（光学工程专业论文）基于离焦深度的光学投影系统调整方法和实验研究.pdf

浙江大学硕士论文 y 6 8 9 1 5 9 摘要 自 动对焦技术是计算机视觉、成像系统和各种精密仪器中的关键技术之一。 由 于数字成像器件的实用化， 近十年来人们对自 动对焦技术的研究集中在数字图 像处理的方法上， 并取得了大量成果。 投影显示技术是九十年代兴起的一种大屏 幕显示技术， 它集微电 子技术、 精密光学仪器技术以 及精密机械技术为一体， 已 成为现代显示领域的主流。而投影系统作为光学成像系统，必然涉及对焦问题， 本文集合了 这两者的特点， 基于自 动对焦的离焦深度法， 对投影显示系统的自 动 对焦作了理论和实践上的分析研究。 本文首先对光学投影成像系统的成像原理以及数字成像系统的自 动对焦的 原理和研究现状进行了简单的介绍， 主要是关于数字自 动对焦的两大算法: 对焦 深度法和离焦深度法。 然后分析投影显示成像系统的光学特性， 针对投影系统的特点， 采用数字图 像处理技术和计算机控制技术的基本原理和方法， 提出投影系统自 动对焦模型及 其公式计算原理。 接着以大屏幕液晶投影系统以及联网 p c机作为系统的实验硬件平台， v i s u a l c 。作为系统的软件平台得到投影系统的对焦结果分析，以实现自 动对 焦。 介绍了实验系统的硬件平台和软件平台，详细介绍系统构成和原理， 包括两 机通信生成投影图像以及图像处理编程步骤和原理。 对涉及到的数字图像处理理论知识作了详细介绍。 包括图像获取、分析、 处 理以及反馈的软件基础和原理。 最后对离焦深度法的优化算法作了分析和展望， 对数字投影成像系统自 动对 焦的反馈控制和软硬件结构进行了讨论。最后进行了简要的总结和展望。 通过以上几方面的工作， 完成了基于离焦深度法的投影系统自 动对焦的数学 模型， 并且在投影系统和计算机平台上实现这一模型， 实现投影系统的对焦状况 分析，以在此基础上进一步实现自 动对焦。 关键词: 投影显示、阵列像素器件、自 动对焦、 离焦深度法、 数字图像处理 代 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t a u t o - f o c u s i s o n e o f t h e k e y t e c h n o l o g i e s i n c o m p u t e r v i s i o n , i m a g i n g s y s t e m a n d a l l k i n d s o f r i g i d a p p a r a t u s e s a s t h e u t i l i z a t i o n o f d i g i t a l i m a g i n g a p p a r a t u s , t h e r e s e a r c h o n a u t o - f o c u s w a s f o c u s e d o n p r o j e c t i o n t e c h n o l o g y d i g i t a l i m a g e p r o c e s s i n g a n d t h e r e w e r e m a n y a c h i e v e m e n t s o n t h i s f i e l d . d i s p l a y t e c h n o l o g y h a s b e e n g r o w i n g u p r a p i d l y i n t h e 1 9 9 0 s . t h i s d i s p l a y i n t e g r a t e s m i c r o e l e c t r o n i c s , p r e c i s i o n i n s t r u me n t a t i o n a n d p r e c i s io n m e c h a n i c a l t e c h n o l o g y , a n d i s b e c o m i n g o p t i c a l o n e o f t h e力l a二 ni n t h e p r e s e n t d i s p l a y f i e l d . a s o n e o f o p t i c a l i m a g i n g s y s t e m , t h e p r o j e c t i n g s y s t e m m u s t i n v o lv e f o c u s . i n t h i s p a p e r , t h e t r a i t s o f d i g i t a l i m a g e p r o c e s s i n g a n d o p t i c a l p r o j e c t i n g s y s t e m a r e g a t h e r e d . a n a l y s i s t h e a u t o - f o c u s o f p r o j e c t i n g s y s t e m b a s