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一種基于圖像處理的自動(dòng)調焦系統
摘要：一種基于圖像處理的自動(dòng)調焦方法，應用該方法設計一種虹膜圖像自動(dòng)采集系統。該系統利用虹膜區域的平均對比度作為是否對焦準確的判據，并以此為反饋控制執行機構進(jìn)行實(shí)時(shí)對焦。實(shí)驗證明該系統自動(dòng)調焦精確，采集到的虹膜圖像清晰，符合使用要求；并且調焦機構簡(jiǎn)單，整個(gè)系統控制易于實(shí)現。在攝影攝像技術(shù)中，調焦是保證感光介質(zhì)所記錄的影像取得清晰效果的關(guān)鍵步驟。調焦機構就是用來(lái)調節攝像鏡頭和感光介質(zhì)之間的距離，使得像平面落在感光介質(zhì)的表面。目前，常用的自動(dòng)照相機、攝像機和數碼相機中多采用自動(dòng)調焦，即根據被攝目標的距離，由集成電路指使鏡頭前后移動(dòng)到相應的位置上，從而使被攝目標自動(dòng)清晰成像。自動(dòng)調焦技術(shù)從20世紀70年代后期發(fā)展起來(lái)，到現在已經(jīng)日臻成熟并取得了廣泛應用，從而使攝像、攝影設備的自動(dòng)化功能更加完善。
1 自動(dòng)調焦的幾種主要方式
從基本原理來(lái)說(shuō)，自動(dòng)調焦可以分成兩大類(lèi)：一類(lèi)是基于鏡頭與被攝目標之間距離測量的測距方法，另一類(lèi)是基于調焦屏上成像清晰的聚焦檢測方法。
1.1 測距方法
測距方法的自動(dòng)調焦主要有三角測量法、紅外線(xiàn)測距法和超聲波測距法。
（1）三角測量法 測距原理如圖1所示。左邊的反射鏡是局部鍍膜反射鏡，即中間一小塊反射右邊來(lái)的光線(xiàn)，其余大部分視場(chǎng)透射前方直接進(jìn)入的光線(xiàn)，這樣在調焦平面上的影像如圖1左下角所示。右邊的反射鏡在電路控制下轉動(dòng)，調焦平面上有光電元件進(jìn)行探測，當透射和反射的兩部分影像重合的時(shí)候，可動(dòng)反射鏡的擺動(dòng)角α/2和物點(diǎn)A的距離D之間有如下關(guān)系：
α/2=(1/2)arctg(b/D)
式中，b為基線(xiàn)長(cháng)。
于是，系統可以計算出被攝目標和鏡頭之間的距離并驅動(dòng)鏡頭運行到合適的位置，完成調焦。
（2）紅外線(xiàn)測距法 該方法的原理類(lèi)似于三角測量法，所不同的是由照相機主動(dòng)發(fā)射紅外線(xiàn)作為測距光源，并用紅外發(fā)光二極管的轉動(dòng)代替可動(dòng)反光鏡的轉動(dòng)。
（3）超聲波測距法 該方法是根據超聲波在攝像機和被攝物之間傳播的時(shí)間進(jìn)行測距的。照相機上分別裝有超聲波的發(fā)射和接收裝置，工作時(shí)由超聲振動(dòng)發(fā)生器發(fā)出持續時(shí)間約1/1000秒的超聲波，覆蓋整個(gè)畫(huà)面的10%。超聲波到達被攝體后，立即返回被接收器感知，然后由集成電路根據超聲波的往返時(shí)間來(lái)計算確定調焦距離。
紅外線(xiàn)式和超聲波式自動(dòng)對焦是利用主動(dòng)發(fā)射光波或聲波進(jìn)行測距的，稱(chēng)之為主動(dòng)式自動(dòng)對焦。
1.2 聚焦檢測方法
聚焦檢測方法主要有對比度法和相位法
