Improving fast auto-focus with event polarity

2023年7月，课题组博士研究生鲍宇涵、孙磊，硕士研究生马雨沁、古頔阳等人的论文《Improving fast auto-focus with event polarity》发表于老牌光学期刊Optics Express。

期刊介绍

《Optics Express》是美国光学学会主办的光学领域顶级学术期刊，主要以发表原创性强且成果突出的光学成果著称，中国科学院分区为SCI 二区TOP期刊，最新影响因子为3.83。

论文主要图表

论文介绍

本文中，我们提出了一种利用事件相机采集对焦过程中的亮度变化，通过事件极性变化在0.004s内确定准焦位置的事件相机高速自动对焦算法。

传统相机的自动对焦依赖对图像的锐度分析，在极暗、高速运动场景下采集的图像具有严重的运动退化和较低的信噪比，在这些场景下实现对焦往往需要多次对焦扫描，表现为“对焦拉风箱”现象。事件相机作为一种以极高时间分辨率响应亮度变化的传感器，在<0.1lux的黑暗环境下依然表现良好。然而事件相机并不具备传统相机采集灰度图像的能力，因此，无法直接应用传统相机的自动对焦算法。

一些事件相机的自动对焦算法从事件产生率出发，根据准焦位置在事件产生率最高确定准焦位置。然而，这仅限于动态场景，当相机和场景均保持静止时，应用该自动对焦算法会带来超过8个焦深的误差。而我们则从对焦过程的光学原理（模糊核半径的扩大与缩小）出发，寻找对焦过程的产生亮度变化的本质，根据事件极性的对称性得到准焦位置。在整个对焦行程中，模糊核由大变小，再由小变大，在图像中表现为纹理区域的对比度提高再减小。以黑色区域为例，其亮度会先减小后增大，因此，在该区域，事件相机会先输出负事件，随后输出正事件，正事件与负事件产生的对称时刻所对应的位置即是准焦位置。对于整个像面而言，则体现为“正事件率曲线与负事件率曲线的对称中心时刻”所对应的位置即是准焦位置。这种极性变化关系无论对于运动情况还是静止情况均是成立的，包括受频闪光源影响的场景以及亮度突变的场景。在极端场景的实验结果证明了我们方法的鲁棒性。

这项工作不仅为事件相机对焦任务本身提供了鲁棒、高效的方法，也可以协助传统相机在极暗、运动场景下实现快速对焦。此外，利用事件相机高速对焦方法，根据物像关系，可以利用对焦深度法的原理，实现全固态单目深度估计，为机器视觉应用提供了基础方法。

BibTeX

@article{bao2023improving,
  title={Improving fast auto-focus with event polarity},
  author={Bao, Yuhan and Sun, Lei and Ma, Yuqin and Gu, Diyang and Wang, Kaiwei},
  journal={Optics Express},
  volume={31},
  number={15},
  pages={24025--24044},
  year={2023},
  publisher={Optica Publishing Group}
}