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一種基于圖像處理的自動調焦系統
摘要：一種基于圖像處理的自動調焦方法，應用該方法設計一種虹膜圖像自動采集系統。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行實時對焦。實驗證明該系統自動調焦精確，采集到的虹膜圖像清晰，符合使用要求；并且調焦機構簡單，整個系統控制易于實現。在攝影攝像技術中，調焦是保證感光介質所記錄的影像取得清晰效果的關鍵步驟。調焦機構就是用來調節攝像鏡頭和感光介質之間的距離，使得像平面落在感光介質的表面。目前，常用的自動照相機、攝像機和數碼相機中多采用自動調焦，即根據被攝目標的距離，由集成電路指使鏡頭前后移動到相應的位置上，從而使被攝目標自動清晰成像。自動調焦技術從20世紀70年代后期發展起來，到現在已經日臻成熟并取得了廣泛應用，從而使攝像、攝影設備的自動化功能更加完善。
1 自動調焦的幾種主要方式
從基本原理來說，自動調焦可以分成兩大類：一類是基于鏡頭與被攝目標之間距離測量的測距方法，另一類是基于調焦屏上成像清晰的聚焦檢測方法。
1.1 測距方法
測距方法的自動調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入的光線，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，調焦平面上有光電元件進行探測，當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A的距離D之間有如下關系：
α/2=(1/2)arctg(b/D)
式中，b為基線長。
于是，系統可以計算出被攝目標和鏡頭之間的距離并驅動鏡頭運行到合適的位置，完成調焦。
（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主動發射紅外線作為測距光源，并用紅外發光二極管的轉動代替可動反光鏡的轉動。
（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間進行測距的。照相機上分別裝有超聲波的發射和接收裝置，工作時由超聲振動發生器發出持續時間約1/1000秒的超聲波，覆蓋整個畫面的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間來計算確定調焦距離。
紅外線式和超聲波式自動對焦是利用主動發射光波或聲波進行測距的，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現自動調焦的。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。當兩個檢測器所輸出的對比度相等時，說明調焦的像面剛好在兩個檢測器中間，即和底片的位置重合，于是調焦完成。
（2）相位法 該方法是通過檢測像的偏移量實現自動調焦的。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格板，線條相繼為透光和不透光。網絡板后適當位置上與光軸對稱地放置兩個受光元件。網絡板在與光軸垂直方向上往復振動。從圖2可以看出，當聚焦面與網絡板重合時，通過網格板透光線條的光同時到達其后面的兩個受光元件。而當離焦時，光束只能先后到達兩個受光元件，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電路處理后即可控制執行機構來調節物鏡的位置，使聚焦面與網格板的平面重合。
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，當被測目標對紅外光或超聲波有較強的吸收作用時，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，當光線暗弱或被攝體與背景明暗差別很小時，調焦就會有困難，甚至失去作用。
2 基于圖像處理的自動調焦
聚焦檢測的自動調焦方法是依據被測物的光學圖像。在用計算機作數字圖像采集時，可充分利用計算機處理數字信號的高速度和靈活性，針對數字圖像進行自動調焦。隨著計算機硬件和數字圖像技術的飛速發展，圖像的實時處理已成為可能。計算機通過鏡頭和CCD采集到一系列的數字圖像，對每一幀圖像進行實時處理，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，即完成自動調焦。
基于圖像處理的自動調焦具有以下兩大優點：
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，選擇不同的判據進行調焦。例如，有時候我們所關心的目標只是圖像中的某一個局部，
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