（1）對比度法 該方法是通過(guò)檢測影像的輪廓邊緣實(shí)現自動(dòng)調焦的。像的輪廓邊緣越清晰，則它的亮度梯度就越大，或者說(shuō)邊緣處景物和背景之間的對比度就越大。反之，離焦的像，輪廓邊緣模糊不清，亮度梯度或對比度下降；離焦越遠，對比度越低。
利用這個(gè)原理，將兩個(gè)光電檢測器放在底片位置的前后相等距離處，被攝影物的像經(jīng)過(guò)分光同時(shí)成在這兩個(gè)檢測器上，分別輸出其成像的對比度。當兩個(gè)檢測器所輸出的對比度相等時(shí)，說(shuō)明調焦的像面剛好在兩個(gè)檢測器中間，即和底片的位置重合，于是調焦完成。
（2）相位法 該方法是通過(guò)檢測像的偏移量實(shí)現自動(dòng)調焦的。如圖2所示，在感光底片的位置放置一個(gè)由平行線(xiàn)條組成的網(wǎng)格板，線(xiàn)條相繼為透光和不透光。網(wǎng)絡(luò )板后適當位置上與光軸對稱(chēng)地放置兩個(gè)受光元件。網(wǎng)絡(luò )板在與光軸垂直方向上往復振動(dòng)。從圖2可以看出，當聚焦面與網(wǎng)絡(luò )板重合時(shí)，通過(guò)網(wǎng)格板透光線(xiàn)條的光同時(shí)到達其后面的兩個(gè)受光元件。而當離焦時(shí)，光束只能先后到達兩個(gè)受光元件，于是它們的輸出信號之間有相位差。有相位差的兩個(gè)信號經(jīng)電路處理后即可控制執行機構來(lái)調節物鏡的位置，使聚焦面與網(wǎng)格板的平面重合。
各種自動(dòng)對焦方式各有其局限性。
例如紅外測距和超聲測距的對焦方法，當被測目標對紅外光或超聲波有較強的吸收作用時(shí)，將使測距系統失靈或對焦不準確；而對比度法聚焦檢測受光照條件的制約，當光線(xiàn)暗弱或被攝體與背景明暗差別很小時(shí)，調焦就會(huì )有困難，甚至失去作用。
2 基于圖像處理的自動(dòng)調焦
聚焦檢測的自動(dòng)調焦方法是依據被測物的光學(xué)圖像。在用計算機作數字圖像采集時(shí)，可充分利用計算機處理數字信號的高速度和靈活性，針對數字圖像進(jìn)行自動(dòng)調焦。隨著(zhù)計算機硬件和數字圖像技術(shù)的飛速發(fā)展，圖像的實(shí)時(shí)處理已成為可能。計算機通過(guò)鏡頭和CCD采集到一系列的數字圖像，對每一幀圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，判斷對焦是否準確，成像是否清晰，并給出反饋信號控制鏡頭的運行，直到采集到的圖像符合使用要求，即完成自動(dòng)調焦。
基于圖像處理的自動(dòng)調焦具有以下兩大優(yōu)點(diǎn)：
第一，調焦更加智能化，聚焦判據更加靈活和多樣�；谀M圖像的聚焦檢測方法只利用被測物和背景之間的對比度（輪廓邊緣的梯度）作為判斷是否成像清晰的判據。而通過(guò)數字圖像處理，不僅可以利用梯度信息，還可以提取圖像中各種其它的有效信息進(jìn)行判斷，例如頻率、相位等。對于具高頻信息的圖像，一般而言，對焦越準確，圖像信號的頻率越高，邊緣越尖銳；離焦時(shí)則頻率降低，邊緣相對平滑。此外，由于計算機處理圖像的靈活性，可以針對不用的使用要求，選擇不同的判據進(jìn)行調焦。例如，有時(shí)候我們所關(guān)心的目標只是圖像中的某一個(gè)局部，
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