（光学工程专业论文）用于光锥与ccd耦合系统的基于算子融合的自动对焦技术.pdf

擒要 摘要 光镶与c c d 耦合器件有效地提高了c c d 器件的成像质量，可以广泛应用于 簸天毒效簸薅懿成像系统、豢走瘦筏、导弹毫撬黢踪、竞漕邋感成豫等系绕枣， 并可为多种航天有效载荷提供技术支撑，具有广泛用途。但怒在耦合过程中， 如何实时判断耦合效率是其中的难点。本文就此j 刚睡进行了深入研究，提出并 没谤裁终了基于算子融会戆自动霹焦方法弱必镶奄c 糕会系绞。 本文主要成果有如下几点： l 本文详细分析了频谱函数、梯度函数、信息熵函数等几种常用的像质评 蛰丞数，遴过魄较其俊软熹，提出了羲豢鬏戆蒸子箕子黢会技零熬豫震谬徐 函数。缎实验证明，本文提出的算法既有效地提商了算法的可靠性，又实现了 较高的对焦准确度。 2 。掇爨莠设谤7 采溪基予壹麓对焦方法懿怒镶与e 圄糕会系统。在耩套遘 程中，邋过驱动步进电机扫描，采样图像，同时记录坐标，在计算机中对采集 的图像序列进行分析、比较，同时反馈坐标信息驱动电机达到最佳耦合，使光 镶与茂转器搏之窝这蠲| lm 缀豹耩会猿瘦，确 ；i 糕会震量。 通过耦合实验证明，本文提出的自动对焦系统有效地减少系统的噪声，提 高了耦台的信噪比，较好地解决7 在耦合过程中实现光锥与c c d 最佳耦合效率 嚣翊嚣。 关键调：毙锥籁套耋动鼹焦豫震译徐涵数算子聚会 兜椎与c c d 赣合系统孛基于舞子融裔鹃鑫魂对焦方法 a u t o - f o c u s i n gt e c h n i q u eb a s e do no p e r a t o rf u s i o n f o rc o u p i i n g o p t i c a l - t a p e rw i t hc c d z h a n gh o 嘲i 勰( o p t i c se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f t i a nw e i j i a n 割瞻t e c h n i q u eo fo p t i 蕊f i b e r - t a p e rc o u p l e dw i t hc c d i sw i d e l yu s e di nt h e i m a g i n gs y s t e mo fs p a c ep a y l o a d , l o wl i g h tl e v e ln i g h tv i s i o ns y s t e m ，t e l e v i s i o n t r a c k i n go fm i s s i l es y s t e ma n dr e m o t es e n s i n gi m a g i n gs y s t e m i nt h ec o u p l i n g p r o c e s s , h o wt oe s t i m a t et h ec o u p l i n ge f f i c i e n c yr e a l - t i m e l yi sad i f f i c u l t y i no r d e r t os o l v et h ep r o b l e m , s o m ei m p o r t a n ts t u d i e sa r cp r a c t i c e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a n o v e la u t o f o c u s i n gm e t h o db a s e do no p e r a t o rf u s i o ni si n t r o d u c e dt 0t h es y s t e mf o r c o u p l i n go p t i c a lf i b e r - t a p e rw i t hc c da n d an u m b 以 so fo u t e ：0 t x t e $ 黜a c h i e v e di n t h i sd i s s e r t a t i o n f i f 蓦l l y f o c u sm e a s u r e sa n df o c u sa l g o r i t h m ss u c ha sf r e q u e n c ys p e c t r u m s f u n c t i o n , g r a d i e n tf u n c t i o n sa n de n t r o p yf u n c t i o n sa r ca n a l y z e dr e s p e c t i v e l yi nd e t a i l b yc o m p a r i n gt h ea d v a n t a g eo ft h ef o c u sa l g o r i t h m s ，an o v e li m a g e - e v a l u a t i o n f u n c t i o n , w h i c hb a s e do nt h eo p e r a t o rf u s i o nt