（机械制造及其自动化专业论文）基于图像处理的自动对焦理论和技术研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 自动对焦技术是机器人视觉、数字成像系统和各种精密光学仪器中的关键 技术。随着科学技术的飞速发展，数字成像系统中的精确自动对焦问题越来越 受到人们的普遍关注，其应用也显得越来越重要。这对进一步提高测量精度、 测量速度及测量自动化程度、减轻操作人员的劳动强度等方面具有重要的现实 意义。 自八十年代末以来，围绕自动对焦的问题，国内外学者做了一些研究，取 得了一定的成绩。但是，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。在如何选择对焦评价函数和对焦 区域、如何进行反馈控制和如何提高对焦速度等方面，还有诸多问题有待解决。 论文首先总结了前人所作的大量工作，介绍了国内外自动对焦技术的发展 情况以及自动对焦的基本方法。在傅里叶光学理论的基础上，分别给出了点扩 散函数和光学传递函数，并分析了光学成像系统中数字图像清晰的机理。 然后针对自动对焦的三个关键模块( 对焦窗口选择、清晰度评价函数和极 点搜索算法) 进行了分析。自动对焦系统中对焦窗口的选择直接影响着对焦的 速度和准确性。基于对焦窗口选择的重要性，论文通过对一个简单而实用的分 析模型深入分析验证了对对焦窗口选择的必要性，并对几种常用的选择方法进 行了介绍，最后提出了在不同成像条件下窗口选择的一般策略。 针对对焦函数的精确度不够高，抗噪能力不强等问题，在比较、研究图像清 晰度评价函数和边缘检测的基础上，提出了一种新的函数，该函数采用改进的 s o b e l 边缘检测算子作为评价函数，在一定程度上有效地解决传统自动评价算子 梯度计算中的方位局限的问题。同时将作为表征图像整体噪声分布的参数标准 差作为阈值引入到函数中来消除噪声的影响。仿真实验证明，该算子具有单峰 性强、灵敏度高和抗噪能力好等特点。 极点搜索算法则是实现对焦点的搜索和定位，通过比较评价函数值决定镜 头移动方向，反馈控制直至成像质量最佳。文章介绍了常用的极点搜索算法， 包括斐波那契搜索算法、函数逼近法、“盲人”爬山算法等，针对传统爬山算法 容易陷入局部极值的缺点，文章提出了改进的“盲人”爬山算法。 论文最后对自动对焦系统的软硬件平台进行了简要讨论，并且对论文进行 了总结，对今后的工作进行了展望。 关键词：自动对焦，对焦窗口选择，清晰度评价函数，极点搜索算法 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o f o c u s i n gt e c h n o l o g yi sak e yt e c h n o l o g yi nt h er o b o tv i s i o na n di m a g i n g s y s t e ma n dv a r i o u so p t i c a lp r e c i s i o ni n s t r u m e n t s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h ea u t o f o c u s i n gp r o b l e mh a sb e e nm u c hc o n c e r n e db y p e o p l e ，a n di t sa p p l i c a t i o nh a sb e e nm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t i tc a ni m p r o v et h e a c c u r a c ya n ds p e e do fm e a s u r e m e n t a u t o m a t i cl e v e la n dr e d u c et h el a b o r i n gi n t e n s i t y e t c f r o mt h el a t ey e a r so f8 0 s ，d o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r sh a v em a d em a n y r e s e a r c h e sa n da c h i e v e m e n t si nt h ea u t o f o c u s i n gf i e l d h o w e v e r , a tp r e s e n tt h e r ea r e s t i l lm 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 b e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo fi m a g i n go b j e c t sa n dc o n d i t i o n s s u c ha sh o wt os e l e c t f o c u sf u n c t i o n sa n df o c u sw 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 ，a n dh o wt o i m p r o v et h ea u t o f o c u s i n gv e l o c i t ye t c ，a r ef a rf r o mc o m p l e t e l ys o l v e d f i r s t l y , m u c hw o r ko fp r e d e c e s s o r si ss u m m a r i z e d ，a n dt h ed e v e l o p m e n to ft h e a u t o f o c u s i n gt e c h n i q u ea th o m ea n da b r o a di si n t r o d u c e d 雏w e l la st h eb a s i c m e t h o d so fa u t o - f o c u s i n g b a s e do nf o u r i e ro p t i c a lt h e o r y , p s f ( p o i n ts p r e a d f u n c t i o n ) a n do t f ( o p t i c a lt r a n s f e rf u n c t i o n ) a r ei n t r o d u c e d t h e nt h em e c h a n i s m w h yd i g i t a li m a g ei sf o c u s e di no p t i c si m a g i n gs y s t e mi sa l s oa n a l y z e d t h e n ，t h et h r e ek e yt e c h n o l o g i e si na u t o - f o c u s i n ga r ea n a l y z e d t 1 l ef o c u s i n g w i n d o wd i r e c t l ya f f e c t st h es p e e da n da c c u r a c yo fa u t o - f o c u s i n g b a s e do nt h e i m p o r t a n c eo ft h ef o c u s i n gw i n d o w , t h en e c e s s i t yo fw i n d o w ss e l e c t i o ni sv e r i f i e d t h r o u g ha n a l y z i n gas i m p l ea n df u n c t i o n a lo p t i c a li m a g i n gm o d e l ，a tl a s t ，t h eg e n e r a l s t r a t e g yo fw i n d o w s s e l e c t i o ni nd i f f e r e n ti m a g i n gs i t u a t i o na r eb r o u g h tf o r w a r d a i m i n ga tt h ep r e c i s i o na n da n t i n o i s ea b i l i t yo ft h ef u n c t i o n ，b a s e do nt h e c o m p a r i s o n sa n dr e s e a r c h e so fs o m ew e l l k n o w na u t o f o c u s i n gf u n c t i o n sa n de d g e d e t e c t i o na l g o r i t h m s ，an e wc l a r i t y e v a l u a t i o nf u n c t i o nw a sa d v a n c e d i nt h i sf u n c t i o n ， a ni m p r o v e ds o b e lf u n c t i o nw a sa d o p t e d ，t os o m ee x t e n t ，t h ep r o b l e mo ft h el i m i t e d o r i e n t a t i o n si no t h e rc l a r i t y e v a l u a t i o nf u n c t i o n sw a ss o l v e de f f e c t i v e l y m e a n w h i l e ， s t a n d a r dd e v i a t i o na sat h r e s h o l dp a r a m e t e rw a si n t r o d u c e dt or e d u c et h ei n f l u e n c eo f n o i s e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h i sf u n c t i