一种有限远变共轭距变倍镜头的自动对焦方法与流程

本发明属于机器视觉或显微观测领域的变倍跟随与自动对焦技术，尤其涉及一种有限远变共轭距变倍镜头的自动对焦方法。

背景技术：

1、目前的连续变倍自动对焦镜头主要分为三大类：一种是普通手动连续变倍自动对焦镜头，主要应用在单反或微单相机。第二种是电动连续变倍自动对焦镜头，主要应用在监控或微单相机。上述两种镜头物距都是从无限远到有限远距离，其变倍组同对焦组可以连动，也可以独立变倍或独立对焦。第三种是有限远共轭距变倍镜头，在物距固定的情况下，其电动变倍过程变倍组同对焦组是连动的，因此可以保证变倍跟随。

2、随着连续变倍自动对焦镜头在工业检测或显微观测领域应用的不断拓展，出现了一种对近距离成像的变倍镜头。这类镜头变倍组和对焦组是独立控制的，如果按一定关系去独立控制，则可以实现连续变倍跟随。其光学结构如图1所示：该变倍镜头整个结构依次为远物距1，标准物距2，近物距3，前固定组4，变倍组5，对焦组6，后固定组7以及像面8，在正常状态下，变倍镜头对标准物距2的位置成清晰像。当进行变倍跟随时，变倍组5同对焦组6按变倍曲线9，对焦曲线10对应关系运动，则可以保证整个变倍过程都清晰。当变倍完成以后，对焦组6可以单独对当前物距位置的物进行精确再对焦。当观察物在远物距1同近物距3之间变化时，变倍镜头都会启动对焦组6进行自动对焦，保证观察物成像在像面8上。这类镜头的一个优点是物距范围比较大，且在物距范围内对所有倍率都可以清晰成像，所以称之为有限远变共轭距变倍镜头。

3、现有变倍跟随方法主要有：查表法、几何法、自适应法、简化法、预测法、相关法、反馈法以及改进的反馈法。这些方法均是以不同物距情况下对焦组与变倍组的关系曲线为基础，构建变倍跟随数据，可实现不同精度或速度的变倍跟随。如公开号为cn111147732a的中国专利公开了一种对焦曲线建立方法及装置，涉及图像处理领域。该方法包括：以变焦参数为横坐标、对焦参数为纵坐标建立坐标系，其中镜头捕获待处理图像过程中的物距为定值；采用单调爬山算法，在所述坐标系确定预设变焦参数关键点、以及各所述预设变焦参数关键点对应的满足预设清晰条件的对焦参数点；根据各所述预设变焦参数关键点对应的满足预设清晰条件的对焦参数点，生成对焦曲线。如公开号为cn111385466a的中国专利公开了一种自动聚焦方法、装置、设备及存储介质。所述方法包括：通过确定当前监控环境中的红外光占比，并依据红外光占比，确定镜头在当前物距下的变倍跟随曲线，然后在镜头的变倍操作过程中，确定镜头的至少两个变倍位置，以及依据镜头在当前物距下的变倍跟随曲线，在各变倍位置关联的聚焦位置进行跟随聚焦，并在变倍操作后，根据得到的聚焦位置，进行自动聚焦。

4、但由于对焦组位置(纵坐标)与变倍组倍率(横坐标)的关系曲线存在：1)重叠区以及非线性性；2)容易发生物距映射错误；3)非线性增加了拟合的难度，往往需要复杂的最小二乘法进行拟合；4)拟合精度差等问题。

5、鉴于目前方法存在的以上问题，有必要发明一种新的二维查找表快速构建方法，以尽可能减少测量工作量，并用简单的数据拟合方法，输出高精度的拟合结果，为后面的变倍跟随提供更好的用户体验，同时加快精密对焦速度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种有限远变共轭距变倍镜头的自动对焦方法，该方法通过粗分的测量二维查找表大大减少了测量工作量，而拟合二维查找表又保证了后续变倍跟随的精度，提升了用户的体验感，而精确的变倍跟随以及确定的搜索范围更可以减少后续自动对焦的时间，对实时性要求高的应用会有巨大的价值。

2、本发明提供如下技术方案：

3、一种有限远变共轭距变倍镜头的自动对焦方法，所述自动对焦方法包括以下步骤：

4、(1)将变倍组倍率均匀划分后作为列索引，变倍镜头的物距均匀粗分后作为行索引，并根据列索引和行索引通过全程扫描法获得对焦组位置，构建测量二维查找表；

5、(2)将测量二维查找表的每列数据进行多项式拟合，再将物距均匀细分后作为新的行索引，根据拟合多项式计算对应的对焦组位置的拟合值，构建拟合二维查找表；

6、(3)根据变倍镜头的当前实际物距和拟合二维查找表，移动变倍组和对焦组，实现变倍跟随；

7、(4)变倍跟随完成后，根据当前变倍组倍率在拟合二维查找表中确定对焦组的搜索范围以及单次搜索步长，通过爬山搜索法进行自动对焦；

8、(5)根据自动对焦的结果中的当前变倍组倍率和当前对焦组位置值，在拟合二维查找表中反向查找最接近的对焦组位置，将其对应的物距作为新的当前物距；

9、(6)根据新的当前物距和拟合二维查找表，重复步骤(3)-(4)，进行后续变倍跟随和自动对焦。

10、其中，相对于步骤(1)中的均匀粗分，步骤(2)中物距的均匀细分是指以更小精度进行划分。本发明通过粗分的测量二维查找表大大减少了测量工作量，而拟合二维查找表又保证了后续变倍跟随的精度，提升了用户的体验感。而精确的变倍跟随更可以减少后续自动对焦的时间，对实时性要求高的应用会有巨大的价值。

