（通信与信息系统专业论文）视频自动聚焦方法研究与实现.pdf

摘要 摘要 作为数字成像系统的关键技术之一，自动聚焦技术对于提升数字成像产品的竞 争力具有十分重要的作用。本文针对视频聚焦，给出了会议电视摄像机自动聚焦 方法，它由聚焦调节和聚焦监测两个过程组成。聚焦调节中，在寻找评价函数最 大峰值时，利用超焦距概念和动态自适应变步长搜索算法，加快搜索速度，同时 保证了良好的视觉效果；提出的退回检查最大值点变化的方法能够防止搜索过程 中因受到干扰而导致的聚焦失败。在监测阶段，由于采用了完整的场景变化监测 方法，能够准确监测场景变化并能确定需要重新调节聚焦的情况。 在8 0 2 0 p l u s 视频会议终端上试验了该算法的性能，结果表明研制的摄像机自动 聚焦方法达到了很好的聚焦效果，聚焦时间控制在2 秒以内，聚焦图像清晰，算 法性能优秀并有良好的顽健性，可应用于实际工程。 关键词：视频；自动聚焦；聚焦调节；聚焦监测 a b s l r a c t a b s t r a c t a sak e yt e c h n o l o g yi nd i g i t a li m a g i n gs y s t e m ta u t o f o c u sp l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei nt e r m so fi m p r o v i n gp e r f o r m a c eo fd i g i t a li m a g i n gp r o d u c t s t h i sp a p e rp r e s e n t s a na u t o f o c u sm e t h o do ft h ec a m e r aw i t hc a p t u r e dv i d e os e q u e n c eu s e di nv i d e o c o n f e r e n c e t h ep r o p o s e dt e c h n i q u ec o n s i s t so ft w op r o c e s s i n gp h a s e s ：a u t o m a t i c f o c u sa d j u s t i n ga n dm o n i t o r i n gp h a s e s ，i nt h ea d j u s t i n gp h a s e ，m o u n t a i nc l i m b i n g a l g o r i t h mi su s e dt of i n dt h ep e e kp o i n to f t h ef o c u s i n gc r i t e r i af u n c t i o nw h i c hr e f l e c t s t h ed e f i n i t i o no ft h ei m a g e s t os p e e du ps e a r c h i n gp r o c e s s i n ga n dt ok e e pg o o d s u b j e c t i v eq u a l i t yo fp i c t u r e s ，t h ec o n c e p to fh y p e r f o c a ld i s t a n c ei su t i l i z e d , a n dt h e s e a r c h i n gs t e po ft h ea l g o r i t h mi sa d a p t e dd y n a m i c a l l y w h i c hs e a r c h i n gp r o c e s s i n g ，a r g 血l n e x a m i n a t i o nm e t h o di