張懷利，李迎春，張廷華

（航天工程大學(xué) 電子與光學(xué)工程系，北京 101416）

引言

目標(biāo)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像時(shí)，有一個(gè)最佳焦面位置，在這個(gè)位置能夠獲得最清晰的圖像，即所謂的物像共軛關(guān)系。當(dāng)成像位置偏離了最佳焦面位置，即光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生了離焦時(shí)，成像變得模糊[1-2]。一般會(huì)在光學(xué)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)調(diào)焦機(jī)構(gòu)，對(duì)焦面位置進(jìn)行微調(diào)，再通過(guò)對(duì)圖像的清晰度進(jìn)行判斷，尋找最佳的調(diào)焦位置。在人們剛開始研究自動(dòng)調(diào)焦時(shí)，最直接的方式是通過(guò)外部設(shè)備對(duì)目標(biāo)的位置和系統(tǒng)的焦距進(jìn)行測(cè)量，以測(cè)量結(jié)果作為調(diào)焦依據(jù)[3-5]。這種方案具有不可消除的測(cè)量誤差，且有系統(tǒng)體積大、成本高、精度下降等弊端。從上世紀(jì)90年代開始，數(shù)字圖像處理技術(shù)逐漸成熟，基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)成為研究的主要方向，此技術(shù)方案直接處理采集到的圖像信息，再通過(guò)某種算法對(duì)圖像的清晰度評(píng)價(jià)值進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷系統(tǒng)的成像狀況，并給出調(diào)焦指令，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)響應(yīng)的指令控制調(diào)焦機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，如此反復(fù)，直到獲得最清晰的圖像，完成系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)焦控制[6]。根據(jù)這一工作原理，基于圖像清晰度法的調(diào)焦控制可以充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)處理數(shù)字信號(hào)的快速性和靈活性，不需要對(duì)目標(biāo)位置、光學(xué)系統(tǒng)焦距等信息進(jìn)行測(cè)量，減少了中間環(huán)節(jié)，干擾因素少，具有高效、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)的研究取得了一些成果，但是研究方向主要集中在圖像清晰度算法和搜索策略研究方面，對(duì)自動(dòng)調(diào)焦控制方法的研究和應(yīng)用卻很少[7-9]，自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)的創(chuàng)新性和完善程度還有很大的上升空間。在這樣的背景下，開展基于圖像清晰度函數(shù)的調(diào)焦機(jī)構(gòu)控制方法研究具有十分重要的工程意義。

1 常用的清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)及特點(diǎn)

對(duì)自動(dòng)調(diào)焦的圖像進(jìn)行評(píng)價(jià)，需要利用某種客觀標(biāo)準(zhǔn)對(duì)圖像清晰度進(jìn)行計(jì)算，從而對(duì)控制過(guò)程進(jìn)行反饋，這種圖像清晰度客觀標(biāo)準(zhǔn)稱為圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)。圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)根據(jù)圖像的細(xì)節(jié)特征和輪廓特征判斷圖像清晰與否。一幅清晰圖像包含豐富的細(xì)節(jié)和清晰的輪廓，因此可以通過(guò)計(jì)算圖像的細(xì)節(jié)特征或提取圖像的輪廓特征做為評(píng)價(jià)圖像是否清晰的依據(jù)。根據(jù)圖像的處理方法和原理，可以將清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)分為空域評(píng)價(jià)函數(shù)、頻域評(píng)價(jià)函數(shù)、信息學(xué)評(píng)價(jià)函數(shù)和統(tǒng)計(jì)學(xué)評(píng)價(jià)函數(shù)[10-11]，以上4 種評(píng)價(jià)函數(shù)的特點(diǎn)如表1所示。

評(píng)價(jià)函數(shù)能夠作為自動(dòng)調(diào)焦過(guò)程中圖像清晰度的判斷標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)具有以下特點(diǎn)[12-13]：1）無(wú)偏型，即評(píng)價(jià)函數(shù)能夠正確反映最佳調(diào)焦位置；2）單峰型，即評(píng)價(jià)函數(shù)在調(diào)焦行程內(nèi)有且僅有一個(gè)峰值，從而避免局部極值的干擾；3）高靈敏性，即能夠輕易區(qū)分最佳焦面和輕微離焦的差異；4）抗噪聲性，即評(píng)價(jià)函數(shù)能夠抵抗外界環(huán)境，如溫度變化帶來(lái)的影響，具有基本不變的趨勢(shì)和規(guī)律，保證調(diào)焦的正確性；5）實(shí)時(shí)性，即評(píng)價(jià)函數(shù)的計(jì)算量小，計(jì)算速度快于圖像刷新的速度，能夠保證調(diào)焦的實(shí)時(shí)性。

考慮到空域梯度能量函數(shù)具有計(jì)算簡(jiǎn)單、復(fù)雜度低的特點(diǎn)，在后續(xù)工作中，本文不對(duì)清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行研究，直接以空域梯度能量函數(shù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)圖像的清晰度進(jìn)行計(jì)算，用以指導(dǎo)控制模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

