风洞光电测量系统自动调焦软件设计与实现

要 自动调焦在光电成像系统中发挥着重要的作用，并已 发展为一门集光、机、电、软、算于一体的复杂技术。本课题正 是在这种背景下，结合实际应用开发了一整套用于控制工业相机自动调焦的高性 能上位机算法、软件，以及用于控制机械装置运转的单片机程序。上位机软件通 过控制工业相机采集一系列图像数据，并调用调焦算法进行图像处理，计算出最 佳聚焦位置，再由单片机负责控制步进电机，并按照上位机指令驱动步进电机带动机械装置使相机到达最佳聚焦点。 自动调焦不仅广泛应用于数码相机、高分辨率监控摄像机等民用领域，而且近年在军事信息化的广大领域内也硕果累累 。这套软件也已经成功运用于某部队风洞非接触式测量系统中，极大的提高了测量效率，加快了我国国防信息化建设。 关键词 ：自动调焦， 调焦算法，单片机 an in a a of of of to in a of a be by by to in in of in in in a of a of up 第一章 绪论 . 1 题的意义和背景 . 1 内外研究现状 . 2 课题完成的主要任务 . 3 章小结 . 3 第二章 系统构建的相关理论和技术 . 4 动对焦原理概述 . 4 学系统成像模型 . 4 学镜头离焦描述及调焦原理 . 5 动调焦方法的选取 . 8 #语言简介 .008 简介 .台简介 . 12 章小结 . 13 第 三章 系统需求分析 . 14 集图像 . 14 制步进电机系统 . 14 取调焦判断函数 . 15 现系统自动调焦 . 16 章小结 . 17 第四章 系统总体设计 . 18 像采集系统 . 18 焦判断系统 . 19 动调焦系统 . 20 章小结 . 21 第五章 系统详细设计 . 22 焦判断函数的选择 . 22 度梯度函数 . 22 像熵函数 . 23 计调焦函数 . 24 域调焦函数 . 24 动调焦的算法 . 25 历搜索算法 . 26 波那契（ 索算法 . 27 金分割搜索算法 . 29 数拟合算法 . 31 山搜索算法 . 32 章小结 . 33 第六章 系统实现 . 35 动调焦的下位机程序设计 . 35 51 软件使用 . 35 片机程序设计流程 . 35 片机程序关键模块代码 . 37 动调焦的上位机软件设计 . 49 动调焦软件的设计 . 49 动调焦软件界面简介 . 50 动调焦软件算法 C+代码 . 55 章小结 . 57 第七章 系统测试 . 58 第八章 结论和展望 . 60 课题所做的工作 . 60 课题的意义和创新点 . 60 课题有待进一步解决的问题 . 61 章小结 . 61 致 谢 . 62 参考文献 . 63 附 录 . 67 附录一 . 67 附录二 . 68 1第一章 绪论 题的意义和背景 自动调焦技术是从 20 世纪 80 年代初发展起来的。自动调焦依据几何成像的基本原理，通过计算机或单片机或计算机 结合单片机控制系统机构改变成像系统的物距、像距或焦距使成像目标与其所成 的图像满足物像共扼关系，从而得到清晰的图像。 从二十世纪八十年代以来，随着超大规模集成电路技术、电子计算机技术、微电子技术的进一步发展，数字成像技术的 发展十分迅速，其前景普遍为人们所看好。与此同时，人们要求电子产品实现多 功能化，能够满足日常生活的需要。因此，学术研究和工业领域都越来越关注成 像器件的智能化，快速化和易用化，自动调焦变得越来越重要1。 自动调焦业已成为现代光学成像系统中不可或缺的关 键技术，它已经广泛应用于高分辨率监控摄像机、数码相机和数 字视频展台等产品，其产品有着广泛的应用。例如通过光条式2、光点式3等机构进行的三维零件测量就是自动调焦技术的一个重要应用。自动调焦技术这门复杂技术已经集合了光、机、电、算、软4。 