11、在本发明中，物距、变倍组倍率、对焦组位置、测量二维查找表和拟合二维查找表可以分别用以下符号表示：wd、z、fp、fp(wd，z)和fp’(wd，z)。

12、在步骤(1)中，所述构建测量二维查找表fp(wdi，zj)的方法包括：将变倍组按j＝1～n位置扫描到j位置，得到zj，将物距wd按i＝1～m进行扫描，得到wdi，在当前wdi位置对焦组采用全程扫描法扫描对焦组的整个机械行程，找到最佳的对焦组位置fpij，所有工作距离对应的对焦组位置分别记为fp1j，fp2j，…，fpmj；继续移动变倍组直到j＝n，得到fp1n，fp2n，…，fpmb，完成最后一列数据的测量，进而完成fp(wdi，zj)的构建：

13、

14、其中，m和n为具有实际应用意义的有限整数，这里的m一般优选地取5～10即可，n可根据变倍范围，以0.1间隔进行取样的有限整数。如变倍比为8，间隔为0.1，则n取int(8/0.1+1)＝81。

15、在步骤(2)中，由于测量二维查找表在物距方向的精度还不够，将测量二维查找表中的每列数据按列方向用三次或高次多项式进行拟合，将物距wd依据精度划分为(j-1)(m-1)等份(即进行j等分精度划分)，j为整数，完成拟合二维查找表fp′(wdi，zj)的构建：

16、

17、其中，j为具有实际应用意义的有限整数，(j-1)一般按5，10，20甚至100去选取以便于基于工作距离为横坐标的数据进行细分拟合。

18、在步骤(3)中，根据当前实际物距作为行索引wdi，扫描列索引zj控制变倍组运动；根据列索引zj在拟合二维查找表获取到变化的对焦组位置fpij控制对焦组电机运动，实现变倍跟随。

19、对变倍跟随进行以下举例说明：假定当前wdi为wd2，zj从z2到zn，将只需移动变倍组从z2位置到zn位置，找出wdi，zj二个索引对应拟合二维查找表中移动对焦组数值为fp22至fp2n值去驱动对焦组电机即可。

20、在步骤(4)中，在变倍组倍率zj确定的情况下，物距wd1～wdkm内的对焦组位置有限范围fp1j～fpkmj，对焦组在此有限范围内寻找对焦区域的最大的fv值来完成精密对焦，得到当前对焦组位置值fxj。

21、在步骤(4)中，每个倍率下的搜索步长取相应倍率zj拟合曲线参考点的平均斜率的四分之一：

22、

23、公式中searchstep(zj)为倍率zj时的搜索步长，m为最大行索引，系物距为wdi时拟合曲线的斜率，int为取整函数，作用为将括号内的算式结果取整后输出。

24、由于变倍跟随完成以后，还需要再利用爬山法进行精密对焦，假定当前变倍组倍率为zj，wdi为wd2，对焦组位置为fp2j。由zj可知，对焦组范围为(fp1j，fpkmj)，则对焦组只需要在该范围内寻找对焦区域的最大的fv值即可完成精密对焦，同时得到新的fxj值，根据该fxj值通过反向查找表的方法即可确定新的wdx。

25、在步骤(5)中，通过当前变倍组倍率zj和当前对焦组位置值fxj，在拟合二维查找表反向对比查找到最接近的对焦组位置，其所对应的物距wdi作为新的当前物距wdx。

26、本发明提供的自动对焦方法在每次变倍跟随和精密自动对焦完成后，如果用户对样品高低不同的区域感兴趣，可以通过单击该区域进行自动重对焦，重复步骤(4)即可。

27、与现有技术相比，本发明采用拟合二维查找表的方法实现变倍镜头的变倍跟随与快速自动对焦，其中的变倍跟随提升了用户的体验感，而且在变倍跟随完成以后，由于当前对焦区处于准清晰状态，再启动一次自动对焦命令，可以通过在最近与最远物距对应的对焦组位置(称为受限搜索范围)内搜索最佳的对焦组位置实现快速自动对焦；另一方面，当用户感兴趣的区域发生变化的时候，有可能物距不一样，这时系统也会根据当前变倍组倍率，在最近同最远对焦组位置区间内重启一次自动对焦，找到最佳的对焦组位置，确保新兴趣区域成像清晰。