专利名称：一种基于图像处理的动态目标自动变焦系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及自动变焦系统，特别是一种基于图像处理的动态目标自动变焦系统。
背景技术：
当摄像机(CCD、CMOS)拍摄动态目标时，如果摄像机的焦距固定，那么随着与目标距离的远近，目标在屏幕上的大小也会变化。要保持测量的精度，需要保持目标的成像大小在一个合适的尺寸范围内，目前的摄像机(CCD、CMOS)一般有手动变焦功能，通过人工调节，进行变焦，把目标成像大小控制在合适尺寸。
但是，在拍摄跟踪高速移动目标时，目标会连续的发生距离的快速变化，目前的方式有以下几种，一是使用手动调节，二是计算焦距值，根据焦距值来控制变焦。这两种方式都有效率低，精度不高的缺点，难以保证实时自动变焦。
发明内容
本发明的技术解决解决问题克服现有技术的不足，提供一种基于图像处理的动态目标自动变焦系统，它可以在跟踪目标时，实时判断目标的大小，自动变焦。
本发明的技术方案一种基于图像处理的动态目标自动变焦系统，其特点在于包括可变焦镜头，用于调节摄像机的焦距；摄像机是用于拍摄目标图像；图像处理控制单元是系统的核心，它接受从摄像机来的图像数据，对目标进行分割，得到目标的成像大小，根据目标大小与设定的大小比较结果决定发出控制命令给镜头驱动控制电路；
镜头驱动控制电路，与图像处理控制单元用串口连接，同时通过两根线缆与可变焦镜头的正、负控制线连接，镜头驱动控制电路接受图像处理控制单元发送来的控制命令，使可变焦镜头发生移动，以调节摄像机的焦距。
本发明的原理对空间快速移动目标跟踪时，保持目标在摄像机上成像大小始终在预定的尺寸范围内，通过图像分割，得到图像上目标的大小，如果大于或小于预定的尺寸，发出命令给图像处理控制单元，图像处理控制单元通过镜头驱动控制电路自动调节镜头上的变焦电机，使变焦镜头移动到合适位置，把目标在屏幕上的大小调整到预定尺寸。
本发明与现有技术相比的优点在于本发明通过图像处理控制单元由于可以在跟踪目标时，实时判断目标的大小，目标大小与预定的尺寸比较，如果大于预定尺寸或小于预定尺寸，就调节摄像机前的可变焦镜头，通过变焦镜头的控制，达到调整目标在屏幕上成像大小的目的，因此具有实时自动变焦的功能，且效率和精度大大提高。
图1为本发明的原理示意图；图2为本发明的镜头驱动控制电路原理图；图3为本发明的图像处理控制单元的原理框图，其中图3a为普通PC机为核心器件构成的电路处理模块框图，图3b为以数字信号处理器DSP为核心器件构成的电路处理模块框图；图4为本发明的自动变焦系统的流程图。
具体实施例方式
如图1、2所示，本发明由可变焦镜头1、摄像机2、图像处理控制单元3、镜头驱动控制电路4和显示器5组成，可变焦镜头1用于调节摄像机2的焦距，可变焦镜头1为由变焦电机12和变焦镜头11构成，变焦电机12与变焦镜头11连接，变焦电机12转动就可以改变变焦镜头的焦距，变焦电机12可以为直流电极或步进电机；摄像机2用于拍摄目标图像，捕获视频数据的传感器，可以是一般常用的摄像机，也可以是电荷偶合器件CCD、CMOS等图像采集传感器；图像处理控制单元3是系统的核心，它接受从摄像机来的图像数据，对目标进行分割，得到目标的成像大小，根据目标大小与设定的大小比较结果决定发出控制命令给镜头驱动控制电路4；镜头驱动控制电路4与图像处理控制单元3采用串口连接，同时它还通过两根线缆与可变焦镜头1的正、负控制线连接。镜头驱动控制电路4接受图像处理控制单元3发送来的控制命令，根据命令字的不同，在输出线缆上传送不同时间段的±12V电压，可变焦镜头1上的电机在电压的驱动下会向前或向后移动，直到驱动电压消失。
