（光学工程专业论文）数字cmos自动对焦系统研究.pdf

浙江大学硕上学位论文 摘要 自动对焦是一种保障成像系统获取高清晰度图像的技术，最早应用在照相系 统中，随着精密仪器向高精度、自动化方向的发展，它的应用范围也迅速扩大， 并成为显微成像系统中不可缺少的部分。 本文详细讨论了一种应用于显微镜的自动对焦系统，该系统利用计算机控制 整个自动对焦过程。计算机在控制步进电机带动显微镜镜头上下移动的同时，计 算从数字c m o s 图像传感器获取的视频信号，判断图像的清晰度( 即对焦评价函 数) ，绘制出评价函数基于镜头移动距离的曲线，找出曲线的峰值，即最佳对焦 点，驱动步进电机将镜头移动到最佳对焦点处，完成自动对焦。 本文采用的基于图像技术的自动对焦方法是从与传统的自动对焦技术完全 不同的角度出发，它是直接针对图像采用图像处理技术，对图像进行成像质量分 析，得到系统当前的对焦状态，然后通过驱动步进电机调整成像系统的物距，从 而实现自动对焦。 本系统采用软件的方式控制整个对焦过程，包括从电子目镜进行视频采集、 图像清晰度的评价以及控制步进电机转动等，并在计算机上实时显示对焦过程和 相关信息，可以在软件界面上修改一些必要的参数，可操作性好。整个系统除了 电机和驱动器直接安装在显微镜上之外，其他都为软件，可移植性强，方便使用， 并且因此减少了外部器件的累赘，降低了成本。 关键词：自动对焦、视频采集、对焦评价函数、爬山搜索算法、显微镜、电子目 镜、步进电机 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o f o c u si so n ek i n do ft e c h n o l o g yw h i c ha s s u r e si m a g i n gs y s t e mo fa c h i e v i n g l l i g h d e f i n i t i o ni m a g e i ti su s e di np h o t o g r a p h i cs y s t e ma tt h ee a r l ys t a g e a st h e p r e c i s i o ni n s t r u m e n th e a d i n gt o w a r d sh i g hd e f i n i t i o na n da u t o m a t i z a t i o n ，t h ef i e l do f a p p l i c a t i o no fa u t o f o c u se x p a n d sq u i c k l y a n di tb e c o m e sa ne s s e n t i a l p a r to f m i c r o s c o p ei m a g i n gs y s t e m i nt h i sp a p e r ，ad i g i t a lc m o sa u t o - f o c u ss y s t e ma p p l y i n gt om i c r o s c o p ei s i n t r o d u c e da n dt h ew h o l es t a g eo fa u t o f o c u si sc o n t r o l l e db yc o m p u t e r t h ec o m p u t e r c a l c u l a t et h ev i d e os i g n a lf r o mc m o st og e taf o c u sv a l u ew h i l ei tm a k e st h es t e p m o t o rr o t a t ea n dd r a w st h ec l l r v eo fe v a l u a t i o nf u n c t i o n b yc o m p a r i n gm a n yd i f f e r e n t f o c u sv a l u e s ，t h ep r o p e rf o c u s i n gp o s i t i o ni sf o u n du s i n g o p t i m i