一種基于圖像清晰度函數(shù)的調(diào)焦機構(gòu)限區(qū)間變速控制方法

張懷利，李迎春，張廷華

（航天工程大學 電子與光學工程系，北京 101416）

引言

目標通過光學系統(tǒng)成像時，有一個最佳焦面位置，在這個位置能夠獲得最清晰的圖像，即所謂的物像共軛關(guān)系。當成像位置偏離了最佳焦面位置，即光學系統(tǒng)產(chǎn)生了離焦時，成像變得模糊[1-2]。一般會在光學系統(tǒng)中設(shè)計調(diào)焦機構(gòu)，對焦面位置進行微調(diào)，再通過對圖像的清晰度進行判斷，尋找最佳的調(diào)焦位置。在人們剛開始研究自動調(diào)焦時，最直接的方式是通過外部設(shè)備對目標的位置和系統(tǒng)的焦距進行測量，以測量結(jié)果作為調(diào)焦依據(jù)[3-5]。這種方案具有不可消除的測量誤差，且有系統(tǒng)體積大、成本高、精度下降等弊端。從上世紀90年代開始，數(shù)字圖像處理技術(shù)逐漸成熟，基于圖像處理的自動調(diào)焦技術(shù)成為研究的主要方向，此技術(shù)方案直接處理采集到的圖像信息，再通過某種算法對圖像的清晰度評價值進行計算，根據(jù)計算結(jié)果判斷系統(tǒng)的成像狀況，并給出調(diào)焦指令，驅(qū)動機構(gòu)根據(jù)響應(yīng)的指令控制調(diào)焦機構(gòu)運動，如此反復，直到獲得最清晰的圖像，完成系統(tǒng)的自動調(diào)焦控制[6]。根據(jù)這一工作原理，基于圖像清晰度法的調(diào)焦控制可以充分利用計算機技術(shù)處理數(shù)字信號的快速性和靈活性，不需要對目標位置、光學系統(tǒng)焦距等信息進行測量，減少了中間環(huán)節(jié)，干擾因素少，具有高效、準確的優(yōu)點。近年來，國內(nèi)對基于圖像處理的自動調(diào)焦技術(shù)的研究取得了一些成果，但是研究方向主要集中在圖像清晰度算法和搜索策略研究方面，對自動調(diào)焦控制方法的研究和應(yīng)用卻很少[7-9]，自動調(diào)焦技術(shù)的創(chuàng)新性和完善程度還有很大的上升空間。在這樣的背景下，開展基于圖像清晰度函數(shù)的調(diào)焦機構(gòu)控制方法研究具有十分重要的工程意義。

1 常用的清晰度評價函數(shù)及特點

對自動調(diào)焦的圖像進行評價，需要利用某種客觀標準對圖像清晰度進行計算，從而對控制過程進行反饋，這種圖像清晰度客觀標準稱為圖像清晰度評價函數(shù)。圖像清晰度評價函數(shù)根據(jù)圖像的細節(jié)特征和輪廓特征判斷圖像清晰與否。一幅清晰圖像包含豐富的細節(jié)和清晰的輪廓，因此可以通過計算圖像的細節(jié)特征或提取圖像的輪廓特征做為評價圖像是否清晰的依據(jù)。根據(jù)圖像的處理方法和原理，可以將清晰度評價函數(shù)分為空域評價函數(shù)、頻域評價函數(shù)、信息學評價函數(shù)和統(tǒng)計學評價函數(shù)[10-11]，以上4 種評價函數(shù)的特點如表1所示。

評價函數(shù)能夠作為自動調(diào)焦過程中圖像清晰度的判斷標準，應(yīng)具有以下特點[12-13]：1）無偏型，即評價函數(shù)能夠正確反映最佳調(diào)焦位置；2）單峰型，即評價函數(shù)在調(diào)焦行程內(nèi)有且僅有一個峰值，從而避免局部極值的干擾；3）高靈敏性，即能夠輕易區(qū)分最佳焦面和輕微離焦的差異；4）抗噪聲性，即評價函數(shù)能夠抵抗外界環(huán)境，如溫度變化帶來的影響，具有基本不變的趨勢和規(guī)律，保證調(diào)焦的正確性；5）實時性，即評價函數(shù)的計算量小，計算速度快于圖像刷新的速度，能夠保證調(diào)焦的實時性。

考慮到空域梯度能量函數(shù)具有計算簡單、復雜度低的特點，在后續(xù)工作中，本文不對清晰度評價函數(shù)進行研究，直接以空域梯度能量函數(shù)作為評價標準，對圖像的清晰度進行計算，用以指導控制模塊的設(shè)計和實現(xiàn)。

2 聚焦控制設(shè)計及實現(xiàn)