e d o n d f d ( d e p t h f r o m d e f o c u s ) a c a d e m i c a l l y a n d p r a c t i c a l l y . a t f i r s t , t h e p r i n c ip a l o f o p t i c a l p r o j e c t i n g s y s t e m , a u t o - f o c u s o f d i g it a l im a g i n g s y s t e m a n d t h e r e s e a r c h i n g s t a t u s i s i n t r o d u c e d . t h e r e a r e m a i n l y t w o a l g o r i t h m s a b o u t d i g i t a l a u t o - f o c u s : d e p t h t h e n a n a l y z e d t h e o p t i c a l fr o m f o c u s a n d d e p t h fr o m d e f o c u s . c h a r a c t e r s t r a i t s o f o p t i c a l p r o j e c t i n g s y s t e m , o n e o f o p t i c a l p r o j e c t i n g s y s t e m . a i m e d a t t h e m o d e l o f a u t o - f o c u s o f o p t i c a l p r o j e c t i n g s y s t e m w a s p r o p o s e d b a s e d o n d i g it a l i m a g e p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y a n d c o m p u t e r c o n t r o l l i n g , a l s o t h e c o m p u t i n g p r i n c i p a l s a n d e q u a t i o n s w e r e a n a l y z e d . a ft e r t h e a n a l y s i s o f t h e a u t o - f o c u s m o d e l , a n e x p e r i m e n t i n g h a r d w a r e s y s t e m c o m p o s e d o f w i d e l c d s c r e e n p r o j e c t in g s y s t e m a n d n e t - c o m p u t e r s w a s b u i lt . a l s o a s o ft w a r e s y s t e m b u i l t o n v i s u a l c + + w a s u s e d t o a n a l y z e t h e r e s u lt o f f o c u s o f t h e o p t i c a l p r o j e c t i n g s y s t e m a n d t o r e a l i z e t h e a u t o - f o c u s o f o p t i c a l p r o j e c t i n g s y s t e m . . t h e t h e o r i e s o f d i g i t a l i m a g e p r o c e s s i n g i n v o l v e d i n t h e p r o c e s s i n g s y s t e m w e r e i n t r o d u c e d i n d e t a i l n e x t . i n c l u d i n g t h e i m a g e o b t a i n i n g , i m a g e a n a l y z a t i o n , i m a g e p r o c e s s i n g a n d t h e p r i n c i p a l s o f t h e i m a g e p r o c e s s i n g s o f t w a r e d e a l i n g w it h r e s u l t f e e d b a c k a t l a s t , a n a l y z e d t h e v a l u e o f d f d , p r o s p e c t e d t h e o p t i m i z a t i o n o f t h e d f d 浙江大学硕士论文 a l g o r i t h m, d i s c u s s e d t h e a u t