z e dh i l l c l i m b i n g s e a r c h i n ga r i t h m e t i c ，t h es t e pm o t o rw i l ld r i v et h el e n st ot h i sp o s i t i o nt og e taw e l l f o c u s e di m a g e t h em e t h o do fa u t o f o c u sw eu s eb a s e so ni m a g ep r o c e s s i n g ，i t st o t a l l yd i f f e r e n t w i t h c o n v e n t i o n a lm e t h o d s i ta n a l y z ei m a g i n gq u a l i t yo fi m a g e su s i n gi m a g e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yt og e tt h ef o c u s i n gs t a t eo fs y s t e m ，a n dt h e nd r i v e ss t e pm o t o r t oa d j u s to b j e c td i s t a n c et oc o m ei n t oaf o c u s i nt h i ss y s t e m ，s o f t w a r ei su s e dt oc o n t r o lt h ew h o l ep r o c e s s ，i n c l u d i n gv i d e o c o l l e c t i n gf r o md c m ，a n a l y s i so fd e f i n i t i o no f t h ei m a g e ，c o n t r o l l i n gr o t a t i o no fs t e p m o t o re t c w ec a nw a t c hr e a l t i m ev i d e oa n dr e l a t e di n f o r m a t i o n ，a n da l s om o d i f y s o m eo ft h ep a r a m e t e r s e x c e p t i n gt h es t e pm o t o ra n di t sd r i v e rt h a th a v eb e e nf i x e d t ot h em i c r o s c o p e ，t h ew h o l es y s t e mi sas o f t w a r es y s t e m ，c o n s e q u e n t l yi ti sv e r y c o n v e n j e n tt ou s e k e yw o r d s ：a u t of o c u s ，v i d e oc o l l e c t i n g , e v a l u a t i o nf u n c t i o n ，h i l l c l i m b i n gs e a r c h i n g a r i t h m e t i c ，m i c r o s c o p e ，d c m ，s t e pm o t o r i l 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题意义 近几年来，随着计算机技术及互联网的发展和普及，数字化成为社会发展的 一个必然趋势。数字成像设备开始走近百姓的生活，因而成像设备的易用性，智 能性和快速性开始倍受学术界和产业界的重视。 光电成像系统是集光、机、电一体化的产品，随着电子技术特别是微电子技 术的快速发展，大规模集成电路和中央处理器已应用到光电成像系统，使光电成 像系统在功能和精度上得到了巨大的发展，并且使光电成像系统走向数字化，成 为数字成像系统。最有说服力的例子就是数码相机，经过短短十几年的发展，它 以要取代传统胶片相机的趋势飞速发展。进入二十一世纪之后，这一增长势头有 增无减。 