在传统的操作模式中，依靠熟悉工艺的操作人员对操 作系统进行人工调焦，人工调焦方式不但对工作人员专业知识要求高，而且整个流程花费时间长，繁琐，与此同时，靠人眼目测的手动调焦方式会 引起很大的误差。自动调焦很好的规避了人工操作中由于人眼疲劳造成的主观误 判，不仅减轻了劳动者的劳动，也省去了复杂的调焦动作，从而大大方便了操作人员14。随着现代系统中自动化程度的加强，自动调焦进入了一个快速发展期，将更加广泛的使用在各种精密仪器中。 由于调焦是获得清晰图像的不可或缺的条件 ，因此自动调焦在图像获取以及图像测量分析系统中有着非常重要的作用15。离开光学系统的自动调焦，一些要求自动化场合的测量系统就无法实现。自 动调焦要使图像成像清晰，而在成像系统中，成像物体对于成像物镜有一个最佳的成像位置，也即理论上的焦平面位置，最佳位置处的成像十分清晰，一旦偏离这 个最佳位置，成像就会模糊不清，成像的质量将显著下降16。同时自动调焦还要求具有较高的工作效率和可靠性，这影响到实验进行的难易程度，以及能否应用 到生产中。因此，在自动化图像测量系 2统中光学系统的自动调焦成为重点和难点技术之一17。 内外研究现状 自动调焦技术广泛应用于摄像机、照相机、 光刻机、光学测量仪以及显微镜等众多光学精密仪器中。因而也吸引人们 进行了大量的探索研究并总结出了很多实用且有价值的自动对焦方法，一些典型的方法包括5,6： (1) 件相关法 由霍尼威尔公司于上世纪 70年代推出的 组件 （或称为视像自动调焦组件）通过电子线路测定目标物体在半导体上成 像位置的相关性实现自动调焦。应该说 组件虽然体积小，设计十分巧妙，但是实现其结构不易，而且精度不高 ; (2) 测距法 测距法一般原理是接收回波的时间差来测量目标的距 离和方位，在通过计算机来控制自动调焦。一般而言有超声波测 距法、激光测距法和红外测距法等，这些方法实现比较简单，但由于激发超声， 激光，红外的装置体积均较大，成本也低廉，而且对距离的要求较长，因而比较局限 ; (3) 对比度检测法 该法又称反差法。它是判断成像的对比度，通常对焦出现在对比度的极值处；离焦时对比度明显下降。这种对焦方法比前述 的两种方法都要好。潘太克司( 统，欧林巴斯 (高级显微镜 等均采用了这种自动调焦方法。 利用自动对焦技术进行数字图像处理已获得快速发展，它们具有两大优势7，一是，对焦与否的判据多样化；二是，计 算机直接对机械运动机构进行控制，不必要一些复杂的电路，实现简单。这其中 对焦深度法和离焦深度法是数字图像处理中最为常用自动对焦方法。 对焦深度法 (通过分析图像传感器传回的不同距离物体影像，选取逐渐变好的一系列图像，用对焦评价函数值810对这一系列图像分析。该方法的优点是精度高，但不足的是需处理大量的图像数据，将耗费大量的 而实时性较差。 离焦深度法是对在变化镜头参数情况下得到几幅离焦 的图形，对成像物体上不同部位到镜头的长度进行计算并分析。 这流程是求解几幅图像的傅里叶 （ 换并计算相关图像参数 1113。只需处理少量的图像是离焦深度法最为明显的优 3点，正因如此，也减少了机械运动的复杂性， 所以也就具有更高的效率 ;但是这都是已牺牲精确度的前提得到的。相比较， 对焦深度法和离焦深度法更适于微小零件三维空间测量，因而目前国内外理论研究理论研究较多而实际应用较少。 课题完成的主要任务 本课题采用 感器对图像进行采集，并在计算机上利用调焦判断函数对采集到的图像进行判断，得到一个评价因 子，通过比较评价因子，获取最佳聚焦位置（亦即找到其中最清晰的一幅图像） ，再通过串口输出步进电机需要转动的步数的指令给单片机，最后用单片机驱动步 进电机的转动来找到焦点，即图像最清晰时观察平面所在处19,完成自动调焦过程。 章小结 本章节主要阐述论文研究的背景和意义，对 当前关于自动调焦的研究进行了综述，在综述的基础上给出了论文的基本内容。 