一种用于数字成像的自动对焦系统

    引 言

    自动对焦是现代成像系统中必不可少的关键技术，数字成像系统中的自动对焦问题已经受到人们的普遍关注。虽然自动对焦的产品早已面市，但即使是市场上销售量很大的产品，在当目标为横向线条(即百叶窗问题)、目标对比度较差或透过玻璃看目标(即玻璃窗问题)等情况下，也还存在着对焦失效的问题。因此，自动对焦技术还远未完全解决。实现自动对焦的方法有很多，基于图像处理的智能化方法有着速度快、精度高、体积小等优点，是重中之重。数字成像系统用 CCD 或 CMOS 代替了传统的底片，将景物图像信息以数字化形式记录下来。如果采用传统的对焦方法则会使系统变得较为复杂，所以利用 CCD 所获得的数字图像信息来实现智能化对焦是十分必要的。

    1 离焦深度法和对焦深度法

    在基于图像处理的数字成像自动对焦方法中，比较典型的有离焦深度法和对焦深度法两种。    离焦深度法(Depth from Defocus, DFD)是一种从离焦的图像中获得物体深度信息的方法。这种方法要求根据摄像参数建立正确的离焦模型并需要对系统精确度进行校准。对图像的局部区域进行处理和分析，确定其模糊程度以及深度信息(要求场景深度基本相同)。离焦深度法所需图像数量小，大大减少了驱动电机等机械机构获取图像的次数，所以离焦深度法速度较快，但是精度比对焦深度法低。

    离焦深度法有两种研究思路。其一是 Sang-ku KIM 等人提出的基于图像恢复的离焦深度法[1]，根据图像中的某些有代表性的信息近似计算出成像系统的点扩散函数，利用图像退化模型，反演计算恢复出模糊图像的原图。另一种思路是基于离焦量估计的离焦深度法，先获取 2 至 3 幅不同照相机参数下的图像，它们之间存在一定的相对模糊量，对图像的局部区域进行处理和分析，确定其模糊程度(弥散斑的大小)。根据几何光学可知，镜头的孔径与焦距的比值等于弥散斑直径与离焦量的比值，由此可以估算出离焦量，并驱动镜头移动到准焦位置。

    对焦深度法(Depth From Focus, DFF)是一种建立在搜寻过程上的对焦方式。它通过改变镜头的位置获得一系列模糊程度不等的图像。通过计算每幅图像的清晰度评价值构成对焦评价曲线，最终移动镜头到曲线的最大值对应的位置(即最佳对焦位置)。为了能准确地探测峰值的位置，减少由于噪声产生的局部极值以及边缘凸出效应的干扰，可以使用 Fibonacci 搜寻法以及曲线拟合法。本文采用对焦深度法实现自动对焦。

    2 自动对焦原理及图像清晰度评价标准