无论是传统的检测方法还是光电检测方法，凡光学系统都有成像的问题，成 像质量是人们对多数光学系统进行研究时比较关心的重要问题之一，因为它直接 关系到研究的结果。为此，人们找出了多种方法来提高成像的质量，对焦作为提 高成像质量的手段之一，己广泛应用于显微镜、照相机和摄像机等多种精密仪器 之中，但在过去很长的时间内都是以非自动即目测和手动调节的方式来进行的。 手动对焦是由大脑直接参与对焦过程，图像是否对焦清晰的判断是由人脑来决定 的；而自动对焦是由系统的计算机提取图像的某种特征来判断是否对焦清晰，通 过调整镜头参数或恢复观察的物体特征来达到对焦的目的【1 l 【2 】。 图像采集系统中为了获得清晰的图像，焦距或者物距的调节至关重要。在图 像测量中，判断图像是否对焦与图像的高颓成分有关，当系统完全对焦时，图像 清晰，其包含边缘信息的高频分量最多。通常，判断图像对焦与否是通过对焦评 价函数来衡量的。自动对焦的实现使采集系统具备一定的智能，在特殊应用中更 可以代替手动对焦的环节，譬如无人视频监控系统中焦距的调节、显微镜下焦距 的调节等。但是，在自动对焦系统研究发展中，人们为了得到清晰的显微图像、 或者其他目标图像，只得依靠专门的人员进行不断的、反复的手工操作，直到调 到被测对象的对焦位置。这样的过程花费的时间比较多，而且个人评判图像的清 浙江大学硕士学位论文 晰度的标准跟理想的清晰图像存在一定的差距。单凭在个人主观条件下拍摄的图 片并不一定是最优的，而且在一些工作条件下人工操作会存在很大的困难。因此 自动对焦控制系统的研究越显其必要性，在一些特殊的领域内的应用变得很急需 【3 】。 基于图像技术的自动对焦方法采用了与传统对焦技术完全不同的方式进行 对焦，传统的对焦方法是通过传感器检测焦点或测量距离的方式实现的，而基于 图像技术的对焦方法直接根据图像分析出图像的质量，从而获得当前的成像状 态，通过比较不同成像位置的成像状态，找出最佳成像位置，完成对焦操作。 提出以使用电子目镜的显微镜为研究对象，采用计算机控制的基于图像技术 的自动对焦方法研发出性能优秀的自动对焦系统具有非常重要的现实意义，它不 仅对推动光机电一体化技术进步，发展现代光学仪器产业具有重大的意义。 1 2 自动对焦技术的发展现状 光电成像系统已广泛应用于工业、农业、医学、军事等领域，作为一种获取 图像信息的工具，它可以用于生成过程监控、工况检测、图像拍摄、显微观察、 医学图像分析、地质遥感和军事遥感等。进入二十一世纪，知识和信息的飞速发 展，特别是随着网络和多媒体的迅速发展，图像作为一种高容量的信息载体己深 深融入每个人的日常生活之中。各种各样的图像输入、输出设备已渐渐成为多媒 体计算机的普通外设，并具有广泛的需求前景。计算机的广泛应用，使各个领域 有与计算机结合的趋势，与计算机的结合，不仅使各种信息带有明显得数字化的 特征，同时也使我们所处的时代成为真正意义上的数字化时代。图像与计算机的 结合是必然的也是必须的，图像的数字化使得对图像的各种处理和图像的存取变 得更加容易。近年来，图像处理技术得到了全面的发展，并继续以飞快的速度发 展，同时它的应用领域也越来越广。 1 2 1 国外自动对焦研究现状 国外对于自动对焦领域的研究相对国内来说起步比较早，更多的关注面向高 精度的直接自动对焦系统在实际中的应用。其中显微系统应用比较典型的一个例 子，如： 德国卡尔斯鲁厄大学研制的微操作系统的视觉系统包含两个部分：光学显微 2 浙江大学硕士学位论文 镜、全局c c d 摄像机和局部c c d 摄像机。全局视觉系统用来观察显微机器人的 工作空间和估计机器人的位置和方向，能够将机器人定位在显微镜的视野中，精 度能够达到0 5 m m 。局部视觉系统对被测对象的位置定位精度为毫米级。它的 对焦方式是采用多次对焦( m u l t i f o c u s i n g ) 的办法解决小焦深的问题：采集连续的 几幅图像，把各自准确对焦的部分合成一幅图像，作为物体识别算法的输入，最 终实现系统的显微对焦的视觉功能 4 1 。 