在某光電系統(tǒng)非制冷長波熱像儀設(shè)計工作中，要求其具有快速聚焦功能，聚焦時間小于2 s，傳統(tǒng)的控制方法很難實現(xiàn)。針對此工程需求，從樣機鏡頭的清晰度曲線規(guī)律入手，以空域梯度能量函數(shù)為清晰度評價標準，改進了一種調(diào)焦機構(gòu)限區(qū)間變速控制方法，實現(xiàn)了研制目標。

2.1 光學設(shè)計及分析

為了研究調(diào)焦機構(gòu)控制方法，設(shè)計了一種可調(diào)焦的光學鏡頭，光學參數(shù)如表2所示。

表2 光學設(shè)計參數(shù)Table 2 Optical design parameters

光路圖如圖1所示，透鏡二作為調(diào)焦物鏡，在驅(qū)動電機、曲線套筒等調(diào)焦機構(gòu)的驅(qū)動下，沿著光軸方向前后移動，調(diào)焦行程為 -2.0 mm～+1.5 mm，能夠補償物距從50 m 變化到無窮遠的離焦量。

圖1 光路圖Fig.1 Optical path diagram

對調(diào)焦過程的成像質(zhì)量進行仿真，分析物距為無限遠、3 km 和50 m 三種情況，考慮在整個調(diào)焦行程中，調(diào)焦物鏡的位置對光學傳遞函數(shù)的影響，得到的曲線如圖2所示?？v坐標為傳遞函數(shù)，仿真的空間頻率為42 lp/mm，橫坐標為調(diào)焦位置，以無窮遠物距對應(yīng)的調(diào)焦位置為零位。

圖2 光學傳遞函數(shù)變化曲線Fig.2 Variation curves of optical transfer function

從仿真曲線可以看出，對于不同的物距，光學傳遞函數(shù)隨調(diào)焦量變化存在相同的規(guī)律：曲線存在唯一的峰值，對應(yīng)最佳調(diào)焦位置；在最佳調(diào)焦位置附近，傳遞函數(shù)變化劇烈，在遠離最佳調(diào)焦位置處，傳遞函數(shù)變換緩慢。對于成像鏡頭，認為光學傳遞函數(shù)和圖像清晰度函數(shù)具有相同的變化規(guī)律?；谶@種規(guī)律，考慮采用有針對性的調(diào)焦控制方式，在保證調(diào)焦精度的前提下，縮短自動調(diào)焦的行程，提高自動調(diào)焦的效率。

2.2 聚焦策略優(yōu)化

無論是基于何種清晰度評價函數(shù)，自動調(diào)焦的控制原理都是電機驅(qū)動控制調(diào)焦物鏡在調(diào)焦行程內(nèi)運動，獲取各位置清晰度評價函數(shù)值，尋找函數(shù)峰值，將調(diào)焦物鏡定位在最佳位置處，得到最清晰的圖像[14-15]。在長期的工程實踐中，發(fā)展出了諸多控制方法，最簡單的方式是控制調(diào)焦物鏡單向勻速運動。這種方式雖然實現(xiàn)簡單，但是效率比較低，整個調(diào)焦過程花費的時間較長，占用的資源較多，在工程應(yīng)用中存在限制。為了解決上述問題，需要尋找一種改進的變速控制方法，滿足工程化應(yīng)用。

從仿真分析的結(jié)果來看，在最佳調(diào)焦位置附近，曲線的斜率很大，在圖像上表現(xiàn)出清晰度變化劇烈；在遠離最佳調(diào)焦位置處，曲線的斜率很小，在圖像上表現(xiàn)出清晰度變化緩慢。基于這種特征，在圖像清晰度變化緩慢時，加快驅(qū)動電機的速度，使之快速進入有效的搜索區(qū)間，并鎖定在該區(qū)間內(nèi)，從而有效縮短調(diào)焦行程和提高調(diào)焦效率。在鎖定區(qū)間內(nèi)，在圖像清晰度變換劇烈時，降低驅(qū)動電機的速度，以提高調(diào)焦的精度。從整個調(diào)焦過程來看，限區(qū)間變速控制能縮短調(diào)焦時間。

將清晰度變化曲線分為Q1、Q2 和Q3 三個區(qū)間，如圖3所示。

圖3 限區(qū)間變速原理圖Fig.3 Schematic diagram of limited interval variable speed

Q2 區(qū)間顯然是有效的搜索區(qū)間，調(diào)焦機構(gòu)處于該區(qū)間內(nèi)時，進行低速控制，調(diào)焦機構(gòu)處于該區(qū)間外時，進行高速控制。三個區(qū)間以曲線的斜率k1和k2為分界，在控制過程中，需要對曲線的斜率進行計算，計算公式為