o nh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o w e r f u ls i n g l e a p e x ，h i g hs e n s i t i v ea n ds t r o n ga n t i n o s i ea b i l i t y p e a ks e a r c h i n g a l g o r i t h mr e a l i z e st h es e a r c h i n ga n do r i e n t a t i o no ft h ef o c a lp o i n t ， t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no ft h ee v a l u a t i o nf u n c t i o nv a l u e st od e c i d et h em o v i n gs t e p s a n dd i r e c t i o n s ，a n dg e tt h ef e e d b a c kt oc o n t r o lu n t i lg e t st ot h eb e s ti m a g i n gp o s i t i o n s e v e r a l c o m m o n l yu s e dp e a ks e a r c h i n ga l g o r i t h m s a r ei n t r o d u c e d ，i n c l u d i n g f i b o n a c c is e a r c h i n g ，f u n c t i o na p p r o x i m a t i o nm e t h o d ，a n dm o u n t a i nc l i m b i n g s e a r c h i n g a i m i n ga t t h el i m i t so ft r a d i t i o n a lc l i m b i n gs e a r c h i n g ，a ni m p r o v e d m o u n t a i nc l i m b i n gs e a r c h i n gi sp r o p o s e d i nt h el a s tc h a p t e r , h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r ea r ea l s ob r i e f l yd i s c u s s e d a l s o ，t h ec o n c lu s i o no fm yw o r ka n df u t u r ee x p e c t a t i o na r ep r o p o s e d k e y w o r d s ：a u t o f o c u s i n g ，f o c u s i n gw i n d o ws e l e c t i o n ，c l a r i t y - e v a l u a t i o nf u n c t i o n ， p e a ks e a r c h i n ga l g o r i t h m l l 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 成像是通过一个成像光学系统将客观三维世界中的景物变换n - 维成像平 面的过程。传统照相系统就是在成像平面上用光化学材料作为图像的接收媒介， 用像平面的光强分布和色度分布控制胶片上光化学反映的进程，以胶片曝光的 方式记录影像的。在成像平面上用c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 或c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a 卜0 x i d e s e m i c o n d u c t o r ) 等光电面阵器件接收图像信息 就成为数字成像系统。c c d 或c m o s 由数十万、数百万甚至数千万的光电像素列 阵组成成像平面，将图像光强分布和色度分布转化为以空间像素为取样单位的 离散电信号，然后通过a d 转换将电信号数字化，并用数字图像的方式压缩和 存储图像信息。数字成像技术彻底取消了传统的照相系统中的化学处理步骤， 使摄影过程更为便捷，与计算机系统的信息交换更为方便迅速。 成像质量是人们对多数光学系统进行研究时比较关心的重要问题之一，因 为它直接关系到研究的成果。由光学成像模型知，只有当图像处于对焦面时才 最清楚，具有更多的细节，而偏离对焦面即离焦时将造成图像模糊，质量下降， 因此如何准确地获取该对焦面就成为主要的问题。 图像采集系统中为了获得清晰的图像，焦距的调节至关重要。自动对焦的 实现使采集系统具备了一定的智能，在特殊应用中更可以代替手动对焦的环节， 譬如无人视频监控系统中焦距的调节、医学显微镜下焦距的调节等。但是，在 手动对焦系统研究发展中，图像是否对焦的判断是由人脑来决定的，为了得到 清晰的图像只得依靠专门的人员进行不断的、反复的手工操作，直到调到被测 对象的对焦位置。