e c h n i q u e ，i sa l s op r o p o s e d b y e x p e r i m e n t s , i ti sp r o v e dt h a tr e l i a b i l i t yo ft h ea r i t h m e t i ci se n h a n c e d , a n dah i g h e r a c c u r a c yi sa c h i e v e d ， s e c o n d l y , a na u t o - f o c u s i n gm e t h o db a s e do no p e r a t o rf u s i o ni si n t r o d u c e dt o t h es y s t e mf o rc o u p l i n go p t i c a lf i b e r t a p e rw i t hc c d i nt h ed e v e l o p e ds y s t e mf o r c o u p l i n go p t i c a l - t a p e rw i t l lc c d t h es t e p p i n g - m o t o ri sd r o v e da n di nt h es a m et i m e t h ei n l a g c sa r cs a m p l e d 。b yu s i n gan o v e li m a g e - e v a l u a t i o nf u n c t i o n , w h i c hb a s e do n t h eo p e r a t o rf u s i o nt e c h n i q u e ，t h ei m a g es e r i a li sc a l c u l a t e d , c o m p a r e da n dt h eb e s t o ft h ei m a g es e r i a li sa c q u i r e d u l t i m a t e l y , t h ec o o r d i n a t eo ft h eb e s ti m a g ei sf e d b a c kt oc o n t r o lt h es t e p p i n g - m o t o rt oo b t a i nt h eb e s tc o u p l i n gp o s i t i o n 。b yt h i sw a y , t h es y s t e mn o i s ei sd e c l i n e da n dt h es n r ( s i g n a ln o i s er a t i o ) o ft h ec o u p l i n g d e v i c ea r ei m f r o v e d b yt h ec o u p l i n ge x p e r i m e n t s , i ti sp r o v e dt h a tt h es y s t e mn o i s ei sd e c l i n e da n d t h es n ro ft h ec o u p l i n gd e v i c ei si m p r o v e d 1 1 艟p r o b l e mh o wt oo b t a i nt h eb e s t e f f i c i e n c yo fc o u p l i n gd u r i n gt h ec o u p l i n gp r o c e s s , i ss u c c e s s f u l l yr e s o l v e di nt h i s m e t h o d k e yw o r d s ：a u t o - f o c u s i n g ；c o u p l e dw i t h ；i m a g e - e v a l u a t i o nf u n c t i o n ；o p e r a t o r f u s i o n n 科研道德声明 秉承研究所严谨的学风与优良匏科学道德，本人声明所罴交的论文是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中所引用的内容都已给予 了明确豹注释和致谢。与我一屈工作的同志对本研究掰做豹任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了致谢。 串请学位论文与资料蓑有不实之处，本人承担一切稚关资经。 论文作者繇颦鉴芝日期： 知识产权声聪 勖曲8 2 4 本人完全了解中科院西安光学精密机械研究所有关保护知识产权的规定， 即：研究生在所攻读学位期间论文工作的知识产权单位系中科院西安光学精密机 械研究所。本人保证耦所后，发表熬于研究生工作的论文或使用本论文工作成果 时必须征得产权单位的同意，同意后发表的学术论文署名单位仍然为中科院西安 光学精密机械研究所。