su s e dt oe x c l u d et h ea f f e c t so ft h ev a d e ds h o t so nt h e f o c u s i n gc o l t e c t n e s s d u r i n gm o n i t o r i n gp h a s e , t h ev a r i e t yo fs c e n e si se f f e c t i v e l y d e t e c t e da n dt h ec o n d i t i o nu n d e rw h i c ha u t o m a t i cf o c u sa d j u s t i n gp h a s ei sr e s t a r t e d c a nb ec o r r e c t l yd e t e r m i n d e d t h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e v e l o p e dm e t h o dh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya n d e f f e c t i v e l y t e s t e do n8 0 2 0 p l u sv i d e oc o n f e r e n c et e r m i n a l t e s tr e s u l t sd e a r l ys h o wt h a tt h e a l g o r i t h mp r o p o s e da c h i e v e sf a s tf o c u sw i t hl e s st h a n2s e c o n d sa n dh i g hp r e c i s i o n ， t h e t e c h n i q u ea l s oi sr o b u s t n e s s ，a n dc a n b eu s e di np r a c t i c a lf i e l d s k e y w o r d l s ：v i d e o ；a u t o f o c u s ；f o c u sa d j u s t i n g ；f o c u sm o n i t o r i n g 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志所做的任 何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名日期：丛堕：! z ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。( 保密的论 文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 第一章绪论 第一章绪论 1 i 课题意义 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 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。 与此同时，数字相机、数字摄像机已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。无论数字相机，还是数字摄像机，其主 要功能之一是获得清晰的图像，即要通过调整镜头的焦点位置来使采集的图像的 清晰度达到晟好，所以，聚焦技术是数字成像产品的关键。然而，目前市场上带 有自动聚焦功能的数字摄像机和数字相机产品，大多由国外研制，先进的自动聚 焦技术被日本和美国等国家垄断。国内自动聚焦技术的研究水平还稍落后，具有 自主知识产权的自动聚焦技术还是空白。