（机械电子工程专业论文）基于图像技术的自动调焦方法研究与实现.pdf

魏 l ：大学硬士毕瞧论踅 摘要 亡j 动调焦已成为荐种成像系统的重要功熊，与国外相比，国内庄邀方面的工作做得还 比较少同时嘲像处理技术的发濮使得自动调焦趋于数字化和智熊化，掇出基于图像技术的 自动凋焦方法具有重要的实际意义。 基于图像技术的自动调焦方法采确了与佟统调焦技术完全不同的方式进行调焦，传统 的凋焦方法是通过传感爨梭测焦点或瓤曩距离的方式实现的，恧熬于图像技术魄调焦方法羹 缓根据图像分析出图像的质量，从而获得当前的成像状态，然后完成调焦操作。图像质量分 辑是该调焦方法中的关键技术，本文从三静途经详细论述r 图像矮量分辑方法的实现： ( 1 ) 基于对比度的图像质赞分析方法从图像的时域、频域教信息熵三个角度建立能袭 示匿缘对毙发魄一嫂调焦函数，搏对这些浮债函数被了详缨懿比较，晟后确定出时域黪 b r e n n e r 函数和绝对方差函数具宵更好的综合性能； ( 2 ) 綦予功率港斡客理整像矮荤= 分橱方法镁蹬场景豹功率游蒸有不变特淫， l 入_ f 人 类视觉系统，加入了维纳噪声滤波器，对图像质量进行评价可得列一个确定的i q m 数值， 该数氆与人的视觉谔徐其有校毫涎耪关注； ( 3 ) 基j ：小波均神经网络的图像质量分析方法利用小波分析对图像进行多分辨率分解， 分辑冀细节甾怠势采瑁绫计麓方法提取鹜像特征，荐弱溺入工神经弼络瓣图豫特挺进行蘧鼙 模式识别，得到图像的质缀等级，实验表明，浚方法达到了不错的识别率。 调焦静实现对于对院建法蹙计算每次成像的调焦函数值，结合一缀控索方法，不断逼近 正焦位置：列于功率谱方法和小波与神经网络方法怒根据评价出的图像质量，确切地改变焦 距谪熬量。谯自动调焦理论的基础上提出了自动调焦系统的漫计，分析了系统的总体性能并 作为软硬件设计的僚据，调焦系统采用d s p 十f p g a 的高速硬件系统方寨。 荚键弼：隧像处理，自动调焦，图像对比度，功率谖，小波分攒，神缀网络，一维搜索 鞭江大学礓上毕泣诡芷 a b s t r a c t a u t o - f o c u sh a s b e i n g a ni m p o r t a n tf u n c t i o ni na l lk i n do f i m a g i n g s y s t e m s ，i th a s w i d e l ya p p l i c a t i o n i nm a n yf i e l d s i no u r c o u n t r y ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t a b o u t a u t o - f o c u si sp o o r , b u tw ea r ef a c i n gk i n d so fa p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t 功ei m a g e p r o c e s s i n g i sat e c h n o l o g y d e v e l o p i n gm p i d l y ，i tp r o m o t e st h ed e v e l o p m e n t o f a u t o f o c h st e c h n o l o g yg r e a t l y , a n dm v n e r a l i z a t i o na n di n t e l l i g e n t i z a t i o nh a sb e i n ga t e n d e n c eo fa u t o f o c u st e c h n o l o g y f o rt h e s ec o n d i t i o n s ，p r o v i d i n ga na u t o - f o c u s m e a n sb a s e do n i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y w i l lh a v ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e 。 t h ea u t o - f o c u sm e a n sb a s e do ni m a g et e c h n o l o g yi sd i f f e r e n tf r o mt h o s e t r a d i t i o n a la u t o - f o c u sm e a n se n t i r e l y 。t h et r a d i t i o n a lo n e sm u s td e p e n do ns o m e s p e c i a la s s i s t a n te q u i p m e n t s ，t 1 1 e yu s e st h e s ee q u i p m e n t s t om e a s u r ed i s t a n c eo rf i n d f o c u sa n dr e a l i z ea u t o f o c u s 。