近年来，国外在该领域内相关研究比较有名的，例如，1 9 7 0 年美国斯坦福 大学j m t e n e n b a u m l 5 6 1 开展了计算机视觉系统的自动对焦研究，其根据图像的 边缘特征提取离焦信号，通过调制阈值梯度作为自动对焦评价函数，实现了比较 好的对焦效果；1 9 8 3 年，英国瑞丁大学( u n i v e r s i t yo f r a d i n g ) 物理系g r e m b e b y j b i7 】提出了调制传递函数作为离焦判据，这一判据己经被光学界所接受，成为评 价图像品质的一种很好的标准，并将其应用于医疗内诊照相系统的自动对焦中； 1 9 8 7 年，r e n c l u o 8 l 提出了两个设计简单的快速算法，对于漫反射物体在一定 程度上可以实现自动对焦，应用到机器人视觉系统的自动对焦系统中；1 9 8 8 年， c a r n e g i em e l l o nu n i v e r s i t y 的l a w r e n c ef i r e s t o n e 9 1 等四人对各种已经有的对焦评 价函数在处理组织图像、正弦图像和随机图像的性能进行了对比分析，此外，对 并行图像处理技术在自动对焦中的应用也做了研究；进而1 9 9 2 年，n a t i o n a l u n i v e r s i t yo f s i n g a p o r e 的r r ey e o 等三人对以前研究的自动对焦领域出现的各种 评价函数进行了对比分析研究。 随着自动对焦技术理论研究的不断完善和c c d 技术的迅速发展，国外利用 c c d 用于工业图像监控和对焦领域也越来越广泛。如美国9 0 年代末期开发的基 于网络技术的零件在线检测和监控系统：又如：日本开发了一套焊缝在线自动定 位检测系统，该系统在机械手焊接过程中，通过c c d 采集焊缝图像微机处理后， 控制机械手自动定位焊接，定位精度可以达到o 1 m m ，使焊接质量向检测自动化、 高速化、稳定化发展。 1 2 2 国内自动对焦研究现状 目前，国内的很多高校、科研院所以及企业单位致力于研究开发对焦系统， 虽然自动对焦系统的研究起步比国外晚，但也取得了巨大的成果。例如，1 9 8 5 浙江大学硕士学位论文 年，上海光学仪器研究所采用光学的自准直法研制用于集成电路光刻机的自动对 焦装置上。1 9 8 6 年，哈尔滨工业大学光学仪器教研室研制出激光c c d 零件自动 识别检测系统，并且利用自准直法研制出卫星照相设备中的自动对焦系统，精度 达到1 0 u m 【l q 。1 9 9 2 年，该研究所研制完成图像检测式频带切割差动比较c c d 自动对焦系统，使我国在图像检测自动对焦领域内的研究跟国外8 0 年代的研究 水平相当。上海激光技术研究所利用像散法对光盘录放机的显微系统进行了自动 对焦研究。清华大学李庆祥教授等人利用内光路偏心光束法对线宽测量仪器的显 微系统进行了自动对焦，实现了5 0 0 , u m 对焦范围内的0 1 z m 的对焦精度，该水 平处于国际先进水平。天津大学在使用c c d 摄像技术对生物进行自动筛选时， 采用了图像处理方法对自动对焦技术进行了相应的研究 i t 】。此外，浙江大学光学 国家重点实验室成像研究室根据具体的系统对显微镜自动对焦方法也进行了深 入研究。 综上可知，国内外对显微自动对焦系统的研究还是处在发展阶段。目前只是 将视觉系统作为微操作系统的一个功能模块，系统化的研究有待进一步深入。 1 3 本课题的对焦系统设计方案 在分析研究国内外自动对焦系统的发展状况，及其设计的系统存在的一些不 足，并总结了相应的设计经验的基础上，为了使系统快速、实时地实现对焦功能， 本系统利用微调的方式进行自动对焦。 自动对焦系统的结构主要由c m o s 视频采集设备( 本文使用显微镜电子目 镜) 、计算机、步迸电机、步迸电机驱动器及外设等组成。显微镜电子目镜安装 在显微镜的三目上，步进电机安装在显微镜的微调旋钮上，代替微调的功能，转 动时带动载物台上下移动。通过u s b 口与计算机相连的步进电机驱动器通过发 送脉冲的方式驱动步进电机转动。由于系统的焦距和像距是固定的，所以通过这 个机械系统改变物距来实现系统的对焦。步进电机带动光学系统和c m o s 在z 轴方向上的上下运动调整物距，最终实现显微系统的对焦。 本课题是将自动对焦技术应用于光学显微镜中，针对数字式c m o s 图像传感 器，通过计算机软件控制步进电机移动镜筒，实时计算图像清晰度，绘制出对焦 曲线，找出最佳对焦点，完成自动对焦。