这样的一个过程花费的时间比较多，而且个人评判图像的清 晰度的标准跟理想的清晰图像存在一定的差距，因此单凭在个人主观条件下拍 摄的图片并不一定是最优的，而且在一些工作条件下人工操作会存在很大的困 难，效率极低。因此自动对焦控制系统的研究越显其必要性，在一些特殊的领 域内的应用变得很急需。 在近几十年来，特别是进入2 0 世纪7 0 年代以来，随着科学的飞速发展， 同其他领域一样，精密仪器领域也面临高精度、高速度、高稳定性和自动化的 要求，自动对焦技术也越显其重要性和必要性。图像测量技术是近年来在测量 领域中形成的新的测量技术，具有无接触、无损、抗干扰能力强、稳定性好、 武汉理工大学硕士学位论文 测量精度高等优越性，是当今检测技术的主要方向。相对传统的接触式测量， 图像检测法把图像作为检测和传递信息的手段或载体加以利用，其目的是从图 像中提取有用的信号。图像质量越好，对目标边缘的定位越准确，测量精度就 越高，而目标边缘的定位不准确势必影响测量的精确性。因此，实现图像检测 技术的自动化，关键也在于设计的系统能否做到自动对焦。 此外，自二十世纪八十年代以来，随着微电子技术、超大规模集成电路技 术、电子计算机技术的进一步发展，数字成像技术的发展日新月异，其前景普 遍为人们所看好，已广泛应用于工业、农业、医学、军事等领域，作为一种获 取图像信息的工具，它可以用于生产过程监控、工况检测、图像拍摄、显微观 察、医学图像分析、地质遥感和军事遥感等等。与此同时，数字相机、数字摄 像机己越来越接近人们的日常生活，市场中随处可见这类产品，已逐渐成为销 售热点之一。然而，无论是数字相机，还是数字摄像机，却极少出自中国大陆 及香港的设计，台湾也仅能设计这类产品中的最低档的产品。市场几乎一律是 日本、美国产品的天下，或是他们在中国的独资厂或是挂着国产品牌的外国货， 我们所能见到的国产品牌基本上是引进全套生产线生产出来的，或干脆是国外 现成产品贴牌销售。国内对自动对焦技术的研究水平还稍落后，具有自主知识 产权的自动对焦技术还是空白。之所以出现这样的情况，主要原因是我们没有 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、大规模集成电 路制造技术等方面的落后造成了我国企业市场应变能力相当薄弱，一旦市场出 现变化，例如随着技术成熟，国际市场上同类产品价格大幅下降，我们缺乏关 键技术导致产品成本无法降低，因此在市场上缺乏竞争力，所以，自主研发我 们自己的自动对焦技术有着非常重要的现实意义和应用前景。 本课题意在以c c d 作为成像器件，通过对所获得图像进行处理和分析，发 展完善自动对焦算法和手段，为数字相机、数字摄像机等数字成像产品的自动 对焦做理论及实验研究。 1 2 国内外自动对焦技术的研究现状 人们对于摄影的自动对焦设想很早就有了。1 9 6 3 年就有人试制过自动对焦 的样机，但是限于当时的工业技术水平，超大规模集成电路尚未问世，结果电 路复杂、机构体积庞大，始终不能如愿。作为现代成像系统中必不可少的一项 关键技术，自动对焦技术于2 0 世纪7 0 年代最初应用于照相系统。传统的对焦 技术大部分是基于测距原理的，如超声波测距法、反射能量法和一些基于三角 测距原理的方法。随着电子技术和信号处理技术的发展，人们对准确对焦图像 信号和离焦图像信号的鉴别能力得到提高，从而产生了基于视频信号分析的自 2 武汉理工大学硕士学位论文 动对焦技术，并应用于摄像系统。2 0 世纪9 0 年代后，以c c d ( 或c m o s ) 获取的图 像作为基本信息，以图像分析与处理技术作为基础的自动对焦技术得到了不断 创新和完善，开始应用于航天、医学、军事、工业机器人视觉以及各种精密测 量和高精密度投影仪器等领域，逐步发展成为- - f - j 集光、电、机械于一体的复 杂控制系统。 1 2 1 国外自动对焦研究现状 国外对于自动对焦领域的研究相对国内来说起步比较早，最早可追溯到 1 8 9 8 年，当时法国就有人进行过研究h 1 。近年来，国外在该领域内相关研究比 较有名的，例如，1 9 7 0 年美国斯坦福大学j m t e n e n b a u m 开展了计算机视觉系 统的自动对焦研究，其根据图像的特征提取离焦信号，通过调制梯度作为自动 对焦评价函数，实现了比较好的对焦效果u4 | ；1 9 8 3 年，英国瑞丁大学( u n i v e r s i t y o fr a d i n g ) 物理系g r e m b e b y j b 提出了调制传递函数作为离焦判据，这一判 据己经被光学界所接受，成为评价图像品质的一种很好的标准，并将其应用于 医疗内诊照相系统的自动对焦中心刭；1 9 8 4 年f r a n sc a g r o e n 等三人对以前研 究的自动对焦领域出现的各种评价函数进行了对比分析研究，通过对三类不同 图像的比较，发现在他们的研究中效果最好的是梯度平方根算子口引；1 9 8 7 年， r e n c l u o 提出了两个设计简单的快速算法，即能量最大值法和v a r i a n c e 直方 图法，对于漫反射物体在一定程度上可以实现自动对焦，大大减少了算术运算， 可以应用到远距离测量，目标跟踪和场景分析，机器人视觉系统中m 3 。 