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数字自动对焦技术的理论及实现方法研究

李奇

  作为数字成像系统的关键技术之一,自动对焦技术对于提升我国数字成像产品的竞争力具有十分重要的作用。本文结合教育部高校骨干教师计划“CCD成像频谱分析与对焦算法研究”,针对现有对焦方法存在的问题,主要就自动对焦理论与方法、对焦评价函数及算法、对焦窗口的智能规划等理论问题进行深入研究,并设计制作了基于计算机和DSP的自动对焦系统样机。本论文的主要成果有如下几点。首先,本文研究了基于数字图像处理自动对焦的基本理论与方法——对焦深度法和离焦深度法。首次提出用维纳滤波和图像亮度归一化对图像做预处理,使对焦深度法的评价曲线形状得到明显的改善。离焦深度法估计离焦距离或者进行图像恢复的依据是成像系统的点扩散函数及它所产生的模糊圆。通过仿真实验,探讨并证实了用模糊图像恢复清晰图像和计算准焦位置的可行性。利用单幅图像,用图像恢复的手段得到了准焦位置图像的最佳恢复;利用在两个位置所得图像,用模糊圆半径估计出准确对焦位置,对焦误差小于5%。同时,本文提出一种逐渐逼近的离焦深度法,先通过少量对焦位置不同的图像计算出近似准焦位置,再用小步长在其附近搜索最佳位置。本方法具有离焦深度法的速度优势,同时保持对焦深度法的高精度优点,对于具有直边特征的成像目标具有很好的性能。其次,本文从频谱函数、梯度函数、熵函数等方面详细分析了对焦深度法中常用的对焦评价函数。提出用交流分量到直流分量的距离作为加权因子对频谱评价函数进行改进,有效地提高了对焦评价曲线的灵敏度。同时本文深入分析了图像探测器的插值机制,提出两种对焦分析法。其一是基于绿色分量的对焦分析法,其二是考虑颜色滤波阵列的以原始绿色分量作为对焦评价函数的计算依据的对焦法。二者在保持对焦评价曲线灵敏度的同时,可以有效地降低计算量,加快对焦速度。再次,本文研究了智能化的对焦窗口规划技术。对焦窗口选取得是否合适是对焦成败的重要因素,其关键是在对焦窗口中包含尽可能多的成像主体,使背景的影响尽可能小。我们从多方面进行探讨,提出用统计手段分析成像主体最可能被放置的区域,有效地减少了成像主体不在中心时引起的误对焦;提出用分辨率空间变化的手段对图像进行非均匀采样,达到分辨率与视场的协调;提出通过颜色、形状和细节三方面进行人脸探测,有效地克服了单纯靠皮肤进行探测的局限:提出基于光流场的方法分割图像中的人脸,适用于监控场合。大量的实验证实了本文提出的几种方案的可行性。然后,本文用两种自动对焦系统——基于PC机的自动对焦系统和基于DSP的自动对焦系统——使数字成像自动对焦技术得以实现。通过分析不同成像位置所得图像的清浙江大学博士学位论文晰度,控制镜头电机移动,搜索最佳成像位置,实现自动对焦。一系列的对焦实验表明,两种系统对于透过玻璃窗的物体以及对于主要是横向或纵向栅格状的物体(百叶窗)均可以准确对焦,证实了我们设计制作的对焦系统的准确性和可靠性。最后,总结本论文研究工作的主要结论,并对后续工作的研究进行了展望。……