圖像法自動(dòng)調(diào)焦原理及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

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1、文章編號(hào)：圖像法自動(dòng)調(diào)焦原理及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)ElementsofautomaticfocusingbasedonimageprocessingmethodandDevelopmentofsystem（1．長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長(zhǎng)春，吉林130033；2．中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京100039）1，21劉煥雨，萬秋華1,21LIUHuan-yu,WANQiu-hua摘要：介紹了基于圖像處理方法的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的組成、工作原理、硬件電路設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的核心是圖像處理部分和控制部分。給出了聚焦量計(jì)算的三個(gè)導(dǎo)出公式，提高了硬件的運(yùn)算速度。詳細(xì)分析了自動(dòng)調(diào)焦的控制

2、過程，并提出了漸變步長(zhǎng)的思想，提高了系統(tǒng)的控制精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在較寬范圍的環(huán)境條件下，該系統(tǒng)具有良好的調(diào)焦效果。關(guān)鍵詞：圖像處理；自動(dòng)調(diào)焦；電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制；SEE7111A；TMS320F2812；FPGA中圖分類號(hào)：TP272文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：AAbstract:Theconstitution,operatingprinciple,hardwareandsoftwareofautomaticfocusingsystembasedonimageprocessingmethodarepresented.Imageprocessingunitandcontroluni

3、tarecoreofthissystem.Threederivedexpressionsforcalculationoffocusedquantityisintroduced,itincreasesoperatingspeedinthehardware.Controlprocessofautomaticfocusisanalyseddetailedly,andideaofsteplengthchanginggraduallyispresented,itincreasescontrolprecisionofsystem.Experimentalresultssh

4、owthat,inwiderrangeofenvironmentalcondition,thissystemfocusongood.Keywords:imageprocessing；automaticfocus；driveandcontrolofelectricmachine；SEE7111A；TMS320F2812；FPGA引言在光測(cè)系統(tǒng)中，調(diào)焦問題越來越受到人們的普遍重視，它直接影響光測(cè)設(shè)備的測(cè)量結(jié)果。特別是光測(cè)設(shè)備在對(duì)空中飛行目標(biāo)進(jìn)行拍攝過程中，目標(biāo)與光測(cè)設(shè)備的距離不斷發(fā)生變化，因而需要不斷地調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)的焦距，從而調(diào)整目標(biāo)像點(diǎn)的位置，使其始終位于焦平面

5、上，以獲得清晰的圖像。對(duì)光學(xué)鏡頭進(jìn)行手動(dòng)調(diào)焦，其調(diào)節(jié)過程長(zhǎng)，調(diào)焦精度受人員主觀的影響較大。[1]在工程實(shí)踐中，基于測(cè)距的自動(dòng)調(diào)焦方法已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。其原理是，測(cè)定光學(xué)鏡頭與被攝目標(biāo)之間的距離，將之代入光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)，計(jì)算出聚焦位置并驅(qū)動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)調(diào)焦。此方法成熟、穩(wěn)定，但需要配備專門的測(cè)距設(shè)備，安裝、調(diào)試精度要求較高，因而，使用健壯性較差，同時(shí)也不利于光測(cè)系統(tǒng)的小型化。隨著計(jì)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(shí)處理已經(jīng)成為可能。這就為[2，3]基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)提供了實(shí)現(xiàn)條件。1基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦原理和系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)一副圖像是否聚

6、焦，反映在空域上是圖像的邊緣及細(xì)節(jié)是否清晰，而圖像的邊緣及細(xì)節(jié)1信息可以通過對(duì)圖像進(jìn)行微分來獲取，因此，可以利用這些信息作為聚焦的判據(jù)。這種提取[4]圖像邊緣信息的函數(shù)稱為聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)，圖像經(jīng)其處理后所得到的量值能夠反映圖像的清晰度。聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)應(yīng)具有以下幾個(gè)特性：無偏性，單峰性，高靈敏度，較高信噪比，計(jì)算量較小。這里選用絕對(duì)方差函數(shù)：M?1N?1N?1M?1R=∑∑

7、f(xi,yj)?f(xi?1,yj)

8、+∑∑

9、f(xi,yj)?f(xi,yj?1)

10、（1）j=0i=1i=0j=1式中，M、N對(duì)應(yīng)于一幅視頻圖像的行數(shù)和列數(shù)，下標(biāo)i、j表示像素的位置。對(duì)比度

11、R的量值越大，表示圖像越清晰，也即對(duì)焦越好。視頻信號(hào)電視監(jiān)鏡頭偵察相機(jī)視器視頻控制信號(hào)調(diào)焦直流信號(hào)圖象處理PC機(jī)機(jī)構(gòu)電機(jī)及控制卡圖1自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。相機(jī)的視頻信號(hào)分為兩路，一路送監(jiān)視器顯示，一路送圖像處理及控制卡進(jìn)行視頻處理。圖像處理及控制卡對(duì)每一幀圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，判斷成像是否清晰（對(duì)焦是否準(zhǔn)確），并給出反饋信號(hào)控制直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)鏡頭的自動(dòng)調(diào)焦。電視監(jiān)視器用于觀察調(diào)焦效果，PC機(jī)用于獲取圖像處理及控制過程的中間數(shù)據(jù)，進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)和分析。2圖像處理及控制卡的硬件和軟件設(shè)計(jì)圖像處理及控制卡的硬

12、件組成如圖2所示。其分別完成以下幾項(xiàng)功