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基于单片机的CCD摄像机自动调焦方法的仿真研究黄娟;何小刚;程勇强【摘要】基于单片机信号处理的自动聚焦系统通过对CCD图像传感器输出的视频信号进行滤波,析出反映聚焦清晰程度的高频分量,单片机采样、分析、控制马达转动镜头至对焦清楚的位置.为了避免该系统设计过程中调试硬件带来的困难和复杂性,先将视频信号用图像采集卡采集到计算机上,然后使用Matlab这一功能强大的软件对该系统的关键技术进行仿真分析,并给出实验仿真结果,为系统的硬件电路设计和算法实现提供支持.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2008(031)006【总页数】3页(P75-76,79)【关键词】自动聚焦;图像处理;带通滤波器;Matlab仿真【作者】黄娟;何小刚;程勇强【作者单位】太原理工大学,信息工程学院,山西,太原,030024;太原理工大学,信息工程学院,山西,太原,030024;太原理工大学,信息工程学院,山西,太原,030024【正文语种】中文【中图分类】TP368.11 引言自动聚焦有许多种方法，主要分为主动式和被动式两种。
主动式自动聚焦是指通过测距并使用一定的数学模型计算出实际应取的焦距，常见的有红外线测距法和超声波测距法；被动式自动聚焦是指利用所获取图像的自有信息分析聚焦方向，通过焦距的反复调节获取最清晰的图像。
前者需要发射接收装置，在很多场合下使用受到限制。
对于后者，问题主要集中在2个方面：一是对焦方法的确定；二是自动聚焦的具体实现。
目前广泛采用的自动对焦方法可以分为时域分析法和空域分析法2种，这里所设计的系统中采用的是高频分量析出法，即先对图像传感器输出的视频信号进行模拟滤波，析出反映图像清晰度的高频分量，随后由单片机采样、分析高频信息，根据分析结果控制聚焦马达的转动至对焦清楚位置。
这一系统设计过程中的关键问题是滤波器频带的设计、评价函数的确定以及聚焦的实现。
为了避免硬件调试的复杂性，应先对这2个问题在计算机上进行仿真和分析，将视频信号用图像采集卡采集到计算机上，然后用Matlab进行仿真分析，以确定合适的图像清晰度评价函数、带通滤波器和聚焦算法。
光学显微镜自动聚焦算法研究吕美妮;玉振明【摘要】聚焦是显微成像系统中的重要环节之一,为解决由目标内容分布及噪声引起聚焦曲线失去理想曲线特性的问题,提出一种新的自动聚焦算法.该算法通过设定阈值剔除大量无用的图像子块,根据图像子块的梯度幅值总和确定最终的聚焦窗口;然后通过计算窗口子块的梯度及方差,并利用像素权重进行加权,将其作为聚焦评价函数.实验结果表明:新算法中聚焦窗口选取方法能选取到内容较丰富的子块作为聚焦窗口,且新算法中聚焦评价函数在抗噪性、灵敏度和稳定性方面具有一定的优势.%Focusing is one of the most important links in the microscopic imaging system,in order to solve the problem that the distribution of target content and noise cause the loss of ideal curve characteristic of the focusing curve,a new automatic focusing algorithm is proposed.In this algorithm,a large number of useless image sub-blocks are eliminated by setting a threshold,and then the final focus window is determined according to the sum of the gradient amplitude of the image subblock.The gradient and variance of the window sub-block are calculated after the focus window is determined,using pixel weight to weight it as a focusing evaluation function.The experimental results show that the focusing window selection method in the new algorithm can be selected as the focusing window with rich content,and the focusing evaluation function in the new algorithm has some advantages in noise resistance,sensitivity and stability.【期刊名称】《中国测试》【年(卷),期】2018(044)006【总页数】6页(P11-16)【关键词】图像处理;自动聚焦;聚焦窗口;聚焦评价函数【作者】吕美妮;玉振明【作者单位】桂林电子科技大学信息与通信学院,广西桂林 541004;梧州学院广西高校图像处理与智能信息系统重点实验室,广西梧州 543002【正文语种】中文0 引言自动聚焦技术是光学显微镜成像系统中至关重要的技术，决定其准确度、效率和稳定性。
