雷玉堂

用于高速球一體機中的實時快速自動調(diào)焦系統(tǒng)的研究

雷玉堂

自動調(diào)焦技術(shù)近年在高速球型一體化攝像機中得到廣泛應(yīng)用。但目前國內(nèi)生產(chǎn)的一些高速球，其自動調(diào)焦系統(tǒng)在精度和響應(yīng)時間上均不能滿足實際需要。一種可用于高速球型一體化攝像機中的實時快速自動調(diào)焦技術(shù)經(jīng)過研究，已經(jīng)問世。

引言

自動調(diào)焦技術(shù)是自動顯微鏡與各種自動攝影攝像設(shè)備的核心技術(shù)之一，因為它既可提高觀測精度又可減輕操作人員的勞動強度，因而在高速球型一體化攝像機中獲得廣泛應(yīng)用。但是，目前在國內(nèi)生產(chǎn)的一些高速球中的自動調(diào)焦系統(tǒng)，其精度與響應(yīng)時間（大于1s）均不能滿足實際需要。研究實踐證明，要想使自動調(diào)焦技術(shù)具有實際使用價值，至少要達到以下指標：

自動調(diào)焦精度等于或高于目視對圖像清晰程度的認同值（目視調(diào)焦精度一般大于±2μm）；至少使得在更換不同倍率的物鏡時，從圖像離焦狀態(tài)到圖像清晰狀態(tài)運作過程與熟練的操作人員手動操作時間相當(dāng)或更快；具有實時跟蹤調(diào)焦功能。

筆者經(jīng)過多年對自動調(diào)焦技術(shù)的研究與探索，己研發(fā)了一種可用于高速球型一體機中的實時快速自動調(diào)焦技術(shù)，其性能已遠遠超過上述三方面的指標。如本系統(tǒng)的自動調(diào)焦精度≤±0.5μm；物鏡變倍或轉(zhuǎn)動對遠近物體的實時跟蹤調(diào)焦的響應(yīng)時間均≤1.0s。

現(xiàn)將這種自動調(diào)焦系統(tǒng)的組成、原理、目標函數(shù)的選擇、快速實時調(diào)焦參數(shù)優(yōu)化、在高速球型一體機中的實時快速調(diào)焦的實現(xiàn)等作簡要介紹。

實時快速自動調(diào)焦系統(tǒng)的組成及原理

自動調(diào)焦技術(shù)包括調(diào)焦（即軸向定位）與伺服運動兩大部分，而調(diào)焦是核心。但要實施自動調(diào)焦，則先要利用離焦檢測，去快速動態(tài)地進行離焦識別，并通過離焦信號控制伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，動態(tài)實時快速響應(yīng)，以自動補償其離焦量?，F(xiàn)代的光電儀器系統(tǒng)實現(xiàn)離焦檢測常用方法有兩大類：一是用計算機處理視頻圖像，獲取離焦信息；二是用光電法測量物距，提取離焦信號。而伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，常選用壓電陶瓷或步進電機。

一般，物鏡成像都源于透鏡成像公式：

式（1）中，D代表物距；d代表像距；f代表透鏡焦距

由式（1）可知，當(dāng)物距D發(fā)生變化時，由于物鏡的焦距f不變，要獲取清晰的像，就需要改變像距d。但對定焦物鏡來說，系統(tǒng)一旦確定，焦距f不變，像距d也是固定的。因此，只有靠調(diào)整物面沿光軸的位置，才能得到清晰的物鏡像。所謂調(diào)焦，就是指沿光軸方向改變物面與物鏡的相對位置，使物像關(guān)系滿足公式（1），以獲取清晰的圖像。

自動調(diào)焦按信號檢測的方法也可分為直接調(diào)焦與間接調(diào)焦兩種。本文所設(shè)計的圖像處理法自動調(diào)焦就是一種直接調(diào)焦方法，它是通過對成像質(zhì)量進行圖像處理而實現(xiàn)自動調(diào)焦的。這種基于圖像處理而實現(xiàn)實時快速自動調(diào)焦系統(tǒng)的組成及原理框圖如圖1所示。

圖1 實時快速自動調(diào)焦系統(tǒng)的組成及原理框圖

在高速球型一體化攝像機中，目標物體經(jīng)攝像物鏡和光學(xué)接口成像于CMOS或CCD圖像傳感器上，并轉(zhuǎn)換成連續(xù)的模擬圖像信號，由A/D轉(zhuǎn)換或圖像采集卡將模擬圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號，送入微型計算機的快速自動調(diào)焦單元（實際產(chǎn)品則用DSP）進行圖像的清晰度計算，并分析圖像的離焦狀態(tài)，然后通過RS-232接口發(fā)送命令和數(shù)據(jù)給單片機系統(tǒng)來控制Z軸步進電機的步距和轉(zhuǎn)向，以進行調(diào)焦。這種自動調(diào)焦過程，實質(zhì)上是一個閉環(huán)控制過程，不斷地重復(fù)循環(huán)，直到快速找到最清晰圖像時停止。

