主頁（http://www.130131.com）：一體化攝像機中幾種自動調(diào)焦法及其特性比較 隨著光電圖像拾取技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，基于圖像處理的數(shù)字圖像自動調(diào)焦技術(shù)也獲得快速發(fā)展，并成為圖像測量技術(shù)、計算機視覺技術(shù)等的關(guān)鍵技術(shù)之一。 自動調(diào)焦技術(shù)是從20世紀70年代后期發(fā)展起來的，到現(xiàn)在已經(jīng)日臻成熟，并在攝影攝像系統(tǒng)中獲得了廣泛的應用。如自動照相機、數(shù)碼相機、攝像機(含監(jiān)控系統(tǒng)中的一體化攝像機)、用于網(wǎng)上視頻圖像通信的作為計算機外設的USB Video Camera以及用于圖像檢測中的其它攝影攝像設備等。 由應用光學中知，攝影物鏡成像有下列公式 式中，D為物距;d為像距;f為透鏡焦距。 由式(1)可知，當物距D發(fā)生變化時，由于物鏡的焦距f不變，要獲取清晰的像，就需要改變像距d。但絕大多數(shù)光電成像系統(tǒng)的像距d是固定的，這就需要調(diào)整物面沿光軸的位置。所謂調(diào)焦，就是指沿光軸方向改變物面或鏡頭的位置，使物像關(guān)系滿足公式(1)，以獲取清晰的圖像。 調(diào)焦有手動與自動兩種：手動調(diào)焦靠人眼目視檢測與手動調(diào)節(jié)，其效率低、精度差;自動調(diào)焦則包括信號自動檢測與自動調(diào)整，其特點是效率高、精度高，但結(jié)構(gòu)比較復雜。因此，自動調(diào)焦系統(tǒng)就是要代替原來的手動調(diào)節(jié)，先自動檢測光電圖像信號，再根據(jù)檢測的情況自動調(diào)節(jié)攝像鏡頭和感光面之間的距離，并使得像平面落在感光面上。顯然，這種自動調(diào)節(jié)需要用到電機，通常使用微型伺服電機或微型步進電機，用它們?nèi)ヲ?qū)動變焦鏡頭的調(diào)節(jié)環(huán)，以調(diào)節(jié)鏡頭中透鏡前后的距離，即調(diào)節(jié)焦距。從而使像平面落在攝像器件的感光面上，以滿足公式(1)的物像關(guān)系，使被攝圖像清晰。 自動調(diào)焦的方法很多，按其原理大致可分為兩類：對焦點及其偏離的直接檢測法與對物面到透鏡的距離檢測法;按離焦信息的檢測方法也大致可分為兩類：即直接調(diào)焦法與間接調(diào)焦法。直接調(diào)焦是基于光學系統(tǒng)在理想像面上像質(zhì)邊緣的對比度最大，通過直接檢測像邊緣的光強分布來獲取離焦信息，來直接進行調(diào)焦;間接調(diào)焦是把物鏡的理想成像位置作為參考面，用各種傳感器檢測像面或物面位置相對于參考面的偏離信息而進行的調(diào)焦。 本文介紹的基于圖像處理的自動調(diào)焦法，則屬于一種直接調(diào)焦法，它通過對成像質(zhì)量進行圖像處理而實現(xiàn)自動調(diào)焦，是成像系統(tǒng)尤其顯微系統(tǒng)比較理想的一種自動調(diào)焦方法。因此，基于數(shù)字圖像處理的自動調(diào)焦過程可以描述為：計算機通過光學系統(tǒng)和圖像采集設備采集到一系列的數(shù)字圖像，對每幀圖像進行實時處理，判斷聚焦是否準確、成像是否清晰，并給出反饋信號控制鏡頭的運動，直到采集到的圖像清晰度符合使用要求，即完成自動調(diào)焦。 本文介紹基于圖像處理的自動調(diào)焦法的原理、特點、幾種常用的聚焦評價函數(shù)，基于圖像處理的幾種常用的自動調(diào)焦法，如閾值積分法、高頻通帶法、微分法等，以及這幾種自動調(diào)焦法的比較。 