一體化攝像機(jī)中幾種自動(dòng)調(diào)焦法及其特性比較

時(shí)間：2011-03-02　來(lái)源：中國(guó)集群通信網(wǎng)　作者：顧小軍　點(diǎn)擊：次

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　　隨著光電圖像拾取技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，基于圖像處理的數(shù)字圖像自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)也獲得快速發(fā)展，并成為圖像測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)等的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)是從20世紀(jì)70年代后期發(fā)展起來(lái)的，到現(xiàn)在已經(jīng)日臻成熟，并在攝影攝像系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。如自動(dòng)照相機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)(含監(jiān)控系統(tǒng)中的一體化攝像機(jī))、用于網(wǎng)上視頻圖像通信的作為計(jì)算機(jī)外設(shè)的USB Video Camera以及用于圖像檢測(cè)中的其它攝影攝像設(shè)備等。

　　由應(yīng)用光學(xué)中知，攝影物鏡成像有下列公式

　　式中，D為物距;d為像距;f為透鏡焦距。

　　由式(1)可知，當(dāng)物距D發(fā)生變化時(shí)，由于物鏡的焦距f不變，要獲取清晰的像，就需要改變像距d。但絕大多數(shù)光電成像系統(tǒng)的像距d是固定的，這就需要調(diào)整物面沿光軸的位置。所謂調(diào)焦，就是指沿光軸方向改變物面或鏡頭的位置，使物像關(guān)系滿足公式(1)，以獲取清晰的圖像。

　　調(diào)焦有手動(dòng)與自動(dòng)兩種：手動(dòng)調(diào)焦靠人眼目視檢測(cè)與手動(dòng)調(diào)節(jié)，其效率低、精度差;自動(dòng)調(diào)焦則包括信號(hào)自動(dòng)檢測(cè)與自動(dòng)調(diào)整，其特點(diǎn)是效率高、精度高，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。因此，自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)就是要代替原來(lái)的手動(dòng)調(diào)節(jié)，先自動(dòng)檢測(cè)光電圖像信號(hào)，再根據(jù)檢測(cè)的情況自動(dòng)調(diào)節(jié)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(dòng)調(diào)節(jié)需要用到電機(jī)，通常使用微型伺服電機(jī)或微型步進(jìn)電機(jī)，用它們?nèi)ヲ?qū)動(dòng)變焦鏡頭的調(diào)節(jié)環(huán)，以調(diào)節(jié)鏡頭中透鏡前后的距離，即調(diào)節(jié)焦距。從而使像平面落在攝像器件的感光面上，以滿足公式(1)的物像關(guān)系，使被攝圖像清晰。

　　自動(dòng)調(diào)焦的方法很多，按其原理大致可分為兩類：對(duì)焦點(diǎn)及其偏離的直接檢測(cè)法與對(duì)物面到透鏡的距離檢測(cè)法;按離焦信息的檢測(cè)方法也大致可分為兩類：即直接調(diào)焦法與間接調(diào)焦法。直接調(diào)焦是基于光學(xué)系統(tǒng)在理想像面上像質(zhì)邊緣的對(duì)比度最大，通過(guò)直接檢測(cè)像邊緣的光強(qiáng)分布來(lái)獲取離焦信息，來(lái)直接進(jìn)行調(diào)焦;間接調(diào)焦是把物鏡的理想成像位置作為參考面，用各種傳感器檢測(cè)像面或物面位置相對(duì)于參考面的偏離信息而進(jìn)行的調(diào)焦。

　　本文介紹的基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦法，則屬于一種直接調(diào)焦法，它通過(guò)對(duì)成像質(zhì)量進(jìn)行圖像處理而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦，是成像系統(tǒng)尤其顯微系統(tǒng)比較理想的一種自動(dòng)調(diào)焦方法。因此，基于數(shù)字圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦過(guò)程可以描述為：計(jì)算機(jī)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)和圖像采集設(shè)備采集到一系列的數(shù)字圖像，對(duì)每幀圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，判斷聚焦是否準(zhǔn)確、成像是否清晰，并給出反饋信號(hào)控制鏡頭的運(yùn)動(dòng)，直到采集到的圖像清晰度符合使用要求，即完成自動(dòng)調(diào)焦。