目標函數(shù)的選擇

圖像清晰度檢測方法的核心問題是確定合適的評價參數(shù)，它應(yīng)具備下列幾個特征：

無偏性：即當(dāng)物平面和對準平面重合時，該評價參數(shù)才取極值。

單峰性：即只有齊焦時，該評價參數(shù)才取極值。

能反映離焦極性：這樣，才能為調(diào)焦控制確定電機正確的運動方向。

具有足夠的信噪比：只有這樣，才能保證可靠地檢測正常焦深范圍內(nèi)的離焦程度。

據(jù)此，可以把評價參數(shù)引用自動調(diào)焦的評價函數(shù)和目標函數(shù)之中。

由光電與數(shù)字圖像處理的理論知，信號或圖像的能量大部分集中在幅度譜的低頻和中頻段，但圖像輪廓的銳度和細節(jié)的豐富度則又取決于圖像的高頻成分。因此，各種檢測圖像的邊緣信息或計算圖像的高頻分量的自動調(diào)焦方法應(yīng)運而生。一幀圖像中視頻信號的高頻成分值被稱為調(diào)焦評價函數(shù)，自動調(diào)焦的過程，就是求取調(diào)焦評價函數(shù)的最大值的過程。近年來，對此發(fā)展的方法有閾值積分法、高頻帶通法、微分梯度法、信息熵法和方差評價函數(shù)法等。為了提高計算的速度，這里采用相鄰像素間的平面灰度方差算法SMD（Surn Modulus Difference）作為全局圖像調(diào)焦目標函數(shù)。該算法以圖像強度函數(shù)的一階微分作為高通濾波器，藉以提取圖像中的高頻分量。SMD算法公式為：

快速調(diào)焦參數(shù)的優(yōu)化

由于攝像物鏡變倍或快速球轉(zhuǎn)動時，物體成像會發(fā)生一定范圍的離焦現(xiàn)象，如采用一般的調(diào)焦技術(shù)時，就要花較長時間才能定位到最清晰的地方。因此，在離焦的調(diào)整過程中，采用粗微調(diào)相結(jié)合的方法來實現(xiàn)快速調(diào)焦。粗調(diào)和微調(diào)清晰度的調(diào)焦全過程中離焦現(xiàn)象的曲線變化圖如圖2和圖3所示。

圖2 粗調(diào)清晰度變化曲線

通過對粗調(diào)和微調(diào)狀態(tài)下的曲線異同點定義了以下幾種參數(shù)：

步距S：包括粗調(diào)步距S1和微調(diào)步距S2

顯然，步距的大小直接影響著調(diào)焦的速度。當(dāng)圖像離焦較大時，粗調(diào)步距S1起作用，步進電機以最大的速度、適當(dāng)?shù)拇终{(diào)步距S1找到SMD的最大值（即粗調(diào)時的圖像最清晰點），但該位置圖像可能不是最清晰的。然后，在以粗調(diào)步距S1找到的圖像最清晰點位置附近再以微調(diào)步距S2尋找SMD的最大值（即微調(diào)時的圖像最清晰點）。因此，通過合理設(shè)置粗調(diào)和微調(diào)步距，可以大大提高自動調(diào)焦的速度。

圖3 微調(diào)清晰度變化曲線

但是，粗調(diào)和微調(diào)步距的大小的選取，要根據(jù)圖像的精度和速度的要求、圖像的信噪比、CMOS與CCD的分辨率等實際情況來決定。粗調(diào)步距S1不能太大或太小，實踐證明，它可在10～100范圍之間取值；同樣，微調(diào)步距S2的選取范圍可在1～10之間取值。在本文所設(shè)計的系統(tǒng)中，粗調(diào)和微調(diào)步距的的選取是 S1=40，S2=5。

這里的梯度，即相鄰步距間的評價函數(shù)的差值的絕對值，它包括粗調(diào)梯度|Δ1|和微調(diào)梯度|Δ2|。由于梯度具有方向性，因而ΔSMD又可作為調(diào)焦方向參數(shù)。當(dāng)ΔSMD＞0時，表示步進電機從離焦狀態(tài)向清晰狀態(tài)方向運動；反之，當(dāng)ΔSMD＜0時，則表示步進電機從清晰狀態(tài)向離焦狀態(tài)方向運動。

