多目標自由聚焦系統

吳長安+李煥梅

摘要： 為使聚焦系統能高效、及時、準確地定位聚焦目標，提出了一種多目標自由聚焦算法。通過動態劃分窗口提取單目標，利用同步檢測法防止視場切換后窗口內無目標，采取對比分析法抑制噪聲，建立了快速聚焦評價函數數學模型。通過實驗對比分析了本聚焦評價函數相對于現有算法的優點，研究了自適應變步長全局搜索策略。系統以TMS320DM642硬件為基礎，并通過VC軟件編程實現。經過大量戶內外實驗分析，證明了該系統的可行性、正確性和有效性，并且已成功應用到邊防監控轉臺產品中。

關鍵詞： 多目標； 自由聚焦； 同步檢測； 自適應

中圖分類號： TP 391文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.012

Multiobject freefocusing system

WU Changan， LI Huanmei

（Hebei Hanguang Industry Co.， Ltd.， Handan 056028， China）

Abstract： The efficient timely and accurate orientation of focusing aim is the key of a focusing system. A new evaluation method called multiobject freefocusing algorithm was proposed. User may select any single object by changing windows. Synchronized detection method was used to solve the problem of no object in the window after scene changing. The comparative and analytical method for restraining noise was discussed. The quickly focusing mathematical model was established. The technique is better than all the other methods by experimental comparison. Selfadaptalterstep wholerangesearch strategy was studied. The system was set up successfully in the TMS320DM642 hardware and VC software platform. The abundant outdoor and indoor experimental results indicated the feasibility， the veracity and the validity of the system， and it has been applied to frontier defence products.

Keywords： multiobject； freefocusing； synchronized detection； selfadapt

引言自動聚焦是目前光學成像系統的一項不可或缺的重要技術，應用產品越來越廣泛，例如數碼相機、光學鏡頭、顯微鏡、掃描儀、數字視頻平臺等精密儀器，幾乎涉及到所有領域，而準確、快速聚焦又是自動聚焦技術的關鍵。目前關于聚焦評價方法主要有時域和頻域兩種。由于時域函數相對于頻域函數具有計算量小、簡潔、快速等特點，使其應用廣泛[18]，本系統所用的聚焦評價函數是時域模型。聚焦區域劃分目前基本是針對一幅圖像進行定性劃分[711]，具有一定的局限性。而聚焦區域的選擇直接影響到聚焦算法的速度和精度，好的局部窗口聚焦函數一方面大大減少數據處理量，加快聚焦速度，另一方面消除了非感興趣區域的噪聲干擾，提高聚焦精度。本聚焦系統的聚焦窗口選擇靈活，可實時更換興趣目標并對此自動聚焦。本系統所采取的算法稱作多目標自由聚焦算法，應用環境是路防紅外熱像儀。1系統評價函數自由聚焦是指當外界有鼠標時，可用鼠標人工干預具體的聚焦位置，在圖像界面上自由選擇視場內的任何單目標進行自動聚焦。可以實時選取任意感興趣的目標中心區域，從多目標中靈活提取單目標進行實時聚焦，目標可以隨時改變，不受算法和數學模型的影響，具有很強的人機交互性。多目標自由聚焦算法包括三部分：確定窗口，評價函數選取，搜索策略。在采取評價函數及搜索策略的同時，要確定采取的是局部窗口還是全局窗口，一般情況選取局部窗口進行實時聚焦，但為避免圖像選擇區域在視場切換后無搜索目標的異常情況，假設一幅圖片大小為720 pixel×576 pixel，采取同步檢測法光學儀器第37卷

第2期吳長安，等：多目標自由聚焦系統

Epart=∫ymaxymin∫xmaxxminT（m，n）

Eall=∫5761∫7201T（m，n） （1）式中：Epart和Eall分別指某一幅圖像局部窗口和全局窗口具有的邊緣能量；（xmin，ymin）和（xmax，ymax）分別是局部窗口選取圖像區域的左上角坐標點和右下角坐標點；T（m，n）是圖像某像素（m×n）所具有的邊緣能量。Dpart=max（Epart）

Dall=max（Eall） （2）式中Dpart和Dall分別是電機走一圈的所有視頻幀的局部窗口和全局窗口邊緣能量峰值。D=DpartifDpart>Dthreshold