这些原因导致了目前国内数字成像产品 市场几乎被国外尤其是日本占领，而国产的数码产品走入市场举步维艰，难以获 得发展空间。所以自主研发我们自己的自动聚焦技术有着非常重要的现实意义和 应用前景。 近几年，国内对自动聚焦技术的研究已经起步并且有了一些成绩，但目前国 内自动聚焦方面的科研成果能够应用到实际工程中的还很少，而且主要的研究重 点都在于静止图像的自动聚焦技术，没有针对运动图像的聚焦技术做深入研究。 本课题针对应用于视频会议的数字摄像机，研究设计视频自动聚焦算法，计划实 现以2 秒以内的速度完成聚焦，算法适用于运动变化的场景，聚焦过程中视频主 观质量良好，并有良好的抗干扰性能，聚焦可靠性强。在对自动聚焦方法做了系 统研究的基础上，本文着眼于视频聚焦，从图像清晰度评价函数、图像聚焦区域 选择、聚焦范围、聚焦函数最大值点的搜索、避免聚焦过程中视频质量反复变化、 抗聚焦过程中的干扰和重新启动聚焦调节的判决方法这几个方面给出了数字摄像 机拍摄视频时自动聚焦算法的完整实现。试验结果表明，我们所研制的视频自动 聚焦技术，性能优越，实现了很好的聚焦效果。 1 2 自动聚焦技术综述 对于成像系统来说，其主要的目的获得清晰的图像，所以，聚焦是成像系统 的关键。聚焦的原理是，镜头对准拍摄目标，通过调整镜头的焦距使其焦点位于 感光面上，从而获得清晰的图像。在过去，聚焦靠手动调整，是否聚焦主要依靠 视频n 动聚焦方法研究与实现 肉眼来判断。然而人工调节不仅速度慢，而且肉眼观察和判别往往容易产生误差， 为此人们希望能够利用现代电子技术和机械控制的方法代替人眼检测被摄目标的 聚焦清晰与否，并代替手工调节焦点来快速准确的获得清晰图像，于是出现了自 动聚焦技术。 作为成像系统的一项关键技术自动聚焦技术于2 0 世纪7 0 年代最初应用于 照相系统。传统的聚焦技术大部分是基于测距原理的【6 j ，如一些基于三角测距原 理的方法和超声波测距法、反射能量法i o 砌；1 9 7 7 年世界上第一台自动聚焦相机 柯尼卡c 3 5 a f 问世，它采用的自动聚焦系统是基于三角测距法的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 器上，感测器由影像的明暗反差来分辨影像的内容。v a f 系统主要通过接收外来 光线聚焦，所以被称为被动式自动聚焦。1 9 7 8 年，美国宝丽莱公司推出具有超声 波自动聚焦功能的照相机s x 一7 0s o n a r a f 。1 9 7 9 年，日本c a n o n 推出第一部用 红外线测距的自动聚焦相机a f 3 5 m 。这两部相机的自动聚焦系统是通过向成像目 标发射某种形式的波( 红外、激光或者超声波) ，然后用相应的器件接收成像目标 发射回来的波系统再根据光学原理计算准确的焦点位置，从而完成聚焦。这是 一种基于反射时间测量法的系统，属主动式自动聚焦。 自动聚焦技术不断演进，从1 9 8 5 年后各大相机生产厂家开始推出自动聚焦相 机，它的原理是建立在“影像在完全正确对焦下，画面会获得至高的反差”，相机 靠红外线感应器检测景物的垂直线，再由机身里的相位差检测系统来驱动镜头移 动，实现焦点的自动调整。对于一些低反差无直线的单色调物体比如墙壁等，自 动聚焦系统就会失灵。这一代a f 相机有：美能达- - 7 0 0 型、尼康- - f 5 0 1 等。 随着电子技术和信号处理技术的发展，人们找到了一些手段对准确聚焦图像 的信号和离焦图像的信号进行鉴别，由此产生了基于数字图像处理方法的自动聚 焦技术。2 0 世纪9 0 年代以后，以c c d ( 或c m o s ) 获取的图像作为聚焦的基本 信息，以图像分析和处理为基础的智能化自动聚焦技术蓬勃反展。图像处理方法 自动聚焦是，利用某种数字图像处理算法，获取图像清晰度特征值，并根据这一 特征值控制电机，以驱动镜片或图像传感器改变位置，做出步进调整，直至这一 特征值满足某一预先约定的条件为止。