摘 要：基于單片機信號處理的自動聚焦系統(tǒng)通過對CCD圖像傳感器輸出的視頻信號進(jìn)行濾波，析出反映聚焦清晰程度的高頻分量，單片機采樣、分析、控制馬達(dá)轉(zhuǎn)動鏡頭至對焦清楚的位置。為了避免該系統(tǒng)設(shè)計過程中調(diào)試硬件帶來的困難和復(fù)雜性，先將視頻信號用圖像采集卡采集到計算機上，然后使用Matlab這一功能強大的軟件對該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行仿真分析，并給出實驗仿真結(jié)果，為系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計和算法實現(xiàn)提供支持。

關(guān)鍵詞：自動聚焦；圖像處理；帶通濾波器；Matlab仿真

中圖分類號：TP3681 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2008)06-075-02

Simulation of Automatic Focusing arithmetic Single Chip-based CCD Camera

HUANG Juan，HE Xiaogang，CHENG Yongqiang

(Information Engineering College，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，030024，China)

Abstract：The single chip-based automatic focusing system out put the high frequency through filtering the video signal provided by CCD image sensor，the single chip microprocessor samples，analyzes and controls motor to rotate lens to a location where the focus is clear.To avoid the complexity of hardware debugging，the video signal is sampled through a TV card to the computer.And then the key techniques of the system are emulated and analyzed with Matlab which has strong functions，the experimental emulate results are also given，which give a great support to the hardware design and arithmetic realization.

Keywords：auto-focus；image processing；band filter；Matlab simulation

1 引 言

自動聚焦有許多種方法，主要分為主動式和被動式兩種。主動式自動聚焦是指通過測距并使用一定的數(shù)學(xué)模型計算出實際應(yīng)取的焦距，常見的有紅外線測距法和超聲波測距法；被動式自動聚焦是指利用所獲取圖像的自有信息分析聚焦方向，通過焦距的反復(fù)調(diào)節(jié)獲取最清晰的圖像。前者需要發(fā)射接收裝置，在很多場合下使用受到限制。對于后者，問題主要集中在2個方面：一是對焦方法的確定；二是自動聚焦的具體實現(xiàn)。目前廣泛采用的自動對焦方法可以分為時域分析法和空域分析法2種，這里所設(shè)計的系統(tǒng)中采用的是高頻分量析出法，即先對圖像傳感器輸出的視頻信號進(jìn)行模擬濾波，析出反映圖像清晰度的高頻分量，隨后由單片機采樣、分析高頻信息，根據(jù)分析結(jié)果控制聚焦馬達(dá)的轉(zhuǎn)動至對焦清楚位置。這一系統(tǒng)設(shè)計過程中的關(guān)鍵問題是濾波器頻帶的設(shè)計、評價函數(shù)的確定以及聚焦的實現(xiàn)。為了避免硬件調(diào)試的復(fù)雜性，應(yīng)先對這2個問題在計算機上進(jìn)行仿真和分析，將視頻信號用圖像采集卡采集到計算機上，然后用Matlab進(jìn)行仿真分析，以確定合適的圖像清晰度評價函數(shù)、帶通濾波器和聚焦算法。本文給出了這一仿真分析的過程和研究結(jié)果。仿真系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 自動聚焦系統(tǒng)框圖

2 圖像清晰度評價函數(shù)

理想的評價函數(shù)應(yīng)該具有無偏性、單峰性；同時，評價函數(shù)要有較強的抗干擾能力。先用圖像采集卡將視頻信號采集到計算機上得到數(shù)字圖像，采樣頻率為13.5 MHz，再用Matlab對數(shù)字圖像進(jìn)行帶通濾波并通過仿真和分析，選擇一個合適的圖像清晰度評價函數(shù)。其中，濾波器的設(shè)計要使得反映圖像清晰程度的高頻分量通過，同時濾掉噪聲信號。這樣，當(dāng)圖像聚焦準(zhǔn)確時，畫面清晰、輪廓清楚、高頻成分的電平幅度大；當(dāng)聚焦不準(zhǔn)時，畫面不清晰、輪廓不清楚、高頻成分的電平幅度小。

考慮單片機的計算能力這里設(shè)計了2種評價函數(shù)進(jìn)行對比：一種是最大值型，即一幀圖像中眾多采樣點亮度值的最大值，另一種是求和型，即一幀圖像中眾多采樣點亮度值的求和。實驗結(jié)果表明，最大值型判據(jù)雖相對差值大，但數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，而求和型數(shù)據(jù)穩(wěn)定，抗干擾能力強，雖聚焦和離焦時的差值相對比例不如最大值型，但已足夠作為判據(jù)。因此最終選用求和型：F=∑Yi，其中Yi是一幀信號高頻成分第i個采樣點的亮度值。其函數(shù)曲線即調(diào)焦曲線如圖2所示。評價函數(shù)的選取對自動聚焦的性能至關(guān)重要，實際工作時要根據(jù)具體要求合理選擇，以使得既能反映對焦準(zhǔn)確與否的真實情況，又能簡便的實現(xiàn)。

3 濾波頻點選擇

自然界中有千姿百態(tài)的景物或畫面，有的圖像畫面柔和(豐富的頻率成分不在高頻點)，有的圖像畫面鮮明，對比度大(頻譜的豐富成分在高頻點上)。要適用于各種畫面，濾波頻點需做適當(dāng)選擇，保證在這個頻點上，各調(diào)焦曲線呈一定程度的單峰，不至于誤判聚焦位置。

