自动对焦镜头的工作原理

自动对焦镜头的工作原理

【摘要】自动对焦技术是数字成像系统的关键技术之一，因此它无论是在日常生活、科学研究、军事应用等等只要涉及到成像系统的地方都有重要应用。本实验室在过去的几年中在这方面做了很多工作，并取得了不少成果，但主要集中在自动对焦的理论，算法方面的研究。本文在总结导师及前面几位研究生在这—领域的部分成果的基础上开展了部分工作，着重于讨论自动对焦技术的实现，说明了自动对焦技术的利用PC机的实现及利用DSP的嵌入式实现，并着重讨论它在工程中的应用，作为应用实例，本文引入了一个应用例子：开发并在数家数码相机公司生产中得以应用的自动对焦软件的实现过程。本文包含了以下一些内容：(1)：首先对成像原理进行了简要的介绍和说明，接着分析了自动对焦技术的原理和作用背景，引入一种基于频域分析的离焦深度自动对焦方法。(2)：分析了利用PC机实现一个自动对焦系统的系统结构，具体实现细节，并实现了这一系统。(3)：分析了一个基于TI的DSP的嵌入式的自动对焦实现。简要分析了这一实现的系统选择，实现过程。(4)：分析已开发并在数家数码相机公司生产中得以应用的自动对焦软件的实现过程。(5)：最后本文对自动对焦技术进行了展望，分析今后可能的研究热点及走向本文介绍了自动对焦的基本原理与方法, 并重点介绍了基于图像处理的自动对焦方法。

【关键词】自动对焦; 图像处理; 方法

1.引言

自动对焦技术是计算机视觉和各类成像系统的关键技术之一, 在照相机、摄像机、显微镜、内窥镜等成像系统中有着广泛的用途。自动对焦技术从20 世纪70 年代后期发展起来, 到现在已经日臻成熟并取得了广泛应用。对焦机构就是用来调节镜头和CCD 之间的距离, 使得像平面落在CCD 的成像表面。

2.自动对焦的分类

从基本原理来说, 自动对焦可以分成两大类: 一类是基于镜头与被拍摄目标之间距离测量的测距自动对焦, 另一类是基于对焦屏上成

像清晰的聚焦检测自动对焦。

2.1 测距方法

测距对焦主要有红外线测距法和超声波测距法。

( 1) 红外线测距法该方法的原理是由照相机主动发射红外线作为测距光源, 并由红外发光二极管间构成的几何关系, 然后计算出对焦距离。

( 2) 超声波测距法该方法是根据超声波在相机和被摄物之间传播的时间进行测距的。相机上分别装有超声波的发射和接收装置, 工作时由超声振动发生器发出持续超声波, 超声波到达被摄体后, 立即返回被接收器感知, 然后由集成电路根

据超声波的往返时间来计算确定对焦距离。红外线式和超声波式自动对焦是利用主动发射光波或声波进行测距的, 称之为主动式自动对焦。

2.2 聚焦检测方法

( 1) 对比度法该方法是通过检测图像的轮廓边缘实现自动对焦的。图像的轮廓边缘越清晰, 则它的亮度梯度就越大, 或者说边缘处景物和背景之间的对比度就越大。反之, 失焦的图像, 轮廓边缘模糊不清, 亮度梯度或对比度下降; 失焦越远, 对比度越低。利用这个原理, 将两个光电检测器放在CCD 前后相等距离处, 被摄影物的图像经过分光同时成在这两个检测器上, 分别输出其成像的对比度。当两个检测器所输出的对比度相差的绝对值最小时, 说明对焦的像面刚好在两个

检测器中间, 即和CCD 的成像表面接近, 于是对焦完成。

( 2) 相位法该方法是通过检测像的偏移量实现自动调焦的。在感光CCD 的位置放置一个由平行线条组成的网格板, 线条相继为透光和不透光。网格板后适当位置上与光轴对称地放置两个受光元件。网格板在与光轴垂直方向上往复振动。当聚焦面与网格板重合时, 通过网格板透光线条的光同时到达其后面的两个受光元件。而当离焦时, 光束只能先后到达两个受光元件, 于是它们的输出信号之间有相位差。有相位差的两个信号经电路处理后即可控制执行机构来调节物镜的位置, 使聚焦面与网格板的平面重合。

3.基于图像处理的自动调焦

随着现代计算技术的发展和数字图像处理理论的日益成熟, 自动对焦技术进入一个新的数字时代, 越来越多的自动对焦方法基于图像处理理论对图像有关信息进行分析计算, 然后根据控制策略驱动电机, 调节系统使之准确对焦。基于图像处理的自动调焦具有以下两大优点:

