电子摄像式刀具预调测量仪的自动聚焦技术研究.pdf

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1、第５期（总第１９８期）机械工程与自动化Ｎｏ．５２０１６年１０月ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＯｃｔ．文章编号：１６７２-６４１３（２０１６）０５-００４８-０３电子摄像式刀具预调测量仪的自动聚焦技术研究文莉，欧阳祥波，李超林（广东工业大学广东省微纳加工技术与装备重点实验室，广东广州５１０００６）摘要：自动聚焦是电子摄像式刀具预调测量仪的重要模块，其中清晰度评价函数和聚焦点搜索策略直接影响到聚焦的速度和精度。通过对比分析典型清晰度评价函数的计算时间、灵敏度、单峰性等特性，得出Ｂ

2、ｒｅｎ-ｎｅｒ函数和小波函数是刀具预调测量仪聚焦系统的最佳聚焦测度函数。为克服聚焦搜索运动中的机械传动误差，提高搜索的速度和精度，提出利用离散二阶差分预测模型来预测镜头的运动方向，大步长快速到达近焦区域，然后缩小步长，利用曲线拟合算法直接得到聚焦点。实验结果表明：所提出的方法可以实现准确、实时的自动聚焦。关键词：自动聚焦；刀具预调测量仪；搜索算法；清晰度评价函数中图分类号：ＴＰ３９１文献标识码：Ａ0引言利用离散二阶差分方程模型预测清晰度评价曲线的发近年来，国内精密数控机床的辅助设备刀具预调展趋势，大步长驱动镜

3、头快速到达对焦面附近；精确对［１］测量仪（对刀仪）受到了普遍重视。电子摄像式对刀焦阶段，采用小步长和曲线拟合算法，在近焦区直接得仪采用数字图像处理方式，测量过程不接触，自动化程到聚焦点位置。度高，有较高的测量精度和速度。1清晰度评价函数及聚焦点搜索算法自动聚焦是通过清晰度评价函数对光学成像系统１．１清晰度评价函数采集的图像进行成像质量评价，然后通过搜索算法给一个理想的清晰度评价函数曲线，应具备如下特［９-１０］出极点搜索移动方向和步长，直至获取图像质量最佳性：［２］的一个控制反馈过程。（１）单峰性：评价函数有

4、且仅有一个极值。［３-４］现有的清晰度评价函数主要可分为４类，它（２）无偏性：实际的对焦点与理想的对焦点之间们是基于空间域、直方图、图像峰谷值和变换域的评价的距离越近越好。用参数对无偏性定量验证，越函数。聚焦点搜索算法目前应用较多的有爬山法、二小，函数的无偏性越好。［５］分法、斐波那契法。爬山法主要利用评价函数的单（３）灵敏度：极值点两侧的曲线斜率越大，说明评峰性判断逼近峰值，计算量大，不利于实时聚焦，且其价函数的灵敏度、调焦精度越高。灵敏度用峰值的［１１］确定极值点位置后，必须反向运动至对焦面，造成定位５０

5、％时曲线的宽度表示，越小，函数的灵敏度越高。精度问题；二分法和斐波那契法易受噪声干扰，搜索精（４）稳定性：即抗干扰能力，用来定量验证，表［６］［７］度较差。较新的搜索算法有曲线拟合法、离散二示局部极值点的个数。［８］阶差分方程预测模型等。曲线拟合法对评价曲线进（５）计算时间：调焦函数的计算时间越短，自动调行拟合，可直接解得聚焦点位置，其速度快，在近焦区焦过程的实时性越好，用T表征。精度较高，但在远聚焦区拟合效果差。离散二阶差分１．２聚焦点搜索算法方程预测模型，根据几个原始评价函数值，预测评价曲聚焦点搜索算法是

6、在聚焦过程中，通过比较清晰线的发展趋势，确定镜头运动方向，使其快速到达焦点度评价函数值，找到最大值，即聚焦位置。附近，但其不适于精确聚焦。１．２．１离散二阶差分方程预测模型本文研制的对刀仪采用步进电机驱动镜头与被观离散二阶差分预测模型的核心是利用单变量二阶察目标的相对运动进行聚焦，反向运动不可避免有回离散差分方程（ＤＤＥ（２，１））来近似经过一次累加生成程间隙而影响定位精度。为有效地减少反复正反运动算法（ＡＧＯ）得到的以指数形式增加的数据序列，其主对焦，本文提出两阶段聚焦搜索策略，即粗对焦阶段，要步骤如下：２

7、０１１年广东省部产学研重大专项（２０１１Ａ０９０２００１１９）收稿日期：２０１６-０２-２９；修订日期：２０１６-０７-２３作者简介：文莉（１９８８-），女，湖南益阳人，在读硕士研究生，主要从事图像信息处理方面研究。２０１６年第５期文莉，等：电子摄像式刀具预调测量仪的自动聚焦技术研究・４９・（１）一次累加生成运算（１-ＡＧＯｏｐｅｒａｔｉｏｎ）。对曲线拟合算法根据评价曲线的特点，选择合适的（０）原始数据序列x进行一次累加生成运算得到数据序解析函数对其拟合或插值，求取函数的最大值作为聚（１）列x：焦点。故本文根

8、据焦点附近区域的评价函数的特点选（０）（０）（０）（０）（０）x＝｛x（１），x（２），x（３），…，x（n）｝n∈z．（１）择合适的函数进行拟合获取聚焦点。（１）（１）（１）（１）（１）x＝｛x（１），x（２），x（３），…，x（n）｝．（２）2实验平台搭建及算法实现m本实验平台如图１所示，采用大恒ＳＶ２０００ＦＣ相（１）（０）其中：x（m）＝∑x（i），m＝１，２，…，n。机采集图像，其分辨率为