論各類自動調焦技術及其優劣比較

時間：2010-04-21　來源：中國集群通信網　作者：豆豆　點擊：次

主頁（http://www.by236.com）：論各類自動調焦技術及其優劣比較

【中國集群通信網】目前，自動調焦技術在攝影攝像系統中取得了廣泛的應用。本文論述各類自動調焦技術的原理及其優劣比較，最后給出了一種實用、典型、既準確又簡單而快速的自動調焦方法。

　　自動調焦技術是從20世紀70年代后期發展起來的，到現在已經日臻成熟，并在攝影攝像系統中取得了廣泛的應用。如自動照相機、數碼相機、攝像機(含監控系統中的一體化攝像機)、用于網上視頻圖像通信的作為計算機外設的USB Video Camera以及用于圖像檢測中的其它攝影攝像設備等。

　　所謂自動調焦是要保證感光面所記錄的影像取得最清晰的效果。因此，自動調焦系統就是要代替原來的手動調節，而自動調節攝像鏡頭和感光面之間的距離，并使得像平面落在感光面上。顯然，這種自動調節需要用到電機，通常使用微型伺服電機或微型步進電機，用它們去驅動變焦鏡頭的調節環，以調節鏡頭中透鏡前后的距離，即調節焦距。從而使像平面落在攝像器件的感光面上，使被攝圖像清晰。

　　自動調焦的方法很多，本文介紹幾種主要方法的自動調焦原理，最后比較其優劣。

　　自動調焦的幾種主要方法

　　從自動調焦的基本原理來區分，可分為三大類：

　　1、測距法

　　這種方法是通過測量被攝目標和鏡頭之間的距離，并驅動鏡頭運動到合適的位置而完成自動調焦的。具體方法有三角測量法、紅外線測距法與超聲波測距法等。

　　2、聚焦檢測法

　　這種方法是通過檢測影像是離焦還是聚焦(主要是檢測影像的輪廓邊緣與像的偏移量)，而實現自動調焦的。具體方法有對比度法與相位法等。

　　3、圖像處理法

　　這種方法是通過攝像機采集被測物的光學圖像，經模擬數字轉換，利用計算機進行數字圖像處理而實現自動調焦的。具體方法依焦距評價函數分有：高頻分量法、平滑法、閾值積分法與灰度差分法等。

　　上面簡要地介紹了各種自動調焦技術，但這些方法均有其局限性。如紅外與超聲波測距的調焦法，只能在頭部處進行檢測控制(在攝像機鏡頭兩旁附設透鏡組成紅外或超聲波的收發器)，在工藝結構的安排上也比較困難，且維護不便。此外，當被測目標對紅外或超聲波有較強的吸收作用時，將會使系統失靈而調焦不準確。但其優點是不易受其它景物的影響。在聚焦檢測的對比度法中，也受到光照條件的制約，若光照條件暗弱或被攝體與背景明暗差別很小時，其調焦也會有困難，甚至有可能失去作用。

　　隨著計算機及圖像處理技術的發展，基于圖像處理的自動調焦法發展很快。因為計算機處理圖像的靈活性，可以針對不同的使用要求，提取圖像中各種其它的有效信息，從而選擇不同的聚焦判據進行調焦判斷。所以在現今的攝像與測量系統中廣泛地應用著。尤其在固體攝像機與數碼相機中，它們要求調焦速度快和準確。

　　一般，圖像調焦準確與否，反映在空間域上是圖像的邊界及細節部分是否清晰，在頻率域上是圖像的高頻分量是否豐富。圖像的邊緣及細節信息可通過對圖像進行微分來獲取;圖像的頻譜信息可通過對圖像進行FFT(即快速付里葉變換)來獲取。圖像微分法(即灰度差分法)雖然算法簡單快速，但不能濾掉圖像中的噪聲;圖像FFT法(即高頻分量法)，在FFT后讓頻譜通過帶通濾波器，能夠在獲取圖像高頻信息的同時濾掉更高頻的噪聲，但算法要復雜耗時一些。利用圖像處理的方法可獲得圖像的微分幅值或頻譜幅值，該幅值的最大值位置就是圖像的最佳調焦位置。

　　由上分析可知，在目前的情況下，為在數碼相機與攝像機中獲得比較準確、簡單、快速的自動調焦，可采用圖像微分法并輔以平滑處理，或在微分前過濾噪聲，一般采用五點中值濾波即可消除噪聲帶來的函數曲線中的次大峰值。此外，由于視頻信號的高度相關性，采樣點數不宜過多，每一幀以采樣200個點為宜。這樣既減少了采到白噪聲的概率，也相當于抑制了白噪聲。