2 聚焦控制設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

在某光電系統(tǒng)非制冷長(zhǎng)波熱像儀設(shè)計(jì)工作中，要求其具有快速聚焦功能，聚焦時(shí)間小于2 s，傳統(tǒng)的控制方法很難實(shí)現(xiàn)。針對(duì)此工程需求，從樣機(jī)鏡頭的清晰度曲線規(guī)律入手，以空域梯度能量函數(shù)為清晰度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，改進(jìn)了一種調(diào)焦機(jī)構(gòu)限區(qū)間變速控制方法，實(shí)現(xiàn)了研制目標(biāo)。

2.1 光學(xué)設(shè)計(jì)及分析

為了研究調(diào)焦機(jī)構(gòu)控制方法，設(shè)計(jì)了一種可調(diào)焦的光學(xué)鏡頭，光學(xué)參數(shù)如表2所示。

表2 光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Optical design parameters

光路圖如圖1所示，透鏡二作為調(diào)焦物鏡，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)、曲線套筒等調(diào)焦機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，沿著光軸方向前后移動(dòng)，調(diào)焦行程為 -2.0 mm～+1.5 mm，能夠補(bǔ)償物距從50 m 變化到無(wú)窮遠(yuǎn)的離焦量。

圖1 光路圖Fig.1 Optical path diagram

對(duì)調(diào)焦過(guò)程的成像質(zhì)量進(jìn)行仿真，分析物距為無(wú)限遠(yuǎn)、3 km 和50 m 三種情況，考慮在整個(gè)調(diào)焦行程中，調(diào)焦物鏡的位置對(duì)光學(xué)傳遞函數(shù)的影響，得到的曲線如圖2所示?？v坐標(biāo)為傳遞函數(shù)，仿真的空間頻率為42 lp/mm，橫坐標(biāo)為調(diào)焦位置，以無(wú)窮遠(yuǎn)物距對(duì)應(yīng)的調(diào)焦位置為零位。

圖2 光學(xué)傳遞函數(shù)變化曲線Fig.2 Variation curves of optical transfer function

從仿真曲線可以看出，對(duì)于不同的物距，光學(xué)傳遞函數(shù)隨調(diào)焦量變化存在相同的規(guī)律：曲線存在唯一的峰值，對(duì)應(yīng)最佳調(diào)焦位置；在最佳調(diào)焦位置附近，傳遞函數(shù)變化劇烈，在遠(yuǎn)離最佳調(diào)焦位置處，傳遞函數(shù)變換緩慢。對(duì)于成像鏡頭，認(rèn)為光學(xué)傳遞函數(shù)和圖像清晰度函數(shù)具有相同的變化規(guī)律?；谶@種規(guī)律，考慮采用有針對(duì)性的調(diào)焦控制方式，在保證調(diào)焦精度的前提下，縮短自動(dòng)調(diào)焦的行程，提高自動(dòng)調(diào)焦的效率。

2.2 聚焦策略優(yōu)化

無(wú)論是基于何種清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)，自動(dòng)調(diào)焦的控制原理都是電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制調(diào)焦物鏡在調(diào)焦行程內(nèi)運(yùn)動(dòng)，獲取各位置清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)值，尋找函數(shù)峰值，將調(diào)焦物鏡定位在最佳位置處，得到最清晰的圖像[14-15]。在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐中，發(fā)展出了諸多控制方法，最簡(jiǎn)單的方式是控制調(diào)焦物鏡單向勻速運(yùn)動(dòng)。這種方式雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是效率比較低，整個(gè)調(diào)焦過(guò)程花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，占用的資源較多，在工程應(yīng)用中存在限制。為了解決上述問(wèn)題，需要尋找一種改進(jìn)的變速控制方法，滿足工程化應(yīng)用。

從仿真分析的結(jié)果來(lái)看，在最佳調(diào)焦位置附近，曲線的斜率很大，在圖像上表現(xiàn)出清晰度變化劇烈；在遠(yuǎn)離最佳調(diào)焦位置處，曲線的斜率很小，在圖像上表現(xiàn)出清晰度變化緩慢?；谶@種特征，在圖像清晰度變化緩慢時(shí)，加快驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度，使之快速進(jìn)入有效的搜索區(qū)間，并鎖定在該區(qū)間內(nèi)，從而有效縮短調(diào)焦行程和提高調(diào)焦效率。在鎖定區(qū)間內(nèi)，在圖像清晰度變換劇烈時(shí)，降低驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度，以提高調(diào)焦的精度。從整個(gè)調(diào)焦過(guò)程來(lái)看，限區(qū)間變速控制能縮短調(diào)焦時(shí)間。

將清晰度變化曲線分為Q1、Q2 和Q3 三個(gè)區(qū)間，如圖3所示。

圖3 限區(qū)間變速原理圖Fig.3 Schematic diagram of limited interval variable speed

Q2 區(qū)間顯然是有效的搜索區(qū)間，調(diào)焦機(jī)構(gòu)處于該區(qū)間內(nèi)時(shí)，進(jìn)行低速控制，調(diào)焦機(jī)構(gòu)處于該區(qū)間外時(shí)，進(jìn)行高速控制。三個(gè)區(qū)間以曲線的斜率k1和k2為分界，在控制過(guò)程中，需要對(duì)曲線的斜率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為

