一種攝像頭自動聚焦方法及硬件實現(xiàn)

傳統(tǒng)的自動聚焦可分為主動式自動聚焦和被動式自動聚焦兩類。主動式自動聚焦是利用發(fā)射紅外線或超聲波來度量被攝物的距離，自動聚焦系統(tǒng)根據(jù)所獲得的距離資料驅(qū)動鏡頭調(diào)節(jié)像距，從而完成自動聚焦；被動式自動聚焦是通過接受來自被攝物的光線，以電子視測或相位差檢測的方式完成自動聚焦。

    隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字圖像處理理論的日益成熟，自動聚焦技術(shù)進(jìn)入一個新的數(shù)字時代，越來越多的自動聚焦算法基于圖像處理理論，改變以往用測量相機(jī)與被攝物體之間的距離來進(jìn)行聚焦的方法。傳統(tǒng)的方法不僅使系統(tǒng)龐大笨重，而且有時還不準(zhǔn)確。數(shù)字圖像處理理論認(rèn)為，圖像聚焦程度(即圖像是否清晰)主要由光強(qiáng)分布中高頻分量的多少決定。高頻分量少則圖像模糊，高頻分量豐富則圖像清晰，在空域表現(xiàn)為圖像的對比度變化明顯[1]。本文就是利用這一特點，提出了一種改進(jìn)的灰度差分法作為圖像清晰度評價函數(shù)實現(xiàn)自動聚焦系統(tǒng)的方法。實驗表明，該系統(tǒng)成本低、聚焦速度快，且效果良好、應(yīng)用范圍廣泛。

1 圖像清晰度評價函數(shù)

    理想的圖像清晰度評價函數(shù)應(yīng)該具有以下特性[2]：(1)無偏性，即只有在聚焦處評價函數(shù)才取極值；(2)單峰性，即評價函數(shù)只有一個極值點；(3)高信噪比，即在較高的干擾條件下，保證系統(tǒng)能夠正確檢測到離焦信號；(4)計算量小，即能通過較少的計算，快速得出評價函數(shù)的結(jié)果。

1.1 傳統(tǒng)的圖像清晰度評價函數(shù)

    傳統(tǒng)的評價函數(shù)分為以下幾類：

    (1)灰度變化函數(shù)。聚焦圖像比離焦圖像包含更多的灰度變化，這樣圖像灰度值的變化可以作為評價函數(shù)。

    (2)梯度函數(shù)。在圖像處理中，圖像梯度可以用來進(jìn)行邊緣提取。離焦量越小，圖像邊緣越鋒利，應(yīng)該具有很大的圖像梯度值。因此，圖像的梯度變化也可以作為評價函數(shù)。    (3)圖像灰度熵函數(shù)。聚焦圖像的信息熵要大于離焦圖像的信息熵。因此，圖像的灰度熵也可以作為評價函數(shù)。

    (4)頻域類函數(shù)。這類函數(shù)主要基于傅里葉變換，傅里葉變換的高頻分量對應(yīng)著圖像邊緣，而聚焦圖像總是具有鋒利的邊緣，即包含著更多的高頻分量，這樣可以根據(jù)圖像傅里葉變換后高頻分量含量的多少作為評價函數(shù)。

1.2 改進(jìn)的圖像清晰度評價函數(shù)

    常用的聚焦評價函數(shù)有以下幾種方法：高頻分量法、平滑法、閾值積分法、灰度差分法、拉普拉斯像能函數(shù)等。這里主要介紹灰度差分法。灰度差分法[3]是一種形式簡單但很有效的聚焦評價函數(shù)，它利用圖像的相鄰像素差的絕對值之和作為聚焦評價函數(shù)，即：

當(dāng)圖像聚焦清晰時，F(xiàn)(x，y)最大。

    但是，對于亮度變化比較均勻的圖像，灰度差分法計算所得的數(shù)據(jù)值之間差異較小，經(jīng)常出現(xiàn)不符合單調(diào)要求的點，其聚焦效果不好，不能明顯反應(yīng)出鏡頭在不同位置上獲得的圖像質(zhì)量。因此，本文提出了一種改進(jìn)的方法作為圖像的清晰度評價函數(shù)，即將一場圖像所有像素的亮度值與周圍相近像素的亮度值差的平方和作為圖像的聚焦評價函數(shù)，計算相鄰?fù)瑘鰣D像評價函數(shù)的值，根據(jù)比較結(jié)果由單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和步數(shù)，從而實現(xiàn)自動聚焦。實驗表明，該方法很好地解決了灰度差分法經(jīng)常出現(xiàn)不單調(diào)的缺點，聚焦效果良好。改進(jìn)的聚焦評價函數(shù)如下：

