（控制理论与控制工程专业论文）被动式自动对焦算法的研究.pdf

太原璎1 人顾卜“曩多i t 学t ：i 论文 被动式自动对焦算法的研究 摘要 由于成像目标和成像条件的复杂性，现有数字成像系统中的自动对焦 技术仍存在各种各样的缺点，在如何提高对焦图像质量、如何选择对焦评 价函数和对焦区域、如何进行反馈控制、如何提高对焦速度以及降低生产 成本等方面，还有诸多问题有待解决。 本文针对以上问题对被动式自动对焦算法中涉及的各种关键问题进行 了仔细研究，并在以下方面取得了研究成果：a 提出了对焦图像预处理方案， 其中主要包括消除光线的影响和消除常见噪声的影响，从而提高了对焦图 像的质量；b 对各种常见对焦评价函数进行了仿真对比研究，研究结果发现 b r e n n e r 梯度评价函数对焦速度快、对焦效果好，被用到了基于p c 机的自 动对焦系统实验平台中；c 对基于黄金分割点的对焦窗口规划方案提出了改 良，改良后的黄金分割法对景物的拍摄对焦效果很好，因此作为三种对焦 窗口规划模式之一被用到了基于p c 机的自动对焦系统实验平台中；d 将人 脸识别的方法应用到对焦窗 j 的规划中，提出了采用皮肤探测法选择对焦 窗口的方法，该方案对人物图像的拍摄取得了很好的对焦效果，也作为三 种对焦窗口规划模式之一被用到了基于p c 机的自动对焦系统实验平台中； e 钳对传统爬山算法存在的问题提出j ，改进模型，该模型采用两次穷举搜索 即可确定最佳成像位置，第次采用变步长粗略搜索，第二次用最小步长 细扫。将改进的爬山算法用到基于p c 机的自动对焦系统实验平台中，使系 统在保证对焦精度的情况下极大地提高了对焦速度；f 频域带通法是对c c d 输 ；的视频信号进行模拟j 爷通滤波，提取高频分量，然后对高频分量进行 简单运算来构建评价函数的种方法，采用频域带通法搭建自动对焦系统 具有运算简单和成本低廉的优点。本文采用数字仿真的方法对频域带通法 太蟓望f 人z 硕十研究：t 予p i i t l 一t l 文 进行了研究，在计算机中对采集的数字图像进行逐行数字滤波提取高频信 息，对高频信息构建厂合理的评价函数，并确定了合适的滤波频点，从而 为实现等价的模拟硬件电路和设计基于频域带通法的自动对焦系统提供+ j ， 理论基础与参数支持；g 通过对一帧图像进行二维数字滤波来提取高频分 量，从而用数字仿真的方法对将传统频域带通法扩展到二维空间进行了探 索性的研究，并探讨了在二维空间实现的频域带通法的对焦效果。 在以上对自动对焦算法各种关键问题进行了大量研究的基础上本文搭 建了基于p c 机的自动对焦系统实验平台，该系统通过图像采集卡将摄像机 系统输出的复合视频信号送入到p c 机，计算机分析图像清晰度，确定控制 方案，向单片机发出控制命令，由单片机控制镜头电机转动，直到搜索到 最佳成像位置。根据前面的研究结果，该系统的评价函数选用了b r e n n e r 梯度评价函数，对焦窗 j 根据不同的拍摄物体有三种模式可供人为选择， 分别是中央选择法、改良的黄金分割法、皮肤探测法，搜索算法采用了改 进的爬山算法模型。对焦实验结果表明该自动对焦系统对焦效果好，完成 一次自动对焦的时间在1 3 秒左右。 关键词：自动对焦，对焦评价函数，对焦窗口规划，改进的爬山算法模型， 频域带通法 太蜒疆i i 、7 f 曩 ：! h 多：! t f i 论文 s t u d i e so np a s s i v ea u t o f o c u s i n ga l g o r i t h m s a b s t r a c t d u e t ot h ec o m p l e x i t yo fi m a g i n gt a r g e t sa n dc o n d i t i o n s ，t h e r ea r es t i l l m a n ys h o r t c o m i n g si na u t o f o c u s i n gt e c h n i q u e su s e di nd i g i t a li m a g i n gs y s t e m s a tp r e s e n t m a n yp r o b l e m s ，s u c ha sh o wt os e l e c tf o c u sm e a s u r e sa n df o c u s w i n d o w s ，h o wt op e r f o r mf e e d b a c kc o n t r o l ，h o wt oi m p r o v et h ea u t o f o c u s i n g v e l o c i t y ，a n dh o wt or e d u c em a n u