数字自动对焦技术的理论及实现方法研究_(2005112521)

对比度法自动对焦系统结构如图1-3所示，取景半透反光镜后端有一小尺寸辅助反光镜，它将光束转向照相机的底部，进入检测组件内。经红外滤光片后，在分像棱镜内分成相应两组像，一组相当于焦前等价面 ，另一组相当于焦后等价面 , 与 和成像平面相距 。在 、 位置上分别安置两组一维CCD元件。
当改变镜头位置时，分别 和 得出相应的对比度变化曲线 和 。如镜头最初位置处于焦前点，对焦时向焦后方向移动，那么先是对比度曲线 达到极大值，继续使对比度曲线 达到极大值.相反，当镜头最初处于焦后位置，先是对比度曲线 达到极大值、然后 达到最大值。相应地，镜头处于准确对焦位置时，在焦前与焦后中间，对比度曲线 和 相同，如图1-4所示。 > 为焦前位置， < 为焦后位置。
压电陶瓷在极低频率的信号驱动下发生位移(小幅度的振动)，固定在陶瓷片上的CCD片随之前后位移，CCD感光面上的图像与镜头之间的距离也随之变动。这使CCD输出的视频信号电平产生变化，且不同的对焦状态下CCD位移对视频信号的低频、中频和高频将产生不同的影响。检测出现在视频信号中高、中、低频分量的变化情况便可确定对焦的精确位置。
CCD摄像器件安装在一个具有压电效应的陶瓷片上，压电陶瓷片可以在一个极低频率(通常为12.5Hz左右)的信号驱动下沿光轴方向前后移动.检测的信号取自CCD摄像器件产生的，再经取样保持预放器输出的视频信号。微处理器根据检测的视频信号电平和压电陶瓷驱动信号之间的关系产生聚焦电机驱动信号，达到自动对焦的目的。具体工作情况如下:
然后，本文用两种自动对焦系统：基于PC机的自动对焦系统和基于DSP的自动对焦系统—使数字成像自动对焦技术得以实现。通过分析不同成像位置所得图像的清晰度，控制镜头电机移动，搜索最佳成像位置，实现自动对焦。一系列的对焦实验表明，两种系统对于透过玻璃窗的物体以及对于主要是横向或纵向栅格状的物体(百叶窗)均可以准确对焦，证实了我们设计制作的对焦系统的准确性和可靠性。
1.2自动对焦技术综述
作为成像系统的一项关键技术，自动对焦技术于20世纪70年代最初应用于照相系统，传统的对焦技术大部分是基于测距原理的1，如超声波测距法、反射能量法2、3和一些基于三角测距原理的方法4；随着电子技术和信号处理技术的发展，人们找到了一些手段对准确对焦图像的信号和离焦图像的信号进行鉴别，由此产生了基于视频信号分析的自动对焦技术，并应用于摄像系统5,6；进入20世纪90年代后，以CCD(或CMOS获取的图像作为对焦的基本信息，以图像分析与处理为基础的智能化自动对焦技术蓬勃发展，在以数字相机为代表的现代数字成像系统中广泛采用7.
本课题意在以CCD或CMOS作为成像器件的光电综合产品中，通过对所获得图像进行处理及分析，探求成像镜头参数、成像位置对图像清晰度的影响，发展完善自动对焦手段和算法，为数字相机、数字摄像机等数字成像产品的自动对焦做理论及实验研究，并通过建立基于PC机和DSP的自动对焦系统样机，为这一技术的实用化作初步探索，以带动这一产业及民族工业的发展。
其次，本文从频谱函数、梯度函数、嫡函数等方面详细分析了对焦深度法中常用的对焦评价函数。提出用交流分量到直流分量的距离作为加权因子对频谱评价函数进行改进，有效地提高了对焦评价曲线的灵敏度。同时本文深入分析了图像探测器的插值机制，提出两种对焦分析法。其一是基于绿色分量的对焦分析法，其二是考虑颜色滤波阵列的以原始绿色分量作为对焦评价函数的计算依据的对焦法。二者在保持对焦评价曲线灵敏度的同时，可以有效地降低计算量，加快对焦速度.
数字自动对焦技术的理论及实现方法研究
浙江大学 博士学位论文 李奇
作为数字成像系统的关键技术之一，自动对焦技术对于提升我国数字成像产品的竞争力具有十分重要的作用。本文结合教育部高校骨干教师计划“CCD成像频谱分析与对焦算法研究”，针对现有对焦方法存在的问题，主要就自动对焦理论与方法、对焦评价函数及算法、对焦窗口的智能规划等理论问题进行深入研究，并设计制作了基于计算机和DSP的自动对焦系统样机。本论文的主要成果有如下几点.