由此设计出一种计算机控制的显微镜自 动对焦系统，不需要复杂的电路，而且能够在计算机上实时观察到对焦过程及效 浙江大学硕士学位论文 果。并通过在硬件及软件上采取了一些优化措施，以解决实用化、产品化中的一 系列问题。由于本论文采用了算法简单而有效的对焦评价函数，使得该系统能够 在较短的时间内实现自动对焦，并且能够达到一定的精度要求，为软件实现自动 对焦提供了可能性，也可将本系统集成到其他系统中，实现更广阔的用途。 1 4 本课题的研究内容 本论文主要包括以下一些内容： ( 1 ) 论文先对显微镜自动对焦系统相关的理论和方法进行探讨，通过各种方 法的比较以及本系统的相关条件，我们选择通过计算图像的评价函数值，判断图 像的对焦程度，并通过控制步进电机移动镜筒实现自动对焦的功能。 ( 2 ) 搭建系统的大体框架，然后分别设计实现各个部分的功能。系统所要做 的工作可分为三大部分，第一部分是成像部分，对视频采集设备获取的视频在计 算机中显示并根据需求截取需要计算的图像；第二部分是信息处理部分，对截取 的图像进行图像清晰度的计算，画出对焦曲线；第三部分是电机控制部分，根据 对焦曲线控制步进电机移动，使其最终到达最佳对焦点。 ( 3 ) 实现自动对焦系统控制的是系统的软件。在本系统中，软件部分主要分 为视频采集及显示、评价函数计算、优化爬山搜索算法的实现、电机控制、电机 驱动等。而在软件设计之初，要对系统的对焦评价函数以及系统所要采用的搜索 算法进行研究。 ( 4 ) 在系统调整的过程中，对程序进行实验及改进，以求得到最佳自动对焦 设计方案。 ( 5 ) 通过对大量实验结果的计算分析，对系统的一些参数做了修改，并针对 实验暴露出的问题进行修改，对系统进行改进。 ( 6 ) 最后对全文工作进行了总结和展望。归纳了全文所做的研究工作，同时， 分析了显微自动对焦系统存在的不足，并对系统需要进一步研究的内容进行了相 应的展望。 浙江大学硕士学位论文 第二章自动对焦的原理和方法 2 1 自动对焦技术的原理 在光学系统中，镜头对一定距离的目标成像有一个最佳像面位置，这个位置 通常满足物像共轭关系，称为对焦；偏离了这个位置，将导致系统离焦，造成图 像质量下降、成像模糊。光学系统的相对孔径越大，离焦表现的效果越明显。离 焦会直接影响后续的信息提取和处理工作。 自动对焦问题是数字成像系统的核心问题之一。在成像系统中，成像物体对 于成像物镜有一个最佳的成像位置，如果成像平面偏离了这个最佳位置，所成的 图像就会模糊不清，成像质量明显下降，因此精确对焦对于成像系统来说是极为 重要的。 自动对焦是一种保障成像系统获取高清晰度图像的技术，最早应用在照相系 统中，随着精密仪器向高精度、自动化方向的发展，它的应用范围也迅速扩大， 并成为显微成像系统中不可缺少的部分。在对微器件成像时对物镜的分辨率要求 很高，焦深很小。因此在当前对像对焦清晰后，如果对象稍有位置变动或对稍有 误差的其它物体成像，图像就变得模糊，如不采用对焦措施，则会影响微器件的 识别和测量，因此必须有一套使显微系统快速自动对焦的系统。 2 1 1 显微镜成像原理 光学系统的作用就是把物空问的物体成像在像空间共轭的位置上，提供给接 受器件( 人眼腈、感光乳胶、光电器件等) 接受。在自动对焦系统中，光学显微成 像系统是获取被测对象图像关键部件。显微系统是用来观测近距离微小物体的光 学系统。它是由物镜和目镜组成的，其成像原理如图2 1 所示。物体a b 位于物 镜的一倍和二倍焦距之伺，经过物镜成一放大倒立的实像a b i 于目镜的物方焦平 面或焦平面之内，人眼可以再经过目镜看到放大成一虚像【1 2 1 。 6 浙江大学硕士学位论文 图2 - 1 显微镜成像原理图 如果接受器不是人的眼睛，而是光电器件( 如c m o s 器件) ，则可以将c m o s 器件置于实像平面a b 处。此对焦系统应用的是c m o s 电荷藕合器件，置位在 实像平面a b 处，被测对象的图像经过显微镜放大系统，最终把光会聚在c m o s 上，从而获得被测对象的实像，即是我们所需要的图像。 2 1 2 成像系统模型 根据透镜成像原理，焦距厂、物距“及像距s 之间的关系有以下的基本公式： l11 i + - s2 7 但- 1 “， 理想情况是物平面上的每一个点发出的全部光线，经过透镜折射后仍交于一 点。