邵明禮

(洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所光電系統(tǒng)部，河南洛陽(yáng) 471009)

1 自動(dòng)調(diào)焦方法的優(yōu)越性

基于圖像處理的聚焦方法先分析出了圖像的質(zhì)量，隨后獲得成像狀態(tài)，最終完成聚焦操作。通常分為離焦深度法(Data Flow Diagram，DFD)、對(duì)焦深度法(Dtype Flip Flop，DFF)兩大類［1］。與傳統(tǒng)自動(dòng)對(duì)焦方式相比，基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦方法實(shí)現(xiàn)了智能化、高速處理、集成化及低功耗等功能，具有廣闊的發(fā)展前景?，F(xiàn)有調(diào)焦方法比較情況如表1所示。

表1 現(xiàn)有調(diào)焦方法比較

2 基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦方法

基于圖像處理的聚焦方法有兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù):(1)調(diào)焦搜索控制策略。(2)圖像清晰度判斷依據(jù)。調(diào)焦搜索控制策略的主要作用是確保自動(dòng)調(diào)焦可快速、準(zhǔn)確地調(diào)整驅(qū)動(dòng)鏡頭，并使其在正焦位置上;圖像清晰度判斷依據(jù)為:正確調(diào)焦?fàn)顟B(tài)下，圖像各點(diǎn)之間存在較強(qiáng)的灰度對(duì)比度，若調(diào)焦偏差越大，則將逐步降低灰度對(duì)比度。若是調(diào)焦正確的圖像，細(xì)節(jié)會(huì)更加豐富，高頻分量更多，自然對(duì)比度也更強(qiáng)烈。實(shí)現(xiàn)圖像清晰度的比較，需要先找到計(jì)算機(jī)可直接進(jìn)行比較的數(shù)值，因此基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦方法關(guān)鍵環(huán)節(jié)是選取圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)。圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)主要發(fā)揮的作用為計(jì)算圖像某一信息，然后依據(jù)所得數(shù)值是否直接對(duì)應(yīng)圖形清晰度提供調(diào)焦判斷依據(jù)［2］。

3 清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)

3.1 邊緣檢測(cè)算子

邊緣輪廓是提供圖像信息的主要依據(jù)，因此邊緣提取和檢測(cè)在圖形處理過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用，算法優(yōu)劣對(duì)圖像的處理效果將產(chǎn)生較大的影響。文中研究斜邊緣檢測(cè)算子(Sevel)和Mix算子。

(1)斜邊緣檢測(cè)算子。在實(shí)際圖像中，圖像較近像素間的灰度差可更加清晰的表現(xiàn)圖像的邊緣輪廓，可采用改進(jìn)Sobel算子的斜邊緣檢測(cè)算子，如式(1)所示

將式(1)除以2可獲得與Sobel算子相當(dāng)?shù)挠?jì)算量。

(2)Mix算子。斜圖像邊緣和水平、垂直圖像邊緣內(nèi)容相當(dāng)，可采用下面的改進(jìn)算子。其將Lean斜邊緣檢測(cè)算子、Sobel算子進(jìn)行充分結(jié)合，形成Mix算子，如式(2)所示

Mix算子是對(duì)0°和 +45°方向像素灰度差值的計(jì)算［4］。

3.2 清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)的選擇

采用CCD相機(jī)進(jìn)行航拍模擬試驗(yàn)。調(diào)節(jié)成和航空成像設(shè)備相似的數(shù)字焦距及焦深。采集了兩組“不清晰-清晰-不清晰”flash圖像［5］，一組有干擾噪音，另一組沒(méi)有。采用9種函數(shù)對(duì)其清晰度評(píng)價(jià)值進(jìn)行計(jì)算，歸納處理后的清晰度評(píng)價(jià)曲線如圖1、圖2所示。

圖1 無(wú)干擾、噪聲圖像的9種清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)評(píng)價(jià)曲線

圖2 有干擾、噪聲圖像的9種清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)評(píng)價(jià)曲線

如圖1所示，除了ACM算子，其他算子的單峰性、無(wú)偏性均較好，且均在134處達(dá)到了最大清晰度評(píng)價(jià)值，表明此處是最佳成像位置［6］。如圖2所示，存在干擾、噪音的狀況下，算子、算子的靈敏度較好，可準(zhǔn)確定位最佳成像位置，精度搜索時(shí)應(yīng)用為宜;算子具有較寬的有效調(diào)焦區(qū)域，且運(yùn)算量較小，對(duì)調(diào)焦的精確性、實(shí)時(shí)性進(jìn)行了綜合的考慮。