4第二章 系统构建的相关理论和技术 动对焦原理概述 学系统成像模型 从物空间到像空间的成像过程是一个投影变换的 过程，即由三维空间到二维平面的投影；投影会造成图像失去空间立 体信息，而且这只是问题的一部分，同时由于物理上的衍射效应，及透镜 的像差，图像的像质会产生退化20。从高斯光学的基本知识可知，这种投影变换也将使 物象间的坐标发生反转，并能解释像的放大或缩小现象，而物理上的衍射效应将 导致图像质量下降，也是我们分析成像质量的有力工具。下面简单介绍它们的数学原理。 (1) 投影变换 在光学成像系统中，三维空间中的物体通过光学 镜头的作用变换成图像传感装置（ ）上的二维平面图像，该过程在数学上可表示为 一 个输入输出的函数变换关系： I = F(O) （ 2 其中， O 表示目标物体， F 表示光学镜头的作用， I 则表示物体经光学成像系统作用后所成的图像。 F 可用如下一个两行三列的变换矩阵表示： 232221131211（ 2 假设 (x, y, z)为成像物体上某点的空间坐标， 为图像上对应点的二维坐标， 从上式易知，空间信息在这种变换中丢失。 (2) 几何成像原理 如图 2示的是一个仅由一个透镜组成的简单光学系统。 由于透镜像差和衍射效应，位于物空间焦平面原点上的点光源在 像平面的原点处成像为一个光斑(艾里斑 )。在数学上，由点光源生成的像的空间分布可由一个点扩散函 5数 ( 征。假如系统正确聚焦，亦即，艾里斑的半径将最小，但不会为零，理想的系统将最多达到衍射极限。事实上，如果不考虑衍射等因素，亦即不考虑物理光学的内容，纯粹的几何 光学系统的成像原理可由以下高斯成像公式刻画： （ 2 其中， f 是透镜的焦距，焦平面是指物空间中能够使成像聚焦最清晰的平面。 图 2斯光学成像系统 学镜头离焦描述及调焦原理 在实际成像中，如果目标物体对焦不准，我们看到的将是一个模糊像。可以从几何光学的成像角度来解释，事实上是由 于物距、像距与镜头焦距不符合高斯公式，如图 2出了一个离焦模型，从该数学模型很容易看出离焦的物点将成像为一个斑点。 6图 2焦成像模型 在图 2，其实可以看做是光能量在从物平面到像平面的重新分布过程。如果只考虑一个点光源成像的过程的话，在数学 上可以表征为一个点扩散函数。图 2由简单的几何知识可以获取其缩放因子： 2 由高斯成像公式，可得： 2 如果 sv， 那么 R 为正值， 说明图像传感器位于焦平面之后； 反之， 若 s 为焦前位置，反之 0，则 出聚焦命令，取调焦判断函数 17传送给微控制器系统，使图像的清晰度更换一次 ;然后再通过 得当前图像，并进行比较，直至找到最清晰的图像为止。从而实现自动调焦。 章小结 本章进行系统的需求分析，描述自动调焦系统所要满足的基本需求内容，主要包括采集图像、步进电机控制系统、调焦判定函数和自动调焦实现。 18第四章 系统总体设计 图像采集系统 图像采集系统主要包括点光源、准直器以及 据采集三部分25。其原理图如图 4示，在透镜之下放一个钻头，点光源发出的发散光经过准直器较准之后平行射入被测的透镜，经过显微镜放大后由 像头对钻头图像采集并通过传输到计算机中进行相应图像处理25。 本课题中应该采用点光源，而点光源发出的光是发散 的，我们要得到的是平行光线，可以通过把点光源射出的光线， 经由光路的转折而反射到离轴准直反射镜上，从而获取一个平行度较好的平行光，同时，若不使用显微物镜，用 像头采集到的图像将会很小，因此我们用 一个显微物镜将图像进行放大操作，以便于输入计算机后进行处理。 图 4像采集系统原理图 怕强光、小巧、寿命长，能 在各种环境中工作等诸多优点27。这种半导体材料具有高感光度，通过电流大小能够反应光线，在 置中有一芯片，能够把模拟信号转换成数字信号，数字信号经 过压缩处理后空间占用率极低，可以首先存储在相机内部的 储器中，并在之后把数据传输给 而在 处理，根据需求选取适当的图像处理算法来修改图像24。 