即每一个物点都对应一个像点，且是唯一的像点。当物平面到透镜的距离为 甜，观察面到透镜的距离为j 时，得到清晰的对焦图像，此时的观察面就是系统 的对焦平面。若观察面与焦平面的偏离量为万，则在观察面上将形成一个半径为 r 的模糊圆，如图2 2 所示：从另一角度可以理解该模糊圆为在观察面上产生了 偏离焦距图像。所咀，的大小可以表征图像对焦的程度，r 越大，则图像越远离 对焦平面；r 越小，则图像越靠近对焦平面。可以建立模糊圆的半径，与位移量s 之间的关系式如公式( 2 2 ) 所示，式中的胄为透镜的半径，则r 的大小与物的位置 p 无关。在无源方式自动对焦算法中定义个对焦评价函数，评价函数随着，增 大，评价函数的值逐步减小，当r 取得最小值时得到的对焦评价函数取得最大值 浙江大学硕士学位论文 f 1 3 l 【1 4 1 占r ，= 一s ( 2 - 2 ) 图2 - 2 透镜成像原理图 图像在对焦成像和传输过程中，由于所使用的器件和传输通道的局限性而被 加入了大量的噪声。如果考虑到成像过程中的噪声对目标图像的影响，则对物体 的成像过程如图2 - 3 所示，其中n ( x ，y ) 为成像噪声，f ( x ，j ，) 对焦的图像，g ( x ，y ) 为得到的实际输出图像。 厂( n ( x ，y ) 图2 - 3 成像过程模型 实际的光学成像系统并不是一个严格的线性系统，但在一定的条件下，可以 将其视为线性移不变系统，因此可以根据图模型得到下面的式子： 8 浙江大学硕士学位论文 g ( x ，y ) = h f ( x ，y ) + n ( x ，y ) ( 2 3 ) = i i f ( a ，) j l z ( x 一口，y 一) d 口d + 刀( 工，y ) 其中等式：h ( x - a ，y 一夕) = h 6 ( x - a ，y - , o ) 为系统的点扩散函数，它描述 了物镜成像的光学特性，决定了成像的模糊程度15 1 。 一般地，显微物镜的点扩散函数可以用下面的等式表示： 揪川= 嘉e 一等 对上式两边进行傅立叶变换，得到其在频域中的表达： 日( 甜，1 ，) ：p 一 从上式可以看出，模糊成像过程是一个低通滤波过程。要对图像的对焦程度 进行度量，就要采用高通滤波器，分析图像中高频成分。视觉上是从一幅图像的 清晰度来判断它是否对焦，从空域角度看，对焦的图像比离散图像灰度变化明显， 有较多的锐化边缘。从频域角度看，由于离焦是一个低通滤波的过程，当图像对 比度不大即离焦时，图像的高频分量相对比较少。对焦的图像比离焦的图像包含 更多的信息和细节，也就是相对地包含了更多的高频分量。图像的好坏和清晰度 与图像的高频分量有很大的关系。 2 1 3 显微镜自动对焦原理 光学显微镜主要功能是通过光学系统的作用放大被观察的对象，供人们更清 晰地观察对象，从微观结构认识对象地特征。也可供检测人员更精密地检验产品 地外观尺寸。低倍显徼镜由于工作距离长，景深比较远，一般来说只要物距误差 小于o 1 m m ，则一旦调定后检测其它对象就无需再调整焦距，图像仍然清晰。随 着显微镜放大倍数增大，工作距离变短，景深也变短，因此在当前对象对焦清晰 后，对稍有误差地其它对象就变得模糊，这对于严格要求测量精度地场合来说是 致命的缺陷，直接降低测量精度。在这样的情况下，就必须对每一个被检对象单 独对焦。如果被检对象很多，对焦的工作量就很大，对显微镜进行自动对焦就能 充分发挥作用。 9 浙江大学硕士学位论文 显微镜的自动对焦是通过机械机构移动上下移动载物台，即代替了粗调或者 微调的功能，改变显微镜成像系统的微距，从而达到调整图像清晰度的效果，在 移动过程中找到图像最清晰点，完成自动对焦。 显微自动对焦系统按照其工作运作方式的不同，可将自动对焦的原理分为两 大类。一类是应用测距原理，先测量出镜头和被测物体的距离，根据透镜成像公 式，结合镜头的参数，计算出可使被测物体清晰成像时的镜头位置，然后调整镜 头的位置，使得成像正好清晰。这类方法的典型应用为：早期的具有自动对焦功 能的照相机。由于测距装置的精度限制，这类方法适合于对对焦要求不是很高的 场合。另一种工作原理是利用数字图像处理技术直接对镜头所成的图像进行分 析，根据成像的对焦函数判断是否对焦，如果没有对焦，则按照一定的算法调整 镜头的位置，再判断是否对焦，反复进行直到到达最佳对焦为止。