建立在数字图像处理基础上的对焦深度法 和离焦深度法是目前自动聚焦技术发展的方向，尤其是对焦深度法在目前实际工 程中应用非常广泛。 1 3 主要研究内容 本文从图像处理的角度提出适用于视频会议的自动聚焦新方法，针对系统设 第章绪论 计中的难点和实际应用，对其中几个关键技术进行了深入的研究，主要包括一下 几个方面。 1 图像清晰度评价函数 图像清晰度评价函数决定了自动聚焦的准确度，一幅图像是否聚焦在视觉 上是靠图像是否清晰来判断的，从空域角度看。是聚焦图像比离焦图像灰 度变化明显，有较锐化的边缘。从频域角度看，由于离焦是一个低通滤波 的过程，当图像对比度不大即离焦时，图像的高频分量相对较少。聚焦图 像比离焦图像包含更多的信息和细节，也就相应的包含更多的高频分量。 论文在第二章对评价函数做详细讨论，在第三章中，我们选取了适用于实 时视频自动聚焦的评价函数，用于我们研制的自动聚焦系统。 2 聚焦镜头可调范围 聚焦镜头可调范围是指搜索评价函数最大值时，镜头可移动的范围。自 动聚焦技术中聚焦的精度和速度是衡量聚焦算法优劣的两个核心指标。 精度和速度的提高主要依靠性能优越的评价函数最大值搜索算法，但聚 焦镜头的可调范围也限制了聚焦的精度和速度。聚焦镜头可调范围越小， 则聚焦速度越快，聚焦精度也相应提高。本文利用超焦距的概念限制了 聚焦镜头的可调范围的下限，聚焦范围下限增大，从而聚焦范围缩小。 3 聚焦评价函数最大值搜索算法 寻找最清晰图像的搜索算法是决定自动聚焦速度和聚焦精度的主要因素。 算法的关键是利用反馈信息控制镜头来确定聚焦评价函数的峰值位置。比 较典型的评价函数峰值搜索方法有传统爬山法、穷举搜索法、二分查找法 和f i b o n a c e i 搜索法等，在第二章中对这些搜索法的特点做了分析，并提 出了适用于视频聚焦的搜索算法，这是一种随机起始点搜索算法，也就是 说聚焦初始时，镜头位置不必复位，从当前的任意位置处开始搜索评价函 数最大值。搜索过程中，本文采用先大步长粗搜索，后小步长细搜索的方 法，从而兼顾聚焦精度和速度。 4 聚焦区域选择 一幅图像中哪些区域应属于聚焦考虑范围，是聚焦成败的一个重要问题。 为了保证聚焦成功，聚焦区域的大小、位置等问题都是在规划聚焦区域策 略的时候需要考虑的。本文的自动聚焦系统是应用于视频会议的，成像 的主体是人物，往往处于图像的中下方。所以我们将整幅图像分割成上下 区两个区域，对下区的评价函数值赋予较大的权重，强调我们的感兴趣区 视频门动聚焦方法研究与实现 域是图像中下方，比较加权后两个区域的评价函数值大小，选择聚焦值大 的区域作为聚焦区域，除上区纹理非常丰富，下区纹理很弱的情况，聚焦 区域都会选在下区，适用于视频会议的聚焦。 5 避免聚焦过程中视频质量反复变化 由于我们针对的是视频聚焦，输出的图像必须有良好的主观质量，符合 人眼的观察特性，那么，我们就希望评价函数最大值搜索过程中，图像 的清晰度变化是由模糊到清晰，而不希望出现由模糊到清晰到模糊再到 清晰这种振荡的过程。本文通过在评价函数最大值搜索算法中加入步长 动态自适应变化的策略来解决这一问题，具体算法在第三章中详细介绍。 6 抗聚焦过程中的干扰 不同于静止图像的自动聚焦，视频会议自动聚焦系统是针对运动图像的， 场景是变化的。当场景变化的速度比聚焦速度快时，也就是说在对某一 特定场景聚焦时，场景突变，聚焦受到干扰，导致聚焦失败。针对这一 问题，我们结合本文的评价函数最大值搜索算法，提出了退回检查最大 值点变化的方法有效排除了这种干扰，增强了算法顽健性。 7 重新启动聚焦的判决条件 当前场景聚焦结束，输出图像最清晰。聚焦流程进入监测阶段，如果检 测到场景变化，准焦位置改变，就需要重新启动聚焦，寻找新的准焦点。 本文给出了一套场景变化检测方案，确定重新启动聚焦的判决条件，具 体策略在第三章中详细给出。 1 4 论文章节安排 论文第一章为绪论，介绍了课题的研究意义、自动聚焦技术的历史概况及 目前的现状和本文的研究工作。