基于圖像處理的自動調(diào)焦法的特點
1、 簡化硬件、靈活方便
由于利用計算機進行數(shù)字圖像處理，因而可方便地對運動執(zhí)行機構(gòu)進行控制，從而避開了復(fù)雜的調(diào)焦電路和機構(gòu)。因為現(xiàn)在計算機的接口和總線技術(shù)已經(jīng)非常成熟，只需通過軟件給出控制信號，就可直接控制電機去驅(qū)動物鏡的運動，因而靈活方便，且大大簡化了電路和運動機構(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。而通過計算機的數(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)來進行聚焦判斷，從而使調(diào)焦更加準(zhǔn)確、智能。
此外，由于計算機的靈活性，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局部目標(biāo)，就可針對圖像中的這一局部進行處理。這時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調(diào)焦法的分類
1、 依據(jù)焦距評價函數(shù)的不同而分：
· 高頻分量法：這種方法是對圖像進行付里葉變換，提取其中的高頻成分作評價函數(shù)。該法雖然準(zhǔn)確度高，但計算量大;
· 平滑法：這種方法是計算圖像上相鄰像數(shù)的平滑度，再對整個像面求和作為集聚評價函數(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閾值，并對大于閾值的灰度進行求和，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價函數(shù)。該法實際上是一種微分法，即對圖像進行梯度變換，也就是利用了圖像的邊緣增強處理，使聚焦圖像與離焦圖像的評價函數(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)自動對焦算法也可分為四種：
· 峰值光強比較法：本方法最簡單，光強越大對焦越好，尤其對單點成像很適用。但對于線掃描和面掃描成像，需先找到峰值點;
· 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與像面均值之差，差值最大的點即為齊焦點。它僅適合面掃描，不適合單點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，信息量最多。所以，本方法的對焦靈敏度最高，但不適合單點成像的采樣方式。
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價函數(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，F(xiàn)(i)最大。實際上，灰度差分法就是一種微分方法，即對圖像進行梯度變換，使焦距評價函數(shù)的特征曲線更加陡峭，能實現(xiàn)快速、實時和有效的調(diào)焦。
由于在采集圖像的進程中的噪聲不可能完全去除，這就有可能使得到的評價函數(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，需用平滑法對評價函數(shù)值進行平滑處理，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：對前三個評價函數(shù)值相加求平均值以作為當(dāng)前的平滑值。實踐證明(也可詳見有關(guān)的參考文獻)，經(jīng)過平滑后的評價函數(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)(固體攝像機與可變焦鏡頭)、圖像采集卡、運動控制卡、伺服電機等組成。
該系統(tǒng)的工作原理采用的是逐步逼近的登山式自動調(diào)焦方式：首先，聚焦鏡頭作任意方向搜索，找到下一點的評價值大于起始點的評價值，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。
自動調(diào)焦的軟件流程如圖4所示。需要說明的是，在計算焦距評價函數(shù)值時，可采用對圖像中的幾列來進行計算，這樣能提高調(diào)焦的速度。
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