图像法自动调焦原理及系统实现

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1、文章编号：图像法自动调焦原理及系统实现ElementsofautomaticfocusingbasedonimageprocessingmethodandDevelopmentofsystem（1．长春光学精密机械与物理研究所，长春，吉林130033；2．中国科学院研究生院，北京100039）1，21刘焕雨，万秋华1,21LIUHuan-yu,WANQiu-hua摘要：介绍了基于图像处理方法的自动调焦系统的组成、工作原理、硬件电路设计与软件设计。该系统的核心是图像处理部分和控制部分。给出了聚焦量计算的三个导出公式，提高了硬件的运算速度。详细分析了自动调焦的控制

2、过程，并提出了渐变步长的思想，提高了系统的控制精度。实验结果表明，在较宽范围的环境条件下，该系统具有良好的调焦效果。关键词：图像处理；自动调焦；电机驱动控制；SEE7111A；TMS320F2812；FPGA中图分类号：TP272文献标识码：AAbstract:Theconstitution,operatingprinciple,hardwareandsoftwareofautomaticfocusingsystembasedonimageprocessingmethodarepresented.Imageprocessingunitandcontroluni

3、tarecoreofthissystem.Threederivedexpressionsforcalculationoffocusedquantityisintroduced,itincreasesoperatingspeedinthehardware.Controlprocessofautomaticfocusisanalyseddetailedly,andideaofsteplengthchanginggraduallyispresented,itincreasescontrolprecisionofsystem.Experimentalresultssh

4、owthat,inwiderrangeofenvironmentalcondition,thissystemfocusongood.Keywords:imageprocessing；automaticfocus；driveandcontrolofelectricmachine；SEE7111A；TMS320F2812；FPGA引言在光测系统中，调焦问题越来越受到人们的普遍重视，它直接影响光测设备的测量结果。特别是光测设备在对空中飞行目标进行拍摄过程中，目标与光测设备的距离不断发生变化，因而需要不断地调整光学系统的焦距，从而调整目标像点的位置，使其始终位于焦平面

5、上，以获得清晰的图像。对光学镜头进行手动调焦，其调节过程长，调焦精度受人员主观的影响较大。[1]在工程实践中，基于测距的自动调焦方法已经获得了广泛的应用。其原理是，测定光学镜头与被摄目标之间的距离，将之代入光学系统的光学传递函数，计算出聚焦位置并驱动调焦机构调焦。此方法成熟、稳定，但需要配备专门的测距设备，安装、调试精度要求较高，因而，使用健壮性较差，同时也不利于光测系统的小型化。随着计算机硬件和数字图像技术的飞速发展，图像的实时处理已经成为可能。这就为[2，3]基于图像处理的自动调焦技术提供了实现条件。1基于图像处理的自动调焦原理和系统总体设计一副图像是否聚

6、焦，反映在空域上是图像的边缘及细节是否清晰，而图像的边缘及细节1信息可以通过对图像进行微分来获取，因此，可以利用这些信息作为聚焦的判据。这种提取[4]图像边缘信息的函数称为聚焦评价函数，图像经其处理后所得到的量值能够反映图像的清晰度。聚焦评价函数应具有以下几个特性：无偏性，单峰性，高灵敏度，较高信噪比，计算量较小。这里选用绝对方差函数：M−1N−1N−1M−1R=∑∑

7、f(xi,yj)−f(xi−1,yj)

8、+∑∑

9、f(xi,yj)−f(xi,yj−1)

10、（1）j=0i=1i=0j=1式中，M、N对应于一幅视频图像的行数和列数，下标i、j表示像素的位置。对比度

11、R的量值越大，表示图像越清晰，也即对焦越好。视频信号电视监镜头侦察相机视器视频控制信号调焦直流信号图象处理PC机机构电机及控制卡图1自动调焦系统的总体结构框图自动调焦系统的总体结构如图1所示。相机的视频信号分为两路，一路送监视器显示，一路送图像处理及控制卡进行视频处理。图像处理及控制卡对每一帧图像进行实时处理，判断成像是否清晰（对焦是否准确），并给出反馈信号控制直流电机旋转，进而驱动调焦机构运转，实现镜头的自动调焦。电视监视器用于观察调焦效果，PC机用于获取图像处理及控制过程的中间数据，进行状态检测和分析。2图像处理及控制卡的硬件和软件设计图像处理及控制卡的硬

12、件组成如图2所示。其分别完成以下几项功