雷玉堂

用于高速球一體機(jī)中的實(shí)時(shí)快速自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的研究

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自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)近年在高速球型一體化攝像機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。但目前國內(nèi)生產(chǎn)的一些高速球，其自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)在精度和響應(yīng)時(shí)間上均不能滿足實(shí)際需要。一種可用于高速球型一體化攝像機(jī)中的實(shí)時(shí)快速自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)經(jīng)過研究，已經(jīng)問世。

引言

自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)是自動(dòng)顯微鏡與各種自動(dòng)攝影攝像設(shè)備的核心技術(shù)之一，因?yàn)樗瓤商岣哂^測(cè)精度又可減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，因而在高速球型一體化攝像機(jī)中獲得廣泛應(yīng)用。但是，目前在國內(nèi)生產(chǎn)的一些高速球中的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，其精度與響應(yīng)時(shí)間（大于1s）均不能滿足實(shí)際需要。研究實(shí)踐證明，要想使自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)具有實(shí)際使用價(jià)值，至少要達(dá)到以下指標(biāo)：

自動(dòng)調(diào)焦精度等于或高于目視對(duì)圖像清晰程度的認(rèn)同值（目視調(diào)焦精度一般大于±2μm）；至少使得在更換不同倍率的物鏡時(shí)，從圖像離焦?fàn)顟B(tài)到圖像清晰狀態(tài)運(yùn)作過程與熟練的操作人員手動(dòng)操作時(shí)間相當(dāng)或更快；具有實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)焦功能。

筆者經(jīng)過多年對(duì)自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)的研究與探索，己研發(fā)了一種可用于高速球型一體機(jī)中的實(shí)時(shí)快速自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)，其性能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上述三方面的指標(biāo)。如本系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)焦精度≤±0.5μm；物鏡變倍或轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)遠(yuǎn)近物體的實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)焦的響應(yīng)時(shí)間均≤1.0s。

現(xiàn)將這種自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的組成、原理、目標(biāo)函數(shù)的選擇、快速實(shí)時(shí)調(diào)焦參數(shù)優(yōu)化、在高速球型一體機(jī)中的實(shí)時(shí)快速調(diào)焦的實(shí)現(xiàn)等作簡要介紹。

實(shí)時(shí)快速自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的組成及原理

自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)包括調(diào)焦（即軸向定位）與伺服運(yùn)動(dòng)兩大部分，而調(diào)焦是核心。但要實(shí)施自動(dòng)調(diào)焦，則先要利用離焦檢測(cè)，去快速動(dòng)態(tài)地進(jìn)行離焦識(shí)別，并通過離焦信號(hào)控制伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)快速響應(yīng)，以自動(dòng)補(bǔ)償其離焦量。現(xiàn)代的光電儀器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)離焦檢測(cè)常用方法有兩大類：一是用計(jì)算機(jī)處理視頻圖像，獲取離焦信息；二是用光電法測(cè)量物距，提取離焦信號(hào)。而伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，常選用壓電陶瓷或步進(jìn)電機(jī)。

一般，物鏡成像都源于透鏡成像公式：

式（1）中，D代表物距；d代表像距；f代表透鏡焦距

由式（1）可知，當(dāng)物距D發(fā)生變化時(shí)，由于物鏡的焦距f不變，要獲取清晰的像，就需要改變像距d。但對(duì)定焦物鏡來說，系統(tǒng)一旦確定，焦距f不變，像距d也是固定的。因此，只有靠調(diào)整物面沿光軸的位置，才能得到清晰的物鏡像。所謂調(diào)焦，就是指沿光軸方向改變物面與物鏡的相對(duì)位置，使物像關(guān)系滿足公式（1），以獲取清晰的圖像。

自動(dòng)調(diào)焦按信號(hào)檢測(cè)的方法也可分為直接調(diào)焦與間接調(diào)焦兩種。本文所設(shè)計(jì)的圖像處理法自動(dòng)調(diào)焦就是一種直接調(diào)焦方法，它是通過對(duì)成像質(zhì)量進(jìn)行圖像處理而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦的。這種基于圖像處理而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)快速自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的組成及原理框圖如圖1所示。

圖1 實(shí)時(shí)快速自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的組成及原理框圖

在高速球型一體化攝像機(jī)中，目標(biāo)物體經(jīng)攝像物鏡和光學(xué)接口成像于CMOS或CCD圖像傳感器上，并轉(zhuǎn)換成連續(xù)的模擬圖像信號(hào)，由A/D轉(zhuǎn)換或圖像采集卡將模擬圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)，送入微型計(jì)算機(jī)的快速自動(dòng)調(diào)焦單元（實(shí)際產(chǎn)品則用DSP）進(jìn)行圖像的清晰度計(jì)算，并分析圖像的離焦?fàn)顟B(tài)，然后通過RS-232接口發(fā)送命令和數(shù)據(jù)給單片機(jī)系統(tǒng)來控制Z軸步進(jìn)電機(jī)的步距和轉(zhuǎn)向，以進(jìn)行調(diào)焦。這種自動(dòng)調(diào)焦過程，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)閉環(huán)控制過程，不斷地重復(fù)循環(huán)，直到快速找到最清晰圖像時(shí)停止。