第一, 调焦更加智能化, 聚焦判据更加灵活和多样。基于模拟图像的聚焦检测方法只利用被测物和背景之间的对比度(轮廓边缘的梯度)作为判断是否成像清晰的判据。而通过数字图像处理, 不仅可以利用梯度信息, 还可以提取图像中各种其它的有效信息进行判断, 例如频率、相位等。对于具高频信息的图像, 一般而言, 对焦越准确, 图像信号的频率越高, 边缘越尖锐; 离焦时则频率降低, 边缘相对平滑。此外, 由于计算机处理图像的灵活性, 可以针对不同的使用要求, 选择不同的判据进行调焦。例如, 有时候所需的目标只是图像中的某一个局部, 而

不是整幅图像的清晰程度。这时应该针对图像中这一局部进行处理和提取判据, 用该局部的对比度作为调焦的依据。

第二, 利用计算机可以很方便地对运行执行机构进行控制, 从而避开复杂的调焦电路和机构。计算机接口和总线技术已经非常成熟,通过软件给出控制信号, 直接控制电机驱动物镜的运行, 不仅灵活方便, 响应速度符合调焦要求, 还能大大简化电路和运动机构。数字式自动对焦的三个核心问题是:

l.图像清晰度的评价; 2.对焦窗口的选择; 3.对成像目标/变焦镜头/图像探测器的反馈控制。

1.图像的清晰度的评价对特定的成像系统, 图像的清晰度反映了系统的离焦/正焦程度。当图像比较清晰(即对焦较好)时, 图像细节丰富, 在空域表现为相邻像

素的特征值(如灰度, 颜色等)变化较大, 在频域表现为频谱的高频分量多。利用这一特点可以构造各种对焦评价函数对图像的清晰度进行评价。对对焦评价函数的要求是: (1)单峰函数, 且对同一成像目标的一系列图像求其曲线, 最大值恰好对应最清晰的图像; (2)函数在峰值两侧分别单调上升和单调下降; (3)函数在峰两侧的斜率绝对值应该比较大。对焦评价函数主要有以下3 类:

( 1) 频谱函数: 清晰的图像比模糊的图像包含更多的信息, 人们能更好地分辨其中的细节(细节意味着图像有清晰可辨的边缘, 在局部有很强的灰级变化, 灰级的跃变更加剧烈);

( 2) 熵函数: 对焦良好的图像的熵大于没有清晰对焦的图像, 因此可以用熵函数作为一种对焦评价标准。即熵越大, 图像越清晰; ( 3) 梯度函数: 在图像处理中, 梯度函数常被用来提取边缘信息。对焦良好的图像, 有更尖锐的边缘图像, 应

有更大的梯度函数值。常用的梯度函数有方差算子、能量梯度算子、拉普拉斯算子等。

2.对焦窗口的选择进行对焦区域选择有两个原因: ( 1) 由于对图像运用对焦评价函数进行的运算基本上与图像的像素成正比, 为了达到实时性的要求, 必须减少参加运算的像素的数量; ( 2) 如果对整幅图像运用对焦评价函数, 图像中不重要的部分(背景)会对评价结果产生负面的影响, 导致图像中的重要部分(成像主目标)无法准确对焦。

3.对成像目标/变焦镜头/图像探测器的反馈控制自动对焦系统中的反馈控制关键是确定对焦评价函数的峰值位置, 从而通过电机驱动成像目标移动、变焦镜头变焦或者图像探测器移动。

4.总结

各种自动对焦方式各有其局限性。例如红外测距和超声测距的对焦方法, 当被测目标对红外光或超声波有较强的吸收作用时, 将使测距系统失灵或对焦不准确; 而对比度法聚焦检测受光照条件的制约,当光线暗弱或被摄体与背景明暗差别很小时, 调焦就会有困难, 甚至失去作用。基于图像处理的聚焦检测方法由于图像处理需要占用大量的计算机资源, 这种自动调焦方法对计算机硬件提出了较高的要求。目前大多数数码相机的自动对焦, 都采用被动式: 即直接接收分析来自景物自身的反光, 利用相位差原理进行自动对焦的方式。这种自动对焦方式的优点是自身不要发射系统, 因而耗能少, 有利于小型化。对具有一定亮度和反差的被摄体能理想的自动对焦, 在逆光下也能良好的对焦, 且能透过玻璃等透明障碍物对焦。

【参考文献】

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