产权单位有权保留送交论文的复印俘，允许论文被杰阅和 借阅；产权单位可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 剁手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：烛 日期：；盟哆、q 多，浒 等愿签名： 日期：浦g 比 第一章绪论 1 1 课题意义及成用背景 1 1 1 课题意义 第一章绪论 光锥与c c d 耦台器件有效提高了c c d 器件的成像质量0 1 。可广泛应用乎航天 骞效载蘅豹或豫蓉绫、皴光夜撬、导弹毫援鞭踩、走灌爨戆袋像等系绕孛强， 并可为多种航天裔效载荷提供技术支撑，具有广泛用途。 在耦合过程中，如何实时判断耦合效率遐其中的难点。法国t h o m s o n 公司 基缀藏功建秀发秘基于瑟蒸豹c c d 藕合痰豫技术豹罄分筑裕懿产蘸。我嚣瓣竞 锥及其耦合技术也进行过较长时间的研究，但国内外关予耦合方法的嶷体工艺 过穰及其监控装鬣尚未见报导。 为了搽寻毙壤与c c 器爨箨耩合熬最燕鼓零途径，零论文提出采雳蒸予耋魂 对燕方法的光锥岛c c d 耦合系统，通过对耦含过程的实时监控，反馈僚息控制 使光锥与c c d 器件之间达到pm 级的耦合精度，并有效地减少系统的啜声，解 壤了在藕合过程巾实瑷竞锥写c c d 最佳勰仑效率豹游惩，凑傈耩会器掺瓣残像 质激。 1 。l 。2 毙壤篱奔 光锥是继光纤面板、光纤倒像器之后的又一硬型传像器件。它是由成千上 万擞按一定规则播蒯豹光学纤维细丝在一定的压力及热力作耀下控制蕊成的锥 蓐纤维元侔扭辅。在光锥孛每擞光学纤维都有缀好敢毙学绝缘。函鼹镣穰光学 纤维都能独立的传光，而不受临近其它光学纤维的影响每根光纤端聪都是一 个敬毽孔径，在传递塑像对备携带一个缘元，入射予元传端嚣上魏图像跌看 作怒由许多亮度不等的像元所缀成。光锥各端面可看俸黧规贝排列的许多取样 孔缀成的析像器。这样，像元的大小就等予取样孔的大小。像元的数阏就等于 端壤土光学纤维熬缀数。_ | 多 班每投光学纤续遁过壹己豹取徉魏都独立的传递一 个像元。光锥两端稽关捧列。戳为光锥具霄上述特往，溺一个图像入鸯垂到光锥 端丽后。通过每掇光学纤维的传递，整个入射图像就可以从光锥的一端传送至 意锥每c c i ) 藕舍系统串基于葬予融台静鑫动对焦方法 另一端。它提供的是一种放大或缩小的无畸变的传输。其放大和缩小倍数等于 必锥嚣鳎嚣壹径之毙辅。光镶瓣教犬绥数一般霉逸5 ；1 ，特殊反焉辩霹敲裂1 0 ： l 。 光锥可以做成多种规格，主要肖从圆形到圆形。从圆形到方形以及从方形 萎l 方形簿足耱类鍪。美潮s c i l o t t 楚玻睾生产光锻豹厂家之一，缝们懿竞箍誊争誊季 选用标准s c h o t t 2 4 玻璃，大端直径一般有4 l l i n 、6 l i m 、1 0 1 1 1 1 1 和2 5 i t m 几种型 号。小端点径一般为2 5l lm 。另外，i n c o m 公司一壹在大直径的光锥( l 髓o f r s ) 熬生产方鞭楚予矮先懿经，第一次生产邂1 3 5 m 豹l d f o t s ，并豆是戆够擞产 1 4 5 m 和1 6 5 m m 的l d f c r r s 的唯一的个公司。下网为i n c 叫公司提供的各种类 型的光锥样品图哪 1 1 3t d i c c i ) 简介 匿i - i 务种类型静光镶撵箍舞 t d i c c d ( t i m ed e l a ya n di n t e g r a t i o nc h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ，蘩瓣麓筵遮积 分电荷藕食器件) 图像佟感器是一个线阵c c d 器件，但它的结构像一个面阵器件， 它的列数是一行的像元数，它的行数题t d i c c d 的级数m 嘲。邋常一个t d i c c d 霉选控熬缓数m 失6 、1 2 、2 4 、4 鬈、鲻或其宅数蘧类囊凌嚣襄。 其正作原理是；第一行某一列的第一个像冗在第一个曝光积分时间内的 电前包并不直接输出，而是移向同列第二个像元并与第二个像元在第二个曝光 积分薅阕，内戆毫蔫惫穗加，最嚣一杼夔像元豢匀籍了本身纛蓊嚣所骞毫蔫包磊 输出信号。可见t d i c c d 输出信号的幅度是多行电荷包的累加，如果选t d i c c d 的级数是m ，则t d i c c d 输出信号怒普通线阵c c d 输出的m 僚，总的噪声废 是每一磐平方蠢熬平方羧，t d i c c d 级数缮黧m 镑，瓣t d i c c d 嚣律绩嗓毙绚 只增加m m 。t d i c c d 这种特殊的工作方式，要求同一列上的每一个像元都对 2 第一章螭论 同爨标曝光积分，才能保证输如的图像质擞伽。 时间延迟积分电荷藕合器件与普通线阵c c d 褶院其露篱响应度、低噪声盼 特点。更加适用予微光测量、检测及航天遥艨领域哪。 1 1 。4 竞箍与c c d 共阕特援 1 由有限多个尺寸微小的( 一般为l o l lm 数量级) 像元组成的离散成像 元箨。 2 像元按照一定的规则成周期性阵列排列( 如图l - 2 、l - 3 所示) 。 图1 - 2 光锥端面规则摊列圈1 - 3c _ x ：d 端面规则捧列 1 1 5 光锥与c c d 耦合器件的成甩 先锥作为一耪硬先纡锥形抟像器件，具有放大或缩小势羌畸交传输强像豹 功熊。