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基于数字图像处理的自动调焦技术研究

刘雪超  
【摘要】:图像在信息化社会中起到重要的作用,尤其是对于军事领域的大型光测设备,清晰的图像画面可为指挥控制中心提供最直接、最有价值的决策依据。然而,根据成像的原理,任何光学系统在成像过程中都不可避免地遇到离焦的问题。成像系统离焦会使采集到的图像呈现模糊失真,影响后续的传输和处理,尤其在战时甚至会影响到指挥决策的做出。因此,为克服这一弊端,应在光测设备执行任务的同时进行实时的自动调焦,避免因离焦失真带来的影响。传统的调焦方法往往通过测距或相位检测实现,提高对设备的硬件要求,增加成本。本文结合大型光测设备的实际应用,从图像处理的角度出发,采用聚焦深度法,以采集到的图像为依据,在不增加复杂硬件和辅助工具的前提下,实现自动调焦,提高光测设备的智能化。 根据光学成像系统的原理将基于图像的自动调焦过程分为四个模块:图像预处理、调焦窗口构建、图像质量评价和正焦位置搜索。通过研究国内外自动调焦的发展历程,对比各方法的优劣,结合实际工程任务要求对各模块进行研究,并提出相关算法及整体方案。 图像预处理的目的是克服噪声和曝光不当对光测设备成像的影响,提高图像质量和识别度。本文针对光照干扰提出具有动态窗口的二维直方图解决方法,使图像中的对比度得到合理增强,校正了曝光不当对成像效果的影响。 调焦窗口的构建使后续调焦过程仅针对目标进行,有助于降低运算量,克服背景和噪声的影响。针对光测设备所观测目标的位置和大小具有随机性的特点,本文从生物视觉角度出发,提出基于视觉感知的调焦窗口构建方法,以Itti模型为基础模拟人眼观察过程,提取图像信息特征,并通过去噪和模板扩展法建立规则区域,实现对任意调焦状态下调焦窗口的构建。同时,本文又从分类的角度出发,提出结合支持向量机制(SVM)的调焦窗口构建方法,再以分支定界的搜索原则提高目标位置检测的效率。 图像质量评价是调焦过程的关键步骤,评价效果的好坏直接影响到整个调焦过程成功与否。本文提出结合NSS和空域变换的无参质量评价方法,在空域变换中提取自然图像的统计特征,再与参考特征相比较,实现无参质量评价,克服图像内容的影响,使光测设备在调焦初始阶段仅需一帧图像就能确定离焦程度,为搜索策略的制定提供有效依据,避免了盲目性。同时,为降低耗时和保障调焦精度,本文又提出改进的自相关质量评价方法,扩大函数的原有尺度,增加了垂直和对角方向的相关性,提高评价函数的稳定性和对清晰度的灵敏度,克服调焦过程中光测设备受大气湍流和自身抖动的影响。 搜索是整个调焦的最终实现,搜索策略的制定应结合实际设备和观测情况。本文的搜索策略采用粗调焦和精调焦相结合的方式,以爬山搜索法为基础,优化搜索步长,在粗调焦中采用结合NSS和空域变换的方法进行质量评价,得到离焦程度和调焦方向;在精调焦阶段采用改进的自相关函数进行评价,降低耗时、保障精度。 本文最后结合光测设备的实际应用提出基于图像处理的自动调焦整体方案,设计了硬件系统结构和软件流程,并进行了大量的实验验证,分析了调焦效果、精度、稳定性和实时性,建立了统计性数据。结果显示,本方法切实可行,具有较高的实际工程应用价值。


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