基于圖像處理的相機(jī)自動對焦方法研究綜述

1、文獻(xiàn)綜述基于圖像處理的相機(jī)自動對焦方法研究綜述摘要：隨著各種成像設(shè)備自動化、智能化的迅速發(fā)展，自動對焦技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。自動對焦系統(tǒng)一般由分析處理模塊和控制驅(qū)動模塊組成，而分析處理這一塊是整個(gè)自動對焦系統(tǒng)的重中之重，從傳統(tǒng)的測距法到像偏移法，再到近來流行的基于圖像處理的自動對焦法都無不體現(xiàn)了自動對焦技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)在就來簡單的介紹一下基于圖像處理的自動對焦技術(shù)。關(guān)鍵詞：圖像處理；自動對焦；對焦評價(jià)函數(shù)；對焦搜索策略一 自動對焦技術(shù)的發(fā)展自動對焦技術(shù)是計(jì)算機(jī)視覺和各類成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一, 在照相機(jī)、攝像機(jī)、顯微鏡、內(nèi)窺鏡等成像系統(tǒng)中有著廣泛的用途。自動對焦技術(shù)從20 世紀(jì)70 年代后期發(fā)展

2、起來, 到現(xiàn)在已經(jīng)日臻成熟并取得了廣泛應(yīng)用。1.1 傳統(tǒng)的自動對焦方法（1）測距法：測距法是通過向被攝物體發(fā)射光波或輻射波，并接收反射波來測量目標(biāo)的距離，然后通過計(jì)算機(jī)來控制自動對焦，主要包括紅外測距法、激光測距法、超聲波測距法等。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高；缺點(diǎn)：由于所拍物體的吸收和反射能力不同會造成隨機(jī)噪聲。（2）像偏移法：像偏移法是利用三角測距原理，由被攝物體發(fā)出的光線，同時(shí)進(jìn)入左、右兩組接收器，并成像在接收元件上，通過兩組信號的對比求得合適的對焦位置。被攝物體的距離信息通過在CCD上成像位置的差異反映出來，可直接由CCD元件進(jìn)行檢測和分辨。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高；缺點(diǎn)：CCD元件與光電

3、轉(zhuǎn)換、運(yùn)算系統(tǒng)的電路技術(shù)要求較高，成本也高。2 焦點(diǎn)檢測自動對焦法焦點(diǎn)檢測法主要用于單反相機(jī)中，它是在鏡頭的焦點(diǎn)附近設(shè)置自動對焦微型組件，將鏡頭焦點(diǎn)直接作為探測對象的一種方式，它能夠適應(yīng)各種變焦鏡頭且拍攝距離大。該方法又分為反差檢測和相位檢測兩種。焦點(diǎn)檢測法的優(yōu)點(diǎn)是：在一般狀況下能夠較好地實(shí)現(xiàn)對焦，檢測裝置不需要發(fā)射源，能耗少，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離對焦。其缺點(diǎn)是：對于運(yùn)動的、細(xì)線條的或者是低反差的拍攝體進(jìn)行自動對焦有困難，同時(shí)對含有偏光特性的物體對焦也比較困難。二 基于圖像處理的自動對焦原理在數(shù)字系統(tǒng)里面的自動對焦是基于圖像處理的自動對焦，基于數(shù)字圖像處理的自動對焦方法主要有離焦深度發(fā)（DFD,De

4、pth from Defocusing）和對焦深度法（DFF,Depth from Focusing）兩種。1 離焦深度法（DFD）離焦深度法是一種從離焦圖像中取得深度信息從而完成自動對焦的方法。離焦深度法又分為基于圖像恢復(fù)的離焦深度法和基于離焦量估計(jì)的離焦深度法。離焦深度法的主要缺點(diǎn)是：需要事先獲得成像系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，才能保證對焦的精度，而該數(shù)學(xué)模型在理論上還不能精確地確定，只能近似估計(jì)，從而導(dǎo)致誤差極大。2 對焦深度發(fā)（DFF）對焦深度法是一種建立在搜尋過程上的對焦方式。它通過選取一種適當(dāng)?shù)脑u價(jià)函數(shù)來評價(jià)不同對焦位置所獲得圖像的清晰度，清晰度值最大時(shí)對應(yīng)最佳的對焦位置?；趫D像處理對焦