伴随着光锻的发展其应掰越来越广泛。作为徽光摄像系统豫增强嚣，光 锥姆电荷耦合器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，c c d ) 耦念已经在微光夜视技术 中缮到了广泛的遂愿；在空惩鼯建光学遥感巾光锥耦会c c d 摄像技术w 以在相 同分辨率下，缩短相机焦距，从而减小探测器体积和重纛，所以在空黼光学探 测领域中也越来越受重视。此外，光锥还在空间遥感探测、导弹的电视跟踪系 统、蒺学视频成像、荧光学等领域也缛戮了广泛应臻“4 ”。 光锥与c c d 藕合技术首先由美国的f a i r c h i l d 公司歼发出来。目前国内外 光锥与c c d 耦合技术都采用了光锥的大端岛前置像增强器、小端与c c d 的光敏 瑟藕合。这静赣会技寒主要是为了增强搽测基檬熬光电落号，提嘉c c d 魏搽测 灵敏魔。利用光镶将通过微通道板w c p ( w i c r oc h a n n e lp l a t e ) 及荧光屏获得 3 悫镶每c c i ) 藕台系缝串萋予算子融台豹爨动对燕方法 增强的图像耦合到c c i ) 光敏砸上。从而实现微光摄像的目的m 。这些微光c c d 逶零用予凌器必控系统窝篮援跟踪系统，霉与必激塞动控剿系绕褥或毫鬟跟踪 装置，蛊接用于武器制导、指挥射番镣领域，并熬有较强的抗币扰能力。另外， x 光c c d 图像传感器也利用光锥面阵来达到x 光像增强器与c c d 面阵的有效耦 会阳。势熬该矮技术曩焱擞毙瘦撬、毒航、整羧、天文霞察、爱窃工程等诲多 领域开始殿用。如图1 - 4 所示为图像增强器。图1 5 所示为斯坦福光子公司研 制的x r 麒i c r oi c c d 相机结构图。 图1 4 图像增强器 冒l 峭新毽福光子公司研制豹x i i w i c i i oi c c d 翱机 光锻在医学应用方面可用于x 射线成像，在x 光照中，沉积在光锥犬端的 钝氧骧像物把x 射线成像转交为霹怒毙，然屡逶过走锥转竣势绫小辗合刭c c d 芯片上避行数字成像加工。这种系统减少了x 射线在病人身体上的辐射，叉保 4 第一掌缝谂 护了医务人员“1 。犬面阵c c i ) 与光锥耦含元件可以安装程氟光源x 射线同步加 速器的组织生物中心，在蛋白质晶体衙射实验中，测试衍射图像中x 射线布喇 格峰的强度和位黧。该种装置具有大阁像面积、高空间分辨率、高x 射线灵敏 疫、较驽搽测爨效率、羝噪声、爨旗态范覆、好稳定拣及短读出时阗。泷羧 在光锥大端盼磷w 鞋把二维x 射线转换为可觅光图像，幽巍锥传输至按峻器猢。 1 2自动对焦技术综述及存在的阀题 i 2 1 自动对焦技术综述 自动对焦技零作为成像系统的一项关键技术，始于2 0 世纪7 0 年代，最初成用 手照耪系统，其爱爱生要经爱了三令除羧。 第一代自动对焦技术大部分是蒸乎测距原理的，以商斯成像原理为基础，谶 过对目标进行测距，根据所得距离驱幼电机调节镜头氯对焦位置，主要包括越声 波测距法、发射能攫法和一些基于三角测距原理的方法。 箍若电子按笨鞫薅号处理技零瓣发展，入朝找到了一憋手段对准臻对焦豹馈 号帮离焦函像瀚僚号进行鉴剐，鑫诧产生了基于税颓傣謦分析豹自动对焦技术， 并应用于摄像系统m 。视频信号分析法采用微处理器使熊系统结构大大简化，所 获取的原始信息较传统的对焦方法火为增加，对焦效果也了有很大的改善，假这 种方法藏然有缀多不足。首先，视频信号分析法豹原始僚惠取自模拟信号，频攀 分辑等工作龟粼镑澎楱羧薅号凌谤，瓣筵缀难赘系统蹇发集成。其次，稷簇傣弩 中丰富的图像信患在对焦时没有被利用意味着视频僚号分析法距离智能化 尚有距离，因为图像中包含的很多倍息都可在对焦中作为重要的参考信息，如成 像主体的提取，成像镜头扩散函数的分析等等。 逶入二+ 谶缎是卡年钱嚣， ；盂_ c ( 渺( 或c 殛d s 获取豹鎏像撵秀霹焦戆麓本 信息，以图像分析与处理为基础的麓能化自动对焦技术蓬勃发展，由簏出现了雳 于现代数字成像系统的智能化自动对焦方法基于数字图像处理的自动对焦 方法眦”。此方法在以数字相机为代袋的现代数字成像累统中广泛应用。 1 2 。2 现有对焦方法存在静超题 瑷毒蠢动霹焦技术懿突窭藤爨怒瓣焦精疫懿| 犀题，及冀专霹焦速菠豹绣壤 ( 竹 基于测距原理的自动对焦技术对焦速度较快，但其裙效距离较小，无滋满足 长焦到微距的使用，也不能满足景深羧制的需要，并且必能对一点对焦，精度较 s 光锥与0 印耦合系统中基于算子融合的自动对焦方法 低，价格昂贵。 基于数字图像处理的自动对焦技术分为两大类：对焦深度法和离焦深度法。 对焦深度法在对焦过程中需要获取并处理十余幅图像，而且需要驱动电机带 动镜头遍历所有可能的对焦位置后再回到最佳位置，因此需要较长的对焦时间。 速度较慢。而离焦深度法处理的图像数量较少，并直接将镜头移动到准焦位置， 没有往复移动，所需时间较短，但是由于模糊圆的大小是以图像探测器上的像素 为基本单位的，存在一定的舍入误差，因此离焦量的估算也有偏差，对焦精度较 低”。 1 3 主要研究内容 探寻光锥与c c d 器件耦合的最佳技术途径，解决光锥与c c d 耦合的技术 难题，使光锥与c c d 器件之间达到1 1m 级的耦合精度，并有效地较少系统的嗓 声，提高耦合的成功率。 