（机械设计及理论专业论文）视频监控系统中自动调焦技术的研究.pdf

摘要 视频监控以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于许许多多的场合。传 统的数字视频监控系统仅仅提供了视频的捕获、存储、分发等简单的功能，而不 具备自动调焦的功能。随着信息化时代的到来，人们对视频监控的自动化程度的 要求越来越高。自动调焦技术是数字视频系统的是关键技术，该技术已广泛应用 于数字成像系统、计算机视觉系统以及显微镜仪器等广大领域。国内外许多学者 对自动调焦技术进行了大量研究，但是仍存在着许多问题。 本文通过对视频监控系统的深入研究，详细介绍并分析了相关技术一视频通 信、图像清晰度评价、自动搜索聚焦等技术。 1 在通过对图像清晰度评价算法的仿真实验及对比研究，并分析总结各种传统 算法的优越性和局限性的基础上，本文提出了一种基于窗口模式及兴趣参数 的评价函数。该方法突出了图像上重要信息，弱化或忽略掉次要或无用信息。 实验数据结果分析表明新算法的图像清晰度评价速度更快，结果更准确可靠。 2 详细分析了监控系统中每个模块的相关原理和硬件特点，设计并制作了基于 计算机串行通信的自动调焦监控原型系统，利用计算机的串口对摄像机内电 机的控制，实现自动调焦的功能。在原型系统中，通过对新算法与传统算法 的对比，验证的新算法的优越性。 关键词：视频监控；自动调焦；图像清晰度评价；自动搜索 a b s t r a c t d u et oi n t u i t i o n ，c o n v e n i e n c ea n dr i c h c o n t e n ti n f i o r m a t i o n ，v i d e os u r v e i l l a n c e i sw i d e l vu s e di nm a n yo c c a s i o n s i n s t e a do ft h ea u t of b c u sf h n e t i o n ， t r a d i t i o n a l d i g i t a lv i d e os u r v e i l l a n c eo n l y p r o v i d e ss o m es i m p l e f u n c t i o n s ，s u c ha s ， v i d e o c a p t u r i n g ， s t o r a g ea n dd i s t r i b u t i o ne t c w i t ht h ea d v e n to fi n f o r m a t i o nt i m e s ， t h e r e q u i r e m e n t so fi n t e l l e c t u a l i z a t i o na n da u t o m a t i z a t i o n sl e v e l so fv i d e os u r v e i l l a n c e b e c o m eh i g h e ra n dh i g h e r a u t of - o c u st e c h n o l o g yi st h ek e yt od i g i t a lv i d e os y s t e m ， w h i c hh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ， s u c ha s ， d i g i t a li m a g i n g ，c o m p u t e r v i s i o n ， a sw e l la sm i c r o s c o p e se t c m a n ys c h o l a r sh a v ec o n d u c t e dag r e a td e a lo f r e s e a r c ho na u t of o c u st e c h n o l o g y ， w h i l em a n yp r o b l e m ss t i l ln e e dt ob es o l v e d i nt h i sp a p e r ，w eh a v ed o n ed e e p l yr e s e a r c ho nt h ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m ， i n t r o d u c ea n da n a l y s i st h er e l e v a n tt e c h n i c a li nd e t a i l ，s u c ha sv i d e oc o m m u n i c a t i o n ， e v a l u a t i o no fi m a g ec l a r i t y ，a u t o m a t i cs e a r c hf o c u se t c b ys t u d i n g o ne v a l u a t i o na l g o r i t h