f a c t u r ec o s te t c ，a r ef a rf r o mc o m p l e t e l y s o l v e d g i v e nt h e s ep r o b l e m s ，t h i sp a p e rf u l f i l l e dag r e a td e a lo fs t u d i e so nt h e c r u c i a l t e c h n o l o g i e s o fp a s s i v e a u t o f o c u s i n ga l g o r i t h m s ，a n d a t t a i n e d a c h i e v e m e n t si nt h e s ea s p e c t s ：a p u tf o r w a r dp r e p r o c e s s i n gp r o j e c t st of o c u s i m a g e s ，w h i c hm a i n l yi n c l u d e se l i m i n a t i n gt h ei n f l u e n c eo fl i g h ta n dr e m o v i n g t h eo r d i n a r yn o i s e sa n de f f e c t i v e l yi m p r o v e st h eq u a l i t i e so ff o c u si m a g e s b c a r r yt h r o u g hi m i t a t i o na n dc o n t r a s tr e s e a r c h e so nv a r i o u sf o c u s i n ge v a l u a t i o n f u n c t i o n s ，a n dt h er e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t et h a tb r e n n e rg r a d i e n te v a l u a t i o n f u n c t i o ni sa b l et of o c u sr a p i d l ya n dh a sa g o o df o c u s i n ge f f e c t i ti sa p p l i e dt o t h e p c b a s e d a u t o f o c u s i n gs y s t e m r e s e a r c hp l a t f o r m c b r i n gf o r w a r d a m e l i o r a t i o nt og o l d e ns e c t i o np o i n tb a s e df o c u sw i n d o w ss e l e c t i o np l a n ，w h i c h a c q u i r e sp e r f e c tf o c u s i n ge f f e c tt os c e n e r yi m a g e sa n dt h e r e f o r ei su s e di n p c b a s e d a u t o - - f o c u s i n gs y s t e mr e s e a r c hp l a t f o r ma so n eo ft h et h r e ef o c u s w i n d o w ss e l e c t i o np l a n s d p a t t e r nr e c o g n i t i o nm e t h o d sa r eu s h e r e di n t ot h e l a y o u to ff o c u sw i n d o w s ，p r e s e n tam e t h o do fs k i n d e t e c tb a s e df o c u sw i n d o w s s e l e c t i o np l a n ，t h i sp l a ni ss u i t a b l et os c r e e nt h ec h a r a c t e ri m a g e sa n dc a n a c q u i r ev e r yg o o df b c u s i n ge f f e c t s s k i n d e t e c tb a s e df o c u sw i n d o w ss e l e c t i o n p l a ni sa l s ou s e di nt h ep c - b a s e da u t o - f o c u s i n gs y s t e mr e s e a r c hp l a t f o r ma so n e o ft h et h r e ef o c u sw i n d o w ss e l e c t i o np l a n s e a i m i n ga tt h ep r o b l e m so f lti 人原理1 人。