焦判断系统 调焦判断系统的功能是对采集的图像进行判断是否对焦清楚。我们在空域上评价一幅图像是否清晰是观察图像的边界 是否锐利，图像细节是否层次分明；而在频域上则通过观察图像的高频分量所占 比重是否足够大。下面从频域的角度进行分析，通常准确对焦的图像与离焦图像 相比具有更为丰富的高频成分，自动调焦就是通过调整对焦三大影响因子来搜索 获得使图像高频分量处于极值的成像系统的位置。 在调焦范围内寻找最佳对焦位置的方法之一是计算对 焦过程中获得的图像序列的高频成份值，这个值被称为调焦判断 函数值。自动对焦的过程中核心的部分是如何求取调焦判断函数的最值，因此必须要求这个调焦判断函数满足以下特征 : 1） 调焦判断函数的值可以递归的从由图像传感器不断返回的图像数据中计算而来； 2） 当步进电机或其他驱动装置对整个系统进行调整以使图像逐渐达到准焦时，调焦判断函数的数值分布规律应该是 单调趋于极值。这个过程可由调焦判断函数与聚焦镜头位置之间的曲线关系揭示，其曲线如图 4示。 从中曲线上我们可以得出几个具有一般意义的调焦判断函数的性质29: (1) 单峰性 调焦函数曲线形状应该只有一个尖峰，即形成一个最 大值，在自动对焦找到的焦点应该和这个最大值吻合，这样排除 “假 ”的焦点； (2) 单调性 即只有在各种参数正确且成像系统能够形成调焦函数 曲线时调焦判断函数才给出极大值或极小值； (3) 极性 能反映离焦的极性 (在焦前位置还是在焦后位置 )； 20图 4焦位置与调焦判断函数的关系 (4) 抗噪性 即能抵抗图像中含有的各类噪声，在调焦过程中，不 受外界环境的个别参数变化影响，自动调焦过程继续，得到的调 焦结果符合要求。调焦函数若具有较强的抗噪性能，则表明其稳定、可靠，这对 于复杂环境下的应用具有重要意义，是一个调焦函数是否优秀的重要指标之一； (5) 运算的快速性 即要保证对焦的快速实现，应使调焦函数的计算量尽可能。 动调焦系统 本课题系统使步进电机按指定方向转过 180， 再用 像机对图像进行采集，得到一系列的图像，将这些图像输入 计算机中用调焦判断函数进行处理，找到最清晰的图像，这时计算机输出指令给 单片机，单片机接收指令，解析其中包含的焦点位置信息，并驱动步进电 机往回转相应步数，找到焦点24，从而使整个自动对焦系统到达正确聚焦位置。 按上述方法，本课题中所采用的自动调焦系统主 要由三部分组成：图像采集系统、调焦判断系统以及步进电机控制系统。 图像采集系统，顾名思义就是通过图像传感器 像头装置获取被摄物体图像，然后将获取的图像通过某种通信方式（本系统采用 信协议）传到 1机中进行相应的图像分析算法处理。调焦 判断系统就是选用一种调焦判断函数对采集到的所有图像进行处理，找出其中最 清晰的一幅图像。步进电机控制装置的作用是控制图像采集装置，然后分析图像 的清晰度和调焦判断函数的值，得到焦点位置，以此判断步进电机需要转动的步 数和方向，从而驱动图像采集系统采集出最清晰的图像。 如图 4示，首先在被测透镜下放一个钻头，再使步进电机转过 180 ，依次集图像并输入计算机中，然后根据调焦 判断函数判断此时是否为焦点，即图像是否最清晰；如果图像清晰度最高则结束 调焦，此时采集平面即为焦平面，否则使用单片机驱动步进电机控制机械系统转 动以驱动图像采集系统移动，并继续采集图像，直到找出焦点。 采集图像计算调焦判断函数开始调焦调焦结束是否为焦点电机控制系统驱动图像采集系统的移动是否计算调焦判断函数调焦结束是否图 4动调焦系统工作原理图 章小结 本章主要对系统的主要动能进行总体设计，主要包括 图像采集系统的原理和实现、调焦判断系统的方法和设计、自动调焦系统的选择和设计。 22第五章 系统详细设计 焦判断函数的选择 国内外诸多学者提出了很多很好的调焦判断函数 ，比较常见的有一下几种：灰度梯度函数、信息学熵函数、频域函数和统计学函数，功率谱法33,34。 