如图2所示，镜头驱动控制电路4是以DSP为核心器件的电路，实际使用中，DSP选用了TI公司的TMS320LF2407A。DSP与图像处理控制单元3通过串口按照约定好的协议实现通信，它以中断响应的方式等待图像处理控制单元3的中断请求，实时响应中断，在中断处理程序中，判断图像处理控制单元3通过串口送来的字符串命令，根据不同的字符串，在电压输出接口上输出±12V电压信号，输出接口上电压持续时间的长短与不同的字符串对应，再通过信号检测，判断可变焦镜头1中的变焦电机12是否转动到位。DSP还实时检测外部的限位信号，一旦信号有效，就停止转动。图2中电压输出接口通过电缆与变焦电机12的正负接连，根据DSP的命令，完成电压转换输出的功能。
镜头驱动控制电路4的驱动控制的流程当DSP通过串口收到图像处理控制单元3的命令，就按照程序约定的协议对命令处理，根据命令的不同输出不同时间长度的电压，电压的输出时间采用分档法，为探索步进过程，距期望值远时采用大步距，当接近时，切换到小步距，在细微调节时切换到更小的步距，这样可以提高响应性，保证调节时间快速。通过的电路板上电压输出接口输出±12V电压，驱动变焦电机12进行相应的转动。变焦电机12转动过程中DSP同时检测电机转动的位置，判断变焦电机12是否转到端点位置，并向图像处理单元3给出反馈。
显示器屏幕5用于显示图像的设备，可以是一般的液晶或CRT显示设备。
如图3a和图3b所示，图像处理控制单元3是以普通PC机或数字信号处理器DSP为核心器件构成的电路处理模块。
如图3a所示，基于PC机的图像处理控制单元的硬件包括PC机、图像采集卡两个部分。PC机内包含一般使用的CPU、硬盘、内存等普通PC机内安装图像采集卡，运行图像处理软件程序，通过串口与镜头驱动控制电路连接。把控制命令发送到镜头驱动控制电路。图像采集卡插在计算机的PCI插槽内，通过视频线与摄像机或CCD连接，图像采集卡完成视频信号的模数转换并把数字图像信号采集入计算机内存。
如图3b所示，基于数字信号处理器DSP的图像处理控制单元的硬件包括数字信号处理器DSP、复杂可编程逻辑器件CPLD、Flash Memory。
数字信号处理器DSP进行图像算法处理，包括滤波去噪，图像边缘检测，图像分割、区域标记、区域连通，计算成像的尺寸。复杂可编程逻辑器件CPLD的作用是控制DSP读取图像传感器传来的图像的时序，把DSP要求得到的图像数据给DSP。Flash Memory的功能是存储DSP系统运行的软件程序代码和存储图像信息。
本发明中的图像处理单元3的处理软件包括图像采集程序，图像处理程序，判断控制程序三部分。
(1)图像采集程序用来对摄像机或CCD的视频信号通过图像采集卡硬件进行模数转换。软件可以设定采集的频率，采集的图像分辨率，可以调节对比度等功能。
(2)图像处理程序对采集进来的数字图像进行处理。包括滤波去噪，图像边缘检测，图像分割、区域标记、区域连通，计算成像的长和宽，即成像大小A。
(3)判断控制程序用来对成像的大小A与期望的大小B比较，期望的大小尺寸B可以在软件中事先设定，也可以实时修改。当成像尺寸A大于期望尺寸B时，控制程序通过串口向驱动控制电路发出变焦镜头前移的字符串命令。反之，当成像尺寸A小于期望尺寸B时，控制程序通过串口向驱动控制电路发出变焦镜头后移的字符串命令。
如图4所示，本发明的具体工作过程如下(1)监控设备打开，用于观测被跟踪拍摄的目标，目标处于移动中。
(2)图像处理控制单元3设定期望得到的目标大小尺寸，可以事先设定，也可以在跟踪过程中修改。