形i 十l l j i 究生学位论文 t r a d i t i o n a lh i l l c l i m b i n gs e a r c h i n g ( h c s ) a l g o r i t h m ，p u tf o r w a r da no p t i m i z e d h c sm o d e l t h e r ea r et w i c es e a r c h e si na l lt of i xo nt h eb e s ti m a g i n gp o s i t i o n ， f i r s t l yc u r s o r i l ys e a r c h e si nf l w i l db o u n dw i t hi n c o n s t a n ts t e pl e n g t h ，s e c o n d l y e l a b o r a t e l ys e a r c h e s i nan a r r o wb o u n dw i t ht h em i n i m a ls t e pl e n g t h t h e o p t i m i z e dh c sm o d e li su s h e r e di n t op c - b a s e da u t o - - f o c u s i n gs y s t e mr e s e a r c h p l a t f o r ma n di sa b l et oa c q u i r ear a p i df o c u s i n gs p e e da n da na c c u r a t ef o c u s i n g e f f e c t ff r e q u e n c yd o m a i nb a n d p a s sf i l t e r i n gm e t h o di sa sf o l l o w s ：v i d e o s i g n a l sf r o mc c di m a g es e n s o rp a s st h r o u g hab a n d - p a s sa n a l o gf i l t e rt op i c k u ph i g hf r e q u e n c i e s ，w h i c h a r eu s e dt oc o n s t r u c tas i m p l ef o c u se v a l u a t i o n f u n c t i o n a u t o f o c u s i n gs y s t e m sb a s e do nf r e q u e n c yd o m a i nb a n d - p a s sf i l t e r i n g m e t h o da r es i m p l yc a l c u l a t e da n di n e x p e n s i v e l yc o s t t h i sp a p e rd o e sr e s e a r c h e s o nf r e q u e n c yd o m a i nb a n d - p a s sf i l t e r i n gm e t h o db yd i g i t a le m u l a t i o n s a m p l e d d i g i t a li m a g e sa r ef i l t e r e dl i n e b y l i n et oa t t a i nh i g hf r e q u e n c i e si nc o m p u t e r p r o p e re v a l u a t i o n f u n c t i o ni sc o n s t r u c t e dw i t hh i g h f r e q u e n c i e sa n ds u i t a b l e f i l t e rf r e q u e n c i e sa r ea s c e r t a i n e d ，t h e r e b yt