・实验研究 基于图像处理的自动调焦技术研究 张晓娟（太原工业学院，山西太原０３０００８） 摘 要：随着自动调焦技术的快速发展，在成像系统中得到了广泛的应用。基于图像处理的自动调焦能够进一步满足各种成像设备的智能化 自动调焦需求。基于图像处理的自动调焦的关键在于图像的清晰度评价函数，本文在对评价函数进行分析的基础上提出了梯度阈值评价函 数，实现了调焦的实时性、抗噪性方面的提升。 关键词：自动调焦；图像处理；清晰度 Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ａｕｔｏ‘・。ｆｏｃｕｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｆｏｃｕｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．Ａｕｔｏ—ｆｏＣＵＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｆｕｒｔｈｅｒ ｍｅｅｔ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｆｏＣＵＳ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｉｍａｇｉｎｇ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｋｅｙ ｏｆ Ａｕｔｏ—ｆｏｃｕｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｉｓ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｃｌａｒｉｔｙ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｗｅ ｐｒｏｐｏｓｅ ｔｈｅ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｉｍＤｒ０ｖｅｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｆｏＣＵＳ；Ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ：ｃ１ａｒｉｔｙ 基于图像处理的自动调焦指的是实时地处理图像传感器中 图像在成像的过程中，会由于环境、器材等方面的原因引 所采集的图像信号，对表征图像清晰度的评价值进行获取，依 入各种噪声，这些噪声会在不同程度上淹没或者改变图像中的 据评价值对图像是否清晰进行判断，并依据判断结果向电机发 一些重要的特征，对调焦的效果造成影响。因此，在成像的过 出反馈信号，从而控制镜头的转动方向和步长，直到实现最佳 程中需要对图像进行预处理，所以要有针对性地选择噪声滤除 聚焦状态。其中，最为关键的是图像清晰度评价值的获取，因 的方法，一方面要尽可能地对噪声进行滤除，另一方面要尽可 此，基于图像处理的自动调焦技术中清晰度评价函数是重点研 能对图像高频信息进行保留。 究对象。 ２．２图像清晰度评价函数的评价标准 １基于图像处理的自动调焦方法概述 第一，清晰度评价函数的调焦曲线应该具备单峰性，方便 随着微电子技术的发展与数字图像处理理论的进步，图像 对系统的离焦程度与离焦极性进行反映。第二，调焦曲线的最 处理与存取变得更加便捷，因此如何获得清晰图像使基于图像 大值与成像系统的对焦状态应该具备无差性：第三，调焦曲线 处理的自动调焦技术成为了自动调焦技术领域中研究的重点方 必须具备灵敏度，以提高调焦的精度；第四，清晰度评价函数应 向 该具有抗干扰性“ 。 基于图像处理的自动调焦的原理指的是通过基于图像处理 ２．３以空间域为基础的图像清晰度评价函数 的调焦算法对图像探测器所采集的图像进行分析与处理，对图 ２．３．１传统的图像清晰度评价梯度函数 像的离焦程度进行准确的判断，依据调焦搜索策略对镜头进行 在图像处理的过程中，梯度函数是较为常用的函数类型。 