主要研究内容有： 1 基于算子融合技术的像质评价函数设计 基于图像处理的自动对焦过程实质上是一个对采样图像序列判读的过程， 为此需要构造一个满足条件的像质评价函数，既要做到无偏性，又要做到唯一 性。 在图像判读算法中，通过采用算子融合技术，本文提出了种新的基于空 域分析的像质评价函数。经实验证明，这种算法既有效地提高了算法的可靠性， 又实现了较高的对焦准确度。 2 光锥与c c d 器件耦合的精密六维调节机械装置。 根据光锥与c c d 耦合结构，设计耦合工艺所需要精密pm 级六维调节机械 装置和夹具机构，从硬件上保证耦合质量。在高精度的光机定位下，使光锥与 c c d 器件之间达到i lm 级的耦合精度，提高耦合器件的光学传函及耦合器件的成 像质量，使其更好的适用于空间环境条件下。 3 实时控制软件系统 实验将采用步进电机控制系统。由于要求实时控制，所以将c c d 器件成像 模块、步进电机控制模块及像质评价模块集成到一个系统中，便于实时控制及 操作。 6 第一章绪论 1 4 须解决的技术问题 1 像质评价函数的设计 基于图像处理的自动对焦过程实质上是一个对采样图像判读的过程，为此 需要构造个满足条件的像质评价函数，既要做到无偏性，又要做到唯一性。 一幅图像是否对焦准确，在空间域上的反映就是图像的边界及细节部分是 否清晰，在频率域上的表现就是图像的高频分量是否丰富。 ( 1 ) 基于空域上的分析 其理论依据就是：清晰的图像比模糊的图像包含更多的信息，人们能更好 地分辨其中的细节( 细节意味着图像有清晰可辨的边缘，在局部中有很强的灰级 变化，灰级的跃变更加剧烈) 。 目前常用的像质评价函数有： 乱梯度函数。主要包括s o b e l 函数、r o b e r t s 函数、t e n e n g r a d 函数、能量 梯度函数、b r e n n e r 函数、方差函数等。 b 信息熵函数。 根据图像在空间域上的特点，对多种像质评价函数进行计算机仿真实验比 较，最终选择( 或构造) 合适的像质评价函数。 ( 2 ) 基于频域上的分析 这种评价方法是基于傅里叶变换的，通过二维傅里叶变换可以对构成图像 的空间频率进行分析。 通过对比上述两种方案的仿真实验结果比较、判断，最终选择符合实验要 求的像质评价函数。 2 提高对焦准确度的措施 由于被测图像照明的不均匀性、光电转换的非线性等因素的影响，使被测 图像引入噪声和误差，为使像质评价函数的计算结果能够准确地反映系统离焦 的信息，尽可能地消除系统误差和随机噪声，应对采集到的图像数据进行预处 理，得到高质量的图像信号。 3 实时控制软件系统 实验将采用步进电机反馈控制系统。由于要求实时控制及个模块间的数据 通信，所以拟将图像采集模块、像质评价模块与步进电机控制模块集成到一个 系统中，便于实时控制及操作。 7 光锥与c c i ) 耦合系统中基于算子融合的自动对焦方法 第二章自动对焦的基本理论和方法 随着数字成像技术向自动化和智能化发展，自动对焦技术的应用范围不断 扩大，在自动化、高精度、高稳定性等方面都取得了很大进展，现已广泛应用 于照相机、摄像机、显微镜、扫描仪等各种精密仪器中瓯” 从基本原理来说，自动对焦可以分成两大类： 一类是基于镜头与被摄目标之间距离测量的测距方法，称之为主动式自动 对焦；另一类是基于调焦屏上成像清晰的聚焦检测方法，称之为非主动式自动 对焦。 本章主要介绍了两种对焦理论，重点阐述了基于图像处理方法的自动对焦 方法，并给出了两种方法的优缺点。 2 1 主动式自动对焦 主动式是以高斯成像原理为基础，通过对目标进行测距，根据所得距离驱 动电机调节镜头至对焦位置。 主动式自动对焦根据测距方法的自动对焦主要有像偏移法、三角测量法、 对比度法、红外线测距法等“4 1 。 2 1 1 像偏移法 像偏移法应用三角测量原理，如图2 - 1 所示。 固定反 光镜 扫描反 光镜 光电器件 图2 - 1 像偏移法对焦系统 由被摄物体所发出的光线，同时进入测距器的左、右两端，右端为可动扫描 反光镜，左端为固定反光镜。从近距离到远距离，反光镜作大约1 。扫描运动， 8 第二章自动对焦的基本理论和方法 测距计上左、右两光束，分别成像在两组各由五个硅光二极管组成的线阵接收元 件上，通过两组间的信号比较，求得合适的对焦位置。用c c d 代替硅光二极管作 为接收元件可形成固态三角测距自动对焦系统。它的两侧光路中的反光镜均为固 定方式，被摄物体的距离信息通过在c c d 上的成像位置的差异反映出来，可直接 由c c d 元件进行检测和分辨这种反光镜固定方式结构简单、可靠但c c d 元件与 光电转换、运算系统的电路技术要求较高，成本也高。采用c c d 作为对焦检测的 方式，经过发展和改进被广泛应用在单镜头反光照相机自动对焦系统中。 2 1 2 三角测量法 测距原理如图2 - 2 所示 图2 - 2 三角铡距原理 左边的反射镜是局部镀膜反射镜，即中间- - d , 块反射右边来的光线，其余 大部分视场透射前方直接进入的光线，这样在调焦平面上的影像如图左下角所 示。右边的反射镜在电路控制下转动，调焦平面上有光电元件进行探测，当透 射和反射的两部分影像重合的时候，可动反射镜的摆动角q 2 和物点a 的距离 d 之间有如下关系： 兰= 三嘴白( 2 - i ) 式中，b 为基线长。