焦点检测和陷井对焦Nikon、Pentax和Olympus等几家公司在推出其AF单反机时，并没有完全改变原有的手动对焦卡口，只是在原卡口上进行改良，以适用于自动对焦。
这样就意味着原来的手动对焦镜头均能用于新型的AF 单反机上。
由于AF单反机的标准对焦屏是没有裂像的(只有一片刻着对焦框的毛玻璃)，将手动对焦镜头用于AF 单反机时，就不能像手动对焦单反机那样利用裂像来检查对焦状态了。
此时可通过AF单反机的焦点检测(也称电子测距)装置来检查对焦状态。
在手动对焦时，手动调节镜头上的对焦环，照相机取景框的资料显示屏会显示出焦点的前后情况(焦前、焦后和合焦)和镜头应旋转的方向，当对焦准确时，一般会有一只绿色的亮点出现。
但要注意，还是由于AF检测模块的限制，如果手动对焦镜头的最大光圈比较小时，焦点检测装置是不能工作的。
一般要求手动对焦镜头的最大光圈至少为f/5.6以上。
AF单反机均有焦点检测装置，它实际就是1985年以前出现的"电子辅助对焦系统"，同时也是自动对焦的附属产物。
不仅是卡口未改变的照相机如此，其他的照相机也都可以将AF镜头当成手动对焦镜头来使用，通过焦点检测装置来检查对焦状态。
在有些场合还是很有必要采用手动对焦的，如出外拍摄时，为了节省电池，可以将对焦方式置成手动，虽然麻烦些，但总比电池很快就用完了要强得多。
AF系统的另一个最为有用的附属产物是所谓的"陷井对焦"方式。
首次出现在Yashica 230AF上，实际上这种方式最早出现在Olympus于1982年随其OM-30单反机推出35～70/4自动对焦镜头上，只是230AF将这一方式作为相机机身的内置功能而已。
工作原理是这样的：切换至该方式时，拍摄者先预置镜头上的对焦距离，然后按住快门释放钮不放。
如果没有任何物体在焦点之内，快门是不能释放的；等到被摄对象一进入焦点(即投焦)时，快门立即释放。
如果能配合专用快门线使用，就更为方便了。
当某一物体聚焦清晰时，从该物体前面的某一段距离到其后面的某一段距离内的所有景物也都当清晰的。
焦点相当清晰的这段从前到后的距离就叫做景深。
景深分为前景深和后景深，后景深大于前景深。
景深越深，那么离焦点远的景物也能够清晰，而景深浅，离焦点远的景物就模糊左边的是镜头右边的是照得多远是约数2.8 6M3.6 8m4. 8m6. 12m8 15m12. 20m16 35m镜头焦距最佳距离视角3.6mm（超广角）：1～3米92度4mm（超广角）：3～5米74度6mm（标配1）：5～8米55度8mm（标配2）：8～10米34度12mm(望远)：10～12米23度16mm(望远)：12～15米17度标准镜头：视角30度左右，在1/2英寸CCD摄像机中，标准镜头焦距定为12mm，在1/3英寸CCD摄像机中，标准镜头焦距定为８mm。
广角镜头：视角90度以上，焦距可小于几毫米，可提供较宽广的视景。
远摄镜头：视角20度以内，焦距可达几米甚至几十米，此镜头可在远距离情况下将拍摄的物体影响放大，但使观察范围变小。
各焦距镜头看多宽？镜头焦距搭配1/3" CCD 搭配1/4" CCD 二者差的异性2.8 mm 89.9° 75.6° 14.3°3.6 mm 75.7° 62.2° 13.5°4 mm 69.9° 57.0° 12.9°6 mm 50.0° 39.8° 10.2°8 mm 38.5° 30.4° 8.1°12 mm 26.2° 20.5° 5.7°16 mm 19.8° 15.4° 4.4°25 mm 10.6° 8.3° 2.3°60 mm 5.3° 4.1° 1.2°二、1/3" CCD镜头能照得完目标么？镜头焦距(毫米数) 距离5米(宽×高) 距离10米(宽×高) 距离15米(宽×高) 距离20米(宽×高) 距离30米(宽×高)2.8mm 13×9.8米26×19.5米39×29.3米52×39米78×58.5米3.6mm 8.5×6.4米17×12.8米25.5×19米34×25.5米51×38.3米4mm 8×6米16×12米24×18米32×24米48×36米6mm 5.5×4.1米11×8.3米16.5×12.4米22×16.5米33×24.8米8mm 3.5×2.6米7×5.3米10.5×7.9米14×10.5米21×15.8米12mm 2×1.5米4×3米6××4.5米8×6米12×9米16mm 1.5×1.1米3×2.3米4.5×3.4米6×4.5米9×6.8米25mm 1.3×1米2.5×1.9米3.8×2.9米5×3.8米7.5×5.6米60mm 0.5×0.4米1×0.75米1.5×1.1米2×1.5米3×2.3米三、1/3" CCD镜头最远能看清多少米？3.6MM、6MM、8MM、12MM、16MM、25MM乘上2.4就是最远多少米距离了镜头的种类镜头的种类有许多种，每一种镜头都有其特点。
论各类自动调焦技术及其优劣比较
【】目前，自动调焦技术在摄影摄像系统中取得了广泛的应用。