o - f o c u s d i g i t a l p r o j e c t i n g s y s t e m o n t h e a s p e c t s o f h a r d w a r e a n d s o ft w a r e . f i n a l l y , s u m m e d u p t h e w o r k h a v i n g b e e n d o n e a n d e x p e c t i n g t h e f o r e g r o u n d o f a p p l i c a t i o n o f a u t o - f o c u s t e c h n o l o g y . k e y wo r d s : p r o j e c t i o n d i s p la y , a u t o - f o c u s , d f d ( d e p t h f r o m d e f o c u s ) , d i g i t a l i ma g e p r o c e s s ing 浙江大学硕士论文 第一章 引言 1 . 1 研究背景 光学成像是人们获取图像最常用、 最重要的手段。 与视觉在人类获取外界信 息中的主导地位相对应， 光学成像在信息获取中占 据着不可替代的作用。 在光学 成像系统中，成像目 标通过光学镜头的作用变换成图像接收器件上的二维图像， 这一过程可表示为 r =f ( o )( 1 一 i ) 其中。 是成像目 标，f ( .表示光学镜头的作用，1 是成像目 标经过光学镜头作用 后所成的像。 通常情况下，f ( ) 的作用可表示为 t 一 (: :;: t,3t23 ( 1 一 2 ) 也就是说， f ( ) 将三维空间的成像目 标变换到二维空间的像。 如果用( x , y , z ) 表示成像目 标中的一点，( u , v ) 表示相应的像点，则上述变换可以表示为 1 ( 1 - 3 ) 、1|llleeeseej xyz 护!、 * 、t.月2 tls气 ( u ) 一 一12 v l v2 1 2 2 图1 . 1 显示了 光学 成 像的 基本原 理 t 。 理想成像时 有 ( 1 - 4 ) 在实际应用中， 图像探测器通常会在某种程度上偏离理想成像位置， 此时理 想点所成的像表现为一个半径为r的模糊斑。 浙江大学硕士论文 一 - 一- 一: 一燕书林 li、 - 一 、一 一 _ _ 一厂- 一 一 口 十 卜 二 . ， 1。 。 1 透镜 成像 目标 . 光心 理想像 透镜直径 模糊 圆 , i d图像探测器 f焦距 r模糊圆半径 图1 . 1 光学成像基本原理 为了使r 变小，可以有三种方法:( 1 ) 调节成像目 标的位置，即改变u ; ( 2 ) 调节图像探测器的 位置， 即改变， ， 使之趋近于v ; ( 3 ) 调节镜头焦距， 即改变了。 当 然也可以同 时改变其中的两个量或三个量。 在早期的 光学成像系统中， 这个调 节过程是依靠人工手动完成的。 现在常用的光学成像系统中，一般 已经装备了 能自 动进行调节的自 动对焦装置。 近年来， 随着计算机技术的发展， 数字化成为生活中的常见词汇， 数字成像 设备以及数码显示器件也成为人们生活中的重要组成部分， 如数码相机、 数码摄 像机、 液晶显示器、 液晶投影仪等， 随着信息时代的到来， 在人们的日 常生活和 工 作 中 发 挥 这 越 来 越 重 要 的 作 用 。- 数字成像设备继承了 传统成像系统的 特点，又加入了数字产品独有的特点。 在自 动 对 焦问 题 上， 是 数 字 成 像 系 统 的 核 心问 题 之 一。 自 动 对 焦 技 术 是 计 算 机 视 觉、 成像系统和各种精密仪器中的关键技术之一。 在成像系统中， 成像物体对于 浙江大学硕士论文 成像物镜有一个最佳的成像位置， 如果成像平面偏离这个最佳位置， 像面所成的 图像就会模糊不清，成像质量下降。因此精确对焦对于成像系统来说极为重要。 数字成像系统在完成自 动对焦过程中必然要进行数字图像处理。 由于数字成 像器件的实用化， 近十年来人们对自 动对焦技术的研究集中在数字图像处理的方 法上，并取得了大量成果。这种处理的特点在于计算速度要求高，实时性强。 投影显示仪是将显示器件产生的图像经过光学成像系统投射到屏幕上产生 图像的显示方式。 根据显示器件形成图像的方式， 投影显示可以分为发光型投影 显示和调制型投影显示。 发光型投影显示是指在显示器件上直接形成高亮度的图 像，再由光学成像系统成像在屏幕上观看的显示方式，主要包括 c r t投影显示 和激光投影显示。 调制型投影显示本身不发光， 而是根据输入信号改变显示媒质 的某些电光特性，如反射率、投射率、 折射率、双折射效应、散射等，经外加光 源照射， 将显示器件上的信息转变位图像经光学成像系统投影在屏幕上， 主要包 括 l c d投影显示、 l c o s 投影显示、 l c l v投影显示、 d l p 投影显示等。 投影显 示的主要优势在于适合大屏幕显示， 随着技术成熟， 在办公、会议、家庭影院等 方面得到了广泛的应用。 