这类方法由于 直接对成像进行分析，可以精确地判断出对焦状态1 1 6 1 。 考虑到算法的精度和实现难易程度，我们所研究的显微镜自动对焦系统利用 图像清晰度进行对焦。系统对所采集的图像进行对焦评价和计算，驱动电机的运 作，最后得到清晰的图像，完成其自动对焦。 我们知道，在控制电机上下移动载物台时，成像最清晰的位置只会存在某一 个位置上，而且在该位置的之前或者之后，所成的图像都是较模糊，而且越远离 这个位置，所得的图像将会越模糊【1 7 1 。对焦评价函数与镜头之间的所成的曲线可 以近似地如图2 _ 4 所示。 j 攀 姜 l 值 对焦位置镜头位直 图2 4 对焦评价函数与镜头位置关系图 1 0 浙江大学硕士学位论文 所以我们通过控制电机改变镜头位置，即改变物距，计算一系列的不同位置 的对焦评价函数值，画出评价函数曲线，找到对焦位置，即完成自动对焦。 2 2 自动对焦技术的基本方法 2 2 1 传统的自动对焦方法 几十年来，人们在改进光学机械的基础上创造发明了许多对焦的方法，包括 对比度对焦、相位对焦、加装测距机测量距离对焦等。 按照有无探测源，可分为两种方式，即：有源对焦、无源对焦。有源方式是 相机发射探测信号来测量距离；而无源方式则是利用被摄物体信号的高频分量来 调整焦点的方法【嘲。 按照是否测距，自动对焦的方式基本上也可以分为两种：测距方式与焦点检 测方式。测距方式中有根据三角测量原理的测距法和超声波测时间法；焦点检测 方式主要是检测对焦屏上的影像模糊量或偏移量，以判断对焦的精确度，主要有 对比度法和相位法。 表2 1 简单介绍了各种传统对焦方式的原理。 表2 - 1 传统对焦方式 测距法焦点检测法 测距法 测时间法对比度法相位法 利用被摄物体自身亮发射超声波脉冲测量检测影像的模糊量检测影像的偏移量 度对比由光电元件测反射时间 距 ( 1 ) 主动式自动对焦 这种方式应用近红外光线作为照射源，由红外发光二极管通过透镜发射红外 光束对被摄物体进行扫描辐射，反射回来后由光电元件接收，并转变为光信号， 控制镜头的对焦移动。红外光束由近至远进行扫描，当光电元件接收到的反射光 束达到峰值时，电路系统输出的电信号将控制镜头停止移动，并停在正确的对焦 位置上f 1 9 1 1 2 0 。 浙江大学硕士学位论文 这种方式的特点是在任何光照条件下都能工作，而且被摄物体的明暗变化 对对焦效果也不会产生明显的影响。但有效对焦距离短，超过了一定的距离就一 律以无限远处理。而且遇到一些红外反射几率小的景物或反射光束不能返回镜头 时，将导致测距失灵或对焦不准。 ( 2 ) 被动式自动对焦 它是利用被摄物体自身的亮度对比进行鉴别和测距并实现自动对焦的方式。 它应用三角测量与双像重合测距的原理，而从基线两端来的物像不重合度则由光 电元件取代了人眼的检测，并由a f 部件通过运算系统和驱动机构控制镜头的正 确定位。这种方式检测精度高，但在物体亮度较暗或者亮度对比度较低的情况下， 其检测和分辨能力明显下降，容易造成对焦的误差，使应用范围受到一定的限制。 ( 3 ) 三角测距法1 2 1 】嘲 测距原理如图2 5 所示。左边的反射镜是局部镀膜反射镜，即中问一小块反 射右边来的光线，其余大部分视场透射前方直接进入的光线，这样在对焦平面上 的影像如图左下角所示。右边的反射镜在电路控制下转动，对焦平面上有光电元 件进行探测，当透射和反射的两部分影像重合的时候，可动反射镜的摆动角吡 和物体a 的距离之间有如下关系： o t l 2 = l 2 a r c t g ( b d 1 ( 2 - 6 ) d a 图2 - 5 三角测距原理图 1 2 浙江大学硕士学位论文 ( 4 ) 超声波自动对焦 超声波自动对焦方式应用反射时间的测定来实现自动对焦。首先相机对被摄 物体发出一个超声波脉冲，然后计算从反射到返回所经历的时间，从而确定对焦 距离并驱动镜头移动到对焦位置。在实际应用中，对于0 2 5 m 3 m 的拍摄距离， 测距的往返时间约为1 5 m s - 2 0 m s ，现代电子技术还是很容易实现对毫秒级的信 号检测的。但是在超声波a f 系统中，为了消除同相位声波散斑干涉现象，提高 控制精度；为了控制超声波测距的方向性，为了减少温度的影响以及反射波随距 离衰减的影响等等，需要采用复杂的电路系统进行调整和补偿。