5、的兩大優(yōu)點(diǎn)：a、調(diào)焦更加智能化，聚焦判據(jù)更加靈活和多樣；b、利用計(jì)算機(jī)可以很方便地對運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，從而避開復(fù)雜的調(diào)焦電路和機(jī)構(gòu)。三 基于圖像處理的自動對焦的關(guān)鍵技術(shù)1 對焦評價(jià)函數(shù)要進(jìn)行自動對焦，首先要能評價(jià)所獲取的圖像是否為清晰的對焦圖像。因此圖像清晰度的評價(jià)是自動對焦的首要問題。對焦評價(jià)函數(shù)的基本要求是：無偏性；單峰性；靈敏度高；較高的信噪比；計(jì)算量小等。對焦評價(jià)函數(shù)主要分為灰度梯度函數(shù)、頻域函數(shù)、信息學(xué)函數(shù)、統(tǒng)計(jì)學(xué)函數(shù)。（1）灰度梯度函數(shù)這類函數(shù)主要利用對圖像灰度的各種處理來表征圖像的清晰度，一般是利用圖像處理中常用的梯度函數(shù)提取圖像的邊緣信息。對焦準(zhǔn)確的圖像有更尖銳的邊緣、更大

6、的梯度函數(shù)值。常用的灰度函數(shù)有絕對方差算子、Roberts梯度算子、灰度差分之和算子、Variance算子和灰度變化率之和算子等。絕對方差算子利用同行相鄰的兩個(gè)像素點(diǎn)灰度 （2）頻域函數(shù)由于對焦圖像的主要特征是具有清晰的邊緣和豐富的圖像細(xì)節(jié)，而邊緣和細(xì)節(jié)對應(yīng)于圖像傅里葉變換的高頻分量；離焦圖像的模糊在頻域上表現(xiàn)為高頻成分的衰減。常用的頻域函數(shù)有離散傅里葉變換(DFT)、快速傅里葉變換(FFT)、離散余弦變換(DCT)、小波變換等。（3）信息熵函數(shù)對焦圖像與離焦圖像相比，灰度的多樣性要大，即信息熵不一樣。圖像趨于離焦時(shí)，灰度值趨于單一，信息含量少，信息熵小，反之則信息熵大。因此可以利用圖像的信息

7、熵來作為清晰度評價(jià)函數(shù)。根據(jù)香農(nóng)信息論可知，熵最大時(shí)信息量最多，對于二維圖像而言就是熵最大時(shí)圖像最清晰。常用的信息熵函數(shù)有全頻段積分、函數(shù)閾值積分、函數(shù)高頻分量函數(shù)等。（4）統(tǒng)計(jì)學(xué)函數(shù)完全離焦的圖像是由單一灰度值組成的，而對焦圖像則因?yàn)榘饲逦膱D像信息，表現(xiàn)為多灰度值分布，這一特性可以用統(tǒng)計(jì)學(xué)直方圖來表示。直方圖是指未歸一化的灰度概率密度函數(shù)估計(jì)，它表示了所有圖像點(diǎn)在每一灰度值的出現(xiàn)次數(shù)，用對應(yīng)于每一灰度值的帶的大小來表示，對焦圖像表現(xiàn)為多個(gè)帶分布，而離焦圖像表現(xiàn)為少數(shù)帶分布，故利用直方圖分析函數(shù)可以評價(jià)圖像質(zhì)量。這類函數(shù)主要有：Range函數(shù)、Menmay函數(shù)、Masgrn函數(shù)、直流功率