本文论述各类自动调焦技术的原理及其优劣比较，最后给出了一种实用、典型、既准确又简单而快速的自动调焦方法。
自动调焦技术是从20 世纪70 年代后期发展起来的，到现在已经日臻成熟，并在摄影摄像系统中取得了广泛的应用。
如自动照相机、数码相机、摄像机(含监控系统中的一体化摄像机)、用于网上视频图像通信的作为计算机外设的USB Video Camera 以及用于图像检测中的其它摄影摄像设备等。
所谓自动调焦是要保证感光面所记录的影像取得最清晰的效果。
因此，自动调焦系统就是要代替原来的手动调节，而自动调节摄像镜头和感光面之间的距离，并使得像平面落在感光面上。
显然，这种自动调节需要用到电机，通常使用微型伺服电机或微型步进电机，用它们去驱动变焦镜头的调节环，以调节镜头中透镜前后的距离，即调节焦距。
从而使像平面落在摄像器件的感光面上，使被摄图像清晰。
自动调焦的方法很多，本文介绍几种主要方法的自动调焦原理，最后比较其优劣。
自动调焦的几种主要方法
从自动调焦的基本原理来区分，可分为三大类：
1、测距法
这种方法是通过测量被摄目标和镜头之间的距离，并驱动镜头运动到合适的位置而完成自动调焦的。
具体方法有三角测量法、红外线测距法与超声波测距法等。
第35卷第8期 光电工程 Vol.35, No.8 2008年8月 Opto-Electronic Engineering Aug, 2008
文章编号：1003-501X(2008)08-0139-06 一种用于数码视频相机的实时自动聚焦算法
盛 云，秦亚杰，洪志良 ( 复旦大学 专用集成电路与系统国家重点实验室，上海 201203 ) 摘要：本文针对数码视频相机的噪声大，主体位置不确定性及实时性要求高等特点，详细讨论了传统自动对焦算法的缺陷并提出了一种新的自动对焦算法。该算法采用一种新的可有效抑制高频噪声的对焦量函数——高斯一阶导数(FDOG)来正确评价图像对焦趋势；支持最近主体优先的感兴趣区域自动选择，使得系统可以自动找到主体所在位置进行对焦；结合爬山法，二叉搜索和插值拟合进行对焦搜索，相比传统的两段爬山法，搜索效率提高了40%；通过对聚焦后的图像进行监视，支持视频模式下的动态自动对焦。该算法在一个数码视频相机平台上实现，实验结果验证了算法的优点，适用于高性能数码视频相机。 关键词：自动对焦；数码视频相机；高斯一阶导数；最近主体优先；感兴趣区域；二叉搜索 中图分类号：TN492, TN911.73 文献标志码：A
Real-time Auto-focusing Algorithm for Digital Video Camera SHENG Yun，QIN Ya-jie，HONG Zhi-liang ( State Key Lab of ASIC and System, Fudan University, Shanghai 201203, China )
Abstract: Digital video camera has the properties of large noise, uncertain location of main body and high requirement of real-time. The disadvantages of traditional auto-focusing algorithms were discussed in detail and a new auto-focusing algorithm was proposed. A novel focus measure filter called First Derivative of Gaussian (FDOG) was developed to estimate the degree of focusing correctly by the suppressing high frequency noise. To enable the auto-focusing system to focus on the exact main body, an automatic region-of-interest selection strategy based on the principle of nearest-subject-priority was adopted. Furthermore, combined with mountain-climbing search, binary search and quadratic interpolation, the proposed real-time search strategy greatly reduces the convergence time by about 40%, which enables the video camera to fast focus. The proposed algorithm is successfully implemented on a prototype digital video camera and experiment results are given to demonstrate the advantages of the proposed auto-focusing algorithm. Key words: auto-focusing; digital video camera; first derivative of Gaussian; region of interest; binary search