第二章介绍了自动聚焦的基本原理和各种自 动聚焦方法。第三章中，对所设计的视频自动聚焦算法中涉及的关键技术从 原理和实现方法上做了详细介绍，主要从图像清晰度函数，聚焦区域的选择， 聚焦镜头范围，评价函数最大值搜索，避免评价函数最大值搜索过程中图像 清晰度的反复变化，抗聚焦过程中的干扰和在场景切换的情况下如何重新启 动聚焦这几方面做了深入研究。第四章是系统试验结果和总结以及对自动聚 焦技术的展望。 第一二章自动聚焦基本原理 第二章自动聚焦基本原理 数字图像的自动对焦系统涉及光学、机械学、电机学、电子学、计算机科学 及通信学等学科的知识，其不同的应用对象还涉及其他学科的知识，如医学、生 物学、天文学等。本章主要对数字图像自动对焦系统的主要相关原理进行了阐述。 2 1 1 成像系统模型 2 1 成像系统原理 与视觉在人类获取外界信息中的主导作用一样，光学成像在光学成像系统获 取外部信息中也占据着重要的地位。下面将对光学成像模型进行必要的阐述【2 1 j 。 o b j e c li n o g e i d a v ，r 为正值，这意味着图像探测器位于准焦位置后方；若s f ( b 。) ，则删去区间 ( 玩，) ；如果f ( a ) m a x ，则取m a x = f ( p ) 。继续步骤( b ) ；否则表示已经 跨过极点，区域寻找结束，分别用l ，r ，p e a l 【标记极点区域的上下界、m a x 点。 如果参考方向相反，且评价函数值大于m a x ，表示起始点即为极点，结束搜索。 ( c ) 步长缩小一倍，参考移动方向相反，交替地从l 和r 两侧缩小极点区域， 计算移动距离。用p 表示当前位置，计算评价函数值f ( p ) 。如果m a x f ( p ) 表 示极点在【p ：r 】之间；如果m a x - = f ( p ) ，则表示极点在【l ：p e a k 之间。更新l ， p e a k ，r 值，继续步骤( c ) ，直至步长小于所设定的最小值，搜索结束，p e a k 点 即为聚焦点。 2 。3 2 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 e 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，需要捕获2 3 幅不同成像参数下的图像 6 - i s 】， 他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以及 需要成像系统的精确校准。因为计算所需要图像数少，大大减少了驱动电机等机 械机构所需要时间，所以离焦深度法速度快，但是聚焦精度不如对焦深度法高。 离焦深度法主要有两类。其一是基于图像恢复的方法。根据图像中的某些有 代表性的信息来计算出成像系统的点扩散函数，利用图像的退化模型，直接反演 计算出模糊图像的原图。这种方法的关键在于从图像中获取一定的有代表性的信 息，其局限性在于它不是基于任意目标物体的，恢复出的图像可能不是想要的图 像。其二是基于模糊程度的方法。离焦图像在像平面形成模糊圆，根据模糊圆的 大小和镜头成像参数( 光圈和镜头位置) 之间的关系，可以计算出最佳成像位置。 但是由于模糊圆的大小是以图像传感器上的像素为基本单位的，存在一定的舍入 误差，因此离焦量的估计也有偏差。 视频白动聚焦方法研究与实现 离焦深度法的优势在于处理的图像数量减少，大大减少驱动电机所需要时问， 但是精度不高。另外，离焦深度法需要对成像系统进行校准，需要预知精确的光 圈和焦距，这在很多情况下难以满足。 第二章视频自动聚焦技术研究 第三章视频自动聚焦技术研究 我们研制的自动聚焦系统是应用于视频会议的是一种针对视频序列的自动 聚焦技术。本章，我们根据视频自动聚焦的特点提出了一种新的聚焦算法，并给 出了完整的算法实现过程。 