h o w e v e r , t h ea u t o - f o c u sb a s e do ni m a g et e c h n o l o g yi s c o m p l e t e db yi m a g eq u a l i t ya n a l y s i s ，i tc a nj u d g et h ei m a g i n g s t a t ef r o mt h ec u r r e n t i m a g eq u a i l 壤t h e nt h es y s t e mc a na d j u s tf o c u sd i s t a n c ec o r r e c t l ys u p e r v i s e db y i m a g i n gs t a t e f r o mt h ew o r kf l o w , w ek n o w t h ei m a g eq u a l i t ya n a l y s i si st h ek e y t e c h n o l o g y i n t h et h e s i s ，t h r e e i m a g eq u a l i t ya n a l y s i s m e t h o d sa r e p r e s e n t e d d e t a i l e d l y ： ( 1 ) 弧of i r s t o n ei st h ei m a g eq u a l i 移a n a l y s i sb a s e do ni m a g ec o n t r a s t ，i t a n a l y z e s k i n d so ff u n c t i o n s w o r k i n g 砒t e m p o r a lf i e l d f r e q u e n c yf i e l da n d i n f o r m a t i o n e n t r o p y , c o m p a r e st h e i rp e r f o r m a n c ei nt h e r l a r n b e ro fc a l c u l a t i o na n dt h et i m e c o n s u m p t i o n o f c a l c u l a t i o n ，a n df i n d so u tt w ob e r e rf u n c t i o n s ， ( 2 ) t h en e x to n ei st h ei m a g eq u a l i t ya n a l y s i sb a s e do ni m a g ep o w e rs p e c w d m ，i t s u p p o s e sn a t u r es c e n e sh a v et h e s a m ep o w e rs p e c t r u m 。e m b e d sah n n m nv i s i o n s y s t e ma n di n c l u d e saw i n n e rd e n o i s ef i l t e r i ta n a l y z e sap i c t u r ea n dg e t sa ni q m ( i m a g eq u a l i t ym e a s u r e ) v a l u e ，t h ei q m v a l u ei sh i g h l yr e l a t i v et ot h ee s t i m a t i o n r e s u l tt h r o u g hh u m a nv i s i o ns y s t e m ( 3 ) t h ol a s to n ei st h ei m a g eq u a l i t ya n a l y s i sb a s e do nw a v e l e ta n a l y s i sa n d n e u r a ln e t w o r k i ta n a l y z e si m a g ef r o md i f f e r e n t f r e q u e n c yr e s o l u t i o nt h r o u g hw a v e l e t 也e o r y , a n da b s t r a c tt h ei m a g ee h a r a c t e r i s t i c sf r o mt h e s ed e t a i ll n f o r m a t i o nt h r o u g h s t a t i s t i c sa n a l y s i s ，t h e nu s e sa na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kf o r q u a l i t yp a t t e r nr e c o g n i t i o n 王h er e c o g n i t i o nr a t eo f t h i sm e a n si sg o o d 。 