目標(biāo)函數(shù)的選擇

圖像清晰度檢測(cè)方法的核心問題是確定合適的評(píng)價(jià)參數(shù)，它應(yīng)具備下列幾個(gè)特征：

無偏性：即當(dāng)物平面和對(duì)準(zhǔn)平面重合時(shí)，該評(píng)價(jià)參數(shù)才取極值。

單峰性：即只有齊焦時(shí)，該評(píng)價(jià)參數(shù)才取極值。

能反映離焦極性：這樣，才能為調(diào)焦控制確定電機(jī)正確的運(yùn)動(dòng)方向。

具有足夠的信噪比：只有這樣，才能保證可靠地檢測(cè)正常焦深范圍內(nèi)的離焦程度。

據(jù)此，可以把評(píng)價(jià)參數(shù)引用自動(dòng)調(diào)焦的評(píng)價(jià)函數(shù)和目標(biāo)函數(shù)之中。

由光電與數(shù)字圖像處理的理論知，信號(hào)或圖像的能量大部分集中在幅度譜的低頻和中頻段，但圖像輪廓的銳度和細(xì)節(jié)的豐富度則又取決于圖像的高頻成分。因此，各種檢測(cè)圖像的邊緣信息或計(jì)算圖像的高頻分量的自動(dòng)調(diào)焦方法應(yīng)運(yùn)而生。一幀圖像中視頻信號(hào)的高頻成分值被稱為調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)，自動(dòng)調(diào)焦的過程，就是求取調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)的最大值的過程。近年來，對(duì)此發(fā)展的方法有閾值積分法、高頻帶通法、微分梯度法、信息熵法和方差評(píng)價(jià)函數(shù)法等。為了提高計(jì)算的速度，這里采用相鄰像素間的平面灰度方差算法SMD（Surn Modulus Difference）作為全局圖像調(diào)焦目標(biāo)函數(shù)。該算法以圖像強(qiáng)度函數(shù)的一階微分作為高通濾波器，藉以提取圖像中的高頻分量。SMD算法公式為：

快速調(diào)焦參數(shù)的優(yōu)化

由于攝像物鏡變倍或快速球轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，物體成像會(huì)發(fā)生一定范圍的離焦現(xiàn)象，如采用一般的調(diào)焦技術(shù)時(shí)，就要花較長時(shí)間才能定位到最清晰的地方。因此，在離焦的調(diào)整過程中，采用粗微調(diào)相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)快速調(diào)焦。粗調(diào)和微調(diào)清晰度的調(diào)焦全過程中離焦現(xiàn)象的曲線變化圖如圖2和圖3所示。

圖2 粗調(diào)清晰度變化曲線

通過對(duì)粗調(diào)和微調(diào)狀態(tài)下的曲線異同點(diǎn)定義了以下幾種參數(shù)：

步距S：包括粗調(diào)步距S1和微調(diào)步距S2

顯然，步距的大小直接影響著調(diào)焦的速度。當(dāng)圖像離焦較大時(shí)，粗調(diào)步距S1起作用，步進(jìn)電機(jī)以最大的速度、適當(dāng)?shù)拇终{(diào)步距S1找到SMD的最大值（即粗調(diào)時(shí)的圖像最清晰點(diǎn)），但該位置圖像可能不是最清晰的。然后，在以粗調(diào)步距S1找到的圖像最清晰點(diǎn)位置附近再以微調(diào)步距S2尋找SMD的最大值（即微調(diào)時(shí)的圖像最清晰點(diǎn)）。因此，通過合理設(shè)置粗調(diào)和微調(diào)步距，可以大大提高自動(dòng)調(diào)焦的速度。

圖3 微調(diào)清晰度變化曲線

但是，粗調(diào)和微調(diào)步距的大小的選取，要根據(jù)圖像的精度和速度的要求、圖像的信噪比、CMOS與CCD的分辨率等實(shí)際情況來決定。粗調(diào)步距S1不能太大或太小，實(shí)踐證明，它可在10～100范圍之間取值；同樣，微調(diào)步距S2的選取范圍可在1～10之間取值。在本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，粗調(diào)和微調(diào)步距的的選取是 S1=40，S2=5。

這里的梯度，即相鄰步距間的評(píng)價(jià)函數(shù)的差值的絕對(duì)值，它包括粗調(diào)梯度|Δ1|和微調(diào)梯度|Δ2|。由于梯度具有方向性，因而ΔSMD又可作為調(diào)焦方向參數(shù)。當(dāng)ΔSMD＞0時(shí)，表示步進(jìn)電機(jī)從離焦?fàn)顟B(tài)向清晰狀態(tài)方向運(yùn)動(dòng)；反之，當(dāng)ΔSMD＜0時(shí)，則表示步進(jìn)電機(jī)從清晰狀態(tài)向離焦?fàn)顟B(tài)方向運(yùn)動(dòng)。

