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一種基于圖像處理的自動調焦系統
摘要：一種基于圖像處理的自動調焦方法，應用該方法設計一種虹膜圖像自動采集系統。該系統利用虹膜區(qū)域的平均對比度作為是否對焦準確的判據，并以此為反饋控制執(zhí)行機構進行實時對焦。實驗證明該系統自動調焦精確，采集到的虹膜圖像清晰，符合使用要求；并且調焦機構簡單，整個系統控制易于實現。關鍵詞：自動調焦 圖象處理 虹膜識別
在攝影攝像技術中，調焦是保證感光介質所記錄的影像取得清晰效果的關鍵步驟。調焦機構就是用來調節(jié)攝像鏡頭和感光介質之間的距離，使得像平面落在感光介質的表面。目前，常用的自動照相機、攝像機和數碼相機中多采用自動調焦，即根據被攝目標的距離，由集成電路指使鏡頭前后移動到相應的位置上，從而使被攝目標自動清晰成像。自動調焦技術從20世紀70年代后期發(fā)展起來，到現在已經日臻成熟并取得了廣泛應用，從而使攝像、攝影設備的自動化功能更加完善。
1 自動調焦的幾種主要方式
從基本原理來說，自動調焦可以分成兩大類：一類是基于鏡頭與被攝目標之間距離測量的測距方法，另一類是基于調焦屏上成像清晰的聚焦檢測方法。(范文先生網www.gymyzhishaji.com收集整理)
1.1 測距方法
測距方法的自動調焦主要有三角測量法、紅外線測距法和超聲波測距法。
（1）三角測量法 測距原理如圖1所示。左邊的反射鏡是局部鍍膜反射鏡，即中間一小塊反射右邊來的光線，其余大部分視場透射前方直接進入的光線，這樣在調焦平面上的影像如圖1左下角所示。右邊的反射鏡在電路控制下轉動，調焦平面上有光電元件進行探測，當透射和反射的兩部分影像重合的時候，可動反射鏡的擺動角α/2和物點A的距離D之間有如下關系：
α/2=(1/2)arctg(b/D)
式中，b為基線長。
于是，系統可以計算出被攝目標和鏡頭之間的距離并驅動鏡頭運行到合適的位置，完成調焦。
（2）紅外線測距法 該方法的原理類似于三角測量法，所不同的是由照相機主動發(fā)射紅外線作為測距光源，并用紅外發(fā)光二極管的轉動代替可動反光鏡的轉動。
（3）超聲波測距法 該方法是根據超聲波在攝像機和被攝物之間傳播的時間進行測距的。照相機上分別裝有超聲波的發(fā)射和接收裝置，工作時由超聲振動發(fā)生器發(fā)出持續(xù)時間約1/1000秒的超聲波，覆蓋整個畫面的10%。超聲波到達被攝體后，立即返回被接收器感知，然后由集成電路根據超聲波的往返時間來計算確定調焦距離。
紅外線式和超聲波式自動對焦是利用主動發(fā)射光波或聲波進行測距的，稱之為主動式自動對焦。
1.2 聚焦檢測方法
聚焦檢測方法主要有對比度法和相位法
（1）對比度法 該方法是通過檢測影像的輪廓邊緣實現自動調焦的。像的輪廓邊緣越清晰，則它的亮度梯度就越大，或者說邊緣處景物和背景之間的對比度就越大。反之，離焦的像，輪廓邊緣模糊不清，亮度梯度或對比度下降；離焦越遠，對比度越低。利用這個原理，將兩個光電檢測器放在底片位置的前后相等距離處，被攝影物的像經過分光同時成在這兩個檢測器上，分別輸出其成像的對比度。當兩個檢測器所輸出的對比度相等時，說明調焦的像面剛好在兩個檢測器中間，即和底片的位置重合，于是調焦完成。