h et h e o r yf o u n d a t i o n sa n dp a r a m e t e r s u p p o r t sa r ep r o v i d e df o rr e a l i z i n gt h ee q u i v a l e n th a r d w a r ec i r c u i ta n dd e s i g n i n g a u t o f o c u s i n gs y s t e m sb a s e do nf r e q u e n c yd o m a i nh a n d p a s sf i l t e r i n gm e t h o d g o b t a i n h i g hf r e q u e n c i e sb y2 df i l t e r i n g t oaf r a m eo fi m a g e ，a c c o r d i n g l y t r a d i t i o n a lf r e q u e n c yd o m a i nb a n d p a s sf i l t e r i n gm e t h o di se n l a r g e dt o2 ds p a c e b yd i g i t a le m u l a t i o n t h ef o c u s i n ge f f e c to f2 df r e q u e n c yd o m a i nb a n d - p a s s f i l t e r i n gm e t h o di sd i s c u s s e d t h i sd i s s e r t a t i o nb u il d sap c - b a s e da u t o - - f o c u s i n gs y s t e mo nt h eb a s e so fa g r e a td e a lo f s t u d i e so na l ls o r t so fk e yp r o b l e m so fa u t o f o c u s i n ga l g o r i t h m s i n t h i ss y s t e m ，v i d e os i g n a l sa r es a m p l e db yd i g i t a ls a m p l i n gc a r da n dd e l i v e r e d i n t op cc o m p u t e r ，c o m p u t e ra n a l y s e st h ed e g r e e so fd e f o c u s ，c o n f i r m st h e c o n t r o lp l a n sa n ds e n d so u tc o n t r o lo r d e r st os i n g l e c h i p t h es i n g l e c h i pw i l l c o n t r o lt h el e n st ob ei nf o c u sb ym o v i n gt h es t e pm o t o r a c c o r d i n gt ot h e s t u d i e sb e f o r e ，t h ee v a l u a t i o nf u n c t i o no ft h es y s t e mc h o o s e sb r e n n e rg r a d i e n t e v a l u a t i o nf u n c t i o n t h e r ea r et h r e em o d e so ff o c u sw i n d o w st ob ec h o s e ：c e n t e r lv 太职理i ：人学硕 ：4 i j ! 万i 乍学伊论文 一一。，_-。-_h-_-_。-_-_-_-_-_。