mo fi m a g ec l a r i t ya n da n a l y z i n gt h e a d v a n t a g e sa n dl i m i t a t i o n so ft r a d i t i o n a la l g o r i t h m s t h i sp a p e rp r o p o s ean e w a l g o r i t h mb a s e do n w i n d o w - m o d ea n d i n t e r e s t e d - p a r a m e t e r s t h e m e t h o d h i g h l i g h t st h ei m p o r t a n ti m a g ei n f o r m a t i o n ， w e a k e n e do ri g n o r e dm i n o ro r u s e l e s si n f o r m a t i o n t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t a ld a t as h o wt h a tt h ee v a l u a t i o n s p e e di s m o r er a p i d l yb yu s i n gt h en e wm e t h o da n dt h er e s u l t s i sm o r e a c c u r a t e l ya n dr e l i a b l e a r e ra n a l y z i n gt h er e l e v a n tp r i n c i p l e sa n dh a r d w a r ef e a t u r e so fe a c hm o d u l e d e t a i l e di nt h em o n i t o r i n gs y s t e ma n dd e s i g n e dap r o t o t y p es y s t e mo fa u t o m a t i c f o c u s i n gm o n i t o r i n gb a s e do nt h ec o m p u t e rs e r i a lc o m m u n i c a t i o nb yu s eo f c o m p u t e rs e r i a lc o n t r o l l i n gt h ec a m e r ai n s i d et h es t e p p e rm o t o r t oa c h i e v et h e f u n c t i o no fa u t of o c u s a m o n gt h i ss y s t e m ，w ep r o v e dt h es u p e r i o r i t yo ft h e n e wa l g o r i t h mb yc o n t r a s t i n gn e wa l g o r i t h mw i t ht r a d i t i o n a la l g o r i t h m k e yw o r d s ： v i d e os u r v e i l l a n c e ；a u t of o c u s ；e v a h l a t i o no fi m a g ec l a r i t y ； a u t o m a t i cs e a r c h n 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：日期：沙彳年 f 月 ，男日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：歹妻稼 日期：沙哆年 f 月r 髫日 导师签名： 醐一歹月枷 1 1 课题景背与意义 第一章绪论1 帚一早三百了匕 对于某些重要场合，如银行、商店、停车场、生产车间、军事基地等，出于 管理和安全的需要，人们必须知道该区域内发生的事件，于是采用某种特定方法 来监视该场景，并且及时地对发生的异常事件做出适当的反应，这就是所谓的监 控。监控系统是一个集计算机网络、图象处理、自动控制、多媒体和现代通讯等 新技术于一体的智能化安全系统。监控系统具有技术先进、功能实用、适应各种 通讯线路等特点。 随着网络的不断深化，视频监控技术有了长足的发展。视频监控以主角的身 份在安防系统中承担着检测安全区域边界或者特定区域内的违法活动，如应用于 银行、小区、超市等；以类似人眼的功能在生产车间流水线上可代替人工值守； 以其直观、方便、信息内容丰富而被广泛用于水利水电行业，如：大坝、发电厂 房、变电站、堤防等处；以电子眼的方式在交通运输方面进行违章、流量监测等 应用。总之，伴随着i t 技术的日新月异，新型电子元器件的出现、网络的普及、 计算机性能的提高、图像处理及传输技术的发展，各行各业对视频监控的需求也 在不断地升温阳一3 。 