驱动与控制，从而实现图像向着清晰的方向不断发展，直到图 梯度函数的种类主要包括：第一，能量（Ｅｎｅｒｇｙ）梯度函数，主 像能够实现对焦清晰为止“・ 。 要是通过相邻的像素之间的灰度值的差的平方和对灰度的变化 目前常用的自动对焦方法有ＤＦＤ（Ｄｅｐｔｈ ｆｒｏｍ Ｄｅｆｏｃｕｓ，离 量进行描述；第二，Ｒｏｂｅｒｔｓ梯度函数，主要是通过相邻的像素 焦深度法）和ＤＦＦ（Ｄｅｐｔｈ ｆｒｏｍ Ｆｏｃｕｓ，对焦深度法）。 之间的灰度值交叉相减的平方和对灰度的变化量进行描述；第 ＤＦＤ是指通过离焦的图像获取对焦目标的信息，实现自动 三，Ｓｏｂｅｌ梯度函数，通过Ｓｏｂｅｌ算子对图像水平方向与垂直方 对焦。它通过对两到三帧离焦程度不同的图像进行分析与处 向的梯度进行提取，对梯度的平方和进行计算；第四，Ｂｒｅｎｎｅｒ 理，获取图像模糊、离焦等方面的信息，通过这些信息实现对焦 梯度函数，主要是通过相邻像素的灰度值的差值的平方和对图 位置的判断，驱动镜头实现自动对焦。ＤＦＤ能够降低图像的采集 像的灰度变化进行判断；第五，Ｖａｒｉａｎｃｅ函数，主要通过图像 次数与电机驱动时间，调焦速度快；但误差较大，在精度和稳 的方差反映图像灰度分布的离散程度 。 定度方面比较差。 ２．３．２灰度熵函数 ＤＦＦ是指利用对焦搜索机制实现的自动调焦。它采用清晰 图像中的灰度熵能够对图像灰度分布的离散程度进行反 度评价函数对图像清晰度进行评价，并根据清晰度评价函数 映。如果图像的离焦程度不同，那么图像的清晰度也不同，其灰 值的反馈，通过调焦搜索算法对镜头进行控制与驱动，实现对 度熵也不同。离焦程度越大，则图像越模糊，灰度变化减小， 焦准确。ＤＦＦ的优点包括：第一，具有了更加灵活多样的调焦判 灰度熵值也越小；越接近正焦点，图像越清晰，灰度值越大。因 据；第二，调焦控制电力与驱动结构更加简单；第三，具有更好 此，灰度熵能够对图像的清晰度进行评价 。 的使用范围与稳定性 Ｊ 。 ２．４梯度阈值评价函数 ２基于图像处理的自动调焦的图像清晰度评价函数 传统的梯度函数具有单峰性与灵敏度较好的特点，但要求 ２．１图像的预处理 图像不含噪声，这在实际应用中很难实现，就会出现调焦误判。 实验研究・ 此外，图像的背景像素也对调焦曲线的实时性、灵敏度等有影 金分割多点取窗法两种类型，如果目标在图像的中下部，一般选 响。因此，本文提出了梯度阈值评价函数，通过自适应阈值算法 择倒Ｔ字型取窗法。多点取窗法能够实现目标覆盖率的提高，但 实现噪声与背景像素对图像影响的降低 。 同时也会使计算量增加，调焦性能方面较差。 ２．４．１对阈值进行选择 ３．２．３非均匀采样取窗法 非均匀采样取窗法是将非均匀采样得到的图像作为调焦窗 边缘较为尖锐的地区其方差就比较大，边缘较为平滑的区域方 口。通过非均匀采样取窗法得到的图像，图像中心部分的分辨 差就较小。因此，能够通过方差对图像边缘像素与非边缘像素 率较高，周围的分辨率较低，一方面能够降低计算量，另一方面 进行判断。在边缘像素进行判断的过程中，判断阈值选择待判 能够对目标位置的偏移进行适应 Ｊ 。， 断像素周围３￣３领域中图像的局部方差。 ２－４．２调焦曲线影响因素 图像中的边缘信息是通过图像的局部方差分布来实现的， ３．３自适应选择调焦窗口 上述几种调焦窗口基本都是固定的，不能对特定场所中的 第一，算法实时性，梯度阈值评价函数能够通过阈值对图 目标位置进行适应，对调焦的准确性造成影响。因此，本文提 像的边缘像素进行区分，降低噪声与背景像素对图像灰度值造 出了自适应选择调焦窗口的方式。首先，要按照一定的图像分 成的影响，降低评价函数的计算量；第二，背景因素，梯度阈值 割算法对目标与背景的最佳分割阈值进行获取，通过阈值分割 函数具有调焦曲线波峰宽度较窄、陡峭度较高的特点，具有较 得Ｎ－值图像，通过边缘提取的方式对边缘图像中的中心进行 高的单峰型－％２敏度，能够对调焦进行更好的判断；第三，对比 计算，从而选择调焦窗口。 的因素，梯度阈值函数具有较好的平滑性，能够在低对比度条 自适应选择调焦窗口的流程包括：第一，对适应度函数进 件的情况下对调焦进行更好的判断 。 