-_-_-_-_-_-_-_-一 s e l e c t i o nm e t h o d ，i m p r o v e dg o l d e ns e c t i o np o i n ts e l e c t i o nm e t h o d ，s k i n d e t e c t m e t h o d b e s i d e s ，o p t i m i z e dh c sa l g o r i t h mi su s e da ss e a r c h i n ga l g o r i t h m f o c u se x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h i sa u t o f o c u s i n gs y s t e mi sa b l et oo b t a i n p e r f e c tf o c u s i n ge f f e c ta n dc a nf i n i s ho n c ef o c u sb y1 3 s k e yw o r d s ：a u t of o c u s ，f o c u se v a l u a t i o nf u n c t i o n ，f o c u sw i n d o w s ，h i l l c l i m b i n ga l g o r i t h m ，f r e q u e n c yd o m a i nb a n d p a s sm e t h o d v 太嫌璎1 人。碗- i - ：研究，二学何论文 图表目录 图2 1c c d 的三层结构8 图2 2 普通c c d 8 图2 3 超级c c d 8 图2 4 摄像机图像质量校正9 图2 5 成像模型1 0 图2 - 6 全电视信号1 3 图2 7 色同步信号1 3 图2 8l e n a 准焦图像与离焦图像的复合视频信号1 4 图2 - 9l e n a 的准焦图像与离焦图像1 4 图2 1 0l e n a 准焦图像与离焦图像一行的频谱1 4 图3 1 光线对直方图的影响1 6 图3 2j # 均匀密度的均衡化1 6 图3 3l e n a 图像的直方图变化及其均衡化结果1 7 图3 4 中值滤波器常用窗口19 图3 5 含椒盐噪声的图像及其中值滤波的效果1 9 图3 - 6 含高斯噪声的图像及其维纳滤波的效果2 0 图4 1 二维傅立叶变换的频率分布2 2 图4 2 原始正焦图像2 4 图4 3t l t 心1 2 8 x 1 2 8 像素灰度图像2 4 图4 4 中心像素f f t 2 变换频谱图2 4 图4 5f f t 2 变换频谱图的行2 5 图4 - 6 函数修i r 后评价效果的改善2 5 图4 7 梯度评价函数对比研究_ 2 7 图4 8 多区域选择法2 9 图4 - 9 黄金分割点3 0 图4 1 0 二维颜色空问中人类皮肤的分佰特征一3 2 图4 1 l 原始图像及其转换到( c 6 ，c ) 空问图3 3 太腺删1 人硕f j i j j j 究生亨：f t 论文 图4 1 2 得到的似然图3 3 图4 13 原始二值图及形态学处理后的：，：值图3 4 图4 1 4 人物图像3 5 图4 15 皮肤探测法改进效果3 5 图4 16 爬山搜索算法示意图3 6 图4 1 7 含局部峰值的评价函数3 7 图4 】8 优化的爬山算法示意图3 8 图5 1 广告画两种评价函数的对焦曲线比较4 1 图5 2 文字图像两种评价函数的对焦曲线比较4 1 图5 3 广画图像逐行f f t 变换的频谱图一4 2 图5 - 4 文字图像逐行f f t 变换的频谱图一4 3 图5 5 广告画图像在不同中心频率下的对焦陷线4 4 图5 - 6 文字图像在不同中心频率下的对焦曲线4 4 图5 7 数字滤波器的波形图4 5 图5 8 广告画图像在不同带宽下的对焦曲线4 5 图5 - 9 文字图像在不同带宽下的对焦曲线。4 6 图5 一l o 二维空问二阶巴特沃颠带通滤波器的波形图4 7 图5 1 1 广告画图像对焦曲线4 7 图5 12 文字图像对焦曲线4 7 图5 一1 3 二维频域带通法与传统频域带通法对焦曲线的比较4 8 图5 1 4 二维频域带通法与频谱修正评价函数的比较4 8 图5 15 二维频域带通法与b r e n n e r 梯度评价函数的比较4 9 图6 1 基于p c 机的自动对焦系统5 1 图6 2 像距随物距的变化曲线j 5 2 图6 3 串行通讯接门电路5 3 图6 - 4r s 2 3 2 引脚图5 3 图6 5 信号放大5 6 图6 6 主程序流程图5 7 图6 7 变步长穷举搜索流程图5 8 图6 8b r e n n e r 梯度评价函数的计算流程5 9 x 太原理i ：人学硕f 聊f 究生学何论文 图6 9 对焦窗u 模式选择流程图5 9 图6 1 0 皮从探测法对焦窗口流程图6 0 图6 1 1 睢片机驱动步进电机流程图6 2 图6 12d s p 自动对焦系统实验结果6 3 表4 1 摄影主题区域统计结果一3 0 表6 1r s 2 3 2 - 3 i 脚说明：5 4 表6 2 电机的控制模式6 l x 】i j 声明户明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：垒亟日期：例弓s 2 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为：目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 导师签名： 鱼亟型l 日期：导师签名： 鱼当型l _ 日期： 矿而s z 占 太原理l ：人学硕 ：研究生学位论文 第一章概述 1 1 自动对焦技术的历史和现状 人或动物能看清物体形状是因为聚焦的结果，景物会通过晶状体汇聚在视网膜上并 产生倒立的像，因此，人眼就如同一个高度智能化的光学系统，而大脑就是控制眼睛完 成自动聚焦的高度发达的c p u ，人类眼球转动完成调焦的过程需要o 0 5 秒。