刀具預調儀中評價函數對調焦的影響

山西中北大學機械與動力工程學院 劉娟 杜文華 段能全 曾志強

刀具預調儀中評價函數對調焦的影響

山西中北大學機械與動力工程學院 劉娟 杜文華 段能全 曾志強

調焦評價函數的優劣直接關系到調焦的精度和速度，合適的調焦評價函數的選取對調焦有著至關重要的作用。因此，對調焦評價函數進行了研究，找出合適的調焦評價函數對刀具預調儀自動調焦技術的應用有著重要作用。對各種調焦評價函數的分析研究發現，在常用的調焦評價函數中，使用梯度評價函數作為調焦評價函數，計算量小，靈敏度高，適用于刀具預調儀的自動聚焦過程。

調焦評價函數；自動調焦技術；刀具預調儀；梯度評價函數

1 引言

在機器視覺測量中，清晰的圖像是后續圖像分析與處理的前提，它關系著整個系統的測量精度。影響成像清晰度的因素很多，而圖像是否正確聚焦則是測量的關鍵因素[1-2]。圖像聚焦的關鍵問題是要找到合適的調焦評價函數，調焦評價函數對調焦性能的影響非常重要，調焦評價函數直接關系著調焦的精度和速度[3]。根據對刀具預調儀的自動調焦過程的研究選取主要的性能評價指標：清晰度比率、靈敏度、局部極值因子、陡峭度和陡峭度寬度，這些評價性能指標多角度描述了調焦評價函數的性能，為刀具預調儀的評價函數選取提供了依據[4-6]。

2 調焦評價函數性能指標及實驗分析

常用的調焦評價函數有：梯度調焦評價函數、頻域調焦評價函數、熵調焦評價函數等。常用的梯度評價函數：閾值積分法、灰度差分函數法（SMD）、灰度平方函數法（EOG）、梯度濾波函數法（Brenner）、SML函數法、FFT函數法和中值濾波函數法（WTMRA）等。頻域調焦函數：高頻分量法、全頻段積分法。

為了分析提出不同調焦函數曲線對調焦效果的影響，本試驗采用CCD攝像頭和LED光源獲取銑刀圖像，繪制圖像支持的最高分辨率為1392×1040，測試圖片的分辨率為1344×1024。拍攝39幅離焦到聚焦再到離焦的圖像，20幅是精確聚焦圖，繪制成評價函數對比曲線圖。

圖1 不同離焦深度圖像

圖2 調焦評價函數曲線圖

圖2（a）為頻域和熵評價函數圖，根據調焦評價標準可看出，這兩種方法的陡峭度寬度都較寬并且靈敏度較差，單峰性也不明顯。圖2（b）為梯度評價函數曲線圖分別列出了7種調焦曲線，根據調焦評價標準可看出，閾值積分法的陡峭度寬度最寬，靈敏度最差；BRENNER曲線、FFT曲線、SML曲線分別在第十三幅圖、十二幅圖、第四幅圖、第十幅圖進行采集的過程中，容易發生誤判；SMD曲線、FSWM曲線、WTMRA曲線歸一化以后變化不大，效果比較好，誤判的可能性較小，陡峭度寬度較小，曲線靈敏度較好，因此，FSWM和EOG調焦評價函數都適用于刀具預調儀。

3 總結

通過上述實驗對各種調焦評價函數的分析研究發現，常用的調焦評價函數中，使用灰度法作為調焦評價函數，計算量小，靈敏度高，適用于刀具預調儀的自動聚焦過程。刀具圖片像素的灰度變化較為均勻，使用傳統的灰度差分函數（SMD函數法）得到的評價函數值變化不明顯，聚焦效果不理想。因此，我們可以改進傳統的灰度差分法（EOG函數法）。改進的灰度差分法將圖像前景中的所有像素灰度值與后置像素的灰度值的差的平方和作為圖像的評價函數。此方法使聚焦效果得到改善，精度提高。較之傳統的灰度差分法，此算法有更好的單調性及單峰性。中值濾波函數法（WTMRA）選取3個灰度中值作為評價函數，此方法的靈敏度高、單調性好、單峰性明顯，適用于刀具預調儀的調焦過程。

[1]史萌.基于刀具檢測儀的數字圖像自動聚焦技術研究[D].西安工業大學,2012.

[2]查世華,王旭,張舞杰,李迪.一種改進的數字圖像清晰度評價函數研究[J]. 2007,23（12）.

[3]黃偉瓊,游林儒,劉少君.基于改進的灰度對比度函數的自動對焦方法[J].計算機應用,2011,31（11）.

[4]王任華,沈忙作.自動對焦算法研究[J].光電工程,2000,27（4）.

[5]黃德天.基于圖像技術的自動調焦方法研究[D].2013.

劉娟，1987出生，碩士研究生，研究方向：機械故障診斷與機器視覺。

山西省研究生優秀創新項目。項目名稱：基于機器視覺的難測尺寸高精度測量技術研究。項目編號：20133095*