行确定；第二，按照一定的计算公式对评价粒子的使用度函数 ３对调焦窗口进行选择 值进行计算与评价；第三，对粒子的历史最优位置ＰＢＥｓＴ与最优 ３，１对调焦窗口进行选择的必要性 适应度值进行保持，对粒子群历史全局最优位置ＰＢＥＳＴ与最优 在调焦的过程中能够通过图像评价函数值的计算对焦点 适应度值进行确定；第四，通过最佳分割闽值实现原图的分割 的位置进行确定。但是如果对整幅图像进行评价，就需要图像 得到二值图像，再通过边缘提取得到边缘图像 。 中的所有像素进行计算，如果图像尺寸比较大就会增大计算 ４总结 ‘ 量，导致调焦实时性的降低。图像中关注的是目标物的清晰度， 基于图像处理的自动调焦主要包括调焦算法与电机控制两 背景的清晰度并不在考虑范围之内。因此，要将图像中的具有 个方面，本文主要研究基于图像处理的自动调焦算法。基于图 特征的区域作为调焦的窗口，一方面能够使运算量的降低，实 像处理的自动调焦一方面能够实现调焦判据选择的灵活性与多 时性的提高；另一方面能够对目标的针对性进行体现，使调焦 样性，另一方面能够实现调焦系统的驱动电路与运动结构的简 准确性的提高 。 化，实现实时性的提高。因此，基于图像处理的自动调焦能够进 ３．２对调焦窗口进行选择的方法 一步促进其适用范围的扩大，具有非常重要的现实意义与应用 对调焦窗口进行选择能够实现计算量的降低，实现调焦实 前景。 时性的提高。同时，对调焦窗口进行合理选择才能够实现调焦准 ［参考文献］ 确性的提高。对调焦窗口进行选择的方法主要包括以下几种： ［１］王键．基于图像处理的自动调焦技术研究［Ｄ］．成都：中国科学院光电研 究所．２０１３．０５。 ３．２．１中心取窗法 ［２］刘焕雨，熊文卓，万秋华，赵长海，慕志国．基于图像处理方法的自动调 中心取窗法是将图像的中心区域作为调焦窗口，调焦窗口 焦系统的研制［－Ｉ］．测试技术学报．２０１２，０１（１８）：１３—１６． ［３］张玮玮，曹维国，杨瑞宁，段洁．望远系统分辨率现代测试技术研究［ＩＩ］． 的大小通常为整幅图像的几分之一。它基础是对图像中心位置 长春理工大学学报（自然科学版）．２０１４，０２（３１）：１６－１８． 进行假设，将图像中心区域的清晰度作为调焦依据。这种方式 ［４］王欣，安志勇，杨瑞守基于图像清晰度评价函数的ＣＣＤ摄像机自动调焦 技术研究［Ｊ］．长春理工大学学报（自然科学版）．２０１０，０１（９）：１１—１４． 在大多数的场合是较为适用的，但若目标不在中心位置就会影 ［５］胡凤萍，常义林，马彦卓，赵光耀．视频自动聚焦的实现研究［Ｊ］．光子学 响调焦性能。 报．２０１０，３９（１０）：１９０１—１９０６． ［６］黄家荣，张莉．基于图像识别技术的摄像机自动聚焦系统设计［ＪＪ．四川 ３．２．２多点取窗法 师范大学学报（自然科学版）．２０１０，０３（８２）：４１４—４１８． 多点取窗法是将图像中的多个区域作为调焦窗口，这种方 ［７］史红伟，石要武，杨爽．光学显微镜自动调焦指导函数的评价与选择［ＩＴ］． 计算机辅助设计与图形学学报．２０１３，０２（２０）：２３５－２４０． 式能够对中心取窗法的不足进行弥补，能够对目标的偏倚进行 ［８］林兆华．基于图像处理自动调焦技术在经纬仪中应用的研究［Ｄ］．长春： 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所．２０１２． 一定的适应。多点取窗法中较为常用的包括倒Ｔ字型取窗法与黄 （上接第７５页） 项。在试图同网络连接的时候，客户端设置中的ＳＳＩＢ和密钥必 客对我们无线网络的攻击，我们要随时保持应有的警惕，同时， 须同无线路由器的匹配，否则将会失败。 我们也需要不断研发出严密、更加高端的安全防御产品，从而 ４总结 使我们的无线网络更加安全。 无线网络技术的运用虽然给我们的工作和生活带来了极大 ［参考文献］ ［１］曾湘黔，主编．《网络安全技术》．清华大学出版社．２０１３年１月． 的便利，但其所带来的安全威胁还是极大地阻挠了我们对无线 ［２］康会光，主编．《计算机网络基础教程与实验指导》．清华大学出版 技术的进一步开发和利用，因此，对于这些不法用户和恶意黑 社．２０１３年５月． ［３］吴锐，主编．《网络安全技术》．中国水利水电出版社．２０１２年３，９．