于是，系统可以算出被摄目标和镜头之间的距离并驱动 镜头运动到合适的位置。完成调焦。 9 光锥与c c d 耦合系统中基于算子融合的自动对焦方法 2 1 - 3 对比度法 通过分析正确对焦的图像和离焦图像，有如下规律：当正确对焦时，对比度 最强越偏离这个位置，对比度就越低。应用一维c c d 元件作对比度检测时，假使 将第n 个光接收元件的输出设为i ，则对比度的评价函数e = il 一l 一。i 式 月l l 中m 为一维c c d 的总像素数。e 在正确对焦的位置上为最大，e e 。；在焦前、 焦后位置，将会随着离焦量的增大而减小。若离焦偏移特别大时，则e + 0 。 对比度法自动对焦系统结构如图2 3 所示，取景半透反光镜后端有- - 4 , 尺寸 辅助反光镜，它将光束转向照相机的底部，进入检测组件内。经红外滤光片后， 在分像棱镜内分成相应两组像，一组相当于焦前等价面s ，另一组相当于焦后等 价面s 。，s - 与s z 和成像平面相距j ，在s 。、s 。位置上分别安置两组一维c c d 元件 s & 图2 - 3 对比度法对焦系统 当改变镜头位置时，分别f h s ：和s 得出相应的对比度变化曲线e 。和e 。如镜头 最初位置处于焦前点，对焦时向焦后方向移动，那么先是对比度曲线e 。达到极大 值，继续向焦后方向移动后，使对比度曲线e 。达到极大值。相反，当镜头最初处 于焦后位置，先是对比度曲线e 2 、继后e 。达到最大值。相应处于准确对焦位置时， 在焦前焦后的中间，对比度曲线e ，和e ：相同，如图2 - 4 所示。e i ) b 为焦前位置， e 。 e ：为焦后位置。 应用对比度原理，并以二组对比度值作相互比较的对焦方法，可以提高a f 系统对比度检测精度和判别前、后方向，实现自动对焦。 i o 第二章自动对焦的基本理论和方法 图2 - 4 聚焦程度的判断 2 1 4p s d ( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e v i c e ) 测量法 主动式p s d 测距的基本原理：红外线发射管l e d 发射一束红外光束，经发 射透镜会聚后射到被摄物表面，经被摄物反射后，有一部分光线经接收透镜会 聚于p s d 表面，形成一光斑。由几何关系可知，当发射系统、接收系统相对位 置固定后，p s d 上光斑位置仅与被摄物离照相机远近有关，而p s d 的输出又正 好反映其表面光斑的位置，经控制电路处理后，被测物的距离就被测出来嘲。 系统原理示意图如图2 5 。 体 图2 - 5p s d 对焦系统原理图 红外l e d 发射，p s d ( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e v i c e ，位置敏感器件) 接收的 主动式p s d 自动对焦系统因其无运动机构，体积小，但其精度较低，且价格昂 贵。 由于p s d 测距已经模块化，体积小，所以广泛的应用到中高端光学相机的 自动对焦系统中，如图2 - 6 所示。 光镶与c c d 耦合系统中基于算子融台的自动对焦方法 图2 - 6p s d 对焦系统在期规中的应用 2 2 爿# 主动式自动对焦 非主动式是以数字图像处理为基础，基于完全聚焦的图像比离焦的阉像包 含更多的细节和荫息垂为前搀渊 2 2 1 视频信号分析法 前述的对焦方法一般用于传统的照相系统，i 随着薪一代成像器件c c d 的出现， 自动对焦所需要的信息也越来越丰富。通过研究发现，当聚焦准确时，画面清晰， 轮癣潺楚，裔频成分豹毫平箍度大；当聚焦不獠辩，躐西不清渐，轮廓不清楚， 赢频成分的电平幅度小汹1 。视频信号分析法采用圈2 7 赝示豹缝构分辑售芍成分。 图2 - 7 基于视频信号分析的自动对焦原理框图 c c d 摄像器件安装奁一个舆有压电效瘦豹陶瓷片上，压电陶瓷辟可以在一个 撅低频率( 遴常失1 2 5 h z 友鑫) 熬售号驱蘸下浍必孝鸯方囱藏最秽魂。捻测鲍傣号取 c c d 摄像器件产难的，再经取样保持预放器输出的视频信号微处理器根据检 1 2 第二章喜动对焦的基本理论和方法 测的视频储号电平和压呶陶瓷驱动信号之间的关系产生聚焦电机驱动信号。达到 自魂对焦豹疆静。其俸正俸谤况蠡节： 压电陶瓷在极低频率的信号驱动下发生位移( 小幅度的振动) ，固定在陶瓷片 上的c c d 片随之前后位移，c o d 感光筒上的图像与镜头之间的距离也随之变动。这 使勰爨豹撬菝落号泡乎产生交德，蠢不弱魏辩豢；装态下裙蛰绽移霹撬额薅等麴 低频、中频和高频将产生不同的影响。检测出现张视频信号中黼、中、低频分最 的变化情况便可确定对焦的精确位鬟。 镜头偏离准爨l 霞嚣瓣，图像模糊不清，程菝僚号中诋菝分惫较大，高频分蠹 较小，而飘，当c c i ) 前尉移动时，视频信号电平变化明显，这时有两种可能。对 焦点超前时，c c d 向前佼移时，聚焦改罄，视频信譬幅度上升；c c d 向后位移时， 聚焦更差，视频信号褊发下降。获波形圈上看，筏频蓓号辐菠交纯与c c d 霞麓变 化相位一致，微处理器判断后，发出调整信号，对焦电机相应地转动，使镜麸焦 点后移。游对焦点落在c c d 感光面的殿蕊，这时c o ) 向前位移，视频信号幅度下降， c c d 两后德移对，筏额嫠号辐度上舞。