t h er e a l i z a t i o no f a u t o f o c u s f o rc o n t r a s tm e a n s i ss i m i l a rw i t ht h e1 d e m e n s i o n s e a r c h ，c a l c u l a t e st h ea u t o f o c u sf u n c t i o nv a l u e ，c o m p a r e si tw i t h 氇ep r e v i o u so n e a n dd e c i d e st h en e x tp o s i t i o n ；f o rp o w e r s p e c t n m ao rw a v e l e tm e a n s ，m o v e s as p e c i a l d i s t a n c er e l a t i v et ot h ei m a g e q u a l i t yl e v e ld i r e c t l y d e p e n d i n go na b o v ea u t o - f o c u st h e o r i e s ，d e s i g na na u t o f o c u ss y s t e m ，a n a l y z e i t sp e r f o r m a n c ea n dp r e s e n t 氇ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep a r t i c u l a r l y , t h e s y s t e mi sc o n s t r u c t e db yh i g hs p e e dd s p ( d i g i t a ts i g n a lp r o c e s s o r ) a n df p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ) k e y w o r d s ：i m a g ep r o c e s s i n g ，a u t o f o c u s ，i m a g ec o n t r a s t ，p o w e rs p e c t r u m ，w a v e l e t a n a l y s i s ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，1 一d e m e s i o ns e a r c h | | 一 浙江人学硕士毕业论史 第一章绪论 【内容摘要】介绍r 课题研究的背景度意义，对成像系统、c m o s 网像传感器、传统的调焦方法及常用的 清晰度分析函数的田内外研究状况做了简耍的概述，然后对方案进行比较后提出了本课题的具体研究内容 及相关技术。 1 1 背景及意义 光电成像系统已广泛应用丁 工业、农业、医学、军事等领域，作为一种获取图像信息 的工具，它可以用丁生成过程监控、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”。进入二十一世纪，知识和信息的飞速发展，把我们带入到知识和 信息的时代，特别是随着网络和多媒体的迅速发展，图像作为一种高容量的信息载体已深深 融入每个人的日常生活之中。各种箨样的图像输入、输；设备已渐渐成为多媒体计算机的普 通外设，并具有广泛的需求前景。计算机的广泛应用，使各个领域有与计算机结合的趋势， 与计算机的结合，不仅使各种信息带有明显得数字化的特征，同时也使我们所处的时代成为 真正意义上的数字化时代。图像与计算机的结合是必然的也是必须的，图像的数字化使得对 图像的荐种处理和图像的存取变得更加容易。近年来，图像处理技术得到了全面的发展，并 继续以e 快的速度发展，同时它的应用领域也越来越广口”4 i 。 无论哪个光电成像系统，都会遇到对焦的问题，用相机拍摄物体时，如果焦距没调节 好t 也即离焦时，拍摄出来的像是模糊的，这是我们所不希望的，拍摄者会调竹焦距找到物 体成像的对焦点，从而得到最清晰的图像。同样，每个光电成像系统在成像时也会有类似的 对焦过程【3 i 。 实现对焦的方法有传统的手动调节和控制器控制的自动调节【6 1 ，手动调 ，的方法主要 是根据人的主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f ，由于手动调节方法的效率极低，因而 它根本不能满足要求。而使用自动调节的方法，如果控制器采用的控制策略很好，那么不仅 可以得到较高的对焦精度，而且可以满足实时对焦的要求7 1 。 光电成像系统是集光、机、电一体化的产品随着电子技术特别是微电子技术的快速 发展，大规模集成电路( v l s i ) 和中央处理器( c p u ) 已麻用到光电成像系统，使光电成 像系统在功能和精度上得到了巨大的发展，并且使光电成像系统走向数字化，成为数字成像 系统。最有说服力的例子就是数码相机，经过短短十几年的发展，它以要取代传统胶片相机 的趋势e 速发展。进入二十一世纪之后，这一增长势头有增无减。