值得指出的是，在實(shí)際應(yīng)用中的噪聲影響是一直存在的，它往往使評(píng)價(jià)函數(shù)產(chǎn)生了多峰性，如在圖2中就有多個(gè)峰值的現(xiàn)象出現(xiàn)。為此，將會(huì)影響評(píng)價(jià)函數(shù)的評(píng)判結(jié)果，而這些干擾峰一般出現(xiàn)在SMD值較小的地方，并且峰值不會(huì)出現(xiàn)大的突變。由圖2以S1=40步距的圖像清晰度變化曲線可知，當(dāng)由離焦?fàn)顟B(tài)到清晰狀態(tài)再到離焦?fàn)顟B(tài)，梯度|ΔSMD|在接近清晰點(diǎn)時(shí)，出現(xiàn)大的突變。因此，通過設(shè)置梯度參數(shù)閾值，能有效地抑制由于噪聲影響而導(dǎo)致清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)的誤判。

梯度參數(shù)是通過計(jì)算相鄰步距間的評(píng)價(jià)函數(shù)的差值作為噪聲濾波器，這相對(duì)于中值濾波、平均濾波的方法，該濾波方法的計(jì)算量很小。它在數(shù)字濾波方面減小圖像處理工作量，從而提高了自動(dòng)調(diào)焦的速度。

圖4 粗微調(diào)焦清晰度變化曲線

圖5 快速自動(dòng)調(diào)焦程序流程

梯度參數(shù)的選取，同樣根據(jù)實(shí)際的圖像的精度、圖像的信噪比等來決定。實(shí)踐也證明，粗調(diào)梯度|Δ1|可在0.50～10.00范圍間取值；微調(diào)梯度|Δ2|則可在0.00～0.50之間取值。在本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，粗調(diào)梯度|Δ1|=1.00，微調(diào)梯度|Δ2|=0，即可滿足實(shí)際的需要。

連續(xù)ΔSMD＜0時(shí)，計(jì)數(shù)器FC閾值的設(shè)置

當(dāng)步進(jìn)電機(jī)由離焦?fàn)顟B(tài)向清晰狀態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)，ΔSMD絕大部分是大于零的。當(dāng)找到最大值時(shí)，若電機(jī)再繼續(xù)運(yùn)行，ΔSMD就會(huì)小于零。若出現(xiàn)連續(xù)的ΔSMD小于零的次數(shù)超過FC，則表示已經(jīng)找到了最清晰點(diǎn)。本系統(tǒng)中，取值FC=2。

快速調(diào)焦系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在攝像物鏡變倍或顯微鏡更換不同倍率的物鏡時(shí)，快速自動(dòng)調(diào)焦單元根據(jù)粗調(diào)步距參數(shù)S1、粗調(diào)梯度參敖|Δ1|進(jìn)行調(diào)焦。根據(jù)|Δ1|設(shè)定的閾值，當(dāng)超過該閾值時(shí)，表示離清晰點(diǎn)的位置不遠(yuǎn)了。這時(shí)，分析ΔSMD是否連續(xù)小于零，若連續(xù)小于零的次數(shù)大于FC，則Z軸步進(jìn)電機(jī)向相反的方向走FC個(gè)步距S1，這樣Z軸步進(jìn)電機(jī)通過粗調(diào)找到了粗調(diào)時(shí)的最佳清晰點(diǎn)(可能不是最清晰點(diǎn))。接著，快速自動(dòng)調(diào)焦單元開始進(jìn)入微調(diào)狀態(tài)，為了可靠地找到由粗調(diào)時(shí)找到最佳點(diǎn)的附近能找到微調(diào)最佳的清晰點(diǎn)，在微調(diào)運(yùn)作期間，快速自動(dòng)調(diào)焦單元先使步進(jìn)電機(jī)后退一個(gè)步距S1，然后從該點(diǎn)開始，以微調(diào)步距參數(shù)S2和微調(diào)梯度|Δ2|參數(shù)進(jìn)行微調(diào)焦。并且，分析ΔSMD是否連續(xù)小于零，若連續(xù)小于零的次數(shù)大于FC，則Z軸步進(jìn)電機(jī)向相反的方向走FC個(gè)步距S2，Z軸步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)。這時(shí)，Z軸步進(jìn)電機(jī)已通過微調(diào)找到了最清晰點(diǎn)，使整個(gè)快速調(diào)焦過程結(jié)束。粗微調(diào)焦清晰度變化曲線如圖4所示。

根據(jù)對(duì)上面的實(shí)時(shí)快速調(diào)焦的分析，本自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)嵌入DSP中的程序設(shè)計(jì)的流程框圖如圖5所示。

結(jié)束語

由上可知，本文所述的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，其自動(dòng)調(diào)焦精度≤±0.5μm；物鏡變倍或轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)遠(yuǎn)近物體的實(shí)時(shí)跟蹤調(diào)焦的響應(yīng)時(shí)間均≤1.0s，是一個(gè)實(shí)時(shí)快速的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，因而完全可用于安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)快速球中的一體化攝像機(jī)中。實(shí)踐證明，所設(shè)計(jì)的指標(biāo)不亞于國外最先進(jìn)的自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)，可完全滿足安防市場(chǎng)的需求。

作者為中國光電與安防技術(shù)專家、教授，本刊技術(shù)專家顧問