3.3 調(diào)焦區(qū)域選擇

由于航空數(shù)碼相機(jī)采用的是CCD傳感器，達(dá)到數(shù)千萬(wàn)像素，若進(jìn)行整幅圖像的處理，會(huì)產(chǎn)生較大的計(jì)算量，對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性帶來(lái)影響，所以選擇調(diào)焦區(qū)域尤為必要。通常采用的方式是選擇圖像中紋理性相對(duì)較為清晰的一塊區(qū)域作為調(diào)焦區(qū)域［4］，在自動(dòng)調(diào)焦時(shí)，選擇的區(qū)域會(huì)進(jìn)行整幅圖像的像素點(diǎn)處理，進(jìn)而增加了計(jì)算量，此方式存在局限性，可采用新型隔行隔列區(qū)域選擇方式，圖像大小為M×N，采用奇數(shù)行、列的像素點(diǎn)為調(diào)焦區(qū)域，此方式計(jì)算量?jī)H為整幅圖像處理方式的1/4［7］，適用于紋理分布較均勻的圖像。

4 調(diào)焦控制策略

調(diào)焦控制策略分為調(diào)焦方向的判定及搜索評(píng)價(jià)函數(shù)特性曲線峰值。確定準(zhǔn)確的特性曲線峰值定位可保證調(diào)焦控制策略更加優(yōu)異［8］。文中將搜索算法分為粗搜索和精搜索兩階段，并著重分析了精搜索。

局部全局搜索法:(1)以粗搜索獲得的最佳對(duì)焦位置為中心，選取5個(gè)采樣點(diǎn)在局部搜索，步長(zhǎng)為7;獲得新對(duì)焦位置后，以其為中心選取3個(gè)采樣點(diǎn)，局部?jī)?nèi)實(shí)施搜索，步長(zhǎng)為2。(2)以粗搜索獲得的最佳對(duì)焦位置為中心，選取11個(gè)采樣點(diǎn)在局部搜索，步長(zhǎng)為2。

變步長(zhǎng)爬山搜索法:先設(shè)定調(diào)焦方向，依據(jù)計(jì)算獲得圖像評(píng)價(jià)函數(shù)值，與相鄰幀評(píng)價(jià)函數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，達(dá)到最大函數(shù)值，為聚焦。此方式需注意調(diào)焦步長(zhǎng)的選擇，步長(zhǎng)選擇越小，調(diào)焦效率越低。依據(jù)圖1和圖2顯示的調(diào)焦曲線特點(diǎn)，先進(jìn)行粗搜索獲得有效調(diào)焦區(qū)域，采用爬山式搜索，收斂至最佳對(duì)焦位置的附近后再準(zhǔn)確定位到最佳對(duì)焦位置焦深范圍［8］。

綜合搜索法:先采用粗搜索獲得最佳對(duì)焦位置，以此為中心選取5個(gè)采樣點(diǎn)，實(shí)施爬山搜索，步長(zhǎng)為7;獲得新對(duì)焦位置后，再以其為中心選取3個(gè)采樣點(diǎn)，局部?jī)?nèi)實(shí)施搜索，步長(zhǎng)為2。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦方法應(yīng)用在機(jī)載光電成像設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)了智能化的調(diào)焦且聚焦判據(jù)多樣靈活。利用數(shù)字進(jìn)行圖像處理，可提取出圖像的有效信息，進(jìn)行判定。計(jì)算機(jī)具有靈活的圖像處理方式，可依據(jù)不同的要求選用不同的判據(jù)調(diào)焦。利用計(jì)算機(jī)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)施控制，可靈活、方便地響應(yīng)調(diào)焦要求速度，從而簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和電路。

［1］趙志彬.機(jī)載光電平臺(tái)可見(jiàn)光攝影機(jī)自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)研究［D］.北京:中國(guó)科學(xué)院研究生院，2010.

［2］耿道鵬.基于圖像的光測(cè)成像系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)焦方法研究［D］.長(zhǎng)沙:國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院，2008.

［3］趙志彬，劉晶紅.基于圖像功率譜的航空光電平臺(tái)自動(dòng)檢焦設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2010(12):3495-3500.

［4］許靜玲.基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦算法的探討［J］.中國(guó)科技信息，2005(8):105.

［5］林兆華.基于圖像處理自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)在經(jīng)緯儀中應(yīng)用的研究［D］.北京:中國(guó)科學(xué)院研究生院，2012.

［6］楊權(quán)，劉晶紅，馬曉飛.基于圖像處理的機(jī)載光電平臺(tái)自動(dòng)調(diào)焦方法［J］.液晶與顯示，2011(5):677-682.

［7］劉斌.基于圖像技術(shù)的自動(dòng)調(diào)焦方法研究與實(shí)現(xiàn)［D］.杭州:浙江大學(xué)，2004.

［8］趙志彬，劉晶紅.基于圖像處理的航空成像設(shè)備自動(dòng)調(diào)焦設(shè)計(jì)［J］.液晶與顯示，2010(6):863-868.