基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦法的特點(diǎn)
1、 簡化硬件、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，且大大簡化了電路和運(yùn)動(dòng)機(jī)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
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單有效(算法簡單快速)，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。
[nextpage] 2、依據(jù)自動(dòng)對焦算法也可分為四種：
· 峰值光強(qiáng)比較法：本方法最簡單，光強(qiáng)越大對焦越好，尤其對單點(diǎn)成像很適用。但對于線掃描和面掃描成像，需先找到峰值點(diǎn);
· 對比度比較法：對比度越大，對焦越好。本方法對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。
[nextpage] 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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