自动对焦原理及方法

【摘要】从基本原理来说,自动对焦可以分成测距自动对焦和聚焦检测自动对焦。从是否从被测物体获取评价信息可分为主动式自动对焦和被动式自动对焦。本文介绍了自动对焦的基本原理与方法,并重点介绍了基于图像处理的自动对焦方法。

【关键词】自动对焦;图像处理;方法

1.引言

自动对焦技术是计算机视觉和各类成像系统的关键技术之一,在照相机、摄像机、显微镜、内窥镜等成像系统中有着广泛的用途。自动对焦技术从20世纪70年代后期发展起来,到现在已经日臻成熟并取得了广泛应用。对焦机构就是用来调节镜头和CCD之间的距离,使得像平面落在CCD的成像表面。

2.自动对焦的分类

从基本原理来说,自动对焦可以分成两大类:一类是基于镜头与被拍摄目标之间距离测量的测距自动对焦,另一类是基于对焦屏上成像清晰的聚焦检测自动对焦。

2.1测距方法

测距对焦主要有红外线测距法和超声波测距法。

(1)红外线测距法该方法的原理是由照相机主动发射红外线作为测距光源,并由红外发光二极管间构成的几何关系,然后计算出对焦距离。

(2)超声波测距法该方法是根据超声波在相机和被摄物之间传播的时间进行测距的。相机上分别装有超声波的发射和接收装置,工作时由超声振动发生器发出持续超声波,超声波到达被摄体后,立即返回被接收器感知,然后由集成电路根据超声波的往返时间来计算确定对焦距离。

红外线式和超声波式自动对焦是利用主动发射光波或声波进行测距的,称之为主动式自动对焦。

2.2聚焦检测方法

(1)对比度法该方法是通过检测图像的轮廓边缘实现自动对焦的。图像的轮廓边缘越清晰,则它的亮度梯度就越大,或者说边缘处景物和背景之间的对比度就越大。反之,失焦的图像,轮廓边缘模糊不清,亮度梯度或对比度下降;失焦越远,对比度越低。利用这个原理,将两个光电检测器放在CCD前后相等距离处,被摄影物的图像经过分光同时成在这两个检测器上,分别输出其成像的对比度。当两个检测器所输出的对比度相差的绝对值最小时,说明对焦的像面刚好在两个检测器中间,即和CCD的成像表面接近,于是对焦完成。

(2)相位法该方法是通过检测像的偏移量实现自动调焦的。在感光CCD的位置放置一个由平行线条组成的网格板,线条相继为透光和不透光。网格板后适当位置上与光轴对称地放置两个受光元件。网格板在与光轴垂直方向上往复振动。当聚焦面与网格板重合时,通过网格板透光线条的光同时到达其后面的两个受光元件。而当离焦时,光束只能先后到达两个受光元件,于是它们的输出信号之间有相位差。有相位差的两个信号经电路处理后即可控制执行机构来调节物镜的位置,使聚焦面与网格板的平面重合。

提取判据,用该局部的对比度作为调焦的依据。

第二,利用计算机可以很方便地对运行执行机构进行控制,从而避开复杂的调焦电路和机构。计算机接口和总线技术已经非常成熟,通过软件给出控制信号,直接控制电机驱动物镜的运行,不仅灵活方便,响应速度符合调焦要求,还能大大简化电路和运动机构。

数字式自动对焦的三个核心问题是:l.图像清晰度的评价;2.对焦窗口的选择;3.对成像目标/变焦镜头/图像探测器的反馈控制。

1.图像的清晰度的评价对特定的成像系统,图像的清晰度反映了系统的离焦/正焦程度。当图像比较清晰(即对焦较好)时,图像细节丰富,在空域表现为相邻像素的特征值(如灰度,颜色等)变化较大,在频域表现为频谱的高频分量多。利用这一特点可以构造各种对焦评价函数对图像的清晰度进行评价。对对焦评价函数的要求是:(1)单峰函数,且对同一成像目标的一系列图像求其曲线,最大值恰好对应最清晰的图像;(2)函数在峰值两侧分别单调上升和单调下降;(3)函数在峰两侧的斜率绝对值应该比较大。

对焦评价函数主要有以下3类:

(1)频谱函数:清晰的图像比模糊的图像包含更多的信息,人们能更好地分辨其中的细节(细节意味着图像有清晰可辨的边缘,在局部有很强的灰级变化,灰级的跃变更加剧烈);(2)熵函数:对焦良好的图像的熵大于没有清晰对焦的图像,因此可以用熵函数作为一种对焦评价标准。即熵越大,图像越清晰;(3)梯度函数:在图像处理中,梯度函数常被用来提取边缘信息。对焦良好的图像,有更尖锐的边缘图像,应有更大的梯度函数值。常用的梯度函数有方差算子、能量梯度算子、拉普拉斯算子等。

2.对焦窗口的选择进行对焦区域选择有两个原因:(1)由于对图像运用对焦评价函数进行的运算基本上与图像的像素成正比,为了达到实时性的要求,必须减少参加运算的像素的数量;(2)如果对整幅图像运用对焦评价函数,图像中不重要的部分(背景)会对评价结果产生负面的影响,导致图像中的重要部分(成像主目标)无法准确对焦。

3.对成像目标/变焦镜头/图像探测器的反馈控制自动对焦系统中的反馈控制关键是确定对焦评价函数的峰值位置,从而通过电机驱动成像目标移动、变焦镜头变焦或者图像探测器移动。