值得指出的是，在實際應(yīng)用中的噪聲影響是一直存在的，它往往使評價函數(shù)產(chǎn)生了多峰性，如在圖2中就有多個峰值的現(xiàn)象出現(xiàn)。為此，將會影響評價函數(shù)的評判結(jié)果，而這些干擾峰一般出現(xiàn)在SMD值較小的地方，并且峰值不會出現(xiàn)大的突變。由圖2以S1=40步距的圖像清晰度變化曲線可知，當(dāng)由離焦狀態(tài)到清晰狀態(tài)再到離焦狀態(tài)，梯度|ΔSMD|在接近清晰點時，出現(xiàn)大的突變。因此，通過設(shè)置梯度參數(shù)閾值，能有效地抑制由于噪聲影響而導(dǎo)致清晰度評價函數(shù)的誤判。

梯度參數(shù)是通過計算相鄰步距間的評價函數(shù)的差值作為噪聲濾波器，這相對于中值濾波、平均濾波的方法，該濾波方法的計算量很小。它在數(shù)字濾波方面減小圖像處理工作量，從而提高了自動調(diào)焦的速度。

圖4 粗微調(diào)焦清晰度變化曲線

圖5 快速自動調(diào)焦程序流程

梯度參數(shù)的選取，同樣根據(jù)實際的圖像的精度、圖像的信噪比等來決定。實踐也證明，粗調(diào)梯度|Δ1|可在0.50～10.00范圍間取值；微調(diào)梯度|Δ2|則可在0.00～0.50之間取值。在本文所設(shè)計的系統(tǒng)中，粗調(diào)梯度|Δ1|=1.00，微調(diào)梯度|Δ2|=0，即可滿足實際的需要。

連續(xù)ΔSMD＜0時，計數(shù)器FC閾值的設(shè)置

當(dāng)步進電機由離焦狀態(tài)向清晰狀態(tài)運動時，ΔSMD絕大部分是大于零的。當(dāng)找到最大值時，若電機再繼續(xù)運行，ΔSMD就會小于零。若出現(xiàn)連續(xù)的ΔSMD小于零的次數(shù)超過FC，則表示已經(jīng)找到了最清晰點。本系統(tǒng)中，取值FC=2。

快速調(diào)焦系統(tǒng)的實現(xiàn)

在攝像物鏡變倍或顯微鏡更換不同倍率的物鏡時，快速自動調(diào)焦單元根據(jù)粗調(diào)步距參數(shù)S1、粗調(diào)梯度參敖|Δ1|進行調(diào)焦。根據(jù)|Δ1|設(shè)定的閾值，當(dāng)超過該閾值時，表示離清晰點的位置不遠了。這時，分析ΔSMD是否連續(xù)小于零，若連續(xù)小于零的次數(shù)大于FC，則Z軸步進電機向相反的方向走FC個步距S1，這樣Z軸步進電機通過粗調(diào)找到了粗調(diào)時的最佳清晰點(可能不是最清晰點)。接著，快速自動調(diào)焦單元開始進入微調(diào)狀態(tài)，為了可靠地找到由粗調(diào)時找到最佳點的附近能找到微調(diào)最佳的清晰點，在微調(diào)運作期間，快速自動調(diào)焦單元先使步進電機后退一個步距S1，然后從該點開始，以微調(diào)步距參數(shù)S2和微調(diào)梯度|Δ2|參數(shù)進行微調(diào)焦。并且，分析ΔSMD是否連續(xù)小于零，若連續(xù)小于零的次數(shù)大于FC，則Z軸步進電機向相反的方向走FC個步距S2，Z軸步進電機停止運動。這時，Z軸步進電機已通過微調(diào)找到了最清晰點，使整個快速調(diào)焦過程結(jié)束。粗微調(diào)焦清晰度變化曲線如圖4所示。

根據(jù)對上面的實時快速調(diào)焦的分析，本自動調(diào)焦系統(tǒng)嵌入DSP中的程序設(shè)計的流程框圖如圖5所示。

結(jié)束語

由上可知，本文所述的自動調(diào)焦系統(tǒng)，其自動調(diào)焦精度≤±0.5μm；物鏡變倍或轉(zhuǎn)動對遠近物體的實時跟蹤調(diào)焦的響應(yīng)時間均≤1.0s，是一個實時快速的自動調(diào)焦系統(tǒng)，因而完全可用于安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)快速球中的一體化攝像機中。實踐證明，所設(shè)計的指標不亞于國外最先進的自動調(diào)焦技術(shù)，可完全滿足安防市場的需求。

作者為中國光電與安防技術(shù)專家、教授，本刊技術(shù)專家顧問