1．2．1传统的对焦技术
1．像偏移法
像偏移法
像偏移法应用三角测量原理，如图1-1所示。
由被摄物体所发出的光线，同时进入测距器的左、右两端，右端为可动扫描反光镜，左端为固定反光镜。从近距离到远距离，反光镜作大约1o扫描运动，测距计上左、右两光束，分别成像在两组各由五个硅光二极管组成的线阵接收元件上，通过两组间的信号比较，求得合适的对焦位置。用CCD代替硅光二极管作为接收元件可形成固态三角测距自动对焦系统.它的两侧光路中的反光镜均为固定方式，被摄物体的距离信息通过在CCD上的成像位置的差异反映出来，可直接由CCD元件进行检测和分辨。这种反光镜固定方式结构简单、可靠.但CCD元件与光电转换、运算系统的电路技术要求较高，成本也高.采用CCD作为对焦检测的方式，经过发展和改进被广泛应用在单镜头反光照相机自动对焦系统中。
首先，本文研究了基于数字图像处理自动对焦的基本理论与方法：对焦深度法和离焦深度法。首次提出用维纳滤波和图像亮度归一化对图像做预处理，使对焦深度法的评价曲线形状得到明显的改善。离焦深度法估计离焦距离或者进行图像恢复的依据是成像系统的点扩散函数及它所产生的模糊圆。通过仿真实验，探讨并证实了用模糊图像恢复清晰图像和计算准焦位置的可行性。利用单幅图像，用图像恢复的手段得到了准焦位置图像的最佳恢复;利用在两个位置所得图像，用模糊圆半径估计出准确对焦位置，对焦误差小于5%。同时，本文提出一种逐渐逼近的离焦深度法，先通过少量对焦位置不同的图像计算出近似准焦位置，再用小步长在其附近搜索最佳位置。本方法具有离焦深度法的速度优势，同时保持对焦深度法的高精度优点，对于具有直边特征的成像目标具有很好的性能。
压电陶瓷片振动幅度和聚焦电机转动方向与转速快慢均受微处理器控制，两者的驱动是相互配合的.对于对焦电机，当信号低频分量大，中、高频分量没有时，表明镜头处在离焦状态，微处理器输出高电压，使电机快速对焦。电机的转动方向(电机驱动电压的极性)取决于对焦点是超前还是落后.靠近对焦点时，高频分量增加，电机转速变慢。对焦完成时，微处理器输出对焦电机停转信号.而压电陶瓷片的驱动电压的幅度在离焦时较大，以利于提高对视频信号检测的灵敏度，在接近焦点时，驱动信号的幅度逐渐减小。微处理器输出的压电陶瓷驱动电压的幅度还考虑到焦距和光圈对景深的影响，在短焦距(广角)和小光圈(F值大)时，景深较深，如果CCD位移幅度太小，就不易检侧到最佳对焦状态，此时，微处理器将压电陶瓷片的驱动电压幅度自动加大，以利于信号的监测与比较.
最后，总结本论文研究工作的主要结论，并对后续工作的研究进行了展望.
关键词:自动对焦，对焦深度法，离焦深度法，对焦评价函数，颜色滤波阵列，对焦窗口规划，非均匀采样，人脸探测，数字信号处理器(DSP
第一章绪论
1.1课题意义Βιβλιοθήκη Baidu
成像是通过一个成像光学系统将客观三维世界中的景物变换到二维成像平面的过程。在成像平面上用光化学材料作为图像的接收媒介就成为传统照相系统，该系统的特点是用像平面的光强分布和色度分布控制胶片上光化学反映的进程，以胶片曝光的方式记录影像。在成像平面上用CCD或CMOS等光电面阵器件接收图像信息就成为数字成像系统。CCD或CMOS由数十万、数百万甚至数千万的光电像素列阵组成成像平面，将图像光强分布和色度分布转化为以空间像素为取样单位的离散电信号，然后通过A/D转换将电信号数字化，并用数字图像的方式压缩和存储图像信息。数字成像技术彻底取消了传统的照相系统中的化学处理步骤，使摄影过程更为便捷，与计算机系统的信息交换更为方便迅速。
镜头偏离准焦位置时，图像模糊不清，视频信号中低频分量较大，高频分量较小，而且，当CCD前后移动时，视频信号电平变化明显，这时有两种可能.对焦点超前时，CCD向前位移时，聚焦改善，视频信号幅度上升；CCD向后位移时，聚焦更差，视频信号幅度下降。从波形图上看，视频信号幅度变化与CCD位置变化相位一致，微处理器判断后，发出调整信号，对焦电机相应地转动，使镜头焦点后移。若对焦点落在CCD感光面的后面，这时CCD向前位移，视频信号幅度下降，CCD向后位移时，视频信号幅度上升。视频信号幅度的变化与CCD位置变化的相位相反，这时微处理器发出的调整信号通过驱动电路带动对焦电机，使镜头焦点前移。
2. PSD测距法