现有的大部分监控系统可分为二类：固定、不间断的视频监控和人为控制的 视频监控。前者通过一个固定的摄像机一天二十四小时不间断地采集视频图像并 传输至存储设备存储。这种监控实际上只起到了一个录制视频图像的作用，当有 违法活动时用来当作事后证据( “a f t e rt h ef a c t ) ，没有起到适时和主动监控 的作用，而且需要大容量的存储设备来保存采集到的视频图像，事后的查询工作 也非常不便；人为控制的视频监控是通过人在控制室观测监控点的摄像机传过来 的视频图像，监测是否有异常情况发生并对其进行报警或其它处理。但是具体监 测是一个细致和连续过程，而且当有非正常情况出现时，为了清晰地观察到该情 况的发生，需要对摄像机进行调焦处理，实现聚焦从而得到清晰的画面。人长期 执行这种枯燥的监测是不可靠的，而且费用也很高。如果能针对这些不足方面， 对现有的视频监控系统进行改进，结合数字图像处理和自动控制技术，使其通过 自动调焦处理得到清晰图像，提取并存盘，有必要时还可以自动报警，则可以节 省大量的人力和物力资源h “1 。 在自动调焦监控系统，如何使摄像机通过搜索调焦得到清晰的视频图像是整 个系统中一个关键、核心的技术。当前，自动调焦技术在少量产品中已有应用， 但是仍存在一些问题，如实时性不强、抗噪性弱等缺点。因此，对监控系统中自 动调焦技术进行深入研究，提高自动调焦的速度和准确性，具有非常重要的理论 和现实意义。 1 2 视频监控系统简介 人类接受信息大部分来自视觉，视觉具有直观、真实和具体生动等特点，而 视频和图像是对客观事物形象、生动的描述，是直观而具体的信息表达形式，是 人类最重要的信息载体。特别是在今天的信息社会，随着计算机网络、通信和微 电子技术快速发展和人民物质生活水平的提高，视频监控以其直观、方便和内容 丰富等特点，日益受到人们的青睐，因此视频监控在许多领域中占有十分重要的 地位。 从监控技术的发展方面来看，监控大致可分为三个阶段：人力现场监控、人 力视频监控和智能视频监控3 。从视频监控技术的发展来看，视频监控技术经历 了模拟视频监视、基于p c 的多媒体监控和基于网络的数字视频监控三个发展阶段 阳1 。而基于网络的数字视频监控技术的开发和应用已经成为当今视频应用的一个热 点。 早期由模拟视频技术产生的闭路视频监控系统是我国第一代视频监控产品； 2 0 世纪9 0 年代中期，出现基于p c 机插卡式的视频监控系统，初步实现了数字化 监控，但图像质量、稳定性以及远程传输技术仍然不足；至9 0 年代末，系统的结 构由集总式向集散式过渡，集散式系统采用多层分级的结构形式和实时多任务、 多用户、分布式操作系统，集散式监控系统的硬件和软件采用标准化、模块化和 系列化的设计技术，同时用户在监控需求方面的要求不断提升，这些因素促成了 网络视频监控技术的产生。 数字视频监控是一项完全基于宽带网的图像远程传输、远程管理的业务，它 可以实现监控、报警联动、管理及视频存储等功能。与前两代监控技术相比，数 字视频监控具有诸多的优势。 首先，可以利用现有的宽带网络资源实现远距离监控，不需要为新建监控系 统铺设线路； 其次，具有良好的系统扩展能力，只需要增加监控点设备就可扩展新的监控 点： 第三 第四 第五 第六 前端设备是即插即用、免维护系统，维护费用低； 业务功能强大、管理功能丰富； 全数字化存储方式，便于保存和检索； 只要安装了客户端软件，并给予相应的权限，用户就可随时随地通过 互联网浏览相关监控点的情况。 2 在第一代和第二代的全部以及第三代的绝大多数视频监控产品都是不具备自 动调焦的功能，而是依靠人力来实现调焦而得到所需要的清晰画面图像。在第三 代数字监控产品中，有部分公司的产品已具备自动调焦功能，但是由于监控的环 境、外界噪声影响等因素，仍会出现自动调焦失败的情况。随着多媒体和摄像功 能的增强，目前市场上的一些高档照相机、高档手机中都己经加入了自动调焦功 能，因此，自动调焦技术具有非常广阔的应用前景。 1 3 基于数字图像处理的自动调焦技术 1 3 1 数字图像处理技术 计算数字图像清晰度值是自动调焦过程中核心技术之一，而一幅图像的清晰 度值是需要先对图像进行相关分析处理才能获得的。图像处理的方法可以分为两 大类，即光学图像处理和数字图像处理。当然也有将光学和数字相结合的混合图 像处理。 图像是指当光辐射能量照在物体上，经过物体的反射或透射，或由发光物体 本身发出光的能量，在人的视觉器官中所重现出的物体的视觉信息。因此，照片、 传真、电视、图画等都属于图像范畴。根据记录方式的不同，图像可分为两大类， 一类是摸拟( a n a l o g ) 图像，另一类是数字( d i g i t a l ) 图像。摸拟图像是通过某 种物理量( 光、电) 的强弱变化来记录图像上各点的灰度信息的；而数字图像则 完全是用数字来记录图像灰度信息的。因而数字图像比模拟图像更易保存，不会 因保存时间过长而发生失真现象。 随着数字技术的不断发展和应用，现实生活中的许多信息都可以用数字形式 的数据进行处理和存储，数字图像就是这种以数字形式进行存储和处理的图像。 利用计算机可以对它进行常规的图像处理技术所不能实现的加工处理，还可以将 它在网上传输，可以多次拷贝而不失真。 