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一種基于圖像處理的自動調(diào)焦系統(tǒng)
摘要：一種基于圖像處理的自動調(diào)焦方法，應(yīng)用該方法設(shè)計一種虹膜圖像自動采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用虹膜區(qū)域的平均對比度作為是否對焦準(zhǔn)確的判據(jù)，并以此為反饋控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時對焦。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)自動調(diào)焦精確，采集到的虹膜圖像清晰，符合使用要求；并且調(diào)焦機(jī)構(gòu)簡單，整個系統(tǒng)控制易于實(shí)現(xiàn)。在攝影攝像技術(shù)中，調(diào)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(diào)焦機(jī)構(gòu)就是用來調(diào)節(jié)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，常用的自動照相機(jī)、攝像機(jī)和數(shù)碼相機(jī)中多采用自動調(diào)焦，即根據(jù)被攝目標(biāo)的距離，由集成電路指使鏡頭前后移動到相應(yīng)的位置上，從而使被攝目標(biāo)自動清晰成像。自動調(diào)焦技術(shù)從20世紀(jì)70年代后期發(fā)展起來，到現(xiàn)在已經(jīng)日臻成熟并取得了廣泛應(yīng)用，從而使攝像、攝影設(shè)備的自動化功能更加完善。
1 自動調(diào)焦的幾種主要方式
從基本原理來說，自動調(diào)焦可以分成兩大類：一類是基于鏡頭與被攝目標(biāo)之間距離測量的測距方法，另一類是基于調(diào)焦屏上成像清晰的聚焦檢測方法。
1.1 測距方法
測距方法的自動調(diào)焦主要有三角測量法、紅外線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的光線，其余大部分視場透射前方直接進(jìn)入的光線，這樣在調(diào)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(zhuǎn)動，調(diào)焦平面上有光電元件進(jìn)行探測，當(dāng)透射和反射的兩部分影像重合的時候，可動反射鏡的擺動角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為基線長。
于是，系統(tǒng)可以計算出被攝目標(biāo)和鏡頭之間的距離并驅(qū)動鏡頭運(yùn)行到合適的位置，完成調(diào)焦。
（2）紅外線測距法 該方法的原理類似于三角測量法，所不同的是由照相機(jī)主動發(fā)射紅外線作為測距光源，并用紅外發(fā)光二極管的轉(zhuǎn)動代替可動反光鏡的轉(zhuǎn)動。
（3）超聲波測距法 該方法是根據(jù)超聲波在攝像機(jī)和被攝物之間傳播的時間進(jìn)行測距的。照相機(jī)上分別裝有超聲波的發(fā)射和接收裝置，工作時由超聲振動發(fā)生器發(fā)出持續(xù)時間約1/1000秒的超聲波，覆蓋整個畫面的10%。超聲波到達(dá)被攝體后，立即返回被接收器感知，然后由集成電路根據(jù)超聲波的往返時間來計算確定調(diào)焦距離。
紅外線式和超聲波式自動對焦是利用主動發(fā)射光波或聲波進(jìn)行測距的，稱之為主動式自動對焦。
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 該方法是通過檢測影像的輪廓邊緣實(shí)現(xiàn)自動調(diào)焦的。像的輪廓邊緣越清晰，則它的亮度梯度就越大，或者說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?qū)Ρ榷认陆担浑x焦越遠(yuǎn)，對比度越低。
利用這個原理，將兩個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)過分光同時成在這兩個檢測器上，分別輸出其成像的對比度。當(dāng)兩個檢測器所輸出的對比度相等時，說明調(diào)焦的像面剛好在兩個檢測器中間，即和底片的位置重合，于是調(diào)焦完成。
（2）相位法 該方法是通過檢測像的偏移量實(shí)現(xiàn)自動調(diào)焦的。如圖2所示，在感光底片的位置放置一個由平行線條組成的網(wǎng)格板，線條相繼為透光和不透光。網(wǎng)絡(luò)板后適當(dāng)位置上與光軸對稱地放置兩個受光元件。網(wǎng)絡(luò)板在與光軸垂直方向上往復(fù)振動。從圖2可以看出，當(dāng)聚焦面與網(wǎng)絡(luò)板重合時，通過網(wǎng)格板透光線條的光同時到達(dá)其后面的兩個受光元件。而當(dāng)離焦時，光束只能先后到達(dá)兩個受光元件，于是它們的輸出信號之間有相位差。有相位差的兩個信號經(jīng)電路處理后即可控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)物鏡的位置，使聚焦面與網(wǎng)格板的平面重合。
各種自動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(dāng)被測目標(biāo)對紅外光或超聲波有較強(qiáng)的吸收作用時，將使測距系統(tǒng)失靈或?qū)共粶?zhǔn)確；而對比度法聚焦檢測受光照條件的制約，當(dāng)光線暗弱或被攝體與背景明暗差別很小時，調(diào)焦就會有困難，甚至失去作用。
2 基于圖像處理的自動調(diào)焦
聚焦檢測的自動調(diào)焦方法是依據(jù)被測物的光學(xué)圖像。在用計算機(jī)作數(shù)字圖像采集時，可充分利用計算機(jī)處理數(shù)字信號的高速度和靈活性，針對數(shù)字圖像進(jìn)行自動調(diào)焦。隨著計算機(jī)硬件和數(shù)字圖像技術(shù)的飛速發(fā)展，圖像的實(shí)時處理已成為可能。計算機(jī)通過鏡頭和CCD采集到一系列的數(shù)字圖像，對每一幀圖像進(jìn)行實(shí)時處理，判斷對焦是否準(zhǔn)確，成像是否清晰，并給出反饋信號控制鏡頭的運(yùn)行，直到采集到的圖像符合使用要求，即完成自動調(diào)焦。
基于圖像處理的自動調(diào)焦具有以下兩大優(yōu)點(diǎn)：
第一，調(diào)焦更加智能化，聚焦判據(jù)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(jù)。而通過數(shù)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(zhǔn)確，圖像信號的頻率越高，邊緣越尖銳；離焦時則頻率降低，邊緣相對平滑。此外，由于計算機(jī)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(jù)進(jìn)行調(diào)焦。例如，有時候我們所關(guān)心的目標(biāo)只是圖像中的某一個局部，
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