（2）相位法 該方法是通過檢測像的偏移量實現自動調焦的。如圖2所示，在感光底片的位置放置一個由平行線條組成的網格板，線條相繼為透光和不透光。網絡板后適當位置上與光軸對稱地放置兩個受光元件。網絡板在與光軸垂直方向上往復振動。從圖2可以看出，當聚焦面與網絡板重合時，通過網格板透光線條的光同時到達其后面的兩個受光元件。而當離焦時，光束只能先后到達兩個受光元件，于是它們的輸出信號之間有相位差。有相位差的兩個信號經電路處理后即可控制執(zhí)行機構來調節(jié)物鏡的位置，使聚焦面與網格板的平面重合。
各種自動對焦方式各有其局限性。例如紅外測距和超聲測距的對焦方法，當被測目標對紅外光或超聲波有較強的吸收作用時，將使測距系統失靈或對焦不準確；而對比度法聚焦檢測受光照條件的制約，當光線暗弱或
被攝體與背景明暗差別很小時，調焦就會有困難，甚至失去作用。
2 基于圖像處理的自動調焦
聚焦檢測的自動調焦方法是依據被測物的光學圖像。在用計算機作數字圖像采集時，可充分利用計算機處理數字信號的高速度和靈活性，針對數字圖像進行自動調焦。隨著計算機硬件和數字圖像技術的飛速發(fā)展，圖像的實時處理已成為可能。計算機通過鏡頭和CCD采集到一系列的數字圖像，對每一幀圖像進行實時處理，判斷對焦是否準確，成像是否清晰，并給出反饋信號控制鏡頭的運行，直到采集到的圖像符合使用要求，即完成自動調焦。
基于圖像處理的自動調焦具有以下兩大優(yōu)點：
第一，調焦更加智能化，聚焦判據更加靈活和多樣�；谀M圖像的聚焦檢測方法只利用被測物和背景之間的對比度（輪廓邊緣的梯度）作為判斷是否成像清晰的判據。而通過數字圖像處理，不僅可以利用梯度信息，還可以提取圖像中各種其它的有效信息進行判斷，例如頻率、相位等。對于具高頻信息的圖像，一般而言，對焦越準確，圖像信號的頻率越高，邊緣越尖銳；離焦時則頻率降低，邊緣相對平滑。此外，由于計算機處理圖像的靈活性，可以針對不用的使用要求，選擇不同的判據進行調焦。例如，有時候我們所關心的目標只是圖像中的某一個局部，而不是整幅圖像的清晰程度。這時應該針對圖像中這一局部進行處理和提取判據，用該局部的對比度（邊緣梯度）作為調焦的依據。
第二，利用計算機可以很方便地對運行執(zhí)行機構進行控制，從而避開復雜的調焦電路和機構。計算機接口和總線技術已經非常成熟，通過軟件給出控制信號，直接控制電機動物鏡的運行，不僅靈活方便，響應速度符合調焦要求，還能大大簡化電路和運動機構。
缺點是，由于圖像處理需要占用大量的計算機資源，這種自動調焦方法對計算機硬件提出了較高的要求。此外，和前面所介紹的對比度法一樣，也受到光照條件的限制。
3 在虹膜圖像采集中的應用
虹膜位于瞳孔和鞏膜之間，是瞳孔周圍的環(huán)狀部件，呈褐色或藍色。虹膜的表面呈現高低不平的皺襞、隆起和內陷，其外觀形貌因人而異，并且不隨時間而改變。虹膜的這些特點非常合作為人個身份識別的依據，因而虹膜識別鑒別技術作為物特征識別技術的一個分支，近年來得到了迅速的發(fā)展和應用。
采集到清晰、高質量的虹膜圖像，是虹膜識別的首要問題，同時也是虹膜識別所面臨的主要困難之一。由于虹膜范圍小、細節(jié)特征多，要獲得高分辨率的圖像，要求光學系統具有較大的放大率，同時需要較大的通光孔徑來保證照明效果。但是通�？讖皆酱�，系統景深越小，因而要求自動調焦非常精確。