式中F（x1）和F（x2）分別為x1和x2位置的清晰度函數(shù)值對(duì)于預(yù)設(shè)的斜率閾值。當(dāng)清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)的斜率小于該值時(shí)，認(rèn)為調(diào)焦機(jī)構(gòu)處于有效搜索區(qū)間外，控制調(diào)焦機(jī)構(gòu)快速進(jìn)入有效搜索區(qū)間；當(dāng)清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)的斜率大于該值時(shí)，認(rèn)為調(diào)焦機(jī)構(gòu)進(jìn)入了有效搜索區(qū)間，從而可以利用成熟的爬山搜索法在該區(qū)域內(nèi)確定最佳調(diào)焦位置。

2.3 自動(dòng)調(diào)焦控制模塊實(shí)現(xiàn)和評(píng)測(cè)

根據(jù)上述聚焦策略優(yōu)化結(jié)果，聚焦模塊的控制流程如圖4所示。

圖4 限區(qū)間變速控制流程圖Fig.4 Flow chart of limited interval variable speed control

為實(shí)現(xiàn)圖4 所述控制流程，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的電路控制板。如圖5所示，電路控制板分為控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和通訊模塊，其中控制模塊中的單片機(jī)選用Microchip 公司的Dspic30f6010a，驅(qū)動(dòng)模塊中的驅(qū)動(dòng)芯片選用TI 公司的DRV8825，通訊模塊中的通訊芯片選用Maxim 公司的max488。當(dāng)通訊模塊接收到控制指令后，控制模塊進(jìn)行指令分解判斷，然后輸出相應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制（PWM）波，通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制相應(yīng)的電機(jī)來(lái)完成指令。

圖5 電路控制板結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of circuit control panel

該控制板不涉及清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)算法和搜索策略的研究，通過(guò)借用成熟的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聚焦功能。該控制模塊的優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)限區(qū)間變速控制，能夠有效縮短自動(dòng)調(diào)焦的行程和時(shí)間，利用試制的光學(xué)鏡頭對(duì)7 個(gè)不同的場(chǎng)景進(jìn)行成像。對(duì)控制板的自動(dòng)調(diào)焦時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 控制板自動(dòng)聚焦時(shí)間Table 3 Automatic focus time of control panel

表3 中：聚焦時(shí)間1 為采用常規(guī)控制方法的測(cè)試結(jié)果，平均為4.53 s；聚焦時(shí)間2 為采用限區(qū)間變速控制方法的測(cè)試結(jié)果，平均為1.38 s?？梢钥闯觯捎孟迏^(qū)間變速的控制方法后，調(diào)焦時(shí)間大幅度縮短，調(diào)焦效率明顯提高。

在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，預(yù)設(shè)的曲線斜率閾值是一個(gè)極其重要的參數(shù)，直接關(guān)系到有效搜索區(qū)間的大小，進(jìn)而影響了調(diào)焦時(shí)間的長(zhǎng)短。目前的斜率閾值為預(yù)設(shè)，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試和迭代，得到了斜率閾值的最優(yōu)解，這種方式設(shè)計(jì)效率低下，只能做為限區(qū)間變速控制方法的驗(yàn)證方案。在接下來(lái)的工程化過(guò)程中，計(jì)劃探索一種自適應(yīng)算法，能自動(dòng)計(jì)算曲線斜率閾值的最優(yōu)化值，確定最合適的有效搜索區(qū)間大小，進(jìn)一步提高自動(dòng)調(diào)焦的效率。

3 結(jié)論

以工程實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)，本文完成了以下工作：1）提出了一種通用的自動(dòng)調(diào)焦仿真方法，從樣機(jī)鏡頭的清晰度曲線規(guī)律入手，針對(duì)性地提出了控制方案，完善了自動(dòng)調(diào)焦分析和設(shè)計(jì)流程；2）改進(jìn)并實(shí)現(xiàn)了一種調(diào)焦機(jī)構(gòu)的變速控制方法，與傳統(tǒng)的勻速控制方法相比，縮短了聚焦時(shí)間，且能夠減少調(diào)焦電機(jī)往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)的次數(shù)，便于工程實(shí)現(xiàn)；3）完成了在調(diào)焦行程中鎖定搜索區(qū)間工作，有效縮短了調(diào)焦行程，進(jìn)一步提高了自動(dòng)調(diào)焦的效率。在某光電系統(tǒng)非制冷長(zhǎng)波熱像儀的研制過(guò)程中，采用以上3 種方法對(duì)自動(dòng)調(diào)焦控制進(jìn)行優(yōu)化，該熱像儀的平均聚焦時(shí)間從4.53 s 縮短到1.38 s，聚焦速度明顯提升?；诂F(xiàn)有的清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)和調(diào)焦搜索策略，本文提出的對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析以指導(dǎo)自動(dòng)調(diào)焦控制的方法，以及在變速控制過(guò)程中鎖定搜索區(qū)間的改進(jìn)方法，具備一定的通用性，能夠解決同類光學(xué)鏡頭的自動(dòng)聚焦分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。