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。主動(dòng)式自動(dòng)聚焦是利用發(fā)射紅外線或超聲波來度量被攝物的距離，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)聚焦是通過接受來自被攝物的光線，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：

(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)頻域類函數(shù)。這類函數(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?；叶炔罘址╗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圍相近像素的亮度值差的平方和作為圖像的聚焦評(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：