从满足特定的某种要求或 系统的易操作性来讲，自动调焦已成为一些光电成像系统的一个重要的部分。 自动调焦的出现首先是随着照相机的发展而出现的p 1 ，至今差不多有上百年的历史了， 它在传统的照相机中应用得非常普遍，而在渐渐开始流行的数码相机上，自动调焦技术应用 得更广，由于数码相机差不多全部都数字化了，特别是高性能微处理器的使用，自动调焦功 能就更容易嵌入，这样使自动调焦技术发展得更加成熟。自动凋焦在档次稍微高一点的数码 相机上已成为一项技术指标。 国外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 技术相当成熟，但由于我国在这方面起步比较晚，目前还没有真正意义上的自动调焦相机。 从当前的照相机行业来说，无论是从价格还是功能方面，我国是没法与国外的人公司竞争的。 但此长远来看，由r 目前中国的照相机普及率只有1 5 ，数码相机的普及率更低，而一些 发达国家和地区的这一数字则高达7 5 ，这意味着中国数码相机市场的潜力仍然是1 f 常巨 浙江大学硕上| 莘业论文 人的，未来几年都会被国外看好，我们自己也要尽力占有一块份额，所以现在继续做自动调 焦方面的研究及实践还是有十分重要的意义”j ，要想使自己国家的照相机行业发展r 去，这 方面的努力是必要的，同时，自动调焦技术也可以应用到其他光电成像系统当中去。 基丁图像技术的自动调焦方法是从与传统的自动调焦技术完全不同的角度出发，它是 赢接针对拍摄的邕像采用图像处理技术，对图像进行成像质_ 蕈= 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，从而实现自动调焦。 数码相机的最大优势是能够将所摄入的图像直接输入到计算机，进行图像处理、编辑 1 j 传输，或直接通过打印机输出，或通过互联网传送到世界各地。随着科学技术的进步和信 息产业、现代光机电一体化产业的发展，数码相机的未来发展趋势是低价位、低功耗、高性 能、先进的关键部件以及性能优良的图像处理技术。在基丁c c d 图像传感器的数码相机朝 商分辨率、高性能方向发展的同时，基丁c m o s 图像传感器的数码相机朝低价位、低功耗、 大众化发现发展。随着c m o s 技术的发展，它的成像质蛀已得到很大的提高而且正朝着单 元片成像系统的趋势发展_ 4 j 1 7 “”j 。 提出以c m o s 图像传感器的数码相机为研究对象，以d s p 为控制器，采用基于图像技 术的自动调焦方法研发出性能优秀的自动调焦系统具有非常重要的现实意义，它不仅对推动 光机电一体化技术进步，发展现代光学仪器产业具有重大的意义，同时如果能把自动调焦模 块与系统集成，必定能带动我国数码相机产业的发展，使我国在国内、国际市场上具有更强 的竞争力。本研究课题来源于浙江省网上重大招标项目“基于数字技术的图像自动调焦系统” ( k y z 0 1 1 1 0 3 0 0 2 ) 。 1 2 国内外研究概况 本部分对成像系统( 数码相机) 、c m o s 图像传感器、传统的调焦方法及常用的一些图 像质量分析函数的研究概况做一些简要的介绍。 1 2 1 数码相机”7 。7 ” 数码相机称为数字相机，它是集机械学、光学、电子学于一体的高科技产品。它集成了 影像信息的转换、存储、传输等部分。其基本工作原理是：通过把自然界的一切瞬间或人们 所需要的图像、信息等轻而易举地拍摄下来，经核心部件图像传感器，进行光电转换即把光 线信号转变为电信号，再通过模数转换器a d c ( a n a l o g t o d i s t a l c o n v e n e 0 ，把电压模拟信 图i1 数码相机的结构框剧 一2 一 浙江大学硕十毕业论文 号转换成数字信号。把获得的人量数字信号经压缩后，可南数码相机内部的快闪存储器保存， 也可交由计算机保存或处理，或由内置的硬盘i 进行保存。如果对拍摄的影像信息不满意， 还町通过图像处理软什进行处理加上，诸如浮雕、柔化、反转、黑白彩色转换、裂像特技效 果，甚至把不盘_ 的图像信息完全删除等。它的结构如图1 1 。 总之，数码相机的图像信息可在计算机上任意d h 工处理，t _ 1 图像处理软件来润色自己需 要的图像，充分发抨自己的创造力和想象力，并把自己设计的理想图像变成现实。 目前全球有3 0 多家厂商不惜花费数十亿美元研制、生产各种类型的数字相机，以便试 图在现代影像领域取得较大的市场份额夺取市场的领先地位。2 0 0 0 年全球数码相机的供 货量达到了1 1 0 1 万台，和1 9 9 9 年相比竟然增加了1 1 3 ，而国内市场数码相机销售量的年 增长率更足达到了惊人的1 3 0 。进入二十一世纪之后，这一增长势头有增无减，2 0 0 2 年全 球数码相机销售量可望达到1 7 3 0 万台，占全球相机总销售鼠的2 1 ；预计到2 0 0 6 年，全 球数码相机的销售量将达到全球相机市场的6 3 ，销售额可逼近9 9 亿美元。据业内资深人 士分析，中国目前的数码相机销量目前仅次于美国和欧洲。更为诱人的是，随着中国经济的 持续发展和人民生活水平的普遍提高，在数码摄影以及相关服务方面的消费还会继续高速增 长。比如说目前中国的照相机普及率只有1 5 ，数码相机的普及率更低，而一些发达国家 和地区的这一数字则高达7 5 ，换句话说，中国数码相机市场的潜力仍然是非常巨大。