PSD测距系统是另一种基于三角测距原理的自动对焦技术8,9。如图1-2所示，由红外发光管经准直透镜向被摄目标发射红外辐射，用接收透镜收集经物体漫反射后的辐射，并汇聚在位里捡测器件PSD上.图中 为被摄物距， 为接收和发射光轴的间距， 为接收透镜的焦距，D为PSD受光部分的长度。
根据PSD (Position Sensitive Device)器件结构特点，光线入射后产生光电子，使电阻层内的光电流与入射光强成正比，并与入射光束到各电极间的距离成正比。因此在电极A与电极B处，产生与入射点到相应电极间隔距离有关的对应电流几 , 。设光束激发后的总光电流为 ，入射光束到PSD中心的距离为 ，则各量值之间的关系为
视频信号分析法通过电子线路分析信号的频率成份，计算并不复杂，用单片机即可实现分析与控制10.11，在一些摄像系统中广泛应用。
1.2.3基于数字图像处理的对焦方法
尽管视频信号分析法采用微处理器使其系统结构大大简化，所获取的原始信息较传统的对焦方法大为增加，对焦效果也了有很大的改善，但这种方法依然有很多不足。首先，视频信号分析法的原始信息取自模拟信号，频率分析等工作也都针对模拟信号设计，因此很难将系统高度集成。其次，视频信号中丰富的图像信息在对焦时没有被利用。这意味着视频信号分析法距离智能化尚有距离，因为图像中包含的很多信息都可在对焦中作为重要的参考信息，如成像主体的提取，成像镜头扩散函数的分析等等，由此出现了用于现代数字成像系统的智能化自动对焦方法：基于数字图像处理的自动对焦方法。
自二十世纪八十年代以来，随着微电子技术、超大规模集成电路技术、电子计算机技术的进一步发展，数字成像技术的发展日新月异，其前景普遍为人们所看好。与此同时，数字相机、数字摄像机己越来越接近人们的日常生活，市场中随处可见这类产品，已逐渐成为销售热点之一。然而，无论是数字相机，还是数字摄像机，却极少出自中国大陆及香港的设计，台湾也仅能设计这类产品中的最低档的产品。市场几乎一律是日本、美国产品的天下，或是他们在中国的独资厂或是挂着国产品牌的外国货，我们所能见到的国产品牌基本上是引进全套生产线生产出来的，或干脆是国外现成产品贴牌销售.之所以出现这样的情况，主要原因是我们没有掌握其中的关键技术。自动对焦技术、非球面生产及检测技术、大规模集成电路制造技术等方面的落后造成了我国企业市场应变能力相当薄弱，一旦市场出现变化，如随着技术成熟，国际市场上同类产品价格大幅下降，我们缺乏关键技术导致产品成本无法降低，因此在市场上缺乏竞争力.
再次，本文研究了智能化的对焦窗口规划技术。对焦窗口选取得是否合适是对焦成败的重要因素，其关键是在对焦窗口中包含尽可能多的成像主体，使背景的影响尽可能小。我们从多方面进行探讨，提出用统计手段分析成像主体最可能被放置的区域，有效地减少了成像主体不在中心时引起的误对焦;提出用分辨率空间变化的手段对图像进行非均匀采样，达到分辨率与视场的协调:提出通过颜色、形状和细节三方面进行人脸探测，有效地克服了单纯靠皮肤进行探测的局限:提出基于光流场的方法分割图像中的人脸，适用于监控场合。大量的实验证实了本文提出的几种方案的可行性.
(1-1)
(1-2)
输出光电流的比值 ( )与被摄物距 有如下关系
(1-3)
因此系统完全可以通过对电流比值 的探测和运算得到被摄物距 ，从而通过镜头控制系统达到自动对焦的目的。
3.对比度法
通过分析正确对焦的图像和离焦图像，有如下规律:当正确对焦时，对比度最强越偏离这个位置，对比度就越低.应用一维CCD元件作对比度检测时，假使将第n个光接收元件的输出设为 ，则对比度的评价函数 .式中m为一维CCD的总像素数。E在正确对焦的位置上为最大， :在焦前、焦后位置，将会随着离焦量的增大而减小。若离焦偏移特别大时，则 .
应用对比度原理，并以二组对比度值作相互比较的对焦方法，可以提高AF系统对比度检测精度和判别前、后方向，实现自动对焦。
1.2.2视频信号分析法
前述的对焦方法一般用于传统的照相系统，随着新一代成像器件CCD的出现，自动对焦所需要的信息也越来越丰富。通过研究发现，当聚焦准确时，画面清晰，轮廓清楚，高频成分的电平幅度大；当聚焦不准时，画面不清晰，轮廓不清楚，高频成分的电平幅度小。视频信号分析法采用图1-5所示的结构分析信号成分.