度梯度函数 灰度梯度函数通过对图像灰度进行分析来获取图像的清晰度表示。 由于灰度梯度类调焦函数的值是通过图像间的像素差分值来表征， 而且图像中的背景噪声 （诸如光照条件，应用背景等）会在像素间差 分运算中得以消除，因而能够提高整体系统的抗干扰能力；而且由于灰度梯度类 调焦判断函数基本能够达到上文所述的一个调焦判断函数所应具有的特征，因而 灰度类调焦判断函数也是实际光电测量系统中应用最为广泛的。事实上，差分运 算虽然能够消除大部分噪声，但是对于脉冲噪声反而会有所放大，由此在脉冲噪 声强的应用环境中，灰度梯度类调焦判断函数将备受制约。 如果设 g（ x， y）代表图像上任意点（ x， y）处的灰度值，则我们可以把该点处的梯度定义为： 1,1,5目前提出的灰度梯度函数主要 有绝对方差算子梯度函数、 子梯度和函数、梯度向量模方差函数、梯度向量平方和函数、 数（它对邻近的像元灰度进行平方求和） 、 度和函数、灰度变化率之和函数、 子41、 数、 数等。以下是上述函数的数学表达式。 (1) 绝对方差函数 ,)( （ 5 23(2) 度和函数 1,1,1,)(5 (3) 灰度变化率和函数 ),(/),().()(0000 （ 5 (4) 梯度向量平方函数 （ 5 (5) 数 （ 5 参考文献 36中针对这种情况对上述几种常用调焦算法进行了实验并做了对比，而且对上述调焦函数的主要性能及其 特点进行了评价，为这些调焦判断函数的正确使用提供了理论根据；不仅如此， 而且在上述几种算法的基础上又提出了几种基于图像灰度梯度的算法，同时也对国内研究者成果进行了综述。 参考文献 38则提出了一种基于灰度梯度绝对值差分和形式的调焦判断函数，通过把图像上相邻像素的差值的绝对值之和作为调焦判断函数来判断，效果明显。其数学表达式为： ),1(),()1,(),(,)( （ 5 这种自动调焦方法重复性能好，调焦精度也完全 可以满足计算机对图像做进一步处理的需求；如果采用曲线拟合的方 法对调焦函数值进行适当处理，那么调焦精度将会达到一个更高的水准。 像熵函数 24在图像处理中， 图像信息熵40定义为所有灰度值在灰度直方图中出现的频率的加权平均值。在离散无记忆系统中，有一 个等值原理，即事件概率相等时，图像信息熵将达最大，此即所谓的信息熵极大值定理。 从 集的图像中，焦距不同，熵值不同，离焦越远，熵值越小，图像越模糊；相反离焦越近，熵值越大， 图像越清晰。信息熵越大，图像越不清晰；信息熵越小，图像越清晰；故当系统 正确聚焦时，图像的信息熵达最小，像素灰度值将远离均匀分布，因而图像最清晰41。 常用的熵函数如下： )()( （ 5 式中， N 为像素个数； 为直方图中某灰度的像素。 传统系统中的一般做法是先以一定的步距在系统 中从一边采图并逐步扫描到另一边，然后得出通过算法比较熵值，得 到熵值最小位置点，即可认为是焦点所在位置。这种方法实现比较简单，但存在 一个缺陷，即速度与精度相矛盾，速度越大，采集的图像数越少，因而精度越小 ，反之要达到较大的精度，则需要处理大量的图片信息，调焦时间甚至会变得不 可接受。这种互相制约的因素导致传统做法并不能在实际应用中取得成功38。 计调焦函数 一幅图像如果正确聚焦，其灰度层次很多，在灰 度直方图中具有统计分布多样性，而相反离焦图像的灰度信息被掩盖 ，在极端的情况下，如果完全离焦，图像将完全模糊，直方图中只有单一灰度值。 数是基于这种统计理论的调焦函数，通过该函数我们可以获取一幅图中 灰度最大范围和灰度最小范围的像素点差值，差值越小的，甚至为零的图像则没 有正确聚焦，相反差值越大则证明离焦越近，聚焦程度越高。基于灰度统计学的 另一种常见的调焦判断函数是 可以看做是 数的一个推广。另外还有一些不是很常见的就灰度统计学的调判函数，如直流功率函数以及交流功率函数等统计学评价函数。 