业 界巨头们已经十分清楚地看到了未来的趋势：在晟近儿年内，数码相机的市场会继续有所扩 大，同时价格也将趋于稳定。说得更长远点，数码相机晟终必然会取代光学相机成为市场 的主流。 1 2 2c m o s 图像传感器【5 2 7 7 - 8 1 】 7 0 年代初期，随着c m o s 技术的成熟，二种典型的固体传感器：电荷耦合器体( c c d ) ， 电荷注入器件( c i d ) ，光敏二极管阵列( p d a ) 得到了发展，到了8 0 年代中期，基于这三 种固体图像传感器技术的摄像机逐渐投入市场。其后，以c c d 的发展最为迅速，至9 0 年 代初，c c d 作为比较成熟的技术得到广泛的应用，具有每个像元几个电子成像灵敏度，使 得目前各种摄像机及p c 相机都基于c c d 技术。 随着c c d 应用范围的扩大，其缺点逐渐显露出来，c c d 光敏单元阵列难与驱动电路及 信号处理电路单片集成，不易处理一些模拟和数字功能，这些功能包括模，数转换器、精密 放大器存储器、运算单元等元件的功能；c c d 阵列驱动的脉冲复杂，需要使用相对高的工 作电压，不能与深亚微米级大规模集成电路( v l s l ) 技术兼容，为此，人们义开发了另外 几种固体图像传感器技术，其中，最引人注目最具有发展潜力的是采用标准的c m o s 技术 来生产的图像传感器一- - c m o s 图像传感器。 到了8 0 年代中期，c m o s 技术逐渐成熟。9 0 年代初期，可为数字系统设计卣万个或更 多晶体管。采用标准的c m o s 技术生产实用像元尺寸后，高性能的固体传感器已成为可能 并已能够制作出大批量可见光波长的c m o s 晶体。采用c m o s 技术可以将图像传感器阵列、 驱动和控制电路、信号处理电路、模数转换器等完全集成在一起，可以实现单元片成像系 统。这种片上摄像机用标准逻辑电源电压工作，仅消耗几十毫瓦的功能。 目前世界上很多研究机构主要在开发c m o sa p s ( a e t i v ep i x e ls e n s o r ) 即有源象素传感 器，有的已在传感器阵列上集成了模，数转换器。目前采用的c m o s 技术非常先进，己证明 c m o s a p s 的像声水平，量子效率，动态范围可与c c d 的相比拟。 随着多媒体、数字电视、可视通信等领域的热点增加，c m o s 图像倍感器的应用前景 更加广嗣，在实现非单元尺寸方面，c m o s 图像传感器取得了快速的进步，已有5 6 5 6 单 元尺寸的板道。当采用0 2 5u m 特征尺寸的工艺技术，将生产出更高性能的c m o s 图像传 浙江大学硕l _ 毕札论文 感器，高性能的c m o s 摄像机有希望短期内人量出现，单元彩色c m o s 摄像机在近儿年内 有望普及。 随着c m o s 电路消噪技术的进步，采t e j 新工艺利相关舣取样电路就能有效地降低c m o s 图像传感器的同定图像噪声，采用掩埋光电二极管新型结构，能有效地降低漏泄电流，在低 压f 也能确保无电荷残余地完全读出，实现与c c d 图像传感器同等的高画质。 目前，c m o s 图像传感器主要朝着高分辨率、高动态范围、高灵敏度、高帧速、集成 化、数字化、智能化的方向发展。人们主要致力于提高c m o s 图像传感器，尤其是c m o s a p s 的综合性能，缩小像元尺寸，调整c m o sj 二艺参数，将时钟和控制电路、信号处理电路， a d 电路、图像压缩等电路与图像传感器阵列完全集成在一起，并制作滤色片和微透镜阵列， 以期实现低成本、低功耗、高度集成的单芯片成像微系统。 1 2 3 传统的自动调焦技术3 1 1 6 1 1 7 2 1 【7 5 i 自动调焦技术原理虽然古老，但实现的方法都是最新科技成果。对照相摄影提出自动 调焦最早可迫朔到1 8 9 8 年，当时法国人已完成过对放大镜头的自动调焦，其后有1 9 6 0 年的 自动调焦测距器、1 9 6 3 年的佳能自动调焦照相机样机，但终冈当时电子技术还跟不上虽然 原理上可行，但实际上却生产不出，由于2 0 世纪7 0 年代微电子技术上的突破，给自动调焦 相机的生产创造了条件，如人规模集成电路和中央处理器的开发，才使a f 相机水到渠成。 不管现在自动调焦( a f ) 技术发展到如何高的水平，其基本结构原理不外乎以下几种： 1 2 3 1 焦点检测方式 焦点检测方式主要用丁- 单反照相机中，其原理是基于单反相机取景屏上的毛玻屏和裂像 棱镜，根据两者性能的不同，一般有反差检测和相位检测两种。 ( 1 ) 反差检测法 反差检测就是光学上的视觉清晰度，即边缘对比度或叫反差。当我们观察一个景物的 轮廓时，像的亮度变化越突然，即其亮度梯度越大，则其轮廓越清晰，在观察取景屏上的物 体时，如你使一个清晰像离焦，则其亮度梯度变小，将会使清晰像模糊。在反差检测型a f 装置中t 就是崩非线性光敏元件( 例如c d s ) ，把它放在胶片面的等价位置的前后。用它进行 对比度检测，再经运算电路进行a f 控制或者作调焦方向的指示。 ( 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体的距离的不同产生不同的位置差， 根据信息的换算得到相位差，把它与不产生相位差时进行比较，再根据调焦组件的运算，得 到镜头的移动龟羊u 方向，然后由伺服马达拖动镜头，当相位著为零时，发出停止信号，使镜 头停在某一位置上。根据可采用的调焦组件的不同有不同形式，其中最主要的有t c l 方式 ( 使用霍利威尔t c l 自动调焦组件) 和n i k o n 方式。霍利威尔t c l 组件用c c d 列阵，在 受光元件前置有复眼透镜组，它把通过镜头的光线分为两半，分别照射到两组c c d 列阵上， 通过数字电路分析两组c c d 列阵上的照度分布判断是否合焦和聚焦方向。n i k o n 方式的检 测器件采用s p d 代替c c d 列阵，它把通过镜头的光线，经检测光学系统成为二束光线，然 后在两个焦点检测器上判断偏移方向。 1 2 3 2 测距方式 i 蜒| | 距方式可分三角测量型和测速型，前者的原理就是手动调焦的三角测量法，后者是 通过声纳测最距离。测距方式一般被应用在镜头快门照相机中。 ( 1 ) 三角测景型 4 浙江大学硕十毕业论文 二角测量犁是借助来自被摄体的反射光线，根据三角测量原理进行自动调焦。根据实现 自动谪焦的技术和采用的传感器的币同，又可分舣像重合式和投射光式。 烈像重合式：在一般的镜头快fj 照相机的取景器中，在剥焦时可看到两个不重台的像， 一个是直接通过取景系统的基准像。另一个足由测距可动反光镜反射的参照像，口，通过调符 镜头，用机械联动机构使二像重合达到正确对焦，自动调焦就是采用传感器把溯得的，：不重 合像的信息，通过电路运算，发出镜头转动信号使二像重合，在一像重合后马上给出停止信 号，从而结束凋焦。其中义因使用的传感器或调焦组件的不同，又有不同的方式。 投射光式：投射光式是比双像重合式更早提出的方式，由于作为投射光的电源人小问题 而一直实用不了，随着红外发光二极管的出现而导致了电源的小型化，从而被实用化，它主 要有佳能方式和美能达方式。佳能方式是由佳能开发的最早的投射光式。根据三角测距原理， 在基准像处设有位置指示二极管，在可动反光镜位置上置一红外发光一二极管代替可动反光 镜，该红外发光二极管可边发光边扫描，红外光由被摄体反射回传感器变成电信号，当传感 器接收到的亮度最人时，红外发光二极管被告知而停止发光和扫描，该位置就是对焦止确位 置。美能达方式与佳能方式不同的是红外发光二极管是固定的，位置传感器为一横向排列的 4 个分隔的敏感元件，根据被摄体反射光斑成像在元件上的位置求得距离信息，即把距离分 成几个区段。 ( 2 ) 测速型( 波拉方式) 其原理是由相机发出声频信号，测出该信号从被摄体反射回接收器所化的时间计算出距 离，使镜头调节到相应的焦点位置。 目前测速型自动调焦只有波拉公司采用，波拉方式是在相机上设一压电型转换器，该器 件发出4 种频率( 5 0 、5 3 、5 7 、6 0 千赫) 超声波，用以区别周围其它噪声信号，这是一种 定向卢频，时间大约l m s ，与此同时计时器开始工作，发卢信号1 2 8 个，与1 2 8 个可能聚焦 凋节位置相对应，并把此时计时信号保存到存储器，该存储器只有存储1 2 8 个信号的存储单 元。转换器发出信号后，马上转换成接收器，当反射声频一黾接收到，便立即中止向存储器 发送信号，此时存储器中没有输入信号的存储单元马上转向，使调焦电机转动，驱动镜头调 焦到相应位置。 1 2 4 图像质量评价函数 最初评价图像质量是直接靠人的视觉来判断，然而这种主观的评价方法有一定的不确定 性。图像质量的识别技术近年来已引起国内外学者的重视，对该方法也做了大量的研究和试 验，并在取得定的成功i i i 【7 1 ”。 很明显，一幅图像不仅包含有物体的信息，同时它还包含有图像质量的信息，因而我们 可以从图像到图像质量找到一种映射关系，这种映射关系是某种数学函数或者是某种传递函 数。近年来，图像质量评价函数的研究已引起了人们的重视，并提出了一些客观的图像质量 评价方法，并得到功能上的验证。 常用的评价函数大致是从图像的时域、频域和信息熵i 个角度去分析的。在时域，梯度 函数常被用来提取边缘信息。对焦良好的图像，是有更尖锐的边缘的图象，因而有更大的梯 度函数值因而它可以用来分析图像清晰度。常用的梯度函数有t e n e n g r a d 函数、能_ 最梯度 函数、b r e n n e r 函数、方差函数等。 在频域，图像处理常采用傅里叶变换，其理论依据就是：清晰的图象比模糊的图象包含 更多的信息，人们能更好地分辨其中的细节( 细节意味着图象有清晰可辨的边缘，在局部中 有很强的灰级变化，灰级的跃变更加剧烈) 。边缘信息的博里叶变换后对应于频谱的高频分 浙江大学硕士牛业论义 量，由j 二聚焦准确的图象有更尖锐、清晰的边缘，因而它含更多的高频分量，所以图像频谱 中包含的高频分量的多少也可以用来做清晰度分析。 图像信息熵是从信息论角度对图像进行分析的，对焦良好的图像与处丁离焦状态的图像 具有不同的信息熵，因而嘲像的信息熵也可以进行清晰度分析。 1 3 技术方案比较 我国在自动调焦方面做得还很不足，但从现在做的话可以是高起点，而h 也必须足此 高起点着手充分利用别人现有的研究成果，并在此基础上进行创新提出更有效、更先进的 方法。