3 1 视频自动聚焦技术简介 自动聚焦技术广泛应用于照相机、摄像机、显微镜、扫描仪等各种精密仪器 中2 3 1 ，它是数字图像前端处理的重要研究内容。文献 2 4 - 2 8 i 讨论了照相机拍摄静止 图像时的自动聚焦方法，照相机拍摄静止图像时只需要进行一次焦点搜寻就可以 完成自动聚焦。和它不同的是，摄像机拍摄视频序列，场景内容不断改变，导致 焦点不断变化，因此要求在整个场景拍摄过程中，能实时发现它的图像散焦，并 迅速搜寻焦点重新获得聚焦。因此，摄像机拍摄视频时的自动聚焦由两个过程组 成：聚焦调节和聚焦监测。聚焦调节是焦点搜寻过程，对应图像清晰度曲线而言 就是搜寻评价函数最大值点的过程。聚焦监测是监测焦点是否改变，当检测发现 焦点改变时，就进入聚焦调节过程。若焦点保持不变，则自动聚焦过程停留在聚 焦监测状态。 不同于静止图像的自动聚焦，视频序列的自动聚焦是针对运动图像的，除了 聚焦速度和精度上的要求外，视频自动聚焦过程输出的图像必须符合人眼的观察 特性，就是说，在评价函数最大值搜索过程中，图像的清晰度状态只能由模糊一 清晰，而不能出现由模糊一清晰一模糊一清晰这种来回振荡的过程。同时，由于 视频序列的场景内容是变化的，场景快速变化给聚焦过程带来的干扰会导致聚焦 失败，视频自动聚焦算法还需要排除这些干扰，增强聚焦可靠性。 因此，一个好的视频自动聚焦算法应满足以下的要求：( 1 ) 聚焦收敛速度快 而且聚焦准确( 2 ) 聚焦过程中，图像的清晰度是单向变化的，聚焦收敛到清晰 点后，图像不再模糊，即不出现图像虚晃现象。 3 2 聚焦调节 3 2 1 图像清晰度评价函数选取 自动聚焦算法首先面对的是如何判断一幅图像是否清晰的问题，即图像清晰 视频自动聚焦方法研究与实现 度判据的获取。一般对于同一场景来说，聚焦图像相对于散焦图像拥有较多的高 频分量( 细节信息) 。因此，判定在聚焦范围内的镜头在最佳聚焦位置的衡量方法 就是统计图像的高频分量或者细节信息，这种统计方法称为图像清晰度评价函数， 衡量标准被称为评价函数值或者聚焦值，聚焦镜头的最佳聚焦位置就是聚焦值最 大的位置。图像清晰度评价函数具有单峰性、精确性和尖锐性。 第二章中我们详细介绍了各种常用的图像清晰度评价函数，如高频分量法， 图像灰度熵法和各种梯度函数法等。评价函数的准确性和计算量是一对矛盾，准 确性高的评价函数，计算量大，比如高频分量法；计算量小的评价函数，其精确 性又比较低，比如方差函数：综合考虑计算量和聚焦精度这两方面的要求，我们 选取梯度函数中的t e n e n g r a d 函数作为图像清晰度评价函数，由于其本质是提取 图像边缘，并计算边缘能量，这里我们也称为边缘能量清晰度评价函数，它具有 较好的尖锐性，对图像变化敏感，同时计算量小，适合应用于实时性要求高的系 统。边缘能量法采用s o b l e 边缘检测算子，提取水平方向和垂直方向的边缘成分， 并统计边缘能量。公式如下： 一l o 1 1f 一1 2 1 1 s h o r = i - 2 0 2 ij 。= 10 0 0i 【一1 0 l jll 2 1j h = g ( m ，聍) + s hv = g ( m ，拧) s 。 ( 3 1 ) f ( m ，n ) = h 2 + 矿2( 3 2 ) 这里，s 0 ，s 。，分别为水平方向和垂直方向的边缘检测算子，g ( m ，砷为象素 ，以) 的亮度值，式中为卷积运算【矧，f ( m ，呐称为边缘能量，即评价函数值。 以边缘能量为图像清晰度评价函数的聚焦曲线，它的特点是远焦区虽有起伏 但相对平坦，其单调性差；而在近焦区，聚焦曲线尖锐，单调性也好。以上特点 能够有效用于下面提出的聚焦算法。 3 2 2 聚焦区域选择 聚焦区域是指计算评价函数的区域。在聚焦过程中，我们通过计算图像的评 价函数来寻找焦点。如果对整幅图像进行聚焦评估，那么就要对构成整幅图像的 所有像素进行统计计算，这样的计算量对于自动聚焦系统来说是庞大的。另外， 对景物进行拍摄，整幅图像是由成像主体和背景构成的。