视频信号疆糜豹交诧每g e 转位置变纯黪樱经 相反，这时微处理器发出的调整信号通过驱动电路带动对焦电机，使镜头焦点前 移。 莲龟陶瓷背振动糍发和聚焦电机转动方窝与转速快慢均受微处理嚣茬裁，两 者的驱动是相互配合的。对于对焦电机，当信号低频分量大，中、高频分量没有 时，表明镜头处在离焦状态，微处理嚣输出高电艨，使电机快速对焦。电机的转 动方离( 魄枫驱动电压麴极性) 取决予辩焦点是怒翦还是落螽靠近对焦点辩，赢 频分量增加，电机转速变慢。对焦完成时，微处理器输出对焦电机停转信号而 压电陶瓷片的驱动电压豹幅度在离焦拜重较大，以葶! l 子提高对视频信号检测的芡敏 度，在按避焦点时，驱动信号豹幅度逐渐减小。徽处理嚣输出的压电陶瓷驱动窀 压的幅度邂考虑至0 焦距和光圈对景深的影响，在短焦距( 广角) 和小光圈( f 值大) 隧，景深较深，如果c c 啦移幅度太小，就不易检测到最佳对焦状态，此对，微 处理器褥聪电陶瓷片的驱动电压幅度自动加大，潋利于信号的簸测与院较。 视频信号分析法通过电子线路分析信号的频率成份，计算弗不复杂，用单 冀枫朝哥交瑷分板与控测，在一些摄像系统中广泛应震。 光锥与c c d 耦合系统中基于算子融合的自动对焦方法 2 2 2 图像信号分析法 基于图像信号处理的方法分为两大类：对焦深度法和离焦深度法 对焦深度法简称d f f ( d e p t hf r o mf o c u s ) ，是一种建立在搜寻过程上的对焦 方式。它通过一系列对焦逐渐准确的图像来确定物点至成像系统的距离。这个搜 寻过程需要不同成像参数下的很多幅图像( 一般为1 0 幅以上，所用图像越多则对 焦精度越高) 。理想的对焦评价函数要求是单峰值的，单调的，在最佳对焦位置 获得最大值。为了能准确地探测峰值的位置，减少由于噪声产生的局部极值以及 边缘凸出效应的干扰，可以使用f i b o n a c c i 搜寻法以及高斯曲线拟合法 离焦深度法简称d f d ( d e p t hf r o md e f o c u s ) ，是一种从离焦的图像中获得物 体深度信息的方法。在d f d 方法下，需捕获2 3 幅不同成像参数下的图像，它们之 间存在一定的相对模糊量，对图像的局部区域进行处理和分析，可确定其模糊程 度以及深度信息。这种方法还要求根据成像参数建立正确的离焦模型及需要成像 系统的精确校准。在运算中，多采用最大相似估计法以及模糊效应校准模型如 果两幅图像对应的成像参数选择完全任意，有可能导致离焦图像的相对模糊量不 足，深度计算不准。为此，出现了基于最大可能性函数的模糊量判别算法来解决 这个问题。 聚焦检测的自动对焦方法是依据被测物的光学图像。在用计算机作数字图 像采集时，可充分利用计算机处理数字信号的高速度和灵活性，针对数字图像 进行自动对焦。随着计算机硬件和数字图像技术的飞速发展，图像的实时处理 已经成为可能。计算机通过镜头和c c d 采集到一系列的数字图像，对每一帧图 像进行实时处理，判断对焦是否准确，成像是否清晰，并给出反馈信号控制镜 头的运动，直到采集到的图像符合使用要求，即完成自动对焦。 一幅图像是否对焦准确，在空间域上的反映就是图像的边界及细节部分是 否清晰，在频率域上是图像的高频分量是否丰富。我们通过对图像进行微分来 获取图像的边缘及细节信息，通过对图像进行f f t 来获取图像的频谱信息。 图像微分法能获得图像的边缘及细节信息，而且算法简单快速，但不能滤掉图 像中的噪声。对图像进行f f t ，然后让频谱通过带通滤波器，则能够在获取图 像高频信息的同时滤掉更高频的噪声，但算法复杂耗时“” 1 4 纂- - 1 蠡鹅辩焦憝薹本矮谂嚣鸯速 2 3 两种对焦方法的比较 蕊予浏躐原理静自动辩焦技术辩焦速度较侠，体积小，使予横嫒亿，毽其 有效溅粥铰小，无法满鼹长焦爨l 微躐的使用，墩不畿瀵是爨涤控制的嚣要，并 曼炅繇j l 重一燕瓣焦，壤嶷较低，徐掺舄责。 瓣蒸予辫裳楚瑗麴l # _ 荛动式壹动对焦方法藏本低，容易安现，强震嚣链摄 强，嶷有以下两大优点： 繁一，溪焦更热智能张，聚焦粼撵更熬哭潘秘多样。蒸鼍：模拟嚣缘静蘩焦 检测蠢浚哭测霜被测妨秘鬻豢之阙戆瓣毙度( 轮臻边缘靛梯发) 佟必粼鼗是黉 藏霖溥瓣鳆叛据。嚣遴避数字鏊缘憝建，苓莰豫鞋裂震撵度嫠怠，逐莓菰撬彀 图像巾各种其它的有效信息进行判断，例如频察，相位等。对子舆槲高频倍息 的凿像，一簸而言，对焦黻凇旃，鬻像信号的频率越高，边缘趱尖锐；离焦时 则频攀黪低，逸缘樱对平滑。越外，由于计舞枫处蝶图像熟灵滔撩，爵戳锋瓣 不嚣懿傻焉簧求，选舞誉溺熬羯撵涤瑟瓷焦。攒懿，有薅镶我稻掰美心蕊嚣稼 只楚穗豫申瓣菜一令禺部，褥不是熬螓塑像豹溃鞭耩发。这辩藏漩髓瓣塑豫孛 这一局部进行处理和提取判据，用该局部的对比度( 边缘梯度) 作为调焦的依 据。 豢二，联爰诗冀凝麓叛缓方霞蠛越运动簸貉撬魏遴学控铡，麸嚣遴嚣簧杂 懿灞焦魄路秘獍梅。诗筹橇羧口察慈线技拳蠢缀菲鬻袋熬，逶避袄捧绘蠹浚麓 信号，赢接控制电机驱动物镜的运动，不仅灵满方便，晦应速度符赍调焦要求， 还能犬犬简化电路科运动机构。 缺点悬，由于篷像处壤释要占掰大量鹣计算规爨源，这静垂溺慰焦方法黠 嚣冀糗疆搏撵窭了较囊戆簧裳。 逸耱方法藏搴糕，容器崧凌，曩灵渗整畿强。 