基于图像技术的自动调焦方法研究

【摘要】：作为光学成像系统的关键技术之一，自动调焦技术已成功应用于空间光学遥感系统、靶场光学测量系统、自动监控系统、显微分析系统以及各种数码相机和摄像系统等。在一个成像系统中，准确聚焦是排在所有其他功能之前需要解决的首要问题，其最终效果将直接影响系统的成像质量及后续图像处理和应用的有效性。本文针对现有自动调焦方法存在的问题，研究了基于图像技术的两类自动调焦方法：离焦深度(DFD)法和聚焦深度(DFF)法，主要就基于图像复原的离焦深度法、基于模糊量估计的离焦深度法以及聚焦深度法中调焦评价函数的模型建立、调焦窗口的智能选取、调焦搜索策略的设计等问题进行了深入研究，并设计了相应的自动调焦系统实验平台。本文的主要工作如下： 1、分析了离焦模糊图像复原算法中常用的两种点扩散函数模型：圆盘离焦模型和高斯离焦模型，由于这两种模型均不能准确逼近实际的离焦点扩散函数,导致离焦图像复原无法取得预期效果。分析了非负支撑域受限递归逆滤波(NAS-RIF)算法存在的缺点，提出了一种基于提升小波变换的NAS-RIF离焦模糊图像盲复原算法。该算法能够在有效抑制图像噪声的同时，较好地恢复离焦图像的边缘细节，实现了利用单幅图像来完成准焦位置图像的最佳恢复。 2、研究了光学成像系统的离焦模型，提出了一种基于离焦深度的自动调焦方法。在仅改变光学镜头位置的条件下，应用成像系统离焦模型，推导了以模糊差异为参量的离焦深度的计算公式。采用空间域的卷积/反卷积变换求出两幅不同程度离焦图像的模糊差异，并利用推导得到的公式计算出目标物体的深度信息，从而调节镜头位置完成自动调焦。该方法对成像系统和场景均没有过多要求，适用于任意目标物体。 3、分析了现有的基于图像梯度、频域、信息学、统计学和小波分析的调焦评价函数。基于生物视觉机理，利用小波变换与人类视觉系统(HVS)特性的多通道特性相匹配的特点，结合对比敏感度函数的带通特性，提出了一种基于HVS加权的小波调焦评价函数，既可以客观准确地评价调焦过程中的离焦图像和聚焦图像，又符合人眼的视觉感知特性。选取陡峭区宽度、陡峭度、清晰度比率、局部极值因子和灵敏度等作为评价指标，通过与其它几种常用调焦评价函数进行比较，分析了基于HVS加权小波调焦评价函数的性能。 4、研究了调焦窗口的选择对调焦效果的影响，分别分析了调焦窗口的大小和位置对自动调焦的影响。分析了传统的调焦窗口选择方法只能选取固定区域，而不能很好地适用于成像主体位置变化的缺陷。针对成像主体位置不固定的情况，提出了一种基于自适应遗传算法的最优调焦窗口选择法，有效地减少了成像主体不在中心位置时引起的聚焦失败。 5、分析了常用的调焦搜索算法在实际工程应用中存在的问题。针对爬山法搜索效率低的缺点，提出了一种基于自组织特征映射神经网络的搜索算法。该算法避免了电机在最佳聚焦位置附近的往返运动，有效地提高了搜索效率。 6、针对提出的自动调焦方法，设计了自动调焦系统实验平台，确认了相应的软件实现方案，并进行了一系列的调焦实验。根据测试的实验结果，对自动调焦的精度、实时性和稳定性做了详细的分析。实验结果表明提出的自动调焦方法具有较高的可行性，为实际工程应用提供了解决方案。