　　本文介紹基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦法的原理、特點(diǎn)、幾種常用的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)，基于圖像處理的幾種常用的自動(dòng)調(diào)焦法，如閾值積分法、高頻通帶法、微分法等，以及這幾種自動(dòng)調(diào)焦法的比較。

　　基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦法的特點(diǎn)

　　由上述可知，基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦法的基本原理是，通過(guò)鏡頭和固體圖像傳感器采集被測(cè)物的光學(xué)圖像，經(jīng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換為一系列數(shù)字圖像，再利用計(jì)算機(jī)對(duì)每一幀圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，以判斷對(duì)焦的準(zhǔn)確程度與成像的清晰程度，并給出信號(hào)去控制鏡頭的運(yùn)動(dòng)，直到采集到的圖像符合要求，即完成自動(dòng)調(diào)焦。由于充分利用計(jì)算機(jī)處理數(shù)字信號(hào)的高速度和靈活性，因而基于圖像處理的針對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦的方法在視頻監(jiān)控攝像機(jī)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

　　基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦法有如下的特點(diǎn)：

　　1、簡(jiǎn)化硬件、靈活方便

　　由于利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字圖像處理，因而可方便地對(duì)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，從而避開了復(fù)雜的調(diào)焦電路和機(jī)構(gòu)。因?yàn)楝F(xiàn)在計(jì)算機(jī)的接口和總線技術(shù)已經(jīng)非常成熟，只需通過(guò)軟件給出控制信號(hào)，就可直接控制電機(jī)去驅(qū)動(dòng)物鏡的運(yùn)動(dòng)，因而靈活方便，且大大簡(jiǎn)化了電路和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，即簡(jiǎn)化了硬件。

　　2、聚焦判據(jù)靈活多樣，使調(diào)焦更加智能

　　一般的自動(dòng)調(diào)焦法只能是利用一種方法或一種聚焦判據(jù)來(lái)調(diào)焦。而通過(guò)計(jì)算機(jī)的數(shù)字圖像處理法，則可靈活多樣。如不僅可利用輪廓邊緣的梯度信息，還可提取圖像中的其它有效信息(頻率、相位等)來(lái)進(jìn)行聚焦判斷，從而使調(diào)焦更加準(zhǔn)確、智能。

　　此外，由于計(jì)算機(jī)的靈活性，還可針對(duì)不同的使用要求去選擇不同的判據(jù)。如只需要圖像中的某一個(gè)局部目標(biāo)，就可針對(duì)圖像中的這一局部進(jìn)行處理。這時(shí)一般可用該局部的對(duì)比度(即邊緣梯度)作為調(diào)焦的判據(jù)。

　　常用的幾種聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)

　　采用圖像處理法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是，在于圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)的選取。理想的評(píng)價(jià)函數(shù)要求：無(wú)偏性、單峰性、能反映離焦的極性、對(duì)噪聲敏感度低、計(jì)算量盡可能小等。離焦圖像可以看作由物體和點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)做卷積的結(jié)果，這樣往往導(dǎo)致圖像中高頻分量的減少或缺失。這一結(jié)果也可理解為，聚焦的圖像比離焦圖像包含更多的細(xì)節(jié)和邊緣信息。凋焦評(píng)價(jià)函數(shù)通常基于離焦圖像與聚焦圖像的內(nèi)容信息的差別等先驗(yàn)知識(shí)，因此沒有對(duì)任何情況都適用的全能方法。

　　基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦法的常用的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)的類型大致有：灰度梯度函數(shù)、信息學(xué)函數(shù)、頻域函數(shù)、統(tǒng)計(jì)學(xué)函數(shù)等。

　　灰度梯度函數(shù)

　　這類函數(shù)主要利用對(duì)圖像灰度的各種處理方法來(lái)表征圖像清晰度。假設(shè)圖像中某點(diǎn)(x，y)處的灰度值為g(x，y)，圖像的規(guī)模為M×N(M列、N行)個(gè)像素，則灰度梯度判別函數(shù)包括以下幾種常見形式。

　　1、灰度漲落變化函數(shù)

　　這是一種判斷圖像灰度起伏程度的方法，其函數(shù)式為