现在传统的自动调焦方法从大方向上分有两种：土动方式和从动方式”j 。主动方式是 成像系统主动发出红外线和超声波，测出被摄体的距离，然后根据物体的成像原理计算出焦 距，实现自动凋焦；从动方式系统本身不发出射线或声频而娃由检测元什检测被摄体的反光 而实现自动调焦。 从动方式的优点是：1 ) 不要发射系统，耗能少，有利于小型化；2 ) 在一般的拍摄条件 下能很好台焦；3 ) 对很亮的远距离被摄物也能自动调焦。其缺点是：1 ) 对细线条的被摄体 自动调焦困难；2 ) 对低反差的被摄体或在暗处的被摄体自动调焦困难；3 ) 对运动物体的自 动调焦困难：4 ) 对含有偏光特性的被摄物自动调焦困难；5 ) 对黑的被摄体或镜面物体自动 调焦困难。 土动方式的优点是：1 ) 可咀拍摄处于暗淡的情况下或低反差景物的照片；2 ) 对细线 条被摄体能自动调焦；3 ) 也适合于运动物体摄影。其缺点是：1 ) 对于发射红外光的成像系 统，当被摄体是红外光吸收物或红外光发射物时难于自动调焦；2 ) 对斜面的被摄物自动调 焦困难；3 ) 小物体的被摄体或很亮的远处的被摄体自动调焦困难。 这两种自动调焦方法都能在一般的应用场合工作得很好，也能满足各种应用要求，但 都有一定的局限性。从它们的工作过程来看，主动方式需要有一个测距模块，而从动方式反 光检测元件，这样不仅会使系统的成本增加而且会使系统的结构变得复杂，并有可能使系统 的装配要求提高。从中我们还可以看出，这两种自动调焦方法都没有和图像清晰度直接相关， 而是通过一种间接的方式实现焦距的调整。由于这两种方法加入了中间过程，中间环节不可 避免地引入了误差，使系统地精度受到影响。 而基于图像技术的自动调焦方法直接对图像作质量分析，没有任何中间环节，减少了 一些不必要的误差，如果图像质量评价函数选取得当，会使整个系统的对焦精度很高，同时 这种自动调焦方法的工作相当于在原有微处理器控制的基础上进行扩展，把自动调焦中的图 像质量评价和调焦控制两个功能加进去，这样可以使系统的成本降低、结构更为简单。 图像质量评价函数在基于图像的自动调焦技术中起着关键的作用，它不仅决定了整个系 统最终完成自动调焦的有效性，而且它的算法决定了硬什系统的实时性。由于已经有了一些 理论基础，它的实现是完全可能的。 随着电子技术的迅速发展，出现了新一代的微处理芯片d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) ， 它是一种特别适合于进行数字信号处理的微处理器，主要应用是实时快速地实现各种数字信 号处理算法”4 。d s p 已广泛地应用于语音识别、语音压缩、幽像处理及图像压缩等各种 领域 4 ”。 综上所述，基丁图像的自动调焦方法作为一种较新的方法还需要人们去探索与实践，由 f 图像处理技术正在快速发展，各种新的理论和方法的应_ j 为这种自动调焦提供了理论基础 和各种算法：而现有各种高性能的微处理器和大规模集成电路的广泛应用为它提供了硬件基 础。在当前各种有利的软硬件条件下，该方法具有很明显的优越性。 - 6 浙江人学硕十毕业论文 1 4 课题研究的内容 本课题从图像处理的角度提出自动调焦，这是自动调焦的新技术，幽像质量分析足该调 焦方法的核心内容，本课题的研究内容主要是用不同的图像处理理论和分析方法对图像质量 分析方法做了一些研究，并介绍了系统的总体设计。课题包括下面四个内容。 1 4 1 图像预处理 图像的预处理土要包括数据格式转换、去噪滤波、去光线干扰等等。图像传感器的输出 的图像信号一般是r g b 格式的彩色空间数据，在质量分析过程中实际用到的是图像的灰度 信号，所以先对数据进行转换。 物体的发射光在c m o s 图像传感器上转变为电信号时，不可避免地带有器件本身的噪 声信号，同时在后续的处理过程也会引入噪声。噪声有的是加性噪声，有的是信号相关噪声， 还有的是脉冲噪声。噪声成份的不同，采取的除噪方法也会有所不同，尽量做到滤除噪声的 问时不要使图像受到影响。 拍摄的过程中还会受到光线的影响，并且c m o s 图像传感器在光线较暗时成像效果不 足很好，所以在这种情况f 很有必要进行灰度值校正以增强图像的对比度，消除光线的干扰。 1 4 2 图像质量分析 这是本课题的主要研究内容，图像质量分析的核心是找到合理的评价方法，寻找评价方 法的途径有两种方法，一种是对现有的各种评价方法在性能上进行比较，然后选出性能晟好 的评价方法；另一种是从其他角度，采用其他图像处理技术对图像进行更深入的分析，提出 更新、更有效的质量分析方法。不管采用哪种方法，都必须保证清晰度分析函数满足对焦操 作的有效性和实时性。 先介绍了“基于对比度的图像质量分析”，在计算机上对各种常用的图像质量评价函数 作性能分析，主要对它们的算法从空间和时间两方面进行比较分析，然后选择或者做一些综 合处理得到最好的调焦函数。 同时从新的角度和分析方法出发寻找其他类型的评价方法，根据场景的功率谱不变特 性，论述了“基于功率谱的客观图像质量分析”：采用小波分析的方法对图像进行多分辨率 观测，并以统计的方法提取图像的特征，再采用神经网络对这些统计值做清晰度模式识别， 探讨了“基于小波与神经网络的图像质龟分析”。 1 4 3 调焦实现 把图像质量分析理论用于调焦控制便可完成自动调焦，由于图像分析方法不同对应的 调焦操作也有所不同。