但是不管何种投影显示设备， 它主要组件之一还是成像系统， 其最终成像质 量也要依靠这个成像系统， 在投影系统质量校验时， 投影成像对焦也是一个重要 标准。 1 . 2自动对焦概述 所谓自 动对焦， 就是用某种手段使光学成像系统成像时进行自 动调节使图像 探测器位于理想成像位置上。 尽管手动对焦可以获某些特定的效果， 由于手动控 制的非精确性， 普通光学成像系统的使用者不愿意使用手动对焦，自 动对焦技术 对光学成像系统的普及功不可没。 1 .2 . 1 自动对焦的基本方法 通常可以 把自 动对焦方法分为两大类:主动式自 动对焦和被动式自 动对焦 浙江大学硕士论文 1 . 2 . 1 . 1 主动式自动对焦 主动式对焦装置中，由 成像系统向 成像目 标发出某种形式的波( 红外、 激光 或超声) ， 然后用相应的器件接收成像目 标反射回来的 波， 按照一定的算法计算 当 前物距。 ，再用式( 1 .4 ) 确定。 、.f 或s 的调节量， 并由 执行机构完成。 1 . 2 . 1 . 2 被动式自动对焦 被动式自动对焦装置中，对焦过程直接利用成像目 标的亮度或图像进行， 不依赖于成像系统上的波源。有两种典型的被动式自 动对焦方法: 1 . 像偏移法自动对焦 i 胡定 反:龙谈 光 肚器刊 图 1 . 2 像偏移法 自动对焦原理 像偏移法自 动对焦利用的是图 1 .2所示的三角基线测量原理。反光镜进行 小角度扫描，比较光电器件上的两路信号可以求得自 动对焦的位置。 2 . 基于数字图 像处理的自 动对焦 ( 简称数字式自 动对焦) 由于固体数字成像器件的迅猛发展， 光学成像系统正逐渐由传统的模拟方式 向数字化方式过渡。 随着固体数字成像器件分辨率的提高和成本的下降， 数字成 像系统必然会成为成像系统中的主力军。 在数字成像系统中， 可以通过数字图像处理的方式实现自 动对焦。 由于数字 式自 动对焦可以充分利用数字成像系统中的现有装置和数字化所带来的优越性， 浙江大学硕士论文 这一方法在通常情况下可以比上述几种方法获得更好的效果。 1 . 2 . 2 数字式自动对焦的原理 数字式自 动对焦装置中， 计算机采集图像探测器所获得的成像目 标 ( 包括背 景) 经过镜头所成的图像， 在图像中选择部分区域作为对焦区域并用一个对焦评 价函数对图像清晰度进行评价， 并根据评价结果控制和驱动成像目 标移动、 变焦 镜头变焦或者图像探测器移动，以获取准确对焦的图像( 正焦图像) 。 数字式自 动对焦的三个核心问题是:1 ,图像清晰度的评价; z 、 对焦窗口的 选择;3 、 对成像目 标/ 变焦镜头/ 图 像探测器的反馈控制2 1 1 、图像的清晰度的评价 对特定的成像系统，图像的清晰度反映了系统的离焦/ 正焦程度。当图像比 较清晰( 即对焦比较好) 时， 图像细节丰富， 在空域表现为相邻像素的特征值( 如 灰度，颜色等) 变化较大，在频域表现为频谱的高频分量多。利用这一特点可以 构造各种对焦评价函数对图像的清晰度进行评价。 对对焦评价函数的要求是: ( 1 ) 单峰函数， 且对同一成像目 标的一系列图像求其曲 线， 其最大值恰好对应最清晰 的图像;( 2 ) 函数在峰值两侧分别单调上升和单调下降;( 3 ) 函数在峰值两侧的斜 率绝对值应该比较大。 2 、对 焦窗 口的选 择 进行对焦区域选择有两个原因: ( 1 ) 由于对图像运用对焦评价函数进行的运 算基本上与图像的像素成正比， 为了达到实时性的要求， 必须减少参加运算的像 素的数量;( 2 ) :如果对整幅图像运用对焦评价函数，图像中不重要的部分 ( 背 景) 会对评价结果产生负面的影响， 导致图像中的重要部分 ( 成像主目 标) 无法 准确对焦。 第一个原因是显而易见的， 第二个原因将在第三章中进行深入的分析。 3 、对成像目 标/ 变焦镜头/ 图像探测器的反馈控制 自 动对焦系统中的反馈控制关键是确定对焦评价函数的峰值位置， 从而通过 电机驱动成像目 标移动、变焦镜头变焦或者图像探测器移动。 浙江大学硕士论文 1 . 3 数字成像系统的自动对焦 在数字化浪潮的猛烈冲击下， 数字成像系统成为最近几年学术界、 工业界和 各种媒体的宠儿。 数码相机是最常用的数字成像系统，目前已经在高端影像市场 中占 据了 重要的地位， 并保持良 好的增长势头【们 。 可以 预见， 随着微电子和光电 子技术的进一步发展， c c d / c m o s 图像传感器的分辨率会进一步提高，而成本却 会进一步降低。 此外， 家用电脑的普及使广大摄影爱好者能够方便地对数码相机 获取的数字图像进行处理。 因此， 数码相机完全可能在不远的将来成为照相机市 场的主力军。 1 . 3 . 1数字图像传感器 常用的数字图 像传感器有 c c d ( c h a r g e - c o u p l e d d e v ic e ) 和 c m o s ( c o m p le m e n t a ry m e t a i - o x id e s e m i c o n d u c t o r ) 两 种。 c c d / c m o s 图 像 传 感 器 通 常是由规则排列的感光单元构成的平面阵列。c c d数码相机在现有数码相机市 场中占据主要地位。 