基于CCD的全自動(dòng)焦度計(jì)光學(xué)圖像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1 全自動(dòng)焦度計(jì)光學(xué)算法推導(dǎo)

　　1.1 全自動(dòng)焦度計(jì)的工作原理

　　圖1為自動(dòng)焦度計(jì)的光路原理圖。點(diǎn)光源發(fā)出的光，經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直，照射到被測(cè)眼鏡片上發(fā)生偏折，再經(jīng)過分光光闌和測(cè)量透鏡投射到CCD上，在CCD上得到含有數(shù)學(xué)模型的圖像。由于被測(cè)鏡片的屈光狀態(tài)不一樣，在CCD上所成像的大小、位置和形狀會(huì)發(fā)生變化，通過CCD接收和微機(jī)對(duì)圖像位置形狀的處理，可得到被測(cè)鏡片的相關(guān)參數(shù)。

　　1.2 16點(diǎn)數(shù)學(xué)模型

　　圖2為無測(cè)量鏡片，即OD時(shí)，CCD上的成像分布圖。當(dāng)被測(cè)鏡片為負(fù)球面鏡時(shí)，十六個(gè)光斑相對(duì)于初始位置對(duì)稱地?cái)U(kuò)張;當(dāng)被測(cè)鏡片為正球面鏡時(shí)，十六個(gè)光斑相對(duì)于初始位置對(duì)稱地收縮。將16個(gè)光斑按圖3虛線所示分成四組。分別求出X方向或者Y方向上兩個(gè)像點(diǎn)之間的距離，即可得到被測(cè)球鏡的頂焦度S值。設(shè)四組光斑求出的頂焦度值為S1、S2、S3和S4，則S值為

　　當(dāng)被測(cè)鏡片為柱面鏡時(shí)，CCD上的光斑分布圖如3所示。由于柱面鏡含有兩個(gè)主頂焦度，因此，16個(gè)光斑成不對(duì)稱分布。現(xiàn)以其中一組光斑(4個(gè)測(cè)量點(diǎn))為例推導(dǎo)柱面鏡主頂焦度的計(jì)算方法。設(shè)A點(diǎn)與C點(diǎn)在X軸方向上的距離為x2，在Y軸方向上的距離為y1;設(shè)B點(diǎn)與D點(diǎn)在X軸方向上的距離為x1，在Y軸方向上的距離為y2。假設(shè)D1、D2分別為柱面鏡的兩個(gè)主頂焦度，θ為柱面鏡的軸角。有以下方程成立

　　其余三組光斑的計(jì)算方法同上，在這里不再累述。不防設(shè)四組光斑計(jì)算出的柱面鏡頂焦度值為C1、C2、C3和C4，軸角為θ1、θ2、θ3和θ4，則柱面鏡的頂焦度C值和軸角為

2 全自動(dòng)焦度計(jì)的圖像處理系統(tǒng)

　　根據(jù)自動(dòng)焦度計(jì)的工作原理以及系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能設(shè)計(jì)出硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)由兩大部分組成：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由CCD、A/D、AVR單片機(jī)和FIFO存儲(chǔ)器組成，主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FIFO存儲(chǔ)器;數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由FPGA、LCD、FIFO存儲(chǔ)器、鍵盤、和LED光源組成，主要負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果輸出顯示或打印。

　　CCD是面陣敏感元件，在積分的時(shí)間內(nèi)，CCD敏感元件上積累電荷，當(dāng)積分完畢，將電荷數(shù)據(jù)依次移出。由于電荷數(shù)據(jù)是微弱的模擬量，須經(jīng)信號(hào)放大，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到本系統(tǒng)所需的數(shù)字量。為了減小對(duì)FPGA的CPU的占用率，在CCD采樣板上設(shè)置一存儲(chǔ)器，將轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)暫存一下，以供FPGA系統(tǒng)讀取。當(dāng)光路中無測(cè)量鏡片時(shí)，F(xiàn)PGA讀取CCD的采集數(shù)據(jù)，計(jì)算出光斑的中心位置，并將計(jì)算結(jié)果作為系統(tǒng)的初始參數(shù)。當(dāng)光路中插入被測(cè)鏡片時(shí)，分劃板在CCD上的成像位置將發(fā)生變化，位置的變化量與被測(cè)鏡片的球鏡度和柱鏡度有相互對(duì)應(yīng)的比例關(guān)系。FPGA接收像的位置信息經(jīng)變換后計(jì)算出被測(cè)鏡片的相關(guān)參數(shù)。

　　3 圖像的二值化處理

　　由上述系統(tǒng)可以看出，圖像處理的好壞會(huì)直接影響測(cè)量的精度和穩(wěn)定性。由于圖像采集設(shè)備CCD采用PAL制，所以系統(tǒng)要求FPGA處理一幀圖像的時(shí)間不超過20ms。圖像二值化算法的選擇標(biāo)準(zhǔn)為簡(jiǎn)單有效，易于實(shí)現(xiàn)。故本系統(tǒng)采用最大類間方差閾值分割算法。最大類間方差法的基本思想是把圖像中的像素按灰度值用閾值t分成兩類A和B。A由灰度值在0-t之間的像素組成，B由灰度值在t+1-L-1(L為圖像灰度級(jí)數(shù))之間的像素組成，按下式計(jì)算A和B之間的類間方差

　　式中wA(t)為A中所包含的像素?cái)?shù)，wB(t)為B中所包含的像素?cái)?shù)。uA(t)為A中所有像素的平均灰度值，uB(t)為B中所有像素的平均灰度值。u(t)為全圖的平均灰度值。

　　從0到L-1依次改變t值，取使δ(t)為最大的t值作為最佳閡值T。

　　通常一個(gè)光斑的中心坐標(biāo)應(yīng)為該光斑的圓心。但是，經(jīng)過FPGA處理后的圖像由于離散化，已不是規(guī)則排列，故采用質(zhì)心計(jì)算法求出光斑的中心。首先設(shè)光斑由n個(gè)像素組成，每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的空間坐標(biāo)為(xi，yi)，灰度值為p(xi，yi)，則該光斑的質(zhì)心坐標(biāo)為

　　由于xi和yi是FPGA內(nèi)存圖像的質(zhì)心坐標(biāo)，通過一定的當(dāng)量換算可折算成實(shí)際圖像中光斑的中心坐標(biāo)。將各點(diǎn)的中心坐標(biāo)帶入式(7)-(10)，即可求出被測(cè)鏡片的相關(guān)參數(shù)。

　　4 結(jié)束語

　　文中提出了一種新的全自動(dòng)焦度計(jì)的測(cè)量圖像，并建立了相應(yīng)的計(jì)算方法。運(yùn)用該系統(tǒng)測(cè)量系列標(biāo)準(zhǔn)鏡片，技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到國(guó)家相關(guān)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。與