我们要求主要成像目标 清晰，但是对背景要求不是那么高。如果对整幅图像运用清晰度评价函数，图像 中不重要的部分( 背景) 会对评价结果产生负面的影像，导致图像中重要的部分 ( 成像主目标) 无法j 下确对焦。所以，要想保证成像目标清晰，我们必须选择这 样的聚焦区域，使成像主体落入该区域内，背景在此区域外。 第二章视频自动聚焦技术研究 从以上分析可知，选择聚焦区域需要考虑两方面的因素：( 1 ) 计算量，自动 聚焦系统是实时系统，应尽可能减少参加评价函数计算的像素点，提高聚焦速度。 ( 2 ) 感兴趣区域，即要选择成像目标所在区域为聚焦区域，排除背景的干扰。增 强聚焦精度。 我们研制的摄像机自动聚焦系统主要应用于视频会议，成像主体是人物，所 以感兴趣区域偏重于图像的中下部分区域。把整幅图像分成上下两个区域，如图 3 1 所示，灰色区域为上区，由第l ，2 ，3 ，4 ，6 等方块组成；黑色区域为下区， 由第5 ，7 ，8 ，9 个方块组成。 聚焦区域的选择策略如下： ( 1 ) 分别计算上区和下区聚焦函数值 舌= w i - f ( m ，甩)m ，蚪r e g i o nj( 3 3 ) f = 1 , 2 分别表示上下区，w 为计算聚焦函数值 的加权值。 ( 2 ) 判别聚焦区域 如果，春小于等于己，选择下区为聚焦区域，否则上区为聚焦区域。 聚焦调节和聚焦监测过程是根据该区的聚焦函数值进行的。 幽3 1 区域分剖幽 由于视频会议的主体场景是人物，位于图像中下方，上方为背景。这种主体 场景下，必须选择下区为聚焦区域。这里，加权值w 的选择至关重要，必须保证， 在画面中出现人物的情况下，聚焦区域选择下区。通过大量试验，我们选取w l = 1 ，w ，= 3 。在绝大部分主体场景下，下区的聚焦函数值比上区的大，镜头对准人 物进行聚焦。但是视频会议中，有时场景中并没有人物，比如会议开始前，镜头 对着空旷的会议室，那么存在这样一种可能性，上区纹理极度丰富，下区纹理很 弱，加权后下区的边缘能量值仍然比上区的小。比如，镜头对着一面白墙，白墙 上方有一个写有标语的横幅。这种情况下，我们需要对准上区进行聚焦，如果还 视频白动聚焦方法研究与实现 是对着下区进行聚焦，则可能导致聚焦失败。这就是我们为什么不直接选择下区 作为聚焦区域，而是通过对比上下区的聚焦函数值后再选择聚焦的区域的原因。 同时，算法只在聚焦初始判别聚焦区域时，才需要计算整幅图像上下两个区域的 评价函数值，一旦确定聚焦区域后，则只需要计算聚焦区域的评价函数值，计算 量小。 从以上分析可知，上述聚焦区域的设计基本满足了视频会议自动聚焦的需要， 有利于自动聚焦精度和速度的提高。 3 2 3 聚焦镜头可调范围 通常，摄像机提供的聚焦镜头的可调范围比较宽泛，导致聚焦收敛速度较慢。 本文利用超焦距的概念，大大缩小了聚焦镜头可调范围，从而提高聚焦收敛速度。 聚焦镜头可调范围是指搜索评价函数最大值时，镜头可移动的范围，下面简 称聚焦范围。 为了确定聚焦范围的上下限，我们分别测试成像物体位于最近可拍摄位置和 无穷远处时的聚焦位置。镜头最近可拍摄位置对应聚焦范围的上限，无穷远处对 应聚焦位置的下限。当对焦到无穷远时，景深范围为超焦距至无穷远。根据景深 的概念，我们知道位于景深范围内的物体都是清晰的，从清晰度评价函数曲线上 来看，曲线在这一范围内的值都在最大值附近小幅度波动，聚焦值几乎一致，对 焦到无穷远处等同于对焦到超焦距处。 因此，我们可以通过测试成像物体位于最近可拍摄位置处和超焦距处的聚焦 位置来确定聚焦范围的上下限，从而缩小聚焦范围。 超焦距离又称超焦点距离，它是指镜头聚焦到无穷远时，从镜头至景深近界 限的距离。 从超焦距的概念来看，它是物距。超焦距离并不是指某个固定的距离，而是 随着光圈、镜头焦距和弥散圆直径的变化而变化。超焦距的计算公式如下： 日= f + ，2 ( e f )( 3 4 ) 这里h 为超焦距，厂为镜头焦距，f 为光圈，c 为弥散圆直径。 