c c d图像传感器 ( 简称c c d )最初是为摄像机设计的，随着技术的不断进 步，其分辨率逐步提高，色彩还原日 渐逼真，现己广泛用于各种数字成像系统。 日前，数百万像素的c c d已 经成为数码相机图像传感器的主流产品。上千万像 素c c d的数码相机己经投入市场。 c c d中记录的主体是c c d光敏元件。面阵型彩色c c d器件上有规则排列 的分别对r g b三色敏感的c c d感光单元。 物体经照相机镜头成像在c c d表面， c c d感光单元素根据其所受光照度强弱产生不同的电 信号。 经过放大、去噪声 和 a / d变换，空间分布的 物体光强和颜色变化就转换成按时间序列分布的数字 值。 所得到的数字值就构成了一副数字图像， 可送入计算机后就可进行变换、 数 字滤波、分割、特征提取等各种处理。 1 . 3 . 2数字成像系统的特点 从传统成像系统到数字成像系统的核心变化是用数字化的c c d / c mo s 图像 浙江大学硕士论文 传感器取代了传统的光化学胶片。 这种图像传感方式的变化导致了相应的成像系 统的一系列改变， 如为了对图像进行处理和存储增加了图像压缩机构和与计算机 的接口，自 动对焦机构通常采用基于数字图像处理的新技术等。 概括地说，相对于传统相机而言， 数字成像系统有以 下优点2 1 ( l ) 实时显示获取的图像并允许重拍;( 2 ) 更大的曝光控制范围;( 3 ) 色彩更饱和; ( 4 ) 便于图像的处理、传输和存储:( 5 ) 减少环境污染。 1 . 3 . 3数字成像系统的自动对焦 为了充分利用数字成像系统中图像传感器的数字化带来的好处，其自 动对 焦系统也向 数字化方向 演变。 目 前质量较好的 数字成像系统大多 采用了1 . 4 中介 绍的数字式自 动对焦技术。 自 动对焦采用数字图像处理技术的优点是显而易见的:使用对焦评价函数 可以 科学而准确地判断图 像清晰度;可以 合理选择图像的一部分作为 对焦区域; 充分利用数字成像系统中已有的图像传感器和专用计算机( 通常是d s p ) 而不增 加硬件成本。 1 . 4数字式自动对焦的研究现状 人们的对数字式自 动对焦技术的研究主要集中在个方面:( 1 ) 为了判断图像 的清晰度， 提出了多种对焦评价函数， 并对它们的效果进行了比较研究; ( 2 ) 提出 了两类利用获取成像目 标边缘、深度和形状等信息的方法;( 3 ) 对离焦图像的形 成进行了深入的理论分析， 并提出了 用软件方法将离焦的模糊图像恢复成清晰的 正焦图像的方法。 1 . 4 . 1 对焦评价函数 要进行自 动对焦， 首先要能判断所获取的图像是否为清晰的正焦图像。 因此 图像清晰度的评判是自 动对焦的首要问题。 正因为如此， 这个问题也是数字式自 浙江大学硕士论文 动对焦技术中人们研究得最多的问题。人们提出了各种各样的对焦评价函数 4 1 。早期的对焦评价函数大多是经验型的，尽管它们都能满足对对焦评价函数 的三个要求， 但没有充分的理论依据。 功率谱分析是物理意义最明确的对焦评价 函数。 遗憾的是，要得到图像的功率谱必须对图 像进行f o u r i e r 变换，即使是使 用时间效率较高的 f f t算法，求图像的功率谱也是相当费时的。因此人们期望 找到物理意义明确、效果好且运算时间少的对焦评价函数。 1 . 4 . 2对焦/ 离焦过程中获取物体空间信息 从 对焦/ 离焦 ( f o c u s in g / d e f o c u s i n g ) 过程中 获取 物体的 边缘、 深度和形 状等 空间信息在计算机视觉中具有重要意义， 因此人们对此进行了大量研究， 发展了 三种 方法: 对 焦 深 度 法、 离 焦深 度 法 和 对焦 离 焦综 合 分 析 法 5 116 1 i . 对焦深度法( d e p t h fr o m f o c u s i n g , o r i m a g e f o c u s a n a l y s i s ) 上图是深度自 动对焦系统的一个典型应用系统框图， 它是一种建立在搜索过 程之上的对焦方法。 它通过一个评价函数对不同对焦位置所成的像的清晰度进行 评价， 利用正确对焦位置最清晰这个特征找到正确的对焦位置。 图 1 - 3 d f f 计算机自 动对焦系统框图 对焦深度法通过获取一系列对焦状况逐渐变好的图像来确定成像目 标上各 点到镜头的距离， 整个过程的主要计算是求一系列图 像的对焦评价函数值。 这种 方法精度较高， 但是需获取的图像数量大， 需要大量的处理时间， 所以实时性差。 2离焦深度法 ( d e p t h f ro m d e f o c u s i n g , o r i m a g e d e f o c u s a n a ly s i s ) a 浙江大学硕上论文 与对焦深度法不同的是， 离焦深度法获取少量不同镜头参数条件下的离焦图 像， 通过对图像的分析和计算， 获取深度信息来确定成像目 标上各点到镜头的距 离， 完成自 动对焦。 这种方法要求实现用数学模型描述成像系统， 然后根据少量 的成像位置获取的图像来计算最佳对焦位置。 由于所需图 像数量小， 大大减少了 驱动电 机等机械机构来获取图像的次数， 所以离焦深度法速度较快， 但是精度比 对焦深度法低。 离焦深度法主要分两类。