8、函數(shù)、交流功率函數(shù)等。2 對焦窗口的選擇對焦窗口是圖像中的感興趣區(qū)域，對焦窗口選擇算法直接地影響到對焦的復(fù)雜度、計(jì)算量和精確度。傳統(tǒng)的對焦窗口選擇方案主要包括中央選擇法和多區(qū)域選擇法：中央選擇法，即選擇圖像中央一個(gè)M×N個(gè)像素的小區(qū)域；多區(qū)域選擇法，即選擇圖像中具有代表意義的幾個(gè)區(qū)域作為對焦窗口。此外，還有基于黃金分割點(diǎn)的對焦窗口等。3 對焦搜索策略基于圖像處理的自動對焦系統(tǒng)中的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是對焦搜索策略，即搜索算法。搜索算法應(yīng)當(dāng)合理，盡量避免重復(fù)搜索或搜索失敗。目前常見的幾種方法有：（1）函數(shù)逼近法函數(shù)逼近法是在采集了不同位置的評價(jià)函數(shù)值得到評價(jià)曲線后，利用簡單的二階或三階函數(shù)進(jìn)

9、行曲線擬合，通過該方法來逼近已知的評價(jià)曲線，從而得到評價(jià)函數(shù)的極值點(diǎn)，找到對焦的位置。該方法在極值附近的效果會比較好，但它對極值附近的數(shù)據(jù)有很大的依賴性，容易受局部峰值、噪聲的影響，在實(shí)際對焦過程中不宜采用。（2）Fibbonacci搜索法Fibbonacci搜索法利用的是有名的Fibbonacci函數(shù), 是一種通過縮小區(qū)間范圍搜索單峰曲線極點(diǎn)的方式，是一種理論計(jì)算上的最優(yōu)化單峰搜索算法。它的缺點(diǎn)是，如果對焦評價(jià)函數(shù)曲線并不是理想的光滑曲線，而出現(xiàn)大量的局部極大值時(shí)，F(xiàn)ibonacci搜索就有可能陷入局部極大值的鄰近區(qū)域。另外，F(xiàn)ibonacci搜索算法需要在區(qū)間內(nèi)大距離調(diào)整鏡頭位置，并且要變

10、換移動方向，這將會增加對焦消耗時(shí)間。特別是在直流電機(jī)中，變換移動方向往往會累計(jì)位置誤差，使對焦不夠精確。因此，F(xiàn)ibonacci搜索算法在性能上往往并非最佳。（3）爬山搜索法根據(jù)評價(jià)函數(shù)圖像的無偏性和單峰性，在初始狀態(tài)下，一般先設(shè)置搜索方向和搜索步長，假定搜索從最左邊開始，往右側(cè)搜索。每前進(jìn)一個(gè)步長就計(jì)算相應(yīng)圖像的評價(jià)函數(shù)值與前一步的評價(jià)函數(shù)值比較，如果后者大于前者就繼續(xù)前進(jìn)，直到出現(xiàn)的評價(jià)函數(shù)值小于前者就改變搜索方向。此時(shí)縮短步長重復(fù)上面的步驟直到所得的前后兩幅圖的評價(jià)函數(shù)值的差值小于所設(shè)定的一個(gè)閾值，再在該兩步之間任意選擇一個(gè)點(diǎn)作為評價(jià)函數(shù)圖像的極值點(diǎn)，即為對焦最佳位置點(diǎn)。附：由于拍攝對象所處的環(huán)境、拍攝設(shè)備等一些因數(shù)，往往導(dǎo)致所拍攝到的圖像帶有很多的噪聲，影響后續(xù)對圖像的處理。所以，在處理之前會對所拍攝的圖像進(jìn)行預(yù)處理（除噪聲）。目前常用的預(yù)處理方法有領(lǐng)域平均法（四領(lǐng)域；八領(lǐng)域）、中值濾波（方形；線型；十字型；圓形；菱形）、自適應(yīng)濾波等。四 總結(jié)現(xiàn)在都比較流行基于圖像處理的自動對焦的研究與應(yīng)用，技術(shù)