用攝像機采集到的虹膜圖像往往包含整個眼睛輪廓，而我們感興趣的只是其中虹膜部分，因而自動對角只能針對虹膜的局部，調焦的目標是讓虹膜部分清晰成像�；谝陨峡紤]，我們設計了一種基于圖像處理的自動調焦系統用于虹膜圖像采集�？紤]到可見光對人眼的刺激，要用紅外光進行照明。當被攝目標（人眼）和攝像機鏡頭之間的距離到達一定范圍內時，攝像物鏡在電機驅動下進行小幅度的移動，同時CCD和圖像采集卡不斷采集圖像，并對所采集到的一系列圖像作圖像質量評價，判斷虹膜部分是否成像清晰。當鏡頭移動到合適的位置，虹膜成像清晰，符合后續(xù)處理和模式識別的要求時，即完成自動調焦過程，系統自動將該圖像保存。
虹膜圖像的實時處理，首先是在包括整個人眼的圖像中尋址找虹膜的環(huán)狀區(qū)域，即界定虹膜的中心位置和內外邊界。由于瞳孔、虹膜和鞏膜均具有規(guī)則的圓形邊界，采用哈夫變換進行圖像分割分別達到很好的效果。哈夫變換利用圖像的全局特性來檢測邊緣的一種方法。在預先知道區(qū)域形狀的條件下，利用哈夫變換可以方便地得到邊界線并將不連續(xù)的連緣象素點連接起來。針對虹膜的圓形邊界，哈夫變換的邊緣檢測算子可用下式表示：
在圓的參數空間(r,x0,y0)中，尋找使得上述算子達到最大的值，即可分別找到虹膜內、外圓形邊界。其中Gσ(r)是高斯函數，（σ因子可以控制算子對邊緣梯度的敏感程度）；I（x,y）是坐標為（x,y）的象素點的灰度值。先將瞳孔和虹膜之間的顯著邊界檢測出來，同時找到虹膜的中心坐標；然后在較小的范圍內利用該算子尋找虹膜和鞏膜的邊界。
圖像質量評價基于圖像局部（虹膜部分）的頻率梯度信息。在虹膜區(qū)域內，清晰的虹膜應該具有復雜紋理特征，因而圖像中含有高頻信息；同時虹膜基質內的血管和色素與周圍組織的顏色存在差異，在圖像中形成了較大的灰度梯度。當虹膜部分梯度最大，頻率最高成了較大的灰度梯度。當虹膜部分梯率最大，頻率最高的時候，即是對焦最準確的時候。實際上，由于紋理特征分布在整個虹膜環(huán)形區(qū)域，因此采用這個區(qū)域內的平均對比度作為成像清晰的判據。計算每個象素附近對比度所用的算子Δ為：
Δ=|Ii,j-Ii-1,j|+|Ii,j-Ii+1,j|+Ii,j-Ii,j-1|+|Ii,j-Ii,j+1|
式中，Ii,j是坐標為
（i,j）的象素點的灰度值，Ii-1，j、Ii+1，j、Ii,j-1和Ii,j+1為象素點（i,j）的鄰近象素點的灰度值（見圖3）。
自動調焦程序流程如圖4所示。
4 實驗
采用敏通1132C型CCD攝像頭作為攝像設備，Boser BS602圖像采集卡作數字圖像采集，利用紅外發(fā)光二極管陣列照明，PIII800計算機作為系統控制中心，按照上述基于圖象處理的方法進行自動調焦，當虹膜成像清晰時自動拍攝。實驗所擷取的虹膜圖像照片如圖5所示，進行圖像增強后如圖6所示。
從采集到的是膜圖像來看，在紅外光照明下，虹膜部分成像清晰。瞳孔輪廓顯著，虹膜部分有較高的對比度，紋理特征豐富明顯，說明自動調焦比較精確，能夠滿足虹膜圖像采集的要求。
本文介紹了一種基于圖像處理的自動調焦方法，并應用該原理設計了一種虹膜圖像自動采集系統。采用紅外照明，計算機在控制攝像物鏡移動的過程中不斷采集人眼圖像，對每幅圖像首先定位虹膜區(qū)域，并根據該區(qū)域的對比度判斷虹膜是否成像清晰，進行自動調焦，擷取最終用于識別的圖像。通過實驗證明，自動調焦比較精確，采集到的虹膜圖像具有較高的對比度、紋理特征豐富明顯，符合后續(xù)處理和使用的要求。并且調焦機構相對簡單，整個系統控制易于實現。
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