用于高速球一體機中的實時快速自動調焦系統的研究

雷玉堂

用于高速球一體機中的實時快速自動調焦系統的研究

雷玉堂

自動調焦技術近年在高速球型一體化攝像機中得到廣泛應用。但目前國內生產的一些高速球，其自動調焦系統在精度和響應時間上均不能滿足實際需要。一種可用于高速球型一體化攝像機中的實時快速自動調焦技術經過研究，已經問世。

引言

自動調焦技術是自動顯微鏡與各種自動攝影攝像設備的核心技術之一，因為它既可提高觀測精度又可減輕操作人員的勞動強度，因而在高速球型一體化攝像機中獲得廣泛應用。但是，目前在國內生產的一些高速球中的自動調焦系統，其精度與響應時間（大于1s）均不能滿足實際需要。研究實踐證明，要想使自動調焦技術具有實際使用價值，至少要達到以下指標：

自動調焦精度等于或高于目視對圖像清晰程度的認同值（目視調焦精度一般大于±2μm）；至少使得在更換不同倍率的物鏡時，從圖像離焦狀態到圖像清晰狀態運作過程與熟練的操作人員手動操作時間相當或更快；具有實時跟蹤調焦功能。

筆者經過多年對自動調焦技術的研究與探索，己研發了一種可用于高速球型一體機中的實時快速自動調焦技術，其性能已遠遠超過上述三方面的指標。如本系統的自動調焦精度≤±0.5μm；物鏡變倍或轉動對遠近物體的實時跟蹤調焦的響應時間均≤1.0s。

現將這種自動調焦系統的組成、原理、目標函數的選擇、快速實時調焦參數優化、在高速球型一體機中的實時快速調焦的實現等作簡要介紹。

實時快速自動調焦系統的組成及原理

自動調焦技術包括調焦（即軸向定位）與伺服運動兩大部分，而調焦是核心。但要實施自動調焦，則先要利用離焦檢測，去快速動態地進行離焦識別，并通過離焦信號控制伺服系統的執行機構，動態實時快速響應，以自動補償其離焦量。現代的光電儀器系統實現離焦檢測常用方法有兩大類：一是用計算機處理視頻圖像，獲取離焦信息；二是用光電法測量物距，提取離焦信號。而伺服系統的執行機構，常選用壓電陶瓷或步進電機。

一般，物鏡成像都源于透鏡成像公式：

式（1）中，D代表物距；d代表像距；f代表透鏡焦距

由式（1）可知，當物距D發生變化時，由于物鏡的焦距f不變，要獲取清晰的像，就需要改變像距d。但對定焦物鏡來說，系統一旦確定，焦距f不變，像距d也是固定的。因此，只有靠調整物面沿光軸的位置，才能得到清晰的物鏡像。所謂調焦，就是指沿光軸方向改變物面與物鏡的相對位置，使物像關系滿足公式（1），以獲取清晰的圖像。

自動調焦按信號檢測的方法也可分為直接調焦與間接調焦兩種。本文所設計的圖像處理法自動調焦就是一種直接調焦方法，它是通過對成像質量進行圖像處理而實現自動調焦的。這種基于圖像處理而實現實時快速自動調焦系統的組成及原理框圖如圖1所示。

圖1 實時快速自動調焦系統的組成及原理框圖

在高速球型一體化攝像機中，目標物體經攝像物鏡和光學接口成像于CMOS或CCD圖像傳感器上，并轉換成連續的模擬圖像信號，由A/D轉換或圖像采集卡將模擬圖像信號轉換成數字圖像信號，送入微型計算機的快速自動調焦單元（實際產品則用DSP）進行圖像的清晰度計算，并分析圖像的離焦狀態，然后通過RS-232接口發送命令和數據給單片機系統來控制Z軸步進電機的步距和轉向，以進行調焦。這種自動調焦過程，實質上是一個閉環控制過程，不斷地重復循環，直到快速找到最清晰圖像時停止。

目標函數的選擇

圖像清晰度檢測方法的核心問題是確定合適的評價參數，它應具備下列幾個特征：

無偏性：即當物平面和對準平面重合時，該評價參數才取極值。

單峰性：即只有齊焦時，該評價參數才取極值。

能反映離焦極性：這樣，才能為調焦控制確定電機正確的運動方向。

具有足夠的信噪比：只有這樣，才能保證可靠地檢測正常焦深范圍內的離焦程度。

據此，可以把評價參數引用自動調焦的評價函數和目標函數之中。

由光電與數字圖像處理的理論知，信號或圖像的能量大部分集中在幅度譜的低頻和中頻段，但圖像輪廓的銳度和細節的豐富度則又取決于圖像的高頻成分。因此，各種檢測圖像的邊緣信息或計算圖像的高頻分量的自動調焦方法應運而生。一幀圖像中視頻信號的高頻成分值被稱為調焦評價函數，自動調焦的過程，就是求取調焦評價函數的最大值的過程。近年來，對此發展的方法有閾值積分法、高頻帶通法、微分梯度法、信息熵法和方差評價函數法等。為了提高計算的速度，這里采用相鄰像素間的平面灰度方差算法SMD（Surn Modulus Difference）作為全局圖像調焦目標函數。該算法以圖像強度函數的一階微分作為高通濾波器，藉以提取圖像中的高頻分量。SMD算法公式為：