这种系统可对任 何光滑或粗糙的物体表面进行准确的检测和对焦，而对吸收超声波的物体，就无 法进行准确的测量和对焦。 ( 5 ) 对比度法和相位法自动对焦 对比度法是通过检测影像的轮廓边缘实现自动对焦的。像的轮廓边缘越清 晰，则它的亮度梯度就越大，或者说边缘处景物和背景之间的对比度就越大。反 之，离焦的像，轮廓边缘模糊不清，亮度梯度或对比度下降；离焦越远，对比度 越低。利用这个原理，可以将两个光电检测器放在底片位置的前后相等距离处， 被摄景物的像经过分光同时成在这两个检测器上，分别输出其成像的对比度。当 两个检测器所输出的对比度相等时，说明对焦的像面刚好在两个检测器中间，即 和底片的位置重合，完成对焦。 相位法是通过检测像的偏移量实现自动对焦的。在感光底片的位置放一个由 平行线条组成的网格板，线条相继为透光和不透光。网格板后适当位置上与光轴 对称地放置两个光探测器。网格板在与光轴垂直方向上往复振动。当对焦面与网 格板重合时，通过网络板透光线条的光同时到达其后面的两个光探测器。而当离 焦时，光束只能先后到达两个光探测器，于是它们的输出信号之间有相位差。有 相位差的两个信号经电路处理后即可控制执行结构来调节物镜的位置，使对焦面 与网格板的平面重合 对比度法和相位法都属于焦点检测方式。对比度法检测影像的模糊量，相位 法检测影像的偏移量。关键都是如何准确地代替人眼去判断影像对焦是否准确。 当一个景物清晰成像时，轮廓边缘清晰，其边缘处和背景之间的对比度明显；反 之，离焦的影像轮廓模糊，背景和边缘对比不明显。对比度法就是利用光电元件 浙江大学硕士学位论文 的非线性特性来检测影像的边缘轮廓的最清晰位置。 各种自动对焦方式各有其局限性。例如红外测距和超声测距的对焦方法，当 被测目标对红外光或者超声波有较强的吸收作用时，将使测距系统失灵或对焦不 准确；而对比度法受光照条件的制约，当光线暗弱或被摄体与背景明暗差别很小 时，对焦就会有困难，甚至失去作用。焦点检测方式自动对焦精度高。技术先进， 但在使用中也受某些因素的限制而影响对焦的准确性。比如：被摄物体要有一定 的亮度对比，要有较固定的图形轮廓，要有一定的照明亮度等洲。但总的来说， 这种自动对焦方式还是非常实用的，它对被摄目标的环境要求不算高，对焦效果 也较其他方式好，更容易实现快速甚至实时自动对焦。 2 2 2 基于图像处理的自动对焦方法 随着计算机技术的进一步发展，利用现有丰富的计算机软件、硬件条件，数 字图像处理技术在计算机平台上得以实现。 在用计算机作数字图像采集时，可充分利用计算机处理数字信号的高速度和 灵活性，针对数字图像进行自动对焦。随着计算机硬件和数字图像技术的飞速发 展，图像的实时处理已经成为可能。 一般来说，准确对焦的图像与离焦的图像相比，在细节上更丰富，具有更高 含量的高频成份，对比度也更强烈。自动对焦就是要通过调整对焦镜头来搜索获 得使图像的高频分量为最大值的状态。在对焦范围内寻找最佳对焦位置的方法之 一是计算一帧( 或一场) 中视频信号中的高频成份值，这个值被称为对焦评价函 数，自动对焦的过程就是求对焦评价函数最大值的过程。计算机对通过视频采集 设备采集到一系列的数字图像的每一帧图像计算对焦评价函数，做出评价函数值 曲线，找出函数最大值，移动镜头到对应位置，即完成自动对焦。 基于图像处理的自动对焦具有以下两大优点： ( 1 ) 对焦更加智能化，对焦判断更加灵活和多样。基于模拟图像的对焦检测 方法只利用被测物体和背景之间的对比度作为判断是否成像清晰的判据。而通过 数字图像处理，不仅可以利用梯度信息，还可以提取图像中各种其他的有效信息 进行判断，例如频率、相位等。对于具有高频信息的图像，一般而言，对焦越准 确，图像信号的频率越高，边缘越尖锐；离焦时则频率减低，边缘相对平滑。此 1 4 浙江大学硕士学位论文 外，由于计算机处理图像的灵活性，可以针对不同的使用要求，选择不同的判据 进行对焦。例如，有时候我们所关心的目标只是图像的某一个局部，而不是整幅 图像的清晰程度。这时应该针对图像中的这一局部迸行处理和提取判据，用该局 部的对比度作为对焦的根据1 2 5 j 。 ( 2 ) 用计算机可以很方便地对运动执行机构进行控制，从而避开复杂的对焦 电路和机构。计算机接口和总线技术已经非常成熟，通过软件给出控制信号，通