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　　基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦法的特點(diǎn)

　　1、 簡(jiǎn)化硬件、靈活方便

　　由于利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字圖像處理，因而可方便地對(duì)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，從而避開了復(fù)雜的調(diào)焦電路和機(jī)構(gòu)。因?yàn)楝F(xiàn)在計(jì)算機(jī)的接口和總線技術(shù)已經(jīng)非常成熟，只需通過軟件給出控制信號(hào)，就可直接控制電機(jī)去驅(qū)動(dòng)物鏡的運(yùn)動(dòng)，因而靈活方便，且大大簡(jiǎn)化了電路和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，即簡(jiǎn)化了硬件。

　　2、聚焦判據(jù)靈活多樣，使調(diào)焦更加智能

　　前述的自動(dòng)調(diào)焦法只能是利用一種方法或一種聚焦判據(jù)來調(diào)焦。而通過計(jì)算機(jī)的數(shù)字圖像處理，則可靈活多樣。如不僅可利用輪廓邊緣的梯度信息，還可提取圖像中的其它有效信息(頻率、相位等)來進(jìn)行聚焦判斷，從而使調(diào)焦更加準(zhǔn)確、智能。

　　此外，由于計(jì)算機(jī)的靈活性，還可針對(duì)不同的使用要求去選擇不同的判據(jù)。如只需要圖像中的某一個(gè)局部目標(biāo)，就可針對(duì)圖像中的這一局部進(jìn)行處理。這時(shí)一般可用該局部的對(duì)比度(即邊緣梯度)作為調(diào)焦的判據(jù)。

　　基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦法的分類

　　1、 依據(jù)焦距評(píng)價(jià)函數(shù)的不同而分：

　　· 高頻分量法：這種方法是對(duì)圖像進(jìn)行付里葉變換，提取其中的高頻成分作評(píng)價(jià)函數(shù)。該法雖然準(zhǔn)確度高，但計(jì)算量大;

　　· 平滑法：這種方法是計(jì)算圖像上相鄰像數(shù)的平滑度，再對(duì)整個(gè)像面求和作為集聚評(píng)價(jià)函數(shù)，其最大值為圖像的調(diào)焦判據(jù)。但該方法靈敏度不高;

　　· 閾值積分法：這種方法是根據(jù)圖像的灰度分布選取一個(gè)閾值，并對(duì)大于閾值的灰度進(jìn)行求和，其最大值即為圖像的調(diào)焦判據(jù)。但該方法測(cè)量精度差一些;

　　· 灰度差分法：這種方法是利用圖像的相鄰像素的差的絕對(duì)值之和作為評(píng)價(jià)函數(shù)。該法實(shí)際上是一種微分法，即對(duì)圖像進(jìn)行梯度變換，也就是利用了圖像的邊緣增強(qiáng)處理，使聚焦圖像與離焦圖像的評(píng)價(jià)函數(shù)值更加分明，提高了準(zhǔn)確聚焦的靈敏度。雖然這樣方法形式簡(jiǎn)單有效(算法簡(jiǎn)單快速)，但不能濾掉圖像中的噪音。

　　由上看出，每種方法都有其不足之處，因此目前多采用幾種方法相結(jié)合，如第四種方法與第一種結(jié)合，或第四種與第二種方法相結(jié)合等。這樣就非常準(zhǔn)確有效，后面再專門介紹。

　　2、依據(jù)自動(dòng)對(duì)焦算法也可分為四種：

　　· 峰值光強(qiáng)比較法：本方法最簡(jiǎn)單，光強(qiáng)越大對(duì)焦越好，尤其對(duì)單點(diǎn)成像很適用。但對(duì)于線掃描和面掃描成像，需先找到峰值點(diǎn);

　　· 對(duì)比度比較法：對(duì)比度越大，對(duì)焦越好。本方法對(duì)線掃描與面掃描均適用;

　　· 標(biāo)準(zhǔn)差比較法：本方法是比較像面某點(diǎn)與像面均值之差，差值最大的點(diǎn)即為齊焦點(diǎn)。它僅適合面掃描，不適合單點(diǎn)成像和線掃描采樣方式;

　　· 熵值比較法：根據(jù)山農(nóng)信息論原理，熵最大時(shí)，信息量最多。所以，本方法的對(duì)焦靈敏度最高，但不適合單點(diǎn)成像的采樣方式。

　　同樣，用不同采樣方式和幾種對(duì)焦算法組合使用比較好。這樣既可以滿足準(zhǔn)確度要求，又可滿足速度要求。

　　一種灰度差分法與平滑法相結(jié)合的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)

　　所謂灰度差分法是利用圖像的相鄰像素的差的絕對(duì)值之和作為焦距評(píng)價(jià)函數(shù)：

　　F(i) =∑ [ | fi(x,y)-fi(x,y-1)|+|fi(x,y)-fi (x-1,y)| ]

　　(x,y)

　　式中，i=0,1,…,n。

　　顯然，當(dāng)圖像聚焦時(shí)，F(xiàn)(i)最大。實(shí)際上，灰度差分法就是一種微分方法，即對(duì)圖像進(jìn)行梯度變換，使焦距評(píng)價(jià)函數(shù)的特征曲線更加陡峭，能實(shí)現(xiàn)快速、實(shí)時(shí)和有效的調(diào)焦。

　　由于在采集圖像的進(jìn)程中的噪聲不可能完全去除，這就有可能使得到的評(píng)價(jià)函數(shù)值出現(xiàn)局部的最大值，從而有可能使圖像不能聚焦在最佳位置。因此，需用平滑法對(duì)評(píng)價(jià)函數(shù)值進(jìn)行平滑處理，這樣，可去除局部的最大值，使聚焦的穩(wěn)定性得到了提高。

　　平滑的原理是：對(duì)前三個(gè)評(píng)價(jià)函數(shù)值相加求平均值以作為當(dāng)前的平滑值。實(shí)踐證明(也可詳見有關(guān)的參考文獻(xiàn))，經(jīng)過平滑后的評(píng)價(jià)函數(shù)的特征曲線值得到了很好的平滑，從而克服了有局部最大值的現(xiàn)象。

　　本方法的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理框圖如圖3所示。它由攝像系統(tǒng)(固體攝像機(jī)與可變焦鏡頭)、圖像采集卡、運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服電機(jī)等組成。

　　該系統(tǒng)的工作原理采用的是逐步逼近的登山式自動(dòng)調(diào)焦方式：首先，聚焦鏡頭作任意方向搜索，找到下一點(diǎn)的評(píng)價(jià)值大于起始點(diǎn)的評(píng)價(jià)值，直到越過山頂(即曲線峰值);其次，再反向搜索，越過山頂;然后，再反轉(zhuǎn)搜索。如此反復(fù)，直到找到最大值，則聚焦結(jié)束。值得提出的是，每搜索一次，步距相應(yīng)減小，才能準(zhǔn)確找到最大值。

　　自動(dòng)調(diào)焦的軟件流程如圖4所示。需要說明的是，在計(jì)算焦距評(píng)價(jià)函數(shù)值時(shí)，可采用對(duì)圖像中的幾列來進(jìn)行計(jì)算，這樣能提高調(diào)焦的速度。

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