快速調焦參數的優化

由于攝像物鏡變倍或快速球轉動時，物體成像會發生一定范圍的離焦現象，如采用一般的調焦技術時，就要花較長時間才能定位到最清晰的地方。因此，在離焦的調整過程中，采用粗微調相結合的方法來實現快速調焦。粗調和微調清晰度的調焦全過程中離焦現象的曲線變化圖如圖2和圖3所示。

圖2 粗調清晰度變化曲線

通過對粗調和微調狀態下的曲線異同點定義了以下幾種參數：

步距S：包括粗調步距S1和微調步距S2

顯然，步距的大小直接影響著調焦的速度。當圖像離焦較大時，粗調步距S1起作用，步進電機以最大的速度、適當的粗調步距S1找到SMD的最大值（即粗調時的圖像最清晰點），但該位置圖像可能不是最清晰的。然后，在以粗調步距S1找到的圖像最清晰點位置附近再以微調步距S2尋找SMD的最大值（即微調時的圖像最清晰點）。因此，通過合理設置粗調和微調步距，可以大大提高自動調焦的速度。

圖3 微調清晰度變化曲線

但是，粗調和微調步距的大小的選取，要根據圖像的精度和速度的要求、圖像的信噪比、CMOS與CCD的分辨率等實際情況來決定。粗調步距S1不能太大或太小，實踐證明，它可在10～100范圍之間取值；同樣，微調步距S2的選取范圍可在1～10之間取值。在本文所設計的系統中，粗調和微調步距的的選取是 S1=40，S2=5。

這里的梯度，即相鄰步距間的評價函數的差值的絕對值，它包括粗調梯度|Δ1|和微調梯度|Δ2|。由于梯度具有方向性，因而ΔSMD又可作為調焦方向參數。當ΔSMD＞0時，表示步進電機從離焦狀態向清晰狀態方向運動；反之，當ΔSMD＜0時，則表示步進電機從清晰狀態向離焦狀態方向運動。

值得指出的是，在實際應用中的噪聲影響是一直存在的，它往往使評價函數產生了多峰性，如在圖2中就有多個峰值的現象出現。為此，將會影響評價函數的評判結果，而這些干擾峰一般出現在SMD值較小的地方，并且峰值不會出現大的突變。由圖2以S1=40步距的圖像清晰度變化曲線可知，當由離焦狀態到清晰狀態再到離焦狀態，梯度|ΔSMD|在接近清晰點時，出現大的突變。因此，通過設置梯度參數閾值，能有效地抑制由于噪聲影響而導致清晰度評價函數的誤判。

梯度參數是通過計算相鄰步距間的評價函數的差值作為噪聲濾波器，這相對于中值濾波、平均濾波的方法，該濾波方法的計算量很小。它在數字濾波方面減小圖像處理工作量，從而提高了自動調焦的速度。

圖4 粗微調焦清晰度變化曲線

圖5 快速自動調焦程序流程

梯度參數的選取，同樣根據實際的圖像的精度、圖像的信噪比等來決定。實踐也證明，粗調梯度|Δ1|可在0.50～10.00范圍間取值；微調梯度|Δ2|則可在0.00～0.50之間取值。在本文所設計的系統中，粗調梯度|Δ1|=1.00，微調梯度|Δ2|=0，即可滿足實際的需要。

連續ΔSMD＜0時，計數器FC閾值的設置

當步進電機由離焦狀態向清晰狀態運動時，ΔSMD絕大部分是大于零的。當找到最大值時，若電機再繼續運行，ΔSMD就會小于零。若出現連續的ΔSMD小于零的次數超過FC，則表示已經找到了最清晰點。本系統中，取值FC=2。

快速調焦系統的實現

在攝像物鏡變倍或顯微鏡更換不同倍率的物鏡時，快速自動調焦單元根據粗調步距參數S1、粗調梯度參敖|Δ1|進行調焦。根據|Δ1|設定的閾值，當超過該閾值時，表示離清晰點的位置不遠了。這時，分析ΔSMD是否連續小于零，若連續小于零的次數大于FC，則Z軸步進電機向相反的方向走FC個步距S1，這樣Z軸步進電機通過粗調找到了粗調時的最佳清晰點(可能不是最清晰點)。接著，快速自動調焦單元開始進入微調狀態，為了可靠地找到由粗調時找到最佳點的附近能找到微調最佳的清晰點，在微調運作期間，快速自動調焦單元先使步進電機后退一個步距S1，然后從該點開始，以微調步距參數S2和微調梯度|Δ2|參數進行微調焦。并且，分析ΔSMD是否連續小于零，若連續小于零的次數大于FC，則Z軸步進電機向相反的方向走FC個步距S2，Z軸步進電機停止運動。這時，Z軸步進電機已通過微調找到了最清晰點，使整個快速調焦過程結束。粗微調焦清晰度變化曲線如圖4所示。

根據對上面的實時快速調焦的分析，本自動調焦系統嵌入DSP中的程序設計的流程框圖如圖5所示。

結束語

由上可知，本文所述的自動調焦系統，其自動調焦精度≤±0.5μm；物鏡變倍或轉動對遠近物體的實時跟蹤調焦的響應時間均≤1.0s，是一個實時快速的自動調焦系統，因而完全可用于安防視頻監控系統快速球中的一體化攝像機中。實踐證明，所設計的指標不亞于國外最先進的自動調焦技術，可完全滿足安防市場的需求。

作者為中國光電與安防技術專家、教授，本刊技術專家顧問