但是人l l 艮 有许多局限性，它只对可见光有感应，产生视觉；视野范围较小，分辨率有限制等等。 作为人眼功能的延伸，光学系统、雷达系统、红外摄像等应运而生。在光学成像系统中， 成像物镜对于物体应有一个最佳的成像平面位置，如果像平面偏离了最佳位置，所成像 将会模糊不清，成像质量明显下降。因此，聚焦技术成为个重要的研究课题。 实现聚焦的方法有传统的手动调节和控制器控制的自动调节【l 】。手动调节的方法主 要是根据人的卡观感觉对焦距做出调整，这种方法在专业人士的操作下可以达到非常高 的精度，但在需要捕捉瞬间画面或画面切换频繁的场合下，由于手动调节方法效率极低， 因而不能满足要求。而使用自动调焦的方法，如果控制器采用的控制策略很好，那么不 仅可以达到较高的对焦精度，而且可以满足实时对焦的要求。 自动对焦的发展首先是随着照相机的发展而出现的，2 0 世纪6 0 年代自动对焦技术 最初应用于照相系统l 1 。1 9 6 3 年，c a n o n 公司在西德的科隆博览会上展出一架具有自动 对焦能力的照相机模型，这个时期的自动对焦技术仍然相当原始，对焦能力很差。一直 到1 9 7 7 年，美图霍尼威尔公司( h o n e y w e l l ) j 发表了具有实用价值的自动对焦系统v a f ( v i s i t r o n i ca u t o m a t i cf o c u s i n gs y s t e m ) 。美国的创举最后为同本的相机工! i k 带来革命，f 1 本小西六写真一l ：业公司，珏1 1 后来的柯尼卡( k o n i c a ) 有限公司前身，向美国购买了这套系 统改良专利权，于同年1 1 月制作出自动对焦照相机柯尼卡c 3 5 a f ，成为世界上第一款1 具有自动义寸焦i l ) j 的相机。 被应用于第。台实用的自动对焦照相机k o n i c ac 3 5 a f 的自动对焦系统v a f ，其基 本原理是以分析来自景物主体的反光为参考指标，影像通过三棱镜投射到图像感测器 l ，感i i i i l 影像的明暗反差来分辨影像的内容。对于早期的年目机术浇，v a f 系统耗能 少，成本低，分光系统简洁，有利于小型化。但是，当外界光线过暗或被摄物体反差太 小时，v a f 系统无法工作，并且对细线条的被摄物也无能为力，对焦时间太长。基于这 些问题，后束的榴机采用辅助对焦灯的设计来进行弥补3 5 】。 1 太坂理i 人学硕十圳 究j l i 。伊论义 v a f 系统主要通过接收外来光线对焦，所以被称为被动式自动对焦。后来采用辅助 对焦灯的自动对焦被称为主动式自动对焦。主动式对焦系统附带产，卜红外、激光或超声 波的装置，由成像系统向成像目标发出某种形式的波( 红外、激光或超卢波) ，然后用 相应的器件接收成像目标反射蚶末的波，系统再根据光学原理计算准确的焦点位置，从 而完成对焦。在1 9 7 8 年，美国宝丽莱公司首次推出具有超声波自动对焦功能的照相机 s x 7 0s o n a ra f 。1 9 7 9 年，r 本c a n o n 推出第一部用红外线测距的自动对焦相机a f 3 5 m 。 主动式自动对焦完全不受环境光线影响，也不会因为被摄物体本身反差条件而影响对焦 操作，甚至能在黑暗的情况下工作。但是，主动式对焦不能拍摄太远或太近的景物，不 能透过玻璃工作，对具有吸收红外线能力的被摄物体也会得出不正确的结果，并且需要 额外的发射装置，使得相机难以小型化。 自动对焦技术不断演进，到了1 9 8 4 年，日本的相机制造业普遍认为自动对焦将是 引领未来相机业的主流，各大相机制造商都加大了对自动对焦技术研究的投入，具有自 动对焦能力的相机如雨后春笋般涌现出来。这之后的时期，现代图像处理技术和d s p ( 数 字信号处理器) 的飞速发展和广泛应用，使碍自动对焦技术迎来了向前跨进一大步的契 机，自动对焦不再完全依赖光学和结构，而更多依赖于图像的采集和处理，建立在此基 础上的对焦深度法和离焦深度法成为自动对焦技术的主要发展方向1 6 - 9 1 。 离焦深度法由系统首先拍几幅照片，然后再根扼这些照片的特点，用数字图像处理 技术恢复或推算出清晰的图像。