随着自动对焦技术理论研究的不断完善和c c d 技术的迅速发展，目前则更 多关注面向高精度的直接自动对焦系统在实际中的应用，利用c c d 用于工业图 像监控也越来越广泛。如美国9 0 年代末期开发的基于网络技术的零件在线检测 和监控系统；日本开发了一套焊缝在线自动定位检测系统，该系统在机械手焊 接过程中，通过c c d 采集焊缝图像微机处理后，控制机械手自动定位焊接，使 焊接质量向检测自动化、高速化、稳定化发展。 1 2 2 国内自动对焦研究现状 目前，国内的很多高校、科研院所以及企业单位致力于研究开发对焦系统， 虽然自动对焦系统的研究起步比国外晚，但也取得了巨大的成果。例如：1 9 8 5 年，上海光学仪器研究所采用光学的自准直方法研制完成集成电路光刻机自动 对焦装置。1 9 9 2 年，哈尔滨工业大学光学仪器教研室研制完成图像检测式频带 切割差动比较c c d 自动对焦系统，使我国在图像检测自动对焦领域内的研究跟 武汉理工大学硕士学位论文 国外8 0 年代的研究水平相当。清华大学白立芬等人研制的“集成电路线宽测量 系统”就是采用基于图像处理的显微镜自动对焦方法，具有较高的重复精度。 清华大学瞿蓬，林喜荣等人设计的“虹膜图像自动采集系统也是采用基于图 像处理的自动对焦方法，以图像的平均对比度为对焦清晰度判据。系统采用红 外照明，计算机在控制摄像物镜移动的过程中不断采集人眼图像，对每幅图像 首先定位虹膜区域，并根据该区域的对比度判断虹膜是否成像清晰，进行自动 对焦，获取最终用于识别的图像。通过实验证明，自动对焦比较精确，采集到 的虹膜图像具有较高的对比度、纹理特征丰富明显，符合后续处理和使用的要 求阳1 。华中科技大学的杨少波等对曲面成像的自动对焦方法进行了研究妲副，重庆 大学的任四刚对自动对焦在图像测量中的应用进行了研究n 引。此外，浙江大学、 山东大学、哈尔滨工业大学等也对自动对焦系统进行了深入研究n 3 儿汹1 。 性能良好而且判断准确的对焦准则及策略，对于精确的图像信息获取起着 极为重要的作用。在自动对焦技术领域的研究中，人们提出了多种多样的自动 对焦评价方法。其中，文献1 0 在对普通光学显微镜进行一定改装的基础之上， 设计了一套显微镜自动对焦系统，并且给出了图像的灰度差分绝对值之和算子， 解决了自动对焦过程中是否正确对焦的判断问题，最后还给出了一套基于启发 式搜索算法的对焦搜索策略，以加快焦平面的搜索引。文献1 1 针对过去爬山法 对焦效率低的问题，提出了一种新的大范围自动对焦快速搜索算法，利用对 v a r i a n c e 函数实现大范围的粗对焦，利用梯度平方函数实现在峰值附近的精确 对焦，该算法能够在保持对焦精度的前提下能够在大范围内快速对焦n 。文献 1 2 在熵函数研究的基础上，为了加快计算速度，利用了图像压缩的原理，在相 邻的4 个像素中，每次只抽取一个参加运算在不同的调整位置，循环采用4 个 候选像素，较好地解决了传统的基于熵函数的自动对焦方法存在的问题，实现 了快速准确的对焦要求n 羽。文献1 3 中根据r g b 图像与灰度图像转化关系和各分 量特征，提出了改进的局部最大梯度分量评价函数，经证明具有很好的适应性和 尖锐性1 3 】。 1 3 现有对焦技术存在的问题 自动对焦技术可以广泛应用于数码相机、摄像机、显微镜、望远镜、内窥 镜和计算机视觉系统。近几年来在这一领域投入了大量的人力和物力，并取得 了一定的成果，很多已经被广泛应用于工业生产检测。但是，还有一些问题没 有很好地解决，主要体现在： ( 1 ) 对焦精确度不够高，容易产生误对焦。 ( 2 ) 对焦稳定性不强，容易受到环境和硬件中各种噪声的影响。 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 对焦速度达不到要求，智能化程度和实时性有待提高。 另外，系统硬件方面也存在一些问题，如控制镜头移动的步进电机存在误 差；镜头移动存在惯性；硬件驱动存在时间延迟等等。因为这些难以避免的问 题的存在，导致了自动对焦算法的复杂性和提高的困难性，也使得现在很多具 有自动对焦功能的数码相机存在对焦速度慢和对焦不准确的普遍现象，所以对 自动对焦技术的进一步研究非常必要。 1 4 论文主要研究内容 图像清晰度的正确判定是自动对焦技术的关键，这一点在所有带有自动对 焦功能的成像系统中都是一致的，也是本课题研究的核心内容。因此，课题主 要解决对焦精确度和稳定性的问题，尝试提出一种正确稳定的对焦方法。研究 重点是相关的数字图像处理方法及其实现。具体包括以下内容： ( 1 ) 在论文的第一章，阐述了课题的研究背景及课题的意义，对国内外在该 领域内的研究状况及其所达到的研究水平进行了论述和分析，并提出了目前数 字式自动对焦存在的问题，确定本论文的主要研究内容。 ( 2 ) 在第二章中，介绍了课题的相关理论基础，主要是自动对焦的基本原理 和方法。详细叙述了成像模型，探讨了成像的光学理论，介绍了自动对焦技术 的一些基本方法。 ( 3 ) 论文的第三到第五章，也是论文的重点，主要讲的是系统涉及到的关键 技术，包括对对焦窗口的选择进行模型化和理论分析，提出了在不同情况下对 焦窗口的选择策略；详细分析了对焦深度法中常用的清晰度评价函数，并针对 现有算法存在的问题，提出了一种改进评价算法，克服了原有算法精度不高， 稳定性不强的缺点；最后在对现有极点搜索算法的分析研究上，针对传统爬山 算法容易陷入局部极值的缺点，提出了一种改进的搜索算法。 ( 4 ) 论文的最后一章简要讨论了系统的整体设计，硬件结构以及软件模块， 为以后算法的实际应用打下了坚实的基础。最后，归纳了全文所做的研究工作， 同时，对系统需要进一步研究的内容进行了相应的展望。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章自动对焦的基本理论和方法 自动对焦技术是自2 0 世纪7 0 年代以来迅速发展起来的，它是直接针对视 觉传感器获得的图像采用图像处理技术，对图像或图像的部分区域进行成像质 量分析，得到系统当前的对焦状态，然后通过驱动机构调整成像系统镜头的焦 距，从而实现准确对焦的。它的分类方式有很多种，包括传统的对焦技术以及 基于数字图像处理的自动对焦技术等。基于图像处理的自动对焦技术具有比目 测和手动调节方式更准确，更方便，速度更快，精度更高等优点。 2 1 自动对焦的基本原理 2 1 1 成像基本理论 点扩散函数p s f ( p o i n ts p r e a df u n c t i o n ) 和光学传递函数o t f ( o p t i c s t r a n s f e rf u n c t i o n ) 都是评价光学系统成像质量的基本工具。点扩散函数是基 于把物体看做是发光点的集合，并以一点成像时的能量几种程度来表征光学系 统的成像质量的。而光学传递函数是基于把物体看作是由各种频率的谱组成的， 也就是把物体的光场分布函数展开成傅立叶级数或傅立叶积分的形式。 所谓点扩散函数就是光学系统成像时，物空间一点发出的光在像空间上的 光强分布。任何平面物分布都可以看作若干小面元组合而成，而每个面元都可 以看作一个加权的函数。对于一个成像系统，如果能清楚地了解物平面上任一 小面元的光振动通过系统后，在像平面上所得光振动的分布情况，通过线性叠 加，原则上便能求得任何物通过系统后所成的像。根据傅里叶光学理论，可以 得到衍射受限系统的点扩散函数为瞳制： j i l = k 。f ，。f p ( x , y ) e x p 一瓦2 zb i x + y i y p ( 2 - 1 ) 上式表示物平面上t x o ，y oj 点的单位脉冲通过系统后在像平面上协r ，y rj 的光 振动分布，尸i x ，yj 是出射光瞳函数，在光瞳内其值为1 ，在光瞳外其值为零，d r 是光瞳面到像平面之间的距离，k 是与工o ，y o ，z r ，y r 无关的复常数。 物体u 。g 。，y 。) 通过衍射受限系统以后像分布u ，b i ，y 。) 是u 。仁。，y 。) 的理想 像u 。( x i ，y ；) 和点扩散函数 b ，y ) 的卷积。即： u j b j ，y f ) = u 口( 工f ，y f ) 率h ( x ，y ) ( 2 2 ) 6 武汉理工大学硕士学位论文 若光学成像系统的成像特性在空域中由点扩散函数| l z k ，yj 来表示，在频率 域中则用j l l b ，y ) 的频谱函数日( 亭，7 ) 来描述系统的成像特性。h ( 亭，7 ) 就叫做光学 成像系统的光学传递函数，o t f 是p s f 的二维傅立叶变换。 式( 2 2 ) 在频率域可以表示为： g i 帆，厂，) tg g 帆，归( 亭，r ) ( 2 3 ) 其中g f ( 六， ) 及q 怃，) 分别为u 。b ；，y ；) a u 。x i ，y 。) 的傅立叶变换，该式 即表示原始图像经过了一个传递函数为h ( 亭，7 ) 的滤波器的滤波。日( 亭，7 ) 的频谱 性将对g f ，) 的频谱特性产生影响，g 【丘，) 的频谱特性又体现了目标成像 的清晰度。 根据傅里叶光学理论，可以得到衍射受限系统的光学传递函数为乜引： fp b ，y ) p ( x + 肘f 亭，y + ；t d j 刀边咖 h 【亭，叩) z 二竺二! l = _ 了一 ( 2 4 ) fr | p b ，y ) i d x d y ：。毛 其中p b ，y ) 是出射光瞳函数，分子表示两个光瞳错开的距离为勉；时的重叠 的面积，分母是光瞳出瞳的总面积。光学传递函数反映的是系统对物体不同频 率成分的传递能力。如果把光学系统看成是线性不变的系统，那么物体经光学 系统成像，可视为物体经光学系统传递后，其传递效果是频率不变，但其对比 度下降，相位要发生推移，并在某一频率处截止，即对比度为零。 2 1 2 自动对焦基本原理 图2 - 1 显示了光学成像的基本原理。 图2 - 1成像模型 对于一个理想的薄透镜系统进行分析，可知： 7 武汉理工大学硕士学位论文 111 + 一= u ，厂 ( 2 5 ) 其中，u 是物面到透镜主面的距离，y 是透镜主面与像面的距离，厂是镜头 焦距，i m a g ed e t e c t o r 是图像探测器，d 是透镜孔径直径，s 是透镜主面与探 测器之间距离，这是薄透镜镜像公式的高斯形式。 很直观地可以知道，当h ， ，满足( 2 - 5 ) 式关系时，p 点光源成点像p ， 即为对焦状态，此时的成像平面称为对焦平面。而在实际应用中，如果物体对 焦不准确，则在图像探测器上会形成一个模糊像。