光圈是镜头焦距与镜头孔径之比，即： f = f n( 3 5 ) 这里，d 是指镜头孔径。 把( 3 5 ) 式带入( 3 4 ) 式，得到： h = f 0 + d c )( 3 6 ) 把( 3 6 ) 式代入成像公式( 2 1 ) ，推导得到超焦距对应的像距，我们称它为“超像 第二章视频白动聚焦技术研究 距”： v = f ( 1 + c l d ) ( 3 7 ) “超像距”即是聚焦范围的下限，因此聚焦范围是：f 0 + c l d ) 聚焦范围上限。 由于“超像距”是随镜头焦距值变化的，而决定聚焦范围上限的镜头最近可拍 摄位置也是与镜头焦距有关的。所以，在可变焦的情况下，聚焦范围随镜头焦距 的改变而改变。 以我们所用的s o n y d l 0 0 镜头为例，给出不同镜头焦距值下的聚焦范围。 s o n y d l 0 0 是1 0 倍光学变焦镜头，聚焦范围为0 x 1 0 0 0 - q ) x 8 4 0 0 ，变焦驱动范围在 w i d e t e l e 内，w i d e 端的焦点距离约为3 1 m m ，拍摄范围o 1 m 3 e 穷远；t e l e 端 的焦点距离约为3 l m m ，拍摄范围为0 6 t n 无穷远。我们根据s o n y d l 0 0 提供的参 数在整个变焦驱动范围内设置了1 1 个变焦位置。位置l 为w i d e 端，位置1 1 为 t e l e 端。镜头不同的变焦位置对应的聚焦范围从上限到下限的范围如表3 1 所示。 在对焦过程中，系统根据上述变焦位置决定聚焦区间，聚焦镜头在这一区间范围 内进行下面的评价函数最大值搜索算法。 表3 1 不同变焦位置聚焦范围 z o o m 位置z o o m ( 具体位置)聚焦范围 下限上限 l0 0 0 0 h2 2 ( ；f h8 2 c l h 20 e 6 d h2 2 8 8 h8 3 0 0 h 31 8 8 e h2 3 0 1 h8 3 6 0 h 42 5 0 7 h2 3 9 4 h8 1 0 0 h 52 8 8 2 h2 4 8 7 h7 d d e h 63 1 3 0 h2 6 d 7 h7 9 8 f h 73 5 2 e h 2 7 0 d h 7 4 2 0 h 83 8 5 d h2 7 6 d h7 0 8 1 h 93 8 4 8 h2 7 b d h6 7 8 l h 1 0 3 e 0 1 h 2 7 f d h 6 4 a 9 h 1 1 4 0 0 0 h2 8 2 d h6 2 0 9 h 3 2 4 评价函数最大值搜索 如何快速而准确的搜索到评价函数最大值是自动聚焦的一个关键问题。 评价函数最大值搜索算法要求收敛速度快，同时聚焦精度高。上- - d , 节，我 们利用超焦距缩小了聚焦搜索范围，有利于提高搜索速度。在此基础上我们采用 2 6 视频白动聚焦方法研究与实现 变步长搜索算法，开始时大步长搜索，提高收敛速度，在大步长搜索找到的评价 函数最大值处，采用小步长进一步搜索找到评价函数的真j 下最大值，提高聚焦精 度。大步长调焦和小步长调焦都有一次调焦方向判断。评价函数最大值搜索的基 本流程如下图所示： ( 调焦开始) 上 l 判断大步长调焦方向 l l大步长调焦 l jl l 判断小步长调焦方向 jl i小步长调焦 j 上r ( r 调焦结束、) 图3 2 评价函数最大值搜索基本流程框图 无论大步长还是小步长搜索评价函数最大值，调节聚焦的结束条件都是：找 到评价函数曲线的下降点。 大步长粗调找到下降点判断准则是：聚焦值的下降量超过一个门限。 分两种情况考虑： ( 1 ) 单步聚焦值下降量超过门限 即黑尝 ，。 ( 3 8 ) m a x ( f ( n ) ，f ( 丹一1 ) ) ” 。 f ( 疗一1 ) ，f ( n ) 是前后两次大步长调焦搜索的聚焦值。 ( 2 ) 多步累计聚焦值下降量超过