光学图像处理( 0 p t i c a li m a g ep r o c e s s i n g ) 就是用光学的方法对模拟图像作 某种处理。如：用光学傅里叶透镜对图像进行二维傅罩叶变换等处理。光学图像 处理是一种典型的模拟图像处理。 数字图像处理( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) 又称为计算机图像处理，它是 指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程，是利用计算机 对图像进行各种处理的技术和方法阳h 钆1 1 1 2 1 。这里说的“计算机”是广义的，它 不仅指通用计算机，也指由d s p ，各种处理芯片( a s i c ) 等构成的通用或专用处理 系统。而这里的“处理”则有广义和狭义的不同理解，它涉及的内容包括了图像 处理，模式识别和计算机视觉中的许多概念和方法。 数字图像处理的基本步骤如图1 1 ： 图1 1 数字图像处理的基本步骤 在本课题的带自动调焦功能的视频监控系统中，我们需要涉及的数字图像处 理技术主要有如下几种： 1 图像获取是基本步骤中的第一步处理。通常，图像的获取包括如何设置比例 尺等预处理。在自动调焦系统中，图像获取就是如何将摄像机获取的模拟视 频信号转换成对应的数字图像信号并进行相应的处理。 2 图像增强是数字图像处理领域最简单又最有吸引力的领域。简单来说，图像 增强技术的基本思路就是显现那些被模糊了的细节，或简单地突出一幅图像 中某些特征。图像增强是处理中非常主观的领域，这一原则十分重要。图像 增强的处理手段包括去噪和去模糊复原等，在本课题设计中的数字图像的预 处理将运用到这一技术。 3 彩色图像处理目前已经成为一个越来越重要的领域。彩色图像处理技术和灰 度图的数字图像处理技术有很强的关联性。 4 小波分析是在各种分辨率下描述图像的基础，多分辨率图像处理也是在这个 基础上发展起来的，近年来小波的应用十分广泛，成为数字图像处理中一个 重要的技术，这些理论也被用于图像处理数据压缩金字塔描述方法，在算法 中图像被成功的细分为较小的区域。 5 图像压缩，所涉及的技术是减少图像在计算机中的存储量，或者在图像传输 时降低频带。虽然存储技术在过去的十年内有了很大的进步，但对于传输能 力还没有找到突破性的办法，尤其在互联网上更是如此，互联网以大量的图 4 片内容为特征，目前3 g 手机的兴起，对图像传输技术又有了更高的要求。图 像压缩技术对应的图像文件扩展名对大多数计算机用户是不陌生的，例如j p g 文件扩展名用于j p e g ( 国际联合图片专家组) 图像压缩标准。 6 图像分割就是将一幅图像划分为背景和目标物，其中目标物是人们感兴趣的 部分，其他的称为背景。通常情况下，逐个分割是数字图像处理中最困难的 任务之一。要想成功地将物体分别识别出来( 即首先与背景分离) ，需要十分 复杂的分割过程和大量的处理工作，包括图像的预处理。通常不稳定的分割 算法几乎最终都会导致失败。一般情况下，分割越准确，识别越成功。图像 分割技术对本文中新的图像清晰度评价算法具有理论上的启发意义。 一个基本的图像( 处理和分析) 系统构成可由图1 2 表示。图中各模块都有 特定的功能，分别是采集、显示、存储、通信、处理和分析。为完成各自的功能 每个模块都需要一些特定的设备。图像采集可采用电荷耦合器件( c h a r g ec o u p l e d d e v ic e s ，c c d ) 的照相机、带有视像管的视频摄像机( v i d ic o n ) 和扫描仪( s c a n n e r s ) 等。图像显示可用电视显示器( t vm o n i t o r s ) 、随机读取阴极射线管( c a t h o d er a y t u b e s ，c r t ) 和各种打印机( p r i n t e r s ) 和磁光盘( m a g n e t o 一0 p t i c a ld i s k s ) 等。 图像通信可借助综合业务网( i s d n ) 、计算机局域网( l a n ) ，甚至普通电话网( p s t n ) 等。最后，图像处理和分析主要是运算，所使用的设备主要是计算机，当然必要 时还可借助专用硬件。 图1 2 图像系统的构成示意图 为了采集图像，需要两种装置( 器件) 。一种是对某个电磁能量谱波段( 如x 射线、紫外线、可见光、红外线) 敏感的物理器件，它能产生与所接受到的电磁 能量成正比的( 模拟) 电信号；另一种称为数字化器，它能将上述( 模拟) 电信 号转化为数字( 离散) 的形式。所有采集数字图像的设备都需要这两种装置。 对于图像处理来说，处理的结果主要用于显示给人看。对于图像分析来说， 分析的结果也可以借助计算机图形学技术转换为图像形式直观地展示。所以图像 显示对图像处理和分析系统来说是非常重要的。 图像包含大量的信息，因而存储图像也需要大量的空问。在图像处理和分析 系统中，大容量和快速度的图像存储器是必不可少的。在计算机中，图像数据最 小的量度单位是比特( b it ) 。