其中：f(x，y)表示為第x行、第y列像素的亮度值。本算法選取了鄰近的兩個像素作比較(像素分別是f(x，y)像素的左側(cè)和上側(cè)），與灰度差分法相比，有著更好的單峰、單調(diào)和對稱性。

2 自動聚焦系統(tǒng)的組成和原理

    本系統(tǒng)主要由CCD攝像機(jī)、帶步進(jìn)電機(jī)的光學(xué)鏡頭、FPGA和單片機(jī)控制電路組成。CCD攝像機(jī)采用SONY公司推出的 SONY47W CCD 套件，該套件支持的最高分辨率為752×582并支持ITU-REC656 YUV數(shù)字信號輸出。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

 系統(tǒng)上電復(fù)位后，DSP接收CCD圖像傳感器輸出的模擬視頻信號，并對該信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換、白平衡和亮度/色度等處理后，轉(zhuǎn)換成YUV數(shù)字信號輸出。在行、場及像素時鐘信號的控制下,把亮度信號（Y）輸入到FPGA中，F(xiàn)PGA統(tǒng)計相鄰兩場圖像的亮度信號，并按照本系統(tǒng)提出的圖像清晰度評價函數(shù)對圖像進(jìn)行分析、比較，并把比較結(jié)果輸入到單片機(jī)中。單片機(jī)根據(jù)比較結(jié)果，通過步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和步數(shù)來控制光學(xué)鏡頭，從而實現(xiàn)自動聚焦。

    在自動聚焦系統(tǒng)中，搜索策略通常采用盲人爬山比較法[4]。首先取得起始位置的圖像，并計算出此時的評價函數(shù)值；然后，讓步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動鏡頭從起始位置向上移動一步，將此時的圖像與前者比較。若比前者的聚集評價函數(shù)值大，就繼續(xù)向上移動調(diào)焦鏡頭；如此循環(huán)，直至圖像的聚焦評價函數(shù)值小于前一位置，則前一位置就是圖像最清晰的位置，聚焦結(jié)束。該算法簡單，但在實際應(yīng)用中，由于圖像采樣、量化及傳輸過程中各種干擾引起的圖像噪音影響，經(jīng)常會出現(xiàn)誤判。因此，本文采用了一種改進(jìn)的盲人爬山比較法，稱為“三點”比較法。該方法在確定鏡頭位置時，不是僅根據(jù)前后2 次聚焦評價值的大小來確定,而是用3 個點大小的變化確定曲線的方向，最終確定鏡頭位置。為了敘述清楚，用f1、f2、f3分別表示鏡頭在不同位置時的聚焦評價函數(shù)的值，這里只分析f1>f2時可能出現(xiàn)的情況（當(dāng)f1f2時，先不進(jìn)行判斷，而是把結(jié)果保存起來，讓步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)驅(qū)動鏡頭向原方向移動到位置f3；如果f2>f3，則可以確定聚焦曲線是下降方向，此時，讓步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動鏡頭到f1位置；如果f2f3，則認(rèn)為出現(xiàn)“錯誤”點，不做判斷，讓鏡頭再向前運動到f4，再對f2、f3、f4進(jìn)行三點判別，得到正確的聚焦位置；如果f2

3 實驗數(shù)據(jù)分析

    為證實所提出的評價函數(shù)的有效性，對該系統(tǒng)進(jìn)行了大量實驗，并與灰度差分法所獲得圖像進(jìn)行比較。圖2、圖3是以簡單的文本圖像為例，在聚焦點附近算法改進(jìn)前后各測得的20組聚焦值并據(jù)此繪制的聚焦評價函數(shù)曲線。圖4、圖5分別是算法改進(jìn)前后，采用本系統(tǒng)所拍攝的聚焦圖像。

可以看出，改進(jìn)算法后在聚焦點附近曲線尖銳，與相鄰兩個聚焦位置的亮度差更大，并且有著更好的單調(diào)性。實驗表明，在同樣的搜索策略下，改進(jìn)后的算法比改進(jìn)前更能適用于多種畫面，尤其是亮度比較均勻的圖像，有著更高的精確性。

    本文提出了一種基于數(shù)字圖像處理的自動聚焦方法,并應(yīng)用該原理設(shè)計了一種攝像頭自動聚焦系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)簡單,聚焦速度較快，易于硬件實現(xiàn)。