离焦深度技术只需获得少量图片就可计算完成，对硬件 要求低，但是准确度低，难以满足人们的要求。 镜头技术的更新换代使自动对焦的部分任务可以让镜头来完成，对镜头的精密控制 使自动对焦更简单、更准确。联合使用镜头控制和图像采集与处理技术来完成自动对焦 的方法称为对焦深度法。目前来看，这是实际工程中应用较广泛的自动对焦技术。对焦 深度法的工作模式大致如下：系统通过镜头和图像传感器获取一系列的数字图像，信号 处理器对每一帧图像进行实时采集和处理，系统判断对焦是否准确，成像是否清晰，并 给出反馈信号控制镜头的运行，直到采集到的图像符合使用要求，即完成了自动对焦。 对焦深度法涉及到多方丽的技术。首先，如何来判断图像是甭清晰。近代大量的研 究提出了许多评价方法，如频谱评价函数、梯度函数等【1 0 - 1 6 l 。但是，评价的准确度和计 算效率始终是一对矛盾体。精确的计算可以保证对焦的准确度，却必然耗费大量的计算 时间，从而降低了对焦的效率；反之，义达不到精确的对焦效果。 其次是对焦窗口如何选择。通常而言，在一幅场景f f l 有前景和背景之分，前景就 2 太原理l ：人学硕十研究生。伊沦文 是人们关心的卡成像f 1 标。在完成自动对焦时，如果对整幅图像进行对焦，不仅计算量 大，对焦速度f i 高，还有叮能岗为包含了过多的无关背景信息而影响对焦效粜，因此一 般仅对包含丰成像目标的一个小区域进行自动对焦。好的对焦窗口选择方案町以使j t 成 像目标准确对焦，还可以提高系统的对焦速度。因此，对焦窗u 的选择是实现自动对焦 的一个重要方面。 再次是如何让系统找到最清晰图像，即寻找图像最清晰时对应的评价函数的算法。 好的搜索算法对提高对焦速度至关重要。根据以往的研究结论，评价函数最大时对应的 图像最清晰，所以这其实是寻找最大值的过程。寻找最大值的数学方法不胜枚举，然而 许多这样的算法在数码相机、摄像机系统实际应用中难以实现，目前应用最多的还是称 为爬山法的搜索算法1 1 7 - 2 1 1 。 尽管目前对焦深度法相对于其它自动对焦技术而言得到了广泛应用，但由于该自动 对焦技术一般需要用成本较高的d s p 来实现，因此生产成本高。出于降低生产成本的 考虑，基于频域带通法的自动对焦技术也被广泛采用。频域带通法就是将c c d 输出的 视频信号送入模拟带通滤波器，提取出反映图像清晰度的高频分量，对该高频分量构建 简单的评价函数( 如对高频分量求和) 作为对图像清晰度的评价。基于频域带通法的自 动对焦技术能用简单的模拟元器件和单片机来实现，成本低、实时性好。它所涉及的关 键问题主要包括评价函数的构建、带通滤波器的设计等。 综上所述，虽然目前人们对以上自动对焦技术进行了大量研究并取得了丰硕的成 果。但是，现有数字成像系统中的自动对焦技术仍存在各种各样的缺点，并有待进一步 的改进。在如何提高对焦图像质量、如何选择对焦评价函数和对焦区域、如何进行反馈 控制、如何提高对焦速度以及如何降低成本等方面，还有诸多问题有待解决。所以，对 自动义寸焦技术的进一步研究= ：常必要。 1 2 本课题的研究背景及意义 目前，国外一些著名的照相机公司，如柯达、奥林巴斯、潘太克司在相机中使用的 自动调焦技术已经相当成熟，而国内由于在这方面起步比较晚，竞争力一直相对薄弱， 加入w7 f o 后，数码相机、摄像机零关税导致国产数码相机、摄像机失去了以往的价格 优势，缺乏核心技术极大地限制了国产数码相机、摄像机的发展，2 0 0 7 年的一份中图数 码相机 j 二、i ks c p 研究报告表明目前从数码相机的品牌占有率来看，国6 t - ) - 一商一直都t i 掘 着二 ：导地位，9 0 以上的f 订场份额都被国外品牌所占据，其中同本品牌占到了7 0 以i ：， 3 太原理i 人学硕一 ：研究尘学f 声论文 而【q ，江品牌的市场份额仅在5 r ：右。之所以出现这样的情况，主要原吲是我们没订：掌 握其中的关键技术。自动对焦技术、非球面生产及检测技术、大规模集成f u 路制造技术 等方而的落后造成了我国企业市场应变能力相当薄弱，旦市场m 现变化，如随着技术 成熟，国际市场上同类产品价格大幅下降，我们缺乏关键技术将导致产品成本无法降低， 因此_ 在市场上缺乏竞争力。此外，从长远来看，由于目前中因数码相机、摄像机的普及 率还不高，远远低于发达国家和地区，这意味着中国数码相机、摄像机的市场潜力是十 分巨大的。我们只有掌握了自动对焦的关键技术，才能提高我国数码相机行业的市场竞 争力。同时，自动对焦技术也可以应用到其它光电成像系统当中。由此可见，在目前的 情况下，继续做自动对焦方面的研究对促进我国的民族工业有着非常重要的意义。 1 3 本文的研究内容 本文对自动对焦算法所涉及的各种关键问题进行了研究。