存储器的存储量常用字节( 1 b y t e = 8 b i t ) 、千字节( k b y t e ) 、兆( 10 6 ) 字节( mb y t e ) 、吉( 10 9 ) 字节( gb y t e ) 、太( 10 1 2 ) 字节( tb y t e ) 等表示。存储1 幅1 0 2 4 1 0 2 4 的8 b i t 图像就需要1 mb y t e 的存储器。 图像通信可分为近程通信和远程通信，近程图像通信主要是指在不同设备间 交换图像数据，现已有许多用于局域通信的软件和硬件以及各种标准协议；远程 图像通信主要指图像系统之间传输图像。长距离图像通信遇到的首要问题是图像 数据量大而传输通道比较窄。例如，目前常用的电话线的速率为9 6 0 0 b i t s ，如果 以这样的速率传输1 幅5 12 5 1 2 的8 b it 图像就需要3 0 0 s 。利用中继站的无线传 输速率比较高，但费用增加得更高。解决这个问题需要对图像数据进行压缩，这 个就要靠下面介绍的图像处理和分析模块完成。 对图像的处理和分析一般可用算法的形式描述，而大多数的算法可用软件实 现，只有在为了提高速度或克服通用计算机限制的情况下才使用特制的硬件。进 入2 0 世纪9 0 年代，人们设计了各种与工业标准总线兼容的可以插入微机或工作 站的图像卡。这不仅减少了成本，也促进了图像处理和分析专用软件的发展。这 些图像卡包括用于图像数字化和临时存储的图像采集卡，用于以视频速度进行算 术和逻辑运算的算术逻辑单元。 1 3 2 数字图像聚焦原理 由傅罩叶光学理论可知，图像清晰或聚焦的程度主要是由光强分布中高频分 量的多少决定，高频分量越丰富则图像越清晰，高频分量越少则图像越模糊。因 此可以利用图像光强分布中高频分量的含量多少来作为图像聚焦评价函数的主要 判断依据。 由于图像存在边缘部分，当完全聚焦时，图像最清晰，包含边缘信息的高频 分量也就最多；当离焦时，图像模糊，高频分量较少。因此，可通过图像边缘信 息的高频分量的多少来判断图像是否聚焦。 1 3 3 自动调焦技术的研究现状 传统的调焦技术大部分是基于测距原理的，如超声波测距法n 3 1 “临1 、反射能 量法n6 i ，和一些基于三角测距原理n “1 5 1 7 1 的方法。传统的调焦技术最大的缺点就 是自动化、智能化程度低，已渐渐被社会所淘汰。 近些年来，随着c c d c m o s 数字图像传感器的广泛应用以及数字图像处理技术 的不断发展，基于数字图像处理的自动调焦技术成为了当今研究的热点n 引。 在基于数字图像处理的自动调焦系统中，通常采用的调焦方法有二种：一种 是离焦深度法( d d f ，d e p t hf o r md e f o c u s ) ，该方法通过获取不同离焦位置上两幅 6 或两幅以上的图像，先对成像系统建立恰当的数学模型，并结合成像系统中各种 参数，推算出目标物体的离焦深度，从而找出焦点的位置实现调焦。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调焦系统未见报道钆2 虬2 。 另一种方法则是，通过计算机( 或者专用的电路系统) 对采集到一系列的数字 图像，对每一帧图像进行处理，判断调焦是否准确，即成像是否清晰，并给出反 馈信号控制镜头的运动，直到采集的图像达到最清晰，最终完成调焦，这种方法 通常称为对焦深度法( d f f ，d e p t hf o r mf o c u s ) ，这种调焦的方式已经得到了实际 的应用。 与基于d f d 的自动调焦方式比，基于数字图像处理的自动调焦方式充分利用 了计算机处理数字信号的硬件高速度和软件灵活性心引，具有以下优点： 1 适应面广。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调焦方式。 2 稳定性好。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 干扰因素少，且可以控制。 3 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( 计算速度) 不断提高。 4 可以提供多种算法选择及配置。不同的算法及参数具有不同的运算量和灵敏 度，这些都可以根据实际需要来通过软件配置，具有很好的灵活性。 目前已有的研究成果主要有n8 2 引：寻找调焦判据的出发点就是按照相应规则 计算图像中的高频分量。对高频分量的分析和计算可以从空间域和频域两部分来 考虑。近十年来人们对自动调焦技术的研究集中在使用数字图像处理的方法上， 国际上在这一领域投入了大量的人力和物力，并取得了丰硕的成果，其中很多成 果已经在现有数字成像系统中广泛应用。但是，这一领域的某些问题还没有很好 地解决，基于数字图像处理判定图像清晰度的自动调焦方式目前还存在的以下几 个问题： 1 目前的图像清晰度评价算法有限，且存在着各种缺点，需要提出新的清晰度 评价算法。 2 提高实时性。一方面，由于带有自动调焦功能的成像系统往往要求具有很高 的实时性，对于有些应用，现有自动调焦技术的实时性还有待提高，因此还 需要对图像清晰度评价算法不断改进。