其一是s a n g k u k i m 等人提出的基于图像恢复的离 焦深度法，根据图像中的某些有代表性的信息来计算出成像系统的点扩散函数， 利 用图 像的 退化 模型， 反 演 计算出 模 糊图 像的 原 图 8 1 。 这 种 方 法的 关 键 在 于 从图 像中获取一定的有代表性的信息， 因为它并不是基于任意目 标物体的， 有一定局 限性。另一类是基于模糊程度 ( 弥散斑的大小)分析的方法p l 。根据几何光学的 原理可以找到弥散斑大小与镜头成像参数之间的关系，从而计算出最佳成像位 置。 3 .基于图像恢复的离焦深度法 基于图像恢复的离焦深度法是基于图像频率的检测处理的方法， 图像的轮廓 的锐度和细节的丰富程度主要取决于图像的高频成分。 离焦退化造成的图 像模糊 在频域上表现为高频成像的衰减， 因此通过适当选择带通滤波器的带宽， 使其恰 好对通过的视频信号中的对离焦敏感的频率成分， 就能实现对图像清晰度的自 动 检测。 4 对焦离 焦综 合分析法 ( u n i f i e d f o c u s a n d d e f o c u s a n a l y s i s ) 当成像目 标的深度变化很大时， 对焦深度法和离焦深度法的精度都会大大降 低。 为了解决这一问 题， m u r a l i 提出了 对焦离焦综合分析法i s ) ， 先用对焦 深度法 和/ 或离焦深度法得到一个初步的近似结果，然后再用迭代优化的方法获取精确 的最终结果。这一方法可以有效减小三维空间信息获取的相对误差。 1 . 4 . 3离焦图像的理论分析和恢复 有些情况下，获取图像时无法控制硬件参数，或者控制硬件参数过于复杂， 只能依靠软件方法来将离焦的模糊图像恢复成清晰图像。 人们对离焦图像的形成 浙江大学硕士论文 进行了 理论分 析并 提出了 一些 将离 焦图 像恢复成清晰图 像的 方 法 6 9 1 0 ， 其中 物 理意义最明 确的是利用光学传递函数( o t f ) 分析恢复离焦图像的方法。 光学传递函数分析法的基本思想是:从离焦的模糊图像中选择频谱o ( _f ) 已 知的特殊物体( 如建筑物边缘、机场跑道等) 并对其进行f o u r i e r 变换可得离焦图 像的频谱l ( f ) ， 根据式( 1 . 5 ) 可以得到离焦成像系统的光学传递函数h ( f ) 。在 此基础上可求出表征成像系统离焦程度的一个精确数值， 并以 此为依据选择适当 的数值滤波方法将图像恢复成正焦的清晰图像。 由于有像差的光学系统的光学传 递函数有零点， 数值滤波方法不可能对图像完全恢复， 所以软件恢复的精确度不 如控制硬件参数改变进行自动对焦。 h (f ) = 婴 ul j 1 ( 1 - 5 ) 1 . 5 问题提出 从各种投影显示器件来看， 它们的基本原理都是相似的。 用三片透射式液晶 投影显示为例作一个说明。 如图1 - 1 所示， 光源发出的光通过一套分色系统， 将r g b三种颜色的光分 开，分别照射在r d b三块不同的液晶板上。三种颜色的光通过液晶板的调制之 后通过一个合色棱镜经投影镜头的放大之后在屏幕上成像。 投影图像的质量除了 颜色失真、 成像镜头像差之外， 还跟液晶板的空间位置有关， 即液晶板的位置是 否和成像屏幕共9 e . 1 . 6 本论文的主要工作 通过上一节的分析可以看出，投影成像系统投影图像的质量除了颜色失真、 成像镜头像差之外， 还跟液晶板的空间位置有关， 即液晶板的位置是否和成像屏 幕共扼。 针对以上一些问题， 本论文研究并实验了一套基于离焦深度法和数字图 像处理技术的投影系统自 动对焦实现的实验调整系统。 浙江大学硕士论文 本论文主要包括以下内容: ( 1 ) 以大屏幕液晶投影系统以及联网p c 机作为系统的实验硬件平台， v i s u a l c + + 作为系统的软件平台得到投影系统的对焦结果分析，以实现 自动对焦。 ( 2 )对涉及到的数字图像处理理论知识作了详细介绍。包括图像获取、分 析、处理以及反馈的软件基础和原理。 ( 3 )对离焦深度法的优化算法作了 分析和展望，对数字投影成像系统自 动 对焦的反馈控制和软硬件结构进行了讨论。 浙江大学硕士论文 第二章 投影系统自动对焦模型 2 . 1 投影系统自动对焦模型总体分析 要实现投影系统的自 动对焦， 首先要建立对焦模型和反馈理论。 系统的对焦 系统模型可以用图2 - 1 表示。 图像卡转接 图像质量控制 p c机 图2 - 1 投影系统自 动对焦分析模型 上图为投影系统对焦分析模型。 对这一对焦分析模型， 投影图像由图像质量 控制计算机控制产生，经过投影系统的阵列像素器件和光学成像系统，由 c c d 像素器件获取图像， 经过图像卡转换存储到图像质量控制计算机， 接着图像质量 控制计算机通过对焦控制分析软件计算成像图 像的实际离焦量及空间 位置的偏 移量， 并由此推算理想成像对焦位置及阵列像素器件的正确空间位置。 由计算得 到的数据反馈，调整阵列像素器件位置，再次成像验证对焦情况。 在这一系统中， 光学成像系统、 离焦深度计算算法以及图像处理算法起着很 重要的作用，这也是本论文重点分析的问题。 浙江大学硕士论文 光学成像系统直接决定了物和像的共扼对应关系， 因此也决定了整个系统的 数学模型。 