其中包括：对焦图像预处 理、评价函数的确定、对焦窗口的规划、搜索算法的改进等。在对这些关键问题研究的 基础上，设计了基于p c 机的自动对焦系统实验平台。该自动对焦系统对焦效果好，对 焦速度快。此外，从降低成本的角度考虑，文中还采用数字仿真的方法对一类可以用简 单的模拟元器件和单片机来实现的频域带通法进行了研究。具体内容如下： 1 对焦图像预处理 在拍摄图像以及图像数字化的过程中，由于各种影响会使对焦图像出现不尽人意的 退化，如光线的影响、噪声的影响等，文中对于光线的影响造成图像偏亮或偏暗的情况， 采用直方图均衡化的方法改善图像效果。对于图像中存在噪声的情况，针对两种常见的 噪声：椒盐噪声和高斯噪声分别提出了去噪方案，其中椒盐噪声适合采用中值滤波法滤 除，高斯噪声适合采用维纳滤波泫滤除。 2 评价函数的选择 评价函数小仪决定了自动对焦的准确度，而且对对焦速度也有一定的影响，因此评 价函数的研究是本文的一个重要内容。一幅图像是否聚焦，反映在空域上是图像的边界 及细节部分是否清晰，在频域i - _ n 是图像的高频分晕是否丰富。前者可以通过对图像进 行微分来获取图像的边缘及细节信息，后者可以对图像进行f f t ( 快速傅：遗叶变换) 束 获取图像的频谱信息。论文对常见的频谱评价函数、梯度评价函数进行了i 千细的仍真研 究和对比分析。研究结果表明，b r e n n e r 梯度评价函数对焦效果好，对焦速度快，被用 到了基- j ：p c 机的自动对焦系统实验平台中，耿得了很耍了的对焦设粜。 4 人原理i ：人宁硕 ：彬l 究生学伊论文 3 对焦窗的规划 在自动对焦的过稃中，如果对构成整幅图像的像素进行评价函数的计算，不但需要 大量的时问，使自动对焦速度降低，而且对对焦的准确性有害无益，所以对焦窗口的选 择是必要的。传统的中央选择法和多区域选择法并不能适用所有的情况。本文通过统计 5 0 0 幅优秀摄影作品放置主题位置的方法来研究人们拍摄景物时构图的心理趋向，在此 基础上对基于黄金分割点的对焦窗口规划方案提出了改良，改良后的黄会分割法选取图 像中心的6 4 x 6 4 个像素以及以四个黄金分割点为中心的3 2 x 3 2 个像素的总共5 个区域作 为对焦窗口，这一方案对于景物的拍摄能取得很好的对焦效果。同时，本文还将人脸识 别的方法应用到对焦窗口的选择方案中，针对主成像目标是人物，且不位于图像中心的 情况( 当主成像目标位于图像中心时，采用中央法即可取得很好的效果) ，提出了基于 皮肤探测的对焦窗口选择方案。并将以上对焦窗口规划方案用于基于p c 机的自动对焦 系统实验平台巾，设计了三种可供人为选择的对焦窗口规划模式，分别是中央选择法、 改良的黄金分割法以及皮肤探测法。 4 自动对焦搜索算法的研究与改进 文中对目前广泛采用的爬山算法进行了分析，传统的爬山算法存在很多问题，如镜 头处于远离焦位置时难以确定电机转动方向、噪声容易造成局部最大值、镜头来回移动 存在弊端等，凶此本文提出丫爬山算法的改进模型，该模型进行两次穷举搜索，第一次 在大范围内采用变步长进行穷举搜索将自动对焦限制在一个小范围之内，第二次在小范 围内采用最小步长进行穷举搜索，搜索到的最大值作为最佳成像位置。该方法在确保对 焦精度的前提下，极大地提高了对焦速度。 5 频域带通法的研究 频域带通法足将摄像机输出的视频信号送入模拟带通滤波电路，从而析出反映图像 清晰度的高频分鼍，并用这些高频信息构建合适的评价函数完成对图像清晰度的评价的 一种方法，该方法最大的优点就是生产成本低。为j ，避免硬件调试的复杂性，本文用数 字仿真的方法对频域带通法进行了研究。采用在计算机中对图像采集卡采集的数字图像 进行逐行数字滤波的方式来代替模拟滤波电路的作用。将摄像机输出的视频信号通过视 频采集卡送入；卜算机，l ：汁算机中对数宁图像进行逐行数字滤波提取高频分最，实验中 对高频信息构建了两种评价函数，分析比较了这两种评价函数的对焦效果，确定了带通 滤波器的中心频率和带宽，从而为实现等价的模拟硬件电路和设计基于频域带通法的自 动对焦系统提供了理论基础与参数支持。 5 太原瑚1 人学碗 4 明究，1 7 f ? i 论文 6 将传统频域带通法扩展到二维空间的探索 传统的频域带通法对图像逐行滤波，提取出的高频分量只能反映f “图像每行之内 的变化，完全小能反映一帧图像行与行之问的变化，因此卜仪图像的行f 、h j 变化信息小能 得到利用，而且基于传统频域带通法实现的自动对焦系统对横条文图像不能正确对焦。 文中，通过对一帧图像进行二维数字滤波来提取高频分量，从而用数字仿真的方法对将 传统频域带通法扩展到二维空间进行了探索性的研究，并探讨了在二维空间实现的频域 带通法的对焦效果。实验发现，这一方法的对焦效果好于传统的频域带通法，尽管对图 像在二维空间