根据几何光学的原理，这个 模糊像的形状与镜头孔径相似，为一个模糊圆。也就是说，若成像平面距镜头 的距离不是v 而是s ，那么，物点p 在成像平面上不是汇聚成一个点，而是扩散 成为具有半径为尺的圆形光斑，从而图像相应地会变得模糊。并且，成像平面 距对焦平面的距离s 一，越大，r 也就越大，图像就越模糊。由图2 - 1 中相似关 系知： r ：旦堕。旦生兰。旦s f ! 一1 1 ：s d ( 1 1 一一11 k = i 一i 一l l = s 一一l 2d2 y 2 ，s z ， “ s ( 2 6 ) 显然，如果s ，则尺为正值，这意味着图像探测器位于准焦位置的后方； 若s r 2 ( 2 - 9 ) 由以上分析可知，光学成像系统等价于一个低通滤波器，不同离焦情况下， 该滤波器所对应的截止频率不同。当尺越趋向于0 ，对焦越好，截止频率就越高， 即通过的高频分量越多。对焦不准确时，在空间域上表现为，点光源成像后形 成一定大小的模糊圆，且相邻的像素会相互影响；在频域上表现为，高频分量 的流失从而造成图像细节模糊。所谓自动对焦，就是用某种手段使光学成像系 统成像时进行自动调节使图像探测器位于理想成像位置上。 设景物是厂g ，y ) ；，( 厂) ，景物的频谱是f ) ，物像的频谱是g ) ，则有： g ( p ) = ( p ) f ( p ) ( 2 - 1 0 ) m c 2 f 门g ( p 1 2 d u d v ( 2 11 ) 其中m c 是图像能量，可见测量对焦图像的能量是估计尺的间接手段，而基 于图像处理的自动对焦技术，就是首先采集成像目标经过镜头所成的像，通过 对图像中或图像中的部分区域能量的测量，得出图像的清晰度评价值或离焦参 量，并根据处理分析所得的数据控制和驱动镜头对焦，最终获取准确对焦的图 像。 2 2 自动对焦的基本方法 随着各种成像设备自动化、智能化的迅速发展，自动对焦技术的应用越来越 广泛。自动对焦系统一般由两个功能模块构成，一个分析处理模块，一个控制 9 武汉理工大学硕士学位论文 驱动模块。分析处理模块判断输入图像是否对焦清晰，如果对焦不清晰则该模 块同时测算出这幅图像的离焦程度；控制驱动模块则根据分析处理模块提供的 相关信息来调整镜头驱动装置，使目标图像处于对焦状态。根据两个功能模块 的实现方法不同，自动对焦方法可以分成不同的种类，如表2 - 1 所示。 表2 - 1根据功能模块分类的对焦方法 对焦方法分析处理模块控制驱动模块 测距自动对焦 红外或超声波测距电机驱动镜头移动 焦点检测自动对焦反差检测或相位差检测电机驱动镜头移动 半数字式自动对焦计算图像的高频电机驱动镜头移动 分量能量值 全数字式自动对焦计算图像的点扩散函数根据点扩散函数 进行图像恢复 实际上，自动对焦可以从不同的角度做出不同的分类。比如从原理来分可分 为测距法，对比度法，相位法，图像恢复法等；从应用范围、应用时间来分可 分为传统的自动对焦方法和数字自动对焦方法；从是否从被测物体获取评价信 息来分可分为主动式对焦和被动式对焦。 2 2 1 传统自动对焦方法 ( 1 ) 测距法 测距法中包括有红外测距法、激光测距法、超声波测距法等，是通过向被摄 目标发射光或波辐射，并接收反射波来测量目标的距离和方位，然后通过计算 机来控制自动对焦。如超声波测距系统是根据超声波在摄像机和被摄物之间传 播的时间进行测距的。照相机上分别装有超声波的发射和接收装置，工作时由超 声振动发生器发出持续时间约1 1 0 0 0 秒的超声波，超声波到达被摄体后，立即返 回被接收器感知，然后由集成电路根据超声波的往返时间来计算确定对焦距离。 测距法的主要优点是：结构简单，可靠性高( 超声) ，对于细条被拍摄物能够 自动对焦，同时能够拍摄运动的物体，对暗物体或玻璃后面的物体都能进行自 动对焦( 红外) 。缺点是：不同物体的反射和吸收能力存在差异，从而有随机误 差，对于远距离或者小物体的拍摄精确度较差。 ( 2 ) 像偏移法 像偏移法利用三角测距原理，由被摄物体发出的光线，同时进入测距器的左、 右两端，并成像在接收元件上，通过两组间的信号比较，求得合适的对焦位置。 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。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 焦点检测自动对焦方法 焦点检测法主要用于单反相机中，它是在镜头的焦点附近设置自动对焦微型 组件，将镜头焦点直接作为探测对象的一种方式，它能够适应各种变焦镜头且 拍摄距离大。它分为反差检测和相位差检测两种。 ( 1 ) 反差检测法( 对比度法) 该方法是通过检测影像的轮廓边缘实现自动调焦的。像的轮廓边缘越清晰， 则它的亮度梯度就越大，或者说边缘处景物和背景之间的对比度就越大。反之， 离焦的像，轮廓边缘模糊不清，亮度梯度或对比度下降；离焦越远，对比度越 低。利用这个原理，将两个光电检测器放在底片位置的前后相等距离处，被摄 景物的像经过分光同时成在这两个检测器上，分别输出其成像的对比度。经运 算电路进行自动对焦控制或作对焦方向指示，当两个检测器所输出的对比度相 等时，说明对焦的像面刚好在两个检测器中间，即和底片的位置重合，于是对 焦完成。 ( 2 ) 相位差检测法 相位差检测法是根据基准光线和参考光线随被摄物距离不同而产生不同的 位置差，将该位置差转换算成相位差，将它与不产生相位差时比较，再根据对 焦运算，得到镜头的移动量和运动方向，然后由控制系统控制电机的运作调整 镜头，使其相位差为零，系统就完成对焦。 焦点检测法用于对焦的优点有：在一般状况下能够较好的实现对焦，检测装 置不需要发射源，能耗少；对于光学条件比较好的，能够实现远距离对焦。其 缺点为：对于运动的、细线条的、或者是低反差的拍摄体进行自动对焦有困难， 同时对含有偏光特性的拍摄体对焦也是比较困难。 2 2 3 基于数字图像处理的自动对焦方法 在数字成像系统中，一般应用数字图像处理的方法来实现自动对焦，主要的 对焦方法大致可分为两类：离焦深度法和对焦深度法。 ( 1 ) 离焦深度法 离焦深度法简称d f d ( d e p t hf r o md e f o c u s ) ，是一种从离焦图像中取得深 度信息从而完成自动对焦的方法。这种方法只需要获得2 - 3 幅的不同成像参数 下的图像，就可以完成自动对焦过程。这种方法要求事先用数学模型描述成像 系统，然后根据少量的成像位置获取的图像来计算最佳对焦位置。因为离焦深 度法所需图像数量小，大大减少了驱动电机等机械机构获取图像的次数，所以 速度较快，但是由于信息量少一些的缘故，精度会比对焦深度法低。 武汉理工大学硕士学位论文 d f d 方法主要有两类：一种是s a n gk uk i m h 4 1 等人提出的基于图像恢复的离 焦深度法，它是根据图像中的某些有代表性的信息近似地计算出成像系统的点 扩散函数，利用图像退化模型，反演计算恢复出模糊图像的原图。另一种是基 于离焦量估计的离焦深度法，通过获取2 - 3 幅不同照相机参数下的图像，对图 像的局部区域进行处理和分析，从而确定其模糊程度( 弥散斑的大小) 。根据几 何光学的原理可以找到弥散斑大小与镜头成像参数之间的关系，从而计算出最 佳成像位置。这种方式目前还不成熟，主要原因是在实际应用中成像系统的数 学模型在理论上还不能精确的确定( 只能近似的估计) ，导致误差极大；且要求 目标图像满足某种要求，限制了应用的范围；不同的镜头相关数学模型不同， 即使是同种型号相关参数也有一定出入，而这些都必须事先知道。这种方式目 前还处于理论研究和实验室应用中，采用这种方式实际应用的自动对焦系统未 见报道。 ( 2 ) 对焦深度法 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。它通过一个评价函数对不同对焦位置所成的像的清晰度进行评价，利用 正确对焦位置清晰度值最大这个特征找到正确对焦位置，这种方法往往要搜索 1 0 1 2 幅的图像才能够精确地找到这个位置。这种方法的理论基础在于认为理想 的自动对焦评价函数是单峰的，并且在峰值两侧都是分别单调的。这个峰值点 就是对焦最清楚的位置。因此为了准确的获得对焦最清楚位置，必须要减少噪 声及局部极值的干扰，可以通过f i b o n a c c i 搜索法，爬山法及曲线拟合法等来 实现寻找对焦最清晰点。 与有源探测的对焦方式和离焦深度法d f d 对焦方式相比，对焦深度法d f f 充 分利用了计算机处理数字信号的硬件高速性和软件灵活性，具有以下优点： 适应面广，稳定性相对好。由于图像是一切成像系统的根本结果，因此 该方法的适应面最广，任何成像系统均可以采用基于图像清晰度评价的自动对 焦方式。另外，由于该方法的输入是成像系统生成的图像，不依赖于其他因素， 因此干扰因素相对少，稳定性相对好。 对焦更加智能化，对焦判断更加灵活和多样。由于计算机处理图像的灵 活性，可以针对不同的使用要求，选择不同的判据进行对焦。例如，有时候我 们所关心的目标只是图像的某一个局部，而不是整幅图像的清晰程度。这时应 该针对图像中的这一局部进行处理和提取，用该局部的对比度作为对焦的根据。 有巨大的改进潜力。由于现代微电子技术的巨大进步，这种方式在成本 上可以不断降低，芯片体积上不断缩小以及性能上不断提高。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章主要分析了自动对焦的基本原理，基于薄透镜系统的成像模型，通过 对点扩散函数的分析得出了镜头系统等价于一个低通滤波器，以及通过图像能 量的计算可以判断图像是否对焦的结论。另外，本章中还介绍了自动对焦技术 的一些基本方法：包括测距法，像偏移法，焦点检测自动对焦以及离焦深度法 和对焦深度法等。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章对焦窗口的智能规划 对焦窗口是图像的兴趣区域，对焦是对兴趣区域的对焦。对焦窗口选择算 法直接地影响到对焦的复杂度、计算量和精确度。选择好了对焦窗口一方面可 以减少数据处理量，加快对焦速度；另一方面可以消除非兴趣区域对评价函数 曲线的影响，提高对焦精确度。通常情况下，兴趣区域为图像的前景部分，对 焦窗口即前景图像，混入背景部分会使评价函数曲线出现“双峰”或“多峰 。 缩小对焦窗口有助于减少计算量，加快对焦速度，但较小的对焦窗口容易受到 噪声的影响。因此，对焦窗口的选择是非常必要的，良好的对焦窗口对自动对 焦的准确性和对焦速度有显著提高。如何精确地实现兴趣区域的估计和分割， 用适当的对焦窗口实现对焦评价是本章的研