基于圖像處理的自動調(diào)焦法的特點 由上述可知，基于圖像處理的自動調(diào)焦法的基本原理是，通過鏡頭和固體圖像傳感器采集被測物的光學圖像，經(jīng)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換為一系列數(shù)字圖像，再利用計算機對每一幀圖像進行實時處理，以判斷對焦的準確程度與成像的清晰程度，并給出信號去控制鏡頭的運動，直到采集到的圖像符合要求，即完成自動調(diào)焦。由于充分利用計算機處理數(shù)字信號的高速度和靈活性，因而基于圖像處理的針對數(shù)字圖像進行自動調(diào)焦的方法在視頻監(jiān)控攝像機中獲得了廣泛的應用。 基于圖像處理的自動調(diào)焦法有如下的特點： 1、簡化硬件、靈活方便 由于利用計算機進行數(shù)字圖像處理，因而可方便地對運動執(zhí)行機構(gòu)進行控制，從而避開了復雜的調(diào)焦電路和機構(gòu)。因為現(xiàn)在計算機的接口和總線技術(shù)已經(jīng)非常成熟，只需通過軟件給出控制信號，就可直接控制電機去驅(qū)動物鏡的運動，因而靈活方便，且大大簡化了電路和運動機構(gòu)，即簡化了硬件。 2、聚焦判據(jù)靈活多樣，使調(diào)焦更加智能 一般的自動調(diào)焦法只能是利用一種方法或一種聚焦判據(jù)來調(diào)焦。而通過計算機的數(shù)字圖像處理法，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)來進行聚焦判斷，從而使調(diào)焦更加準確、智能。 此外，由于計算機的靈活性，還可針對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局部目標，就可針對圖像中的這一局部進行處理。這時一般可用該局部的對比度(即邊緣梯度)作為調(diào)焦的判據(jù)。 常用的幾種聚焦評價函數(shù) 采用圖像處理法實現(xiàn)自動調(diào)焦的一個關(guān)鍵問題是，在于圖像清晰度評價函數(shù)的選取。理想的評價函數(shù)要求：無偏性、單峰性、能反映離焦的極性、對噪聲敏感度低、計算量盡可能小等。離焦圖像可以看作由物體和點擴散函數(shù)做卷積的結(jié)果，這樣往往導致圖像中高頻分量的減少或缺失。這一結(jié)果也可理解為，聚焦的圖像比離焦圖像包含更多的細節(jié)和邊緣信息。凋焦評價函數(shù)通常基于離焦圖像與聚焦圖像的內(nèi)容信息的差別等先驗知識，因此沒有對任何情況都適用的全能方法。 基于圖像處理的自動調(diào)焦法的常用的聚焦評價函數(shù)的類型大致有：灰度梯度函數(shù)、信息學函數(shù)、頻域函數(shù)、統(tǒng)計學函數(shù)等。 灰度梯度函數(shù) 這類函數(shù)主要利用對圖像灰度的各種處理方法來表征圖像清晰度。假設圖像中某點(x，y)處的灰度值為g(x，y)，圖像的規(guī)模為M×N(M列、N行)個像素，則灰度梯度判別函數(shù)包括以下幾種常見形式。 1、灰度漲落變化函數(shù) 這是一種判斷圖像灰度起伏程度的方法，其函數(shù)式為 式中，g0是圖像灰度平均值。 2、灰度絕對變化函數(shù) 該評價函數(shù)與灰度漲落變化函數(shù)比較類似，適于具有固定單一背景的圖像對比。該函數(shù)式為 式中，g(x0，y0)為某參考像素點(x0，y0)處的灰度值。 3、梯度向量模方函數(shù) 梯度向量模方函數(shù)是一個灰度變化梯度和的表達式，只選取了梯度標量數(shù)值信息作為灰度變化量描述，其函數(shù)式為
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