另一方面，随着微电子技术的不断发 展，成像器件( 图像传感器) 的性能飞速发展，从三十万像素到千万像素的商 品化应用仅用了不到5 年时间，4 0 亿像素的图像传感器也己经研制成功：很 显然，图像处理的时间和图像大小( 像素的数量) 成正比，计算机处理的时间 与计算机本身硬件的性能和所用的算法决定的，而计算机硬件的提升速度是 非常有限的9 。因此提出更快的图像清晰度评价算法是很有必要的。 3 自动调焦过程中的抗噪性能有待加强。噪声的存在自动调焦系统中是不可避 免的，抗噪性直接关系到调焦的准确性和稳定性。采取什么样的措施使得自 动调焦系统的抗噪性能增强也非常值得研究和探讨。 1 4 课题研究的主要内容和论文安排 在生产流水线上包裹的条形码检测系统中包裹大小、高度时刻发生变化，为 了能使c c d 采集到清晰的图像，需要根据不同的包裹而对c c d 进行快速度、准确 的调焦。本课题的针对此应用背景，利用清晰度评价函数与自动搜索算法相结合， 计算并找出调焦最佳点，并利用p c 机通过串行通信控制电机动作而带动摄像机镜 头移动至焦点位置，实现自动调焦，达到无人值守的目的。本文完成了生产流水 线上包裹的条形码检测中自动调焦监控系统的研究与开发，设计并实现了一个基 于串口通信的数字彩色摄像机自动调焦监控系统。 本文应用作者提出的一种新的图像清晰度评价算法，通过串口直接驱动摄像 机内电机实现连续自动调焦，通过对比研究发现，应用新算法的系统比传统算法 的系统具有更好的实时性、灵敏性和准确性。 研究的主要内容包括： 1 图像清晰度评价函数的研究与改进。通过对传统的图像清晰度评价函数的分 析，提出了一种基于窗口模式的图像清晰度评价算法。 2 m a t l a b 仿真对比实验。用作者提出的新算法与传统评价算法进行实验对比， 通过对实验结果的分析与讨论，证明了在各性能方面新算法较传统评价算法 的优越性 3 视频的采集和镜头的控制。主要包括：视频画面的实时显示，设定视频模式、 格式、帧率，设定变焦、色彩、亮度、画质补偿等参数，进行动态、静态图 像和视频的保存。 4 分析摄像机通信协议及动作脚本文件，利用计算机串口通信技术实现自动调 焦控制。 本论文分为六个章节： 第一章对视频监控作了简单介绍，详细说明了本课题的背景及意义。 第二章分析了摄像机自动调焦系统的总体设计及重要组成模块设计。 第三章对视频图像的处理及清晰度算法的研究作了详细的分析与对比，并进 8 行了大量的实验仿真分析。 第四章介绍了整个系统硬件和软件的实现。 第五章对本文进行了总结，并指出还有待完善的地方。 9 第二章摄像机自动调焦系统的设计 2 1 自动调焦监控系统总体设计 数字视频监控系统以计算机为中心，数字视频处理技术为基础，利用图像数 据压缩的国际标准( j p e g 、m p e g 一1 或m p e g 一4 ) ，综合利用图像传感器、计算机网 络、自动控制和人工智能等技术的一种新型监控系统。数字视频监控系统将摄像 机获得的模拟视频信号转变为数字图像信号以便于计算机处理，或者由数字摄像 机直接输出数字信号，在计算机显示器上显示多路活动图像的同时，可将各路信 号分别存储于计算机的硬盘内或在网络上进行传输。 通常一个完整的视频监控系统由视频采集部件、视频处理部件、识别结果输 出部件以及监控人员组成心4 | ，如图2 1 所示。 图2 1 一般监控系统结构原理图 1 图像采集部件 原始的图像数据是通过图像采集部件进入计算机的，因此，图像采集部件的 作用是采集模拟图像数据，并将模拟信号转换成数字信号。计算机在接收到图像 的数字信号后，将其存入存储区。微机图像处理系统常用的图像采集部件有：摄 像机加视频图像采集卡、图像扫描仪以及数字输出摄像机等。 摄像机的参数有空间分辨率、灰度分辨率或颜色数、快门参数、最低照明度 等。摄像机需要和视频采集卡配合使用，配合时，要考虑两者参数的优化问题。 视频图像采集卡可以将摄像机摄取的模拟视频信号转换成数字图像信号。一 般视频图像采集卡都带有自己的帧缓存存储器，用于存放采集的图像数据。根据 图像采集的速度，视频采集卡可以分为：中速采集卡、实时单帧采集卡、实时采 集卡三种。中速采集卡的速度为l 帧s ，只能用于获得相对静止的图像，能满足 l o 一般科学研究的要求；实时单帧采集卡的速度为4 0 帧s ，瞬时可采集1 帧图像， 因此可以用于获取活动目标；实时采集卡的速度也为4 0 帧s ，并能连续采集多帧 图像，可以用于获取任何活动目标的运动过程。视频图像采集卡插在微机的扩展 槽上，和摄像机连接使用。目前大部分的数字视频监控系统还是通过图像采集卡 将模拟摄像机传输过来的模拟视频图像转换成为数字视频图像信号瞳3 | ，因此图像 采集编码卡是基于p c 机的数字视频监控系统中的关键设备，一块卡往往支持一路 到四路视频采集压缩，一台计算机可以插上1 块到4 块卡，从而支持1 路到1 6 路 视频采集。采集编码卡的质量和性能的好坏直接影响整个系统的可靠性能和稳定 性能。 数字输出摄像机是近年来出现的数字化产品，将图像采集和数字化部件集成 在同一机器上，使其输出的信号能直接为计算机所接受。数字输出摄像机使图像 的采集部件和主机的连接更具有通配性，而且由于其携带方便，有相应的存储器， 因此更适用于现场数据采集。数字输出摄像机的出现产生了真正的全数字视频监 控系统。