(3)摄像机2拍摄图像，图像数据一路送到显示屏幕显示，另一路送到图像处理控制单元3。
(4)图像处理单元3内运行相关软件，对图像内的目标进行分割，图像分割的算法，软件提取目标的尺寸特征，根据分割得到的目标边缘线，提取目标的尺寸长宽信息A。
(5)期望得到的尺寸大小范围B事先固化在图像处理单元的软件中，也可以在软件界面上修改。软件中比较A与B，如果目标尺寸A小于设定的B，发送向前移动的控制字命令。反之如果目标尺寸A大于设定的B，发送向后移动的控制字命令。如果目标尺寸A在设定的B范围内，则不发送命令。
(6)图像处理单元3内发送的命令，通过串口线传到控制驱动电路4，镜头驱动控制电路4接受图像处理控制单元发送来的控制命令，根据命令字的不同，在输出线缆上传送不同时间段的±12V电压。
(7)可变焦镜头1上的电机受电压控制，当收到±12V电压时，便会前后转动，从而带动镜头前后移动，达到改变焦距的目的。焦距的改变，使得成像的尺寸改变。
(8)通过这样的闭环控制，达到在动态目标快速移动时，自动调整目标成像大小到指定尺寸。
权利要求
1.一种基于图像处理的动态目标自动变焦系统，其特征在于主要包括可变焦镜头，用于调节摄像机的焦距；摄像机，用于拍摄目标图像；图像处理控制单元，接受从摄像机来的图像数据，对目标进行分割，得到目标的成像大小，根据目标大小与设定的大小比较结果决定发出控制命令给镜头驱动控制电路；镜头驱动控制电路，与图像处理控制单元用串口连接，同时通过两根线缆与可变焦镜头的正、负控制线连接，镜头驱动控制电路接受图像处理控制单元发送来的控制命令，使可变焦镜头发生移动，以调节摄像机的焦距。
2.根据权利要求1所述的基于图像处理的动态目标自动变焦系统，其特征在于所述的可变焦镜头由变焦电机和变焦镜头构成。
3.根据权利要求1所述的基于图像处理的动态目标自动变焦系统，其特征在于所述的变焦电机为直流电极或步进电机。
4.根据权利要求1所述的基于图像处理的动态目标自动变焦系统，其特征在于所述的摄像机为常用的摄像机，或电荷偶合器件CCD、CMOS等图像采集传感器。
5.根据权利要求1所述的基于图像处理的动态目标自动变焦系统，其特征在于所述的图像处理控制单元为以普通PC机或数字信号处理器DSP为核心器件构成的电路处理模块。
6.根据权利要求1或2所述的基于图像处理的动态目标自动变焦系统，其特征在于所述的镜头驱动控制电路是以DSP为核心器件的电路，DSP与图像处理控制单元通过串口按照约定好的协议实现通信，它根据图像处理控制单元通过串口送来的命令完成控制命令的判断，发出时间不等的电压信号，再通过信号检测，判断可变焦镜头中的变焦电机是否转动到位；DSP还实时检测外部的限位信号，一旦信号有效，就停止转动。
全文摘要
一种基于图像处理的动态目标自动变焦系统，主要包括可变焦镜头，用于调节摄像机的焦距；摄像机，用于拍摄目标图像；图像处理控制单元，接受从摄像机来的图像数据，对目标进行分割，得到目标的成像大小，根据目标大小与设定的大小比较结果决定发出控制命令给镜头驱动控制电路；镜头驱动控制电路，与图像处理控制单元用串口连接，同时通过两根线缆与可变焦镜头的正、负控制线连接，镜头驱动控制电路接受图像处理控制单元发送来的控制命令，使可变焦镜头发生移动，以调节摄像机的焦距。本发明具有实时自动变焦的功能，且具有效率和精度高的优点。
文档编号G03B13/36GK101021604SQ20071006468
公开日2007年8月22日 申请日期2007年3月23日 优先权日2007年3月23日
发明者倪军, 周进, 王岱, 张海清, 王成刚 申请人:中国科学院光电技术研究所