2 4 小缩 零犟妻簧奔络了两种对焦理论，譬点鬻述了基于誉像憝蠖方法的自动对焦 方法。 谶道对两种对燕系统酌分析眈较，本系统采用熬子图像处理的稚主动式鸯 动澍焦澎法：逶过像质谬绘濒数返甄袭征聚焦奄蚕的唯一燕，对戏警撮燕鲶黪 位置参慧确定最佳像面的饿援参量。 光锥与c c d 耦合系统中基于算子融合的自动对焦方法 第三章像质评价函数及算子融合技术 对特定的成像系统，图像的清晰度反映了系统的离焦程度。一幅图像是否 对焦准确，在空间域上的反映就是图像细节是否丰富，图像的边界是否清晰， 即相邻像素的特征值( 如灰度、颜色等) 变化较大，在频率域上则表现为图像 的高频分量是否丰富“”4 “ 完全聚焦的图像比离焦的图像包含更多的细节和信息量是基于图像处理方 法的自动对焦系统的前提。 像质评价函数是表征离焦与否的一个函数，对应于评价函数极值处的位置 参数被认为是最佳像面的位置参数，因此，像质评价函数应满足： 1 唯一性像质评价函数为单峰函数，保证只有一个极值，即焦点位置。 2 无偏性。保证极值点与焦点位置一致。 3 函数在峰值两侧的斜率绝对值应尽可能的大 本章从频谱函数、梯度函数、信息熵函数等方面详细分析了自动对焦系统 中常用的几种像质评价函数。由于不同算子对不同方向具有不同响应的特性， 本文采用信息融合技术，组合利用两个不同算子的计算结果，采用按权值融合 的方法自适应地加以关联，提出了一种新的基于空域分析的像质评价函数。 经实验证明。本文提出的算法既有效地提高了算法的可靠性，又实现了较 高的对焦准确度，较好地解决了在耦合过程中实现监控光锥与c c d 最佳耦合效 率的问题。 3 1 频谱评价函数 一幅图像是否对焦准确，在频率域上表现为图像的高频分量是否丰富。 3 1 1 图像的傅立叶变换 傅立叶变换是分析图像频域特征的经典工具，在给定图像时，二维傅立叶 变换( 2 一d i m e n s i o n a lf o u r i e rt r a n s f o r m ) 提供了图像有怎么样的空间频率成 分构成的手段“”。 。 傅立叶变换隐含这样的物理意义： 一个信号是由其傅立叶变换所得的频谱上的各分量所代表的正弦波合成 1 6 第三章像质评价函数及算法研究 的。 姗旺丑皿 i t a l t 工睦h 墨口 。弋严 臻。屯畸 a 口凸屯4 山口l a a 芦舟 _ j 泸m 图3 - 1 傅立叶变换及其恢复 对于连续图像g ( x ，y ) c ( u ，v ) ：了j g y ：蚋v 妫( 3 - 1 ) 对于离散图像f ( x ，y ) 1n - i k l f ( “，v ) = 专萎荟，y ) e x p - j 2 j c ( u x + v y ) 川 ( 3 屯) t v o 7 u , v = 0 ，i ，2 ，n - i 对一幅图像的二维数组进行傅立叶变换，其频率分布图如下： ( a ) 目标图像( b ) 傅立叶变换频谱分布( c ) 频谱图像变换 图3 - 2 傅立叶变换的空间频率分布 1 7 竞箍每藕客鬟缝孛基于算乎撤舍瓣鑫镄澍燕方接 数组蠢土角槽当于奁流部分，庄下、右怎、右下个角的周匿对艨僚频分鬃， 数组孛央鄢黪瓣逶瓣应予凑菝玲爨，麴蚕3 2 ( b ) 。魏? 搜壹漩成分出璐程数 缎中央，在恕麓面魍份韵基础上，罐以进行如图3 心( c ) 所承豹变换。 & l 。2 菝谱谬赞瓣鼗懿稳逢 为了避枯调焦祷后豹频谱辩玩，我钓对采集掰蠹哿黧德遴移簿立静交捺，然 媛经过黪避滤波器，圪较其巍娥分墼的辐毯和。 襁造谬徐瓣数翔- f ： f ：鬟警l f ( 刚) l 扣3 # ”，。h 巍于图像豹能鳖主要集中襁低频郯分，所以为了突出嵩频分量的作用，所 戡我们对高频拎蕊月距离因子绦予加投( 频率越糍巍零频的鼹离越犬) 。 骼委爱懿像震译掺爨数楚节； f2 丕：茗pif o v ) l 2 丕：似2 + ) i 州钆”i ( 3 - 4 )o 轧o o o o ，o 氛毛3 实验绦祭 实验缔粜翔甏3 - 3 掰示。 档器耩鎏】i 罄釉获疫蘸箨 娶鞋耱转薅柏静嚣转椁盼鹅鳟嚣救站簿艟辩繇懿树熊锵耱繇辩辨数锝敬轻转龆镑树 第三章豫鬟律赞蠡数厦算法研究 1 7 3 3 5 7 1 7 7 3 8 3 i 2 0 5 8 1 - 0 6 7 6 6 i 2 7 4 3 6 ，+ 4 9 0 9 5 i - 2 9 0 9 5 8 0 2 4 2 i 7 8 1 6 1 | 0 3 8 1 i 5 9 9 2 6 2 2 7 6 5 i 5 2 1 3 5 + 3 4 0 6 1 i l2 7 2 7 4 2 5 2 4 9 i 1 6 ，嚣3 7 9 裁霪l i “) 傅盛叶变换 2 4 8 0 2 7 2 。3 5 5 6 2 7 。8 7 2 l 2 5 3 4 3 7 8 8 4 7 9 7 0 4 7 7 8 8 4 7 6 2 2 7 6 5 石5 9 9 1 2 掰辩 5 。8 8 5 4 1 9 4 5 8 2 i 0 9 7 1 5 2 1 6 6 51 2 2 7 8 1 s 弼5 41 3 。鲻 6 朋l l1 3 5 0 0 4 1 9 4 5 8 26 4 0 1 11 3 5 0 0 4 ( e ) 空间频率的分布图 d ) 撒摸藿 m 。 等o 最佳位置 ( f ) 空问频率的分布圉 ( g ) 频谱评价