数字摄像机直接传输数字化后并经过压缩编码的数字视频图像流，通过 网络将视频流传输到计算机中。这种数字摄像机还可以就地输出控制信号控制云 台解码器。 2 图像处理部件 在计算机图像处理系统中，图像处理工作是由计算机完成的，微机的扩展槽 上插有带帧存储器的采集卡，图像处理的过程通常包含从帧存储器提取数据到计 算机内存、处理内存中的图像数据和送数据回图像帧存储器三个步骤。对于直接 使用内存的采集卡，则只需要和内存进行数据交换。计算机内存越大，c p u 的运算 速度越快，则图像处理的速度也越快。计算机是监控系统的核心，可配备有大屏 幕显示器、大容量硬盘，也可再配上光盘刻录机。计算机往往采用工业控制计算 机，以提高系统的可靠性。数字视频监控系统能够充分利用计算机的资源，使视 频监控系统随计算机技术的发展而不断进步，同时其开放性的结构特性更可使之 与其他多种系统如与消防报警系统、出入口管理系统、楼宇自控系统等实现互动 集成。这种模式实际上是处在数字视频监控发展的第二阶段中，是模拟输入输出、 数字采集和编码。本系统中数字图像的处理过程将在后面章节中作详细介绍。 3 识别结果的输出部件 图像的输出是图像处理的最终目的。从广义的角度讲，图像的输出形式可以 分为以下两种： 一种是根据图像处理结果做出判断，例如质量检测中的合格与不合格，输出 不定以图像作为最终形式，而只需做出提示供入或机器做出选择。这种提示可 以是计算机屏幕信息，或是电平信号的高低，这样的输出往往用于成熟研究的应 用一e 。 另一种则是以图像为输出形式，它包括中间过程的监视以及结果图像的输出。 图像输出方式有屏幕输出、打印输出和视频硬拷贝输出。 用屏幕输出处理结果是最直观、简单的方法，并可获得高质量的图像。根据 硬件的不同，又可分为单屏显示和分屏显示两种形式。分屏显示是指图像处理的 结果或中间过程用专门的监视器显示，加上计算机本身的显示器，这样的系统可 以称双屏系统，由于图像部分和程序执行过程提示互不干扰，因此处理过程比较 直观。单屏显示是指图像处理的过程与结果都在计算机的显示器上显示，一屏两 用，比较经济。 4 监控人员 现有一般的监控系统都离不开监控人员，监控人员通过视频输出设备观察被 监控区域情况，判断有无异常行为，并通过计算机控制软件对视频输入、输出设 备做出操控，如对摄像机进行调焦、调整云台、录制视频等等。 前面说过，具体监测是一个细致和连续过程，而且当有非正常情况出现时， 为了清晰地观察到该情况的发生，需要对摄像机进行调焦处理，实现聚焦从而得 到清晰的画面。人长期执行这种枯燥的监测是不可靠的，而且费用也很高。从而 导致这样的系统自动化程度不高，容易受人的主观因素影响。因此，随着社会的 不断进步，开发和应用自动调焦的监控系统显得尤为重要。 通过对一般监控系统的深入研究，并针对不足，在其基础上做了一部分改进， 得出了自动调焦监控系统框图如图2 2 所示。原监控系统中，是通过人为对摄像 机中的镜头进行调动而实现聚焦的，改进后的自动调焦监控系统通过上位机的运 算处理分析，并根据处理运算结果发送出反馈控制信号，控制能带动镜头移动的 电机动作，从而实现自动调焦的目的。 图2 2自动调焦监控系统组成框图 自动调焦监控系统的原理是：物体( 本课题中即生产线上的包裹) 通过光学 成像，在摄像机上形成光学图像信号，摄像机通过内部的图像传感器把光学视频 信号转变成模拟视频信号；同时，上位机发出控制信号，控制视频图像采集卡进 行图像采集，并把采集到的模拟图像信号转换成数字图像信号后传至计算机。视 频图像数据一方面通过显示器实时显示，另一方面由上位机处理器读取每一帧视 频图像并进行图像清晰度值的计算，得到当前帧图像的清晰度信息。控制单元通 过上位机的接口控制摄像机内的电机动作，从而导致图像清晰度的改变，经过这 样一个不断的反馈过程，利用自动搜索算法找出清晰度最大的视频图像所在的位 置，然后，控制镜头运动到该位置，即平常所说的焦点位置，实现调焦的目的。 此外，由于在上位机和执行器件之问二者所能接收、识别的信号通常不是一致的， 因此，在二者之间常常需要增加一个转换器实现信号的转换。 通过上面的分析显然可知，自动调焦监控系统对实时性的要求特别高，这也 是该系统是否能够成功与实用的关键所在。 一方面，图像必须及时地传输与显示，这就要求图像采集卡具有非常高的传 输速率；另一方面，对每帧图像的清晰度评价值要求实时计算出来，这就要求图 像清晰度评价算法简单，迅速，以便于在p c 机上有足够的时间进行图像的处理， 否则影响速率，如果对图像清晰度评价值计算的运算量过大，将导致p c 机处理器 资源占用过大，影响到图像采集的速度，使调焦过程中显示的画面和当前清晰度 评价值不同步，严重影响调焦质量。另外，自动搜索、控制算法是否优化对调焦 的速度也有很大的影响。 因此，本课题中自动调焦监控系统的开发与实现主要有以下几个重点和需注 意的事项： 1 硬的选择以及与软件和平台的适配； 2 各种算法的实时性与各种程序的编写。 2 2 成像装置 在一个监控系统中，摄像机是获取监视现场图像的前端设备，图像传感器又是 摄像机的核心部件。监视现场的景物，以摄像镜头在摄像机内的图像传感器靶面 上成像，使图像传感器输出反映监视场图像内容的电信号。