域调焦函数 基于频域的调焦函数都 是采用适当的频域变换42，例如傅立叶变换，离散余弦 25变换等，将灰度图像转换到频率域来处理 。如上文所述，图像越清晰，高频分量所占的比重越大，图像的边缘将更锐利， 细节也将更清晰。而模糊不清的图像，在频域中频率主要分布在低频区域。 全频积分法，阈值积分法，是这类函数在频率域采取的主要的处理方法。以下给出两种函数在数学上的表达示。 1. 全频积分法函数表达式为 ,()( （ 5 2. 阈值积分法函数表达式为 ,()( （ 5 式中， (图像灰度阈值 )。 图像细节在离焦量小的情况下更加丰富是很多调 焦方法的基本理论依据。这些调焦判断函数往往会返回一个值，该值 表征着图像正确对焦点的位置信息。一般而言调焦函数取得最大值处的位置参数 就是自动调焦系统的最理想的聚焦位置参数。 在本课题中，综合考虑多方面因素后，实际采用 的是频域内的调焦函数来判断。本课题首先通过傅立叶变换对图像的 灰度图像进行频域变换，然后通过全频段积分法，在整个频域段进行积分。 这样通过对采集的每幅图像进行灰度频域变换并进行 全频段积分处理，并返回一个调焦判断函数值，因此通过比较它们的大小，函数值越大，则图像越清楚，离焦点越近。 动调焦的算法 一个自动调焦系统除了要考虑恰当的调焦判断函 数之外，还要选取效率高的调焦搜索算法。采取不同搜索方法，将得 到不同精度和效率的调焦结果。因而对目前流行算法进行分析，并进行适当的优 化，以满足实际需要有重要意义。本节将分析目前实践使用中最为广泛的搜索算法的优劣。 图 5出了一个图像测量应用中自动调焦系统的一般示意图。 可以看到该调焦系统，主要分为有两个模块：一个通过 运用调焦函数评价成像清晰度，另一个 26通过分析当前成像质量，不断将信息反馈回控制系统，并实时调整调焦搜索策略，以获得焦点位置，完成一个准确高效的自动调焦。 图 5动调焦过程图示 实际系统中常用的自动调焦搜索策略有4547：遍历搜索法、 黄金分割法、函数逼近法以及爬山搜索法等几 种。以下对几种典型的自动调焦搜索算法进行简要分析。 历搜索算法 遍历搜索法是实际系统最为常用的一种搜索策略算法 。遍历搜索法示意图如图 5示，假设 d 为对焦要求达到的精度值， L 为算法的搜索区间。 遍历法搜索法的典型实现步骤为： (1) 给出要求的搜索精度阈值 d； (2) 确定搜索区间 L； (3) 取搜索步长为 d，并在搜索区间 L 上遍历搜索，每次获取测量点出的调焦函数值，并最终比较各个测量调焦函数值得出最值。 27图 5历算法示意图 由图容易知道遍历搜索法具有很强的抗局部峰值 干扰强能力，因为它针对全局进行搜索，算法设计简单，同时因为其 步长固定，控制相当方便；很明显，这种局域全局搜索的算法，需要采集大量的 图像，因而其不足之处表现在计算量相对较大，限制了它在实时领域的发展。 波那契（ 索算法 公式（ 5表 5斐波那契数列的数学表达式和具体前八个项的值： 1)2()1(2,11)(（ 5 表 5波那契序列 n 0 1 2 3 4 5 6 7 F(n) 1 1 2 3 5 8 13 21 图 5出了斐波那契算法的基本步骤示意，假设搜索区间长为 L，则搜索步长可通过表达式 t = F(n) L 算得；其原理类似于数值分析中的二分法查找。假设调焦函数 f(x)在区间 a， b上可取到极值，且设 = m， = b f(f(则修改区间为 a， ；若 f( ) f( )，则修改区间为 ， b；如此循环迭代下去，最终到 n=1，易知极值点始终处于搜索区间内，此时区间内任意一点都可作为极值点，并都满足给定的精度。易知 n 值越大，精度越高， = L / F(n)。 28图 5波那契搜索算法示意图 设调焦评价函数 f(x)为一个单峰函数，初始搜索区间为 ， ，若限定最终搜索区间的长度小于 ( )，并取一个任意小的