一種攝像頭自動(dòng)聚焦方法及硬件實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的自動(dòng)聚焦可分為主動(dòng)式自動(dòng)聚焦和被動(dòng)式自動(dòng)聚焦兩類(lèi)。主動(dòng)式自動(dòng)聚焦是利用發(fā)射紅外線或超聲波來(lái)度量被攝物的距離，自動(dòng)聚焦系統(tǒng)根據(jù)所獲得的距離資料驅(qū)動(dòng)鏡頭調(diào)節(jié)像距，從而完成自動(dòng)聚焦；被動(dòng)式自動(dòng)聚焦是通過(guò)接受來(lái)自被攝物的光線，以電子視測(cè)或相位差檢測(cè)的方式完成自動(dòng)聚焦。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字圖像處理理論的日益成熟，自動(dòng)聚焦技術(shù)進(jìn)入一個(gè)新的數(shù)字時(shí)代，越來(lái)越多的自動(dòng)聚焦算法基于圖像處理理論，改變以往用測(cè)量相機(jī)與被攝物體之間的距離來(lái)進(jìn)行聚焦的方法。傳統(tǒng)的方法不僅使系統(tǒng)龐大笨重，而且有時(shí)還不準(zhǔn)確。數(shù)字圖像處理理論認(rèn)為，圖像聚焦程度(即圖像是否清晰)主要由光強(qiáng)分布中高頻分量的多少?zèng)Q定。高頻分量少則圖像模糊，高頻分量豐富則圖像清晰，在空域表現(xiàn)為圖像的對(duì)比度變化明顯[1]。本文就是利用這一特點(diǎn)，提出了一種改進(jìn)的灰度差分法作為圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聚焦系統(tǒng)的方法。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)成本低、聚焦速度快，且效果良好、應(yīng)用范圍廣泛。

1 圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)

理想的圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)應(yīng)該具有以下特性[2]：(1)無(wú)偏性，即只有在聚焦處評(píng)價(jià)函數(shù)才取極值；(2)單峰性，即評(píng)價(jià)函數(shù)只有一個(gè)極值點(diǎn)；(3)高信噪比，即在較高的干擾條件下，保證系統(tǒng)能夠正確檢測(cè)到離焦信號(hào)；(4)計(jì)算量小，即能通過(guò)較少的計(jì)算，快速得出評(píng)價(jià)函數(shù)的結(jié)果。

1.1 傳統(tǒng)的圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)

傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)函數(shù)分為以下幾類(lèi)：

(1)灰度變化函數(shù)。聚焦圖像比離焦圖像包含更多的灰度變化，這樣圖像灰度值的變化可以作為評(píng)價(jià)函數(shù)。

(2)梯度函數(shù)。在圖像處理中，圖像梯度可以用來(lái)進(jìn)行邊緣提取。離焦量越小，圖像邊緣越鋒利，應(yīng)該具有很大的圖像梯度值。因此，圖像的梯度變化也可以作為評(píng)價(jià)函數(shù)。 (3)圖像灰度熵函數(shù)。聚焦圖像的信息熵要大于離焦圖像的信息熵。因此，圖像的灰度熵也可以作為評(píng)價(jià)函數(shù)。

(4)頻域類(lèi)函數(shù)。這類(lèi)函數(shù)主要基于傅里葉變換，傅里葉變換的高頻分量對(duì)應(yīng)著圖像邊緣，而聚焦圖像總是具有鋒利的邊緣，即包含著更多的高頻分量，這樣可以根據(jù)圖像傅里葉變換后高頻分量含量的多少作為評(píng)價(jià)函數(shù)。

1.2 改進(jìn)的圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)

常用的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)有以下幾種方法：高頻分量法、平滑法、閾值積分法、灰度差分法、拉普拉斯像能函數(shù)等。這里主要介紹灰度差分法。灰度差分法[3]是一種形式簡(jiǎn)單但很有效的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)，它利用圖像的相鄰像素差的絕對(duì)值之和作為聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)，即：

當(dāng)圖像聚焦清晰時(shí)，F(xiàn)(x，y)最大。

但是，對(duì)于亮度變化比較均勻的圖像，灰度差分法計(jì)算所得的數(shù)據(jù)值之間差異較小，經(jīng)常出現(xiàn)不符合單調(diào)要求的點(diǎn)，其聚焦效果不好，不能明顯反應(yīng)出鏡頭在不同位置上獲得的圖像質(zhì)量。因此，本文提出了一種改進(jìn)的方法作為圖像的清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)，即將一場(chǎng)圖像所有像素的亮度值與周?chē)嘟袼氐牧炼戎挡畹钠椒胶妥鳛閳D像的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)，計(jì)算相鄰?fù)瑘?chǎng)圖像評(píng)價(jià)函數(shù)的值，根據(jù)比較結(jié)果由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和步數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聚焦。實(shí)驗(yàn)表明，該方法很好地解決了灰度差分法經(jīng)常出現(xiàn)不單調(diào)的缺點(diǎn)，聚焦效果良好。改進(jìn)的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)如下：