1 引 言 自动对焦(Auto-focusing，AF)功能是数码相机系统的一项重要功能，它使得相机可以自动调节镜头，而不需要使用者花费精力去手动调节。得益于数字技术的发展，数码相机的功能，性能以及容量都得到了快速发展，同时对视频模式的支持成为重要趋势。因此，对AF系统提出了更高的要求。 对比度检测是最受欢迎的被动式AF算法之一，它采用数字图像处理的方法来估计聚焦程度，具有成本低，精度高的特点。一个典型的对比度检测AF系统包括三个要素[1-2]：评价对焦程度的对焦量；搜索算
法；感兴趣区域选择。 1.1 对焦量 一般而言，聚焦越好的图像具有越多的高频成分，因此对焦量函数一般通过提取高频分量的方法来评
收稿日期：2008-01-05；收到修改稿日期：2008-04-03 作者简介：盛云(1982-)，男(汉族)，江苏宜兴人，硕士，主要从事视频前端的研究。E-mail: yunsheng@fudan.edu.cn 联系作者：洪志良(1946-)，男(汉族)，浙江宁波人，教授，博士生导师，主要从事集成电路的研究。E-mail: zlhong@fudan.edu.cn 光电工程 第35卷第8期 140
价对焦程度。理想的对焦量函数具有无偏性、单峰性、高信噪比、计算成本低及实时性好。在实时性要求高的场合常用的对焦量函数有灰度方差法、梯度算子、Laplacian算子等[3-7]，它们频域上可以看作高通滤波器。文献[5]详细论述了相机镜头的“边带”效应，在这个效应作用下，噪声和强对比度物体[8]的存在可能会使对焦量曲线出现“假峰”，引起误对焦。文献[9]通过加阈值的方法减小噪声影响，但是这个阈值无法自适应设定，在有些场合影响正常工作。文献[5]中通过先对图像用高斯低通滤波函数处理后再用灰度方差法，梯度能量法或者Laplacian能量法求对焦量，有效抑制了噪声的影响。但是由于要对数据遍历两遍，实时性较差。为了解决这个问题，本文提出了一种新的对焦量算子，高斯一阶导数(First derivative of Gaussian，FDOG)，该算子将高斯函数和梯度算子结合，大大提高计算效率。 1.2 对焦搜索算法 对焦搜索算法根据对焦量来调节镜头位置，一般找到对焦量曲线峰值的位置对焦过程即完成。两段爬山法由于其效率和可靠性的较好折衷[1, 6-7]，是传统AF系统中最常用的搜索算法。但在视频模式中，画面
切换较快，因而需要自动对焦系统更加快速的完成对焦，同时耗能更少。一些基于模糊逻辑的搜索算法收敛速度很快，但是控制复杂，且可靠性不高[10]。本文的AF算法利用对焦量曲线峰值附近的对称性，通过结合爬山法，二叉搜索和二次插值，将搜索效率提高了近40%。 1.3 感兴趣区域选择 感兴趣区域的选择有两个原因：1) 图像中一般包括主体和背景两部分，背景部分会对对焦量产生负面影响，使得主体无法正确对焦；2) 选取局部区域可以减少计算量和硬件消耗。传统AF系统中大部分简单地使用中心区域作为感兴趣区域[7-8]，或者采用权重的方法将中心区域的权重设为最高[11]。这些方法都减小
了摄影者的发挥空间。而在视频应用中，主体更是在不断变换位置，给感兴趣区域的选择带来了更大困难。本算法采用一种基于最近主体优先原理的感兴趣区域自动选择方法，有效跟踪主体，增加对焦准确性。
2 对焦量评价函数FDOG 图像噪声和强对比度物体引入了并非图像纹理信息的高频分量，使得采用传统对焦函数容易引起误判。为了消除这些高频分量的影响并满足实时性的要求，本文提出一种新的算子FDOG，同时完成高斯滤波和求梯度能量。这个算子实际上是一个带通滤波器，其推导过程如下： 一个二维高斯滤波器可以写成[12]：
)2exp(),(2
22
σyx
yxg+
−= (1)
其中σ 为高斯滤波器的标准偏差。用它先对一个灰度图像f(x, y)进行滤波，得到滤除噪声后的图像 ),(),(yxfyxgfg∗= (2)
式中∗为卷积操作。然后对该图像用梯度算子求梯度能量和，得到对焦量表达式为
∫∞∞−∂
∂
+∂
∂=yxyyxfx
yxffFgg
gdd)]),([]),([()(22grad (3)
实际计算时图像是离散的，x和y方向上求偏导数一般采用Sobel算子或Robert算子。这种先对图像数据预处理的方法在硬件实现时需要大量的缓存，并且计算消耗很大，不适合实时性应用。观察式(3)可以发现，由于卷积操作和偏导都是线性的，它们的计算次序可以互换，以x方向为例：
),(),(),(yxfxyxgx
yxfg∗
∂
∂=
∂
∂ (4)
取 )
2exp(),();,(2222σσσyxxx
yxgyxqx
+−−=∂∂= (5)
)2exp(),();,(2222σσσyxyyyxgyxqy
+−−=∂∂= (6)
其中：qx和qy就是二维高斯函数的一阶导数，因此被叫做高斯一阶导数算子。新的对焦量连续域表达式为