调焦之前对图像进行分块及选择，使实际处理的数据仅为其中的一小 部分，从而大人减少计算量。针对对比度法调焦提到了一维搜索方法。介绍了相对复杂的对 比度法调焦的t 作过程，针对外界干扰波动提山改进措施。同时还简要说明了功率谱法和小 波与神经网络法的调焦操作过程。 - 7 - 浙江大学颐上毕q k 论文 1 4 4 自动调焦系统设计 前而几部分内容主要集中在算法研究和控制策略上，具体实现时，它们都是在软件上完 成。与软件对应的一个重要内容是硬件系统的设计，系统采州d s p 与f p g a 相结合的方法， 并给山系统的工作流程。 1 5 本章小结 本章先对自动调焦技术、自动调焦系统及其他相关器件的国内外研究状况做了一些概 述，从各种文献资料表明，国内在自动调焦方面的t 作做得还比较少，本课题就是在这样 个背景f 引出的，通过对现有的调焦方案进行比较，采用数字图像处理方法的自动调焦技术， 它具有一定的先进性和智能性，具有非常好的应用前景。最后介绍了本课题的研究内容及相 关技术。 8 浙江人学硕i ：毕业论义 第二章数字图像预处理 【内容摘要】先介绍，数字图像处理的特点和优点，然后提到一出图像格式与格式转换的内容，最后着重 讨论，成像系统成像过程中需考虑的一些预处理技术，毛要包括去除光线干扰和去噪滤波，去除光线干扰 n f 采用获度线性变换或灰度直方图校正的方法去噪滤波可以从时域和频域采用多种方、珐实现。 数字图像技术在近2 0 多年的时间里，迅速地发展成为fj 独立的有强大生命力的学科， 并我俐的日常生活中得到，广泛的应用，它的些主要的应用是地理遥感、医学图像处理、 t 业监控、计算机视觉、指纹识别、军事侦察及多媒体等各种领域。随着计算机技术的口益 发展，图像处理的日益完备，图像处理的应用范围将更加深入和广泛【2 。”1 。 2 1 图像的数字化及其特性 我们知道，计算机所能处理的信息必须是数字信号，而我们得到的照片、图纸或景物等 信息都是连续信号，所以在用计算机进行处理之前需要将这些模拟信号进行取样和量化。所 谓取样，就是把一幅连续图像在空间上分割成m n 个网格，每个网格用一亮度值来表示。 由于结果是一个样点值阵列，故又叫点阵取样。取样使连续图像在图像空间上离散化但取 样点上图像的亮度值还是某个幅度区间内的连续分布。根据取样定义，每个网格上只能以一 个确定的亮度值表示，把取样点上对应的亮度连续变化区间转化为单个特定的数码的过稃， 称之为量化2 1 2 2 1 1 2 ”。 令，( x ，y ) 为一个有限带宽的二维连续图像函数，f ( x ，y ) 的 傅立叶变换对为：f ( x ，y ) 铮f ( u ，v ) ，f ( u 当“，v 方向上的带宽分别为上。和。时，f ( x 径为如或上，所包含的区域内( 如图2 1 ) 。 又知二维取样函数 ，v ) 具有以下特点： 上 1 v ，少) 的能最集中在半 t s ( ) = 5 ( x - l a x ，y - j a y ) 一 式中，a x 、z j y 为x ，y 方向的取样间隔。( 2 1 ) 式是 脉冲函数瓤d 在x 、y 方向以一x 、咖为间隔的展开， 见图2 2 。 对图像f ( x ，y ) 取样，就是将f ( x ，y ) 乘以取样函 数s ( x ，y ) 。取样后的图像 叫l ui - 图2 1 f ( x ，j ，) 的能量分布 ( 2 1 ) 六( x ，y ) = f ( x ，y ) s ( x ，y )图2 2 脉冲函数阵列 - 9 浙江人学硕十毕业论殳 + 一 f ( x ，y ) 5 ( x i a x ，y j a y ) 一。 十帕+ f ( i a x ，j a y ) f i ( x i a x ，y j a y ) ( 2 2 ) = ；一 在上式中，连续图像函数， ，y ) 移入求和式内变成离散形式，( f 血，j a y ) ，这是因为幽像 函数只在( i a x ，) 取样点上取值。 取样函数s ( _ ：c ，y ) 的傅立叶变换为 跗，v ) 2 击薹磬”“蜘叫妙) 茜量参”脚一曲， ( 2 3 ) 以u = 2m 4 置dv = 2 m d y ，根据取样定义和傅立叶变换卷积定理，f ( x ，y ) 、l ( x ，y ) 、 s ( x ，y ) 兰者之间的频域关系为 只( “，v ) = 百1 f ( “，v ) + 眠v ) 将( 2 3 ) 式代入( 2 4 ) 式，展开卷积式并进一步整理，得 脚，2 哿薹誊c u - i a u , v - m ( 2 4 ) 2 南至蝥( u - i a u , v - 声) 2 5 由( 2 5 ) 式不难看出，取样图像六( x ，y ) 的频谱是连续图像谱在 0 0 0 ( 。，。) 方向上以一定间隔的分布。当4 五4 ，选择恰当，使得t o ( )o 揣嚣l 裟紫一就可以获得l u 期, 望l v 嚣然嚣就oo023 不会出现重叠现象( 见图) ，就可以获得期望的取样点阵。 一 依据以上分析，确保i e 确取样的条件是 。一。 ”2 工。 v 2 工v l( 2 6 ) 血兰厅l “l a ys 石l ，j 浙江大学坝j 毕业论义 可以不失真地重现( x ，y ) 。 连续图像f ( z ，y ) 经过等间隔取样得到兀( x ，y )