視頻信號是包含0～6 MHz帶寬的寬帶信號，就彩色視頻信號而言，他包含著亮度信號、色度信號及其他輔助信號。其中色度信號載波頻率為4.43±1.3 MHz，由于圖像能量主要由亮度信號反映，選擇一個中心頻率遠(yuǎn)離色度信號的帶通濾波器對圖像進(jìn)行濾波，得到反映圖像清晰度的高頻分量。試驗中分別選擇3個頻點(0.6 M，1 M和1.6 M)作為帶通濾波中心頻率對一幅廣告畫圖像進(jìn)行濾波，為了適用各種情況，選擇400 k這樣一個較寬的頻帶寬度。

試驗結(jié)果如圖3所示，可以看到，不同頻率下，數(shù)據(jù)均較穩(wěn)，呈現(xiàn)單峰性。在聚焦位置附近，即微離焦和離焦時，1.6 M評價函數(shù)曲線變化最明顯，1 M次之，0.6 M再次之?？梢娭行念l率越高，越能反映聚焦程度。但是，對于遠(yuǎn)離焦位置的圖像，由于本身高頻分量已經(jīng)很少，所以中心頻率選得越高，遠(yuǎn)離焦位置高頻分量變化反而不明顯，也即中心頻率選得越高，系統(tǒng)的搜索范圍相應(yīng)變小。同時，隨著中心頻率地提高，系統(tǒng)對光照變化等因素的抗干擾能力也會下降。

圖2 圖像清晰度評價函數(shù)

圖3 廣告畫圖像不同中心頻率下的對焦曲線

綜合考慮以上因素，在系統(tǒng)調(diào)整初期，選擇中心頻率為1 MHz，帶寬為400 kHz的一組帶通濾波器，這一濾波頻點的選擇，基本能滿足普通被攝景物的自動聚焦要求。

在系統(tǒng)的繼續(xù)調(diào)整過程中，希望在保證一定的對焦精度的情況下，加快對焦的速度。經(jīng)過多次探討以及實驗，發(fā)現(xiàn)在搜索過程中，第一次大步長粗略地搜索，選用更低頻的通帶較為適合，對焦的范圍會更大，速度也會有所提高。因為這時低頻的變化明顯，且己經(jīng)足夠讓系統(tǒng)粗略判出大致的聚焦位置。而第二次以小步長搜索，選用較高頻的通帶，更能反映圖像的細(xì)節(jié)信息，能夠保證一定的精度要求。

4 算法實現(xiàn)

為了實現(xiàn)快速聚焦，本系統(tǒng)采用改進(jìn)的爬坡算法(Hill-Climbing Search，HCS)。HCS 算法如圖4所示，假定聚焦鏡頭從m=mi位置開始，高頻分量值F(mi)和F(mi+M)的大小決定鏡頭移動方向，當(dāng)F(mi+M)>F(mi)時，新的鏡頭位置是m=mi+M，否則位置是m=mi-M；當(dāng)找到位置mx時，有F(mx-M)F(mx+M)成立，則聚焦位置mp可由下式得到：

mp=mx+M/2*(D1-D2)/(D1+D2)

其中D1=F(mx)-F(mx-M)

D2=F(mx)-F(mx+M)

圖4 HCS算法

這一算法的好處是容易用運算能力比較弱的單片機實現(xiàn)，然而，這樣的算法存在缺陷。如果對焦評價曲線受到各種干擾導(dǎo)致出現(xiàn)多個峰值時，爬坡法很容易搜索到局部極值，導(dǎo)致對焦失敗。并且，在攝像機自動對焦系統(tǒng)中，由于噪聲的影響而產(chǎn)生局部極值的情況較容易出現(xiàn)。因此，需要對該算法法進(jìn)行一些改進(jìn)。由于通常對焦曲線受到干擾而出現(xiàn)的局部極值都比較窄，故可對爬坡法進(jìn)行如下改進(jìn)。在爬坡算法的基礎(chǔ)上，確定曲線方向時，不是僅根據(jù)前后2次對焦評價值的大小來確定，而是用3個點大小的變化以確定曲線的方向。如果3點連續(xù)上升，則確定曲線為上升方向；如果3點連續(xù)下降，則確定曲線為下降方向；3點大升小降與大降小升時，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理可以分別歸到上面兩種情況。這樣就能避免那些在2個對焦步長內(nèi)出現(xiàn)的局部峰值而使得曲線方向誤判的情況，而在2個步長外出現(xiàn)的局部峰值的情況比較少，從而對焦的準(zhǔn)確程度被大大提高。

5 試驗結(jié)果分析

視頻信號經(jīng)有源濾波器濾波，當(dāng)圖像聚焦時，高頻成分電平幅度大，求和后的值就大，離焦時相應(yīng)的就小。依據(jù)本文中的聚焦評價函數(shù)能夠快速地實現(xiàn)自動對焦。應(yīng)

用于研制的單片機自動聚焦系統(tǒng)，能基本上滿足捕獲各種典型景物清晰畫面的要求。圖5所示圖像為一本書的封面，其函數(shù)曲線即調(diào)焦曲線如圖6所示，其中聚焦窗口選擇居于中心的145×145個象素點。根據(jù)這樣的試驗曲線能夠快速實現(xiàn)自動對焦。

圖5 書的封皮圖像

圖6 圖像清晰度評價函數(shù)曲線

6 結(jié) 語

基于單片機信號處理的自動聚焦系統(tǒng)具有小型輕便、聚焦速度快且效果良好、適用范圍廣、

成本較低等特點，為信息家電提供了一種快速攝取清晰圖像的手段。從目前實驗的結(jié)果看，經(jīng)過改進(jìn)和隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，將會取得更加理想的自動聚焦效果。

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作者簡介 黃娟女，1982年出生，山西洪洞人，在讀碩士研究生。主要從事圖像處理方面研究的工作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。