式中F（x1）和F（x2）分別為x1和x2位置的清晰度函數(shù)值對于預設(shè)的斜率閾值。當清晰度評價函數(shù)的斜率小于該值時，認為調(diào)焦機構(gòu)處于有效搜索區(qū)間外，控制調(diào)焦機構(gòu)快速進入有效搜索區(qū)間；當清晰度評價函數(shù)的斜率大于該值時，認為調(diào)焦機構(gòu)進入了有效搜索區(qū)間，從而可以利用成熟的爬山搜索法在該區(qū)域內(nèi)確定最佳調(diào)焦位置。

2.3 自動調(diào)焦控制模塊實現(xiàn)和評測

根據(jù)上述聚焦策略優(yōu)化結(jié)果，聚焦模塊的控制流程如圖4所示。

圖4 限區(qū)間變速控制流程圖Fig.4 Flow chart of limited interval variable speed control

為實現(xiàn)圖4 所述控制流程，設(shè)計了基于單片機的電路控制板。如圖5所示，電路控制板分為控制模塊、驅(qū)動模塊和通訊模塊，其中控制模塊中的單片機選用Microchip 公司的Dspic30f6010a，驅(qū)動模塊中的驅(qū)動芯片選用TI 公司的DRV8825，通訊模塊中的通訊芯片選用Maxim 公司的max488。當通訊模塊接收到控制指令后，控制模塊進行指令分解判斷，然后輸出相應(yīng)的脈沖寬度調(diào)制（PWM）波，通過驅(qū)動模塊來控制相應(yīng)的電機來完成指令。

圖5 電路控制板結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of circuit control panel

該控制板不涉及清晰度評價函數(shù)算法和搜索策略的研究，通過借用成熟的技術(shù)，實現(xiàn)自動聚焦功能。該控制模塊的優(yōu)勢在于通過限區(qū)間變速控制，能夠有效縮短自動調(diào)焦的行程和時間，利用試制的光學鏡頭對7 個不同的場景進行成像。對控制板的自動調(diào)焦時間進行了測試，測試結(jié)果如表3所示。

表3 控制板自動聚焦時間Table 3 Automatic focus time of control panel

表3 中：聚焦時間1 為采用常規(guī)控制方法的測試結(jié)果，平均為4.53 s；聚焦時間2 為采用限區(qū)間變速控制方法的測試結(jié)果，平均為1.38 s。可以看出，采用限區(qū)間變速的控制方法后，調(diào)焦時間大幅度縮短，調(diào)焦效率明顯提高。

在測試過程中發(fā)現(xiàn)，預設(shè)的曲線斜率閾值是一個極其重要的參數(shù)，直接關(guān)系到有效搜索區(qū)間的大小，進而影響了調(diào)焦時間的長短。目前的斜率閾值為預設(shè)，經(jīng)過反復測試和迭代，得到了斜率閾值的最優(yōu)解，這種方式設(shè)計效率低下，只能做為限區(qū)間變速控制方法的驗證方案。在接下來的工程化過程中，計劃探索一種自適應(yīng)算法，能自動計算曲線斜率閾值的最優(yōu)化值，確定最合適的有效搜索區(qū)間大小，進一步提高自動調(diào)焦的效率。

3 結(jié)論

以工程實現(xiàn)為目標，本文完成了以下工作：1）提出了一種通用的自動調(diào)焦仿真方法，從樣機鏡頭的清晰度曲線規(guī)律入手，針對性地提出了控制方案，完善了自動調(diào)焦分析和設(shè)計流程；2）改進并實現(xiàn)了一種調(diào)焦機構(gòu)的變速控制方法，與傳統(tǒng)的勻速控制方法相比，縮短了聚焦時間，且能夠減少調(diào)焦電機往復運轉(zhuǎn)的次數(shù)，便于工程實現(xiàn)；3）完成了在調(diào)焦行程中鎖定搜索區(qū)間工作，有效縮短了調(diào)焦行程，進一步提高了自動調(diào)焦的效率。在某光電系統(tǒng)非制冷長波熱像儀的研制過程中，采用以上3 種方法對自動調(diào)焦控制進行優(yōu)化，該熱像儀的平均聚焦時間從4.53 s 縮短到1.38 s，聚焦速度明顯提升?；诂F(xiàn)有的清晰度評價函數(shù)和調(diào)焦搜索策略，本文提出的對光學系統(tǒng)進行仿真分析以指導自動調(diào)焦控制的方法，以及在變速控制過程中鎖定搜索區(qū)間的改進方法，具備一定的通用性，能夠解決同類光學鏡頭的自動聚焦分析和設(shè)計問題。