4.总结

各种自动对焦方式各有其局限性。例如红外测距和超声测距的对焦方法,当被测目标对红外光或超声波有较强的吸收作用时,将使测距系统失灵或对焦不准确;而对比度法聚焦检测受光照条件的制约,当光线暗弱或被摄体与背景明暗差别很小时,调焦就会有困难,甚至失去作用。基于图像处理的聚焦检测方法由于图像处理需要占用大量的计算机资源,这种自动调焦方法对计算机硬件提出了较高的要求。

目前大多数数码相机的自动对焦,都采用被动式:即直接接收分析来自景物自身的反光,利用相位差原理进行自动对焦的方式。这种自动对焦方式的优点是自身不要发射系统,因而耗能少,有利于小型化。对具有一定亮度和反差的被摄体能理想的自动对焦,在逆光下也能良好的对焦,且能透过玻璃等透明障碍物对焦。

(0)

相关推荐

  • 3A算法理解

    自动对焦算法(AF) 是通过既得图像对比度移动镜头使图像对比度达到最大.总的来说,自动对焦技术就是通过调整聚焦镜头的位置获得最高的图像频率成分,得到更高的图像对比度.其中,获得最佳的对焦点是一个不断积 ...

  • 史上最强MR名词解析表 “西门子篇”

    文章资料来源于西门子医疗公众号各个内容,进行重新汇总.统计.整理,如有侵权请联系删除.全文共35652个字. A AC 衰减校正 ACRIN  美国放射学会成像网络ACRIN是一个执行诊断成像和成像引 ...

  • 这K空间,“不讲武德”!

    虽然影像设备的成像过程都是通过信号的检测,模数转换,图像重建,图像显示这几个基本的步骤,但磁共振(MRI)的成像原理及图像的重建过程远远复杂于其他的影像设备.梯度.脉冲.加权.K空间等等,这些陌生又抽 ...

  • 单反相机成像是倒着的为什么照片是正的

    我们知道相机是用来拍摄照片用的,不管是以前的胶片相机还是现在的数码相机它们的主要功能就是拍摄静态图像,现在随着科技的发展数码相机的种类也是越来越多了,对于照相机的原理无论是几千.几万的单反相机还是普通 ...

  • 在为LabVIEW中如何实现自动对焦而发愁?龙哥教你轻松搞定

    有很多小伙伴在问:LabVIEW中有没有自动对焦的函数,labview视觉中摄像头对焦能否实现自动调节? 如何评价一副图像的清晰度?可以通过以下算法定义并计算: Tenengrad梯度方法利用Sobe ...

  • C语言实现环形队列的原理和方法

    什么是环形队列? 环形缓冲区是一个非常典型的数据结构,这种数据结构符合生产者,消费者模型,可以理解它是一个水坑,生产者不断的往里面灌水,消费者就不断的从里面取出水. 那就可能会有人问,既然需要灌水,又 ...

  • 思想政治教育原理与方法

    目录 导论 1 第一节思想政治教育的科学化与学科化 1 第二节思想政治教育原理与方法的科学定位 16 第三节思想政治教育原理与方法的学习意义 18 第一章思想政治教育的发生与根源 21 第一节思想政治 ...

  • 简放|量价择时核心教程:高胜率买点选择的原理和方法

    我的3L体系中,第三个L"量价择时"是核心,近期我一直用低吸买点,跟随趋势但不追涨,只在地量回踩的位置低吸,成功率很高,且风险可控.很多人不理解"顺大势逆小势" ...

  • 高等机械系统动力学——原理与方法

    目录 前言 第1章 绪论 1 1.1 系统与机械系统 1 1.1.1 系统 1 1.1.2 机械系统 1 1.1.3 系统组成 2 1.2 动载荷 2 1.3 动力学问题的特征 3 1.4 固体材料的 ...

  • 简放|量价择时核心教程:止损点的设置原理和方法

    今天讲一下止损,这是我今年写的第4个核心教程.我写的教程,都力求做到精简易懂,让每一个字都是干货.前三个教程分别为: 简放|量价择时核心教程:如何在恐慌中判断底部 简放|量价择时核心教程:高胜率买点选 ...

  • 电泳图片光密度分析原理与方法

    无论是DNA电泳图片还是RNA电泳图片,或者是蛋白的凝胶电泳图片包括Western blot膜.或者是化学发光膜图片,在图像分析的角度来看,都是同样的一种条带光密度分析的问题.分析电泳条带有专门的一类 ...

  • 【化学大师初中】灭火的原理和方法——活火熔城

    一次大地震令洛杉矶地底深处的火山喷发,向着住宅区流去,维修地下管道的工人被烧死.地质学家也被岩浆喷发带走了生命.一时之间,城市一隅充满了地底爆发的岩浆.危机处理中心开始疏散人群,他们利用数百万吨空中降 ...

  • 自动化测试的原理和方法

    自动化测试就是设计一些程序来模仿测试人员的行为,使得测试过程无需人工干预自动完成. 实现自动化测试的原理和方法主要包括代码分析,捕获和回放,测试脚本技术和测试管理技术. 代码分析 代码分析实际上就是将 ...

  • 笛子的转调原理和方法

    在每支笛子上都可变换七种指法(七个调)来吹奏.但是,从吹奏方便和用途最广.表现力强等方面看,有四个调(指法)用的最多.在学习变调时,除手指的熟悉之外,音准是最为关鍵的问题.所以,在学练时一定要把握好进 ...