离焦深度计算算法通过计算提取图像离焦深度信息， 对图像质量的判 断起着决定性的作用， 直接决定了对焦调节的准确性。同时，由于离焦深度算法 的快速性， 必然也伴随着其相较于对焦深度法的精确性稍有下降， 如何严密的确 定离焦深度法算法的研究应用， 对系统整体的控制有一定的影响。 基于离焦深度 法的对焦算法更多的依赖于现代的数字图像处理技术，在投影系统的对焦模型 中， 包括图像预处理、 噪声消除、 离焦深度计算等图像处理算法的精确性和稳定 性都将影响到系统的运算结果， 因此， 选择正确适当的图像处理算法也是本论文 要重点提及的部分。 从图2 - 1 的系统框图可知， 我们所建立的对焦系统的输入量为投影的阵列像 素器件的空间位置，或者说空间坐标，典型的三片式l c d投影系统包含三个空 间阵列像素器件，每个空间阵列像素器件需要六个变量才能准确描述其确切位 置， 则一共需要1 8 . 个变量。 要投影过程中保证位置明确， 需要对这1 8 个变量都 作准确的调整。由 于图像采集系统是多个c c d的 采集系统，所以统筹计算这输 出的多个图像得到整体的对焦情况也是不属于经典控制理论的范畴， 相对计算控 制较复杂。 接下来的内容将分析投影系统阵列像素器件的成像特性， 针对这一特性， 将 投影系统对焦实现分为清晰度调节和空间位置调节两部分来实现。针对不同步 骤， 分别建立具体的调节算法模型。 具体的系统特性以 及算法和图像处理方法将 在第三和第四章详细论述。 2 . 2 投影显示系统中对焦模型分析 2 . 2 . 1 光学成像系统成像关系分析 前面己经提到过，光学成像系统对整个数学模型起着决定性的作用，因此， 要建立有效的数学模型， 必须先对光学成像系统作详细分析。 在这里， 需要找出 投影系统的阵列像素器件和图像质量两者之间的关系。 在投影显示系统中， 无论是l c d投影显示系统中的液晶板， 还是l c o s 投影 显 示系 统中的反 射式 光调 制器件， 或者d l p ( d i g i t a l l i g h t p r o c e s s i n g ) 投影显示 浙江大学硕士论文 系 统中 的d m d ( d ig it a l m ic r o - m ir r o r d e v i c e ) 器 件， 他们 的 共同 点 在 于 都是 一 种 光强调制器件， 而且都是按照矩阵排列， 视频信号经驱动电路实现对每一个矩阵 元的控制， 从而调整光强实现灰度控制， 投影显示系统也正是通过这些器件实现 红、 绿、 蓝三色光的调制，从而实现彩色显示，因此， 统一将这些光调制器件成 为阵列像素器件。 在本论文提到的投影显示对焦分析系统中， 其中一个基本任务 就是计算红、 绿、 蓝三色图像， 分析计算， 得到这些阵列像素器件的空间位置偏 差， 通过调制这些阵列像素器件的空间位置， 实现正确的清晰图像显示。 下面以 l c d液晶投影显示为例来分析成像关系。 - lcd p r o j e c t i o l e n s 、， ，、， co mb i n e r p r i s m s c r e e n - lcd g- lcd l a mp p o l a r i z e 图2 - 2 l c d液晶投影显示系统原理图 上图 为l c d液晶 投影 显 示系 统结 构图 ， 其中 的l i q u i d c r y s t al p a n e l 即 可看 作是一种阵列像素器件。 光源 ( l a m p ) 发出的光经分色镜 ( d i c h r o i c m i r r o r ) 分 成红绿蓝三色后分别入射到三片阵列像素器件， 经阵列像素器件调制和通过合色 棱 镜( c o l o r c o m b i n e r p r i s m ) 后 经 投 射 镜 头( p r o j e c t i o n l e n s ) ， 从 而 将图 像 投影 到屏幕 ( s c r e e n ) 。要实现图像清晰投影， 屏幕放置位置是一个因素之外，每一 个阵列像素器件的空间位置都将直接影响投影图像的成像质量。空间位置不合 理， 不仅会有对焦上的不准， 各个阵列像素器件空间位置不协调也将使三种颜色 浙江大学硕士论文 光的投影图像不重合，引起合色偏差，影响图像质量。 若将阵列像素器件当作一刚体， 则它有6 个自 由 度: 三个平动自 由的( x , y , : 自 由 度)以及三个转动自 由 度 ( 。、刀、y 自 由 度) ， 如图2 - 3 所示。 图2 - 3阵列像素器件的空间 坐标系 图2 - 4为简化后的阵列像素器件成像示意图， 为了简化数学模型， 我们需要 对系统作一些假设。 在控制理论中， 我们往往将非线性的问题经过合理简化和当 作线性系统来处理， 然后在线性系统的基础上再根据非线性关系对数学模型作修 正。 这里我们假设光学成像系统式无相差的高斯成像系统， 则阵列像素器件所成 的式理想高斯像。 