该电信号经摄像机内 部电路处理后，即可输出能为监视器所接收的视频信号n 钆2 5 2 吼2 7 1 。 在数字成像系统中，目前常用的数字图像传感器有c c d ( c h a r g e c o u p l e d d e v i c e ，电荷耦合器件) 和c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a l 0 x i d es e m i c o n d u c t o r ， 互补金属氧化物半导体) 两种。 能将光图像变成电信号的固体摄像元件是在1 9 6 3 年发明，而目前广泛使用的 光电传感器c c d ，最早的研究报告于1 9 7 0 年由美国贝尔研究所发表。此后，世界 上先进的电子产品厂商纷纷致力开发。c c d 是受磁泡存储器的启发，作为m o s ( m e t a l o x i d es e m i c o n d u c t o r ，金属氧化物半导体) 技术的延伸而产生的一种半导体器件， 三十年来，固体光电传感器的品质得到极大的提高，相应的专用i c 不断完善。由 于m o s 图像传感器的分辨率和低照度等主要技术指标暂时还比不上c c d 图像传感 器，特别是近十五年，采用c c d 制成的摄像机，几乎占据了从民用到广播电视专 业用的全部领域。安全技术防范用的视频监控系统，用的摄像机也大都是c c d 黑 白摄像机或c c d 彩色摄像机。 c c d 是由一行行紧密排列在硅片上的m o s 电容器构成的。与真空摄像管比较， 作为固体摄像结构的c c d ，它的成像与扫描读取机制和真空摄像管的结构完全不 同，它不是电真空器件，既没有玻璃的外壳，也没出现电子枪，而是一种m o s 集 成电路器件，它可以在面积只有硬币大小的半导体片上用m o s 工艺制作成数十万 个光敏像元，它们可以把景物的光信号转变为电信号。通常又把它叫作c c d 图像 传感器。 c c d 的出现是摄像器件的一次革命，与摄像管相比，具有以下优点： 1 体积小、重量轻； 2 惰性小( 惰性是指在视频图像上表现为残留着以前几幅图像的“余像”，而 c c d 可以使观察感觉不到有惰性) ； 3 灵敏度高； 4 抗烧伤； 5 图像均匀性好； 6 无畸变，高重合度； 7 机械强度高，抗冲震； 8 寿命长。 c c d 摄像器件按像元排列方式可分为线阵c c d 和面阵c c d ，线阵c c d 的光敏像 元在窄长硅片上沿直线排成一行，如1 1 0 2 4 、1 2 0 4 8 等，一般用于传真机等设 备中；面阵c c d 的光敏像元在硅片的行和列的方向上进行排列，如3 8 0 4 8 8 、4 7 5 4 9 6 、5 7 6 6 0 4 等，一般用于c c d 摄像机中。按应用的范围分类，c c d 摄像器件 可分为高灵敏度c c d 、增强c c d 、红外c c d 、紫外c c d 和彩色c c d 等几类。 从成像质量的角度看，c m o s 器件从一开始便明显落后于c d c 器件，尽管近年 来c m o s 工艺有了很大提高，当是在动态范围和色彩饱和度、色彩还原等性能指标 还不如c c d 器件，但是c m o s 器件的成本明显低于c c d 器件，同时它的功耗只有c c d 器件的五分之一左右。本课题研究的系统对成像质量的要求非常高，因此选用采 用c c d 传感器的摄像机类型。 2 3 模拟视频图像的转换模块 由于计算机只能接收和处理数字化的图像，因此，从摄像机传输过来的模拟 视频信号需要经过数字化才能被计算机所识别。所谓数字化就是指将模拟图像变 成计算机处理的过程，具体来说就是在计算机内生成一个二维矩阵来表示一幅图 1 4 像。它包括采样( 或称取样) 和量化二个过程。 2 3 1 图像信号的采样 如前所述，凡是能为人的视觉系统所感受的空间信息，皆称为图像，是客观 世界反射或透射的某种能量形式的分布图。这种能量形式可能是可见光、x 射线、 红外线和超声波等。它们反映景物中物体的表面形状、性质以及内部结构等。为 了描述这些能量形式，应该建立一定的数学模型。最基本的，一幅图像可表示成 三种不同的数学模型，它们是连续模型、离散模型和随机模型他轧2 引。 一幅图像实际上记录的是物体辐射能量的空间分布，这个分布是空间坐标、 时间和波长的函数，因此一幅图像可以表示为式2 1 的函数形式0 “1 门引： y = 厂( f ，z ，兄，f ) ( 2 1 ) 其中f ，z 为几何空问坐标，五为波长，为时刻。如果选取适当的坐标系，使 得选取的图平面垂直于z 轴，并且图像为单色静止图像时，空间坐标变量z 、波长 五和时问变量f 可以从函数中去掉，这样一幅图像可以用式2 2 所示的二维函数来 表示。 】厂= 厂( ，) ( 2 2 ) 如果为单色图像，图像值厂( f ，) 则称为灰度级，它正比于光源辐射的能量。由 于这些值是能量的记录，故其是非负有界实数，即 o ( f ，) 3 0 0q 0 5 a ( 3 0 v us 3 7kq 一2 5 v + 2 5 v 逻辑l 逻辑1 逻辑0 逻辑1 2 5 0 0 p f 串行接口标准