至最后准确聚焦；其中，所述改进的聚焦评价Tenengrad函数为：
式中G(x，y)如式(2)，M，N为梯度阈值处理的上下门限。

双目3D相机自动调焦系统及方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及3D成像技术领域，具体地，涉及一种双目3D相机自动调焦系统及方法。\n背景技术\n[0002] 近年来，3D影像技术得到长足发展，3D影像的获取主要有两种形式：1)采用2D相机+深度的方式扫描影像；2)采用双摄像机模仿双目视觉采集影像。以往的研究侧重于立体相机的系统设计及镜头设计，未见有双目3D相机自动聚焦的相关研究，针对相机自动聚焦的研究主要集中在2D相机设计领域。\n[0003] 中国专利公开号CN1115392A的发明专利公开了一种基于多个光发射体和接收单元的相机自动聚焦系统；中国专利公开号CN102169275A的发明专利公开了一种基于黄金分割非均匀采样窗口规划的自动聚焦系统；中国专利公开号CN102073194A的发明专利公开了一种具有自动聚焦功能的相机模块，该专利侧重于光学系统的灵活设计；中国专利公开号CN101743743A的发明专利公开了具有自动聚焦功能的照相机系统及其控制方法，该专利通过比较与关于图像传感部的输出的所要检测的对象的聚焦位置相应的位置传感器的标准输出与实际输出，辨别透镜模块聚焦的正确位置；中国专利公开号CN101713902A的发明专利公开了一种快速的相机自动聚焦，该专利计算两个不同影像号处获取的场景的两个图像之间的模糊差来预测第三影像号，进而自动聚焦于场景；中国专利公开号CN101634795A的发明专利公开了一种相机自动聚焦方法及系统，该专利依据所检测到四边形限定的图像区域计算聚焦位置，采用被动式自动聚焦的方式计算聚焦位置；中国专利公开号CN101571660A的发明专利公开了一种数码相机及其自动聚焦方法，该专利检测第一位置与第二位置对应的焦距值与评估值的关系的第一曲线和第二曲线，根据第二曲线的最小评估值计算最佳焦距；中国专利公开号CN101470324A的发明专利公开了一种照相机的自动聚焦设备和方法，通过测距传感器测量对象的距离值，确定将聚焦透镜相对于所测距离值移动的位移；中国专利公开号CN101329494A的发明专利公开了一种照相机装置和自动聚焦控制方法，该专利在相机主体内设置检测3轴方向的加速的加速度传感器，定期累计3个方向的位移距离，补偿焦点偏移；中国专利公开号CN101261353A的发明专利公开了一种相机的自动聚焦方法，该方法通过确定获得边缘值中的最大边缘值，并且基于最大边缘值识别镜头系统的聚焦位置，调整聚焦；中国专利公开号CN1511412A的发明专利公开了一种自动聚焦设备、电子照相机和自动聚焦方法，该专利沿光轴连续移动聚焦透镜，根据从CCD输出图像中的高频分量，计算AF最大值所对应的位置，进而调整焦距。\n[0004] 上述技术均为针对2D相机在机械及算法层面实现对相机焦距的调整，并未考虑到\n3D影像的性质，因而不能满足3D相机自动聚焦的实际需求。\n发明内容\n[0005] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种双目3D相机自动调焦系统及方法，本发明可以根据立体景象的特点，自动选择合适的聚焦点，对相机镜头进行调整，使得所拍摄的3D影像中，尽可能保留细节信息和深度信息。\n[0006] 根据本发明的一个方面，提供一种双目3D相机自动调焦系统，包括：依次相连的光学模块、摄像模块、控制模块和驱动模块，其中，光学模块用以调整光圈和焦距，实现光路控制；摄像模块用以采集3D图像，并将采集到的3D图像发送至控制模块；控制模块用以对接收到的3D图像进行分析处理，确定场景最佳聚焦位置，并根据确定的最佳聚焦位置向驱动模块输出判决量；驱动模块用以根据接收到的判决量驱动光学模块准确聚焦。