D=Dallelse （3）式中：Dthreshold是一個很小的峰值閾值；D作為邊緣能量峰值的輸出值，是搜索策略判斷的依據，對應的視頻幀圖像即搜索匹配圖像。一般基于空域的評價函數由梯度算子決定，由于Sobel梯度算子對于局部窗口區域聚焦效果好，但算子只有水平方向和垂直方向的梯度，對于規則目標較適用，對于不規則對象就會導致丟失邊緣點從而誤判。所以，多目標自由聚焦算法為了全面考慮各個方向的目標梯度值，模板基于Sobel算子，同時添加了斜向算子，一個像素清晰度值由其周圍的8個像素對應的4個算子絕對值和來計算，這4個算子分別是：檢測水平邊緣能量的算子，檢測垂直邊緣能量的算子，檢測正斜45°方向邊緣能量的算子，檢測反斜45°方向邊緣能量的算子。多目標自由聚焦算法評價函數為Tx=f（x+1，y-1）+2f（x+1，y）+f（x+1，y+1）-f（x-1，y-1）-2f（x-1，y）-f（x-1，y+1）

Ty=f（x-1，y+1）+2f（x，y+1）+f（x+1，y+1）-f（x-1，y-1）-2f（x，y-1）-f（x+1，y-1）

Tz=2f（x+1，y+1）+f（x+1，y）+f（x，y+1）-2f（x-1，y-1）-f（x-1，y）-f（x，y-1）

Tw=2f（x-1，y+1）+f（x-1，y）+f（x，y+1）-2f（x+1，y-1）-f（x，y-1）-f（x+1，y）

T（m，n）=Tx+Ty+Tz+Tw

MT=max（Tm，n）

FT=max（MT） （4）式中：FT是在視頻所有幀中求邊緣能量峰值的最大值極值；MT是一幀圖像所有像素邊緣能量峰值；Tx，Ty，Tz，Tw分別是4個方向的邊緣算子。考慮到時域函數抑制噪聲能力弱的特點，本評價函數采取如下對比分析法：在求邊緣峰值的同時記錄下峰值對應的像素及附近8個像素的邊緣能量值，根據圖像邊緣分割原理，邊緣處不可能只存在單個像素點，鄰域8個像素至少有2個像素也為邊緣像素，設定一個閾值，求出能量值與峰值差的絕對值在閾值內的像素個數n，若n<2，則將此峰值對應的像素舍棄。此對比分析法有效去除了非邊緣區單個噪音點，達到了去噪的效果，以利于更準確判斷極值對應的視頻幀是要搜索的焦距位置。2系統搜索策略聚焦搜索策略經典算法主要是遍歷搜索算法及爬山搜索算法，目前研究的大多數搜索策略都是基于爬山思想且在其基礎上有所改進[68，12]。但爬山思想存在的缺點是只有找到下降點才能確定最大峰值點，算法本身不可能做到單側逼近收斂，時常也會出現虛晃現象，導致電機無法停止，并不能兼顧聚焦速度及精度要求。為避免上述情況，本文采取自適應變步長全局搜索策略，根據系統評價函數所得出的極值焦距位置，驅動電機使鏡頭定位到該處。這種方法實現簡單，有效克服了回程定位誤差。在此，電機速度必須控制好，既不能太快也不能太慢，因圖像處理主芯片DM642圖像采集速度為50幀/s，太快容易丟失有用幀，導致定位錯誤，太慢雖然能精確對焦但速度指標達不到，所以要根據實際經驗確定電機速度，將模糊控制應用于自動聚焦的峰值搜索過程中。因鏡頭有長焦區域、短焦區域和無效區域，長焦區域（即小視場）和短焦區域（即大視場）分別有聚焦清晰位置，但長焦區域范圍窄，峰值只在長焦端附近，所以接近長焦端電機速度一定要慢，而無效區內圖像處于離焦模糊狀態，所以在無效區域電機大步長全速前進。在長焦區域和短焦區域可根據當前視頻幀圖像峰值Dnow和評價函數輸出極值D差的絕對值Dnow-D選擇變步長搜索，設當前步長為lnow，則表示為Dnow-Dlnow=p，其中p為一固定常量。3系統組成