阵列像素器件 )二 涅 乏 丁二 一 z 投影系统镜头 屏幕 图2 - 4阵列像素器件成像示意图 假设阵列像素器件开始处于和屏幕共辘的位置， 从图2 - 3 中所示额空间坐标 关系中不难发现， 若: 、a , 发生改变， 则将影响阵列像素器件与 屏幕是否共 浙江大学顿十论文 轭，直接影响图像总体或部分离焦现象的出现，决定了所成的像是否清晰：而x 、 y 、y 只是影响高斯像在二维屏幕的位置，理论上不对图像的对焦清晰度造成任 何影响，只是不同的阵列像素器件所成的像重叠会使总体所成的图像有一定干 扰，像质出现问题。因此，在实际投影系统对焦调整中可以将每一个阵列像素 器件的6 个自由度分为两组，影响成像清晰度的z 、口、口三个自由度的阵列像 素器件的调整归类为对焦清晰度调整，影响图像在二维屏幕上的位置的x 、y 、y 这三个自由度的阵列像素器件的调整归类为空间位置调整。 且彩色投影显示系统包含三个阵列像素器件，对应红、绿、蓝三种颜色，实 际图像成像中考虑三个阵列像素器件的话，就是3 6 - = 1 8 个自由度，所以需要 分析调整的阵列像素器件的自由度共有1 8 个。 2 2 2 投影显示系统中对焦模型建立 针对以上阵列像素器件的自由度的分析，可以看出本论文要实现的投影系 统对焦分析实现的基础在于对焦清晰度调整分析和阵列像素器件空间位置调整 分析。由于两组自由度对于阵列像素器件成像情况的影响具有一定的独立性，本 实验系统在实际阵列像素器件以及软件实现过程中分为两个相对独立的步骤：第 一步、计算图像离焦量，调整z 、a 、口，将三片阵列像素器件的理想共轭位置 通过图像处理计算得到，调整三片阵列像素器件到和屏幕共轭，使图像对焦清晰， 完成清晰度调节；第二步、计算阵列像素器件空间位置相关的偏差信息，调整三 片阵列像素器件空间位置，使三种颜色对应的图像物偏差，完成投影图像的正确 对焦。 清晰度计算调整涉及离焦深度法的相关内容，阵列像素器件空间位置调整 涉及投影图像二维位置的确定及一些关联图像处理算法，这些都将在后面的章节 详细介绍。 2 3 图像采集系统设计 建立投影系统对焦分析初步的数学模型之后，不论是对焦清晰度调节还是 6 浙江九学坝i 论史 阵列像素器件空间位置调节，都涉及对图像的处理判断的问题，对于对焦清晰度 计算调节而言，主要是判断投影于屏幕的图像是否清晰，对于阵列像素器件的空 间位置调节而言，主要是计算分析判断投影图像的偏离程度咀及三种颜色的分图 像的分离程度。 本论文采用了一种运用c c d 采集投影于屏幕的图像的实验系统装置。c c d 采集图像，通过图像卡转接输入到计算机中，再利用基于图像处理的离焦深度算 法根掘不同离焦位置的图像计算理想成像对焦位置进行清晰度调节。对于阵列像 素器件的空间位置调节，同样可以通过对c c d 采集的图像进行处理，判断分析 阵列像素器件的空间位置的成像偏离程度。 这一过程可以用图2 5 来说明。 阵列像素器件将 图像投影于图像 接收面板 由给出数据调整 阵列像素器件位 置 c c d 采集圈像，通过 图像卡传输到控制 软件所在计算机 软件控制图像产生 进行图像处理，分析离焦 深度及再个自由度偏离 羹掣羹? ：薯誓篓l 否 焦结果，给出理l “ 想对焦位置及需p _ 一 调接精度 无对 焦误 若 卫 对焦完成 图2 - 5 投影系统对焦调整流稃图 为了得到投影图像的整体对焦情况，必须收集不同区域的图像对焦情况， 以作出判断，为此，必须采集投影屏幕不同位置的图像，对c c d 的采集位置合 理布局，另外，c c d 的布局也要和所建立的系统的数学模型相结合，既要有利 于数学模型的实现，同时还要有利于实际的实现。 浙江大学坝十论史 本论文中为投影系统设计的对焦检验用图像为单个像素宽的十字交叉线， 投影到屏幕上，为了采集这个图像，设计了一种图像接收面板将五个c c d 安 装在一个平板上，其中一个c c d 安装在中心视场，其余四个c c d 按十字交叉 线的走向展丌，分别安装在平板的上下左右四个位置。 图像接收面板的c c d 安装分布示意图如图2 - 6 所示。浅色的直线为为系统 设计的投影图像，五个分别c c d 按照图示位置安装。 幽2 - 6 接收面板的c c d 安装分布示意闰 在用多个c c d 接收投影图像时，鉴于成像效果，提出了两种图像采集方案。 第一种是将各个c c d 通过专门设计的机械紧固装置安装在平板上获取图像，该 装置的结构图如图2 7 所示。 - 这种图像采集方法可以获取较为直观整体的投影图像，不必担心由于c c d 感光面过小而造成的图像成像残缺或是不完整，但是缺点在于图像被镜头缩小， 在图像处理过程中图像数据有所欠缺，图像的细节得不到充分反映，在应用离焦 深度算法及其他图像处理算法时效果不理想。 浙江大学硕士论文 图2 7c c d 紧固装置结构图 1 毛玻璃压圈2 图像接收平板3 镜头镜筒4 镜头5 c c d 6 平板前压圈7 毛玻璃8 平板后压圈9 紧顶螺钉l o 调整接圈 图2 - 8c c d 紧固装置实物图 第二种是用c c d 直接采集投影出来的图像，c c d 前面不安装成像镜头，将 投影的图像直接照射在c c d 感光面上。这种图像采集方式的优点在于c c d 采 集到的图像能对投影图像的细节有充分的了解，由于c c d 匦元一般都不到1 英 9 浙江大学硕士论文 寸，经过投影放大后的图像在c c d 面元成像时，设计的一个像素宽投影直线刚 好能被c c d 接收成像。这种采集方式也有缺点，就是只