\n[0007] 优选地，该控制模块包括：\n[0008] 纹理分析子模块：与摄像模块连接，用以对3D图像的高频分量进行分析，检测图像的模糊程度；\n[0009] 深度分析子模块：与摄像模块连接，用以对双目3D图像计算深度图，根据深度图计算深度信息熵；\n[0010] 综合判断子模块：分别与纹理分析子模块和深度分析子模块连接，用以对纹理分析模块和深度分析模块的计算结果做混合处理，产生唯一的信息量，并根据对该信息量的遍历，最终确定最佳聚焦位置。\n[0011] 优选地，该光学模块包括两个百摄宝Icarex 35S-EOS变焦镜头。\n[0012] 优选地，该摄像模块包括两个CMOS摄像头。\n[0013] 优选地，该控制模块采用ARM11ProcessorS3C 6410芯片。\n[0014] 优选地，该驱动模块包括D/A变换电路和模拟放大器，D/A变换电路与控制模块连接，用以将控制模块输出的判决量数值控制信号线性变换为模拟量；模拟放大器与D/A变换电路连接，用以实现对D/A信号的放大，使其具有足够的功率驱动调焦镜头。\n[0015] 根据本发明的另一个方面，提供一种双目3D相机自动调焦方法，包括以下步骤：\n[0016] 步骤一，摄像模块采集场景3D图像，并将采集到的3D图像发送至控制模块；\n[0017] 步骤二，控制模块对接收到的3D图像进行深度分析和纹理分析处理，并根据纹理分析和深度分析计算结果做综合判断，确定最佳聚焦位置；\n[0018] 步骤三，控制模块根据得到的最佳聚焦位置向驱动模块发出判决信号，驱动模块根据接收到的判决信号驱动光学模块准确聚焦。\n[0019] 优选地，步骤二中的深度分析处理具体为：首先，双目3D图像经过预处理降低噪声等无效信息；然后，将处理后的双目3D图像采用对极约束进行匹配处理，获取匹配点对；最后，在匹配点对的基础上，计算视差信息，并将视差信息与深度进行转换，计算出深度图场景。\n[0020] 优选地，步骤二中的纹理分析处理具体为：选取图像中心区域为聚焦窗口A、B，窗口A包含窗口B，对聚焦窗口采用阈值梯度检测图像的模糊程度，采用对梯度矩阵进行阈值处理，去掉较小的梯度值，减小其负面影响，并给梯度矩阵加一个大的阈值，去掉梯度值中很大的部分即噪声部分。\n[0021] 优选地，步骤二中的综合判断采用自适应变步长登山搜索算法，在离焦点较远的位置采用图像边缘点判据和大步长进行快速粗调，而在焦点附近由改进的聚焦评价Tenengrad函数精确细调，具体为:\n[0022] 首先，采用式(2)计算序列图像相邻两帧图像窗口A中各点像素的G(x，y)，比较满足阈值条件的边缘点数目，并边缘点数目被该区域内的深度熵乘性加权，进行粗略聚焦，其中：\n[0023] 式(2)为：\n[0024] 式中：Gx(i，j)和Gy(i，j)为图像与Sobel边缘算子的卷积在(i，j)处的值；\n[0025] 设当前图像i窗口A的边缘点数目为N(Ai)，前一帧图像i-1区域A的边缘点数目为N(Ai-1)，c为[0，1]内给定的常数，则：\n[0026] (1)若N(Ai)与N(Ai-1)相差不大，表明以上一次的步长进行搜索对调焦效果的影响不大，则保持聚焦搜索方向不变，可增大调焦步长；\n[0027] (2)若N(Ai)与N(Ai-1)相差较大，表明以上一次的步长搜索对调焦效果的影响较大，搜索已经进入了聚焦点附近区域，则保持聚焦搜索方向不变，减小搜索步长；\n[0028] (3)若N(Ai)与N(Ai-1)相比明显减少，则说明聚焦峰值已出现，应改变搜索方向，进入精确细调聚焦；\n[0029] 之后，在粗略聚焦后，聚焦评价Tenengrad函数对相邻两帧采样图像窗口B进行分析，每次过峰值之后，调整步长减为原来的一半，直至最后准确聚焦。\n[0030] 改进的聚焦评价函数为：\n[0031]\n[0032] 式中G(x，y)如公式2，M，N为梯度阈值处理的上下门限。\n[0033] 当前图像i区域B的聚焦评价值为F(Bi)，前一帧图像i-1区域B的聚焦评价值为F(Bi-1)，则当F(Bi)>F(Bi-1)，搜索方向不变，当F(Bi)F(Bi-1)，搜索方向不变，当F(Bi)