3.1硬件組成多目標自由聚焦系統主要是由鏡頭部分、控制單元、模仿按鍵模塊的界面及圖像采集卡組成，如圖1所示。鏡頭部分主要包括鏡頭、供電模塊、圖1自由聚焦系統硬件構成

Fig.1Hardware components of

autofocusing system步進電機、機芯。控制單元主控芯片是TMS320DM642。圖2自由聚焦系統模塊劃分

Fig.2Modules of autofocusing system鏡頭機芯供電電源為12 V，步進電機可在整個視場區（包括長焦區域、短焦區域及無效區）內轉動，串口通訊采用標準485接口。控制主芯片接收界面按長焦切換、短焦切換和自由聚焦串口協議進行相應響應，程序一部分用于圖像處理算法，一部分用于控制電機的停轉及轉速，其中長焦切換和短焦切換是跨越無效區域的只對圖像中心區域運用數字圖像處理算法實現聚焦的過程，自由聚焦是指在長焦區域或短焦區域針對局部窗口及全局窗口運用數字圖像處理算法實現聚焦的過程。

3.2軟件平臺軟件編程是基于CCS（code coposer studio）2和VC6.0軟件平臺的，其中CCS2是針對TMS320DM642編程使用的，VC6.0是為界面服務的，界面上實時顯示視頻流。

系統按照模塊化設計原則，采用自頂向下逐步細化方法進行軟件開發，劃分的各模塊如圖2所示，大致分為視頻采集模塊、自由聚焦模塊、聚焦搜索模塊、電機驅動模塊，采用的編程語言為最基本且高效率的C語言和VC++語言。4實驗分析為了驗證多目標自由聚焦系統的可行性及系統算法的性能，充分考慮到聚焦速度、聚焦精確度的評價原則，在上述軟硬件平臺上分別對長短焦視場切換、長焦內自由聚焦、短焦內自由聚焦做了大量的戶內外實景實驗，并用紅外平行光管模擬無窮遠目標進行實驗。系統多目標自由聚焦算法的性能分析：（1）無偏性：搜索策略搜索到的聚焦結果視頻幀與評價函數極值對應的幀一致。（2）單峰性：評價函數與搜索策略有且只有一個極值。（3）靈敏性：按照用戶所需聚焦窗口可在界面上任意改變，評價函數與搜索策略內的閾值可以改變。（4）通用性：圖3、圖4、圖5是針對不同場景的實驗結果圖，大量實驗證明了本算法的通用性。

圖3實驗中抽取的幾個場景

Fig.3Some scenes of the experiments

圖4不同視場聚焦結果圖

Fig.4Focus results of the different scenes圖4是10 km以外場景的長短焦區域分別聚焦結果圖，證明了視場切換前后采用同步檢測法的可行性，圖4（a）是長焦區域窗口內有目標則按窗口聚焦，圖4（b）是短焦區域窗口內無目標則進行全局聚焦。圖5是進行戶外實驗過程中抓取的長焦區域內聚焦情況，是同一場景下3個不同方位處的目標分別處于模糊和清晰狀態時的對比圖，由圖5（b）（d）（f）可明顯看出，場景復雜情況下動態劃分窗口并進行局部聚焦的必要性，體現了本算法的優越性。圖6是針對上述整幅圖像截取大致170幀的歸一化清晰度變化曲線。由圖6看出，大致有4個尖峰點，視頻幀15 、80和165附近代表不同目標最清晰位置，恰好分別對應圖5的（b）、（d）及（f）。若是對整幅圖像聚焦則會聚焦在120幀附近，從而造成誤判。

圖5同一場景下不同目標聚焦對比圖

Fig.5Comparison of focus of the different objects in the same scene

圖6聚焦曲線

Fig.6Focusing curve

5結論本文從聚焦算法、搜索策略、系統的軟硬件實現及實驗四個方面全面闡述了路防多目標自由聚焦系統的實現過程，有效地滿足了自由聚焦精度和速度兩個最重要指標。相對于以往研究工作，本系統所做的環境實驗較多，具有實際應用價值，今后所要開展的工作是將系統進行海上環境實驗。該自由聚焦系統有著廣泛的應用前景，例如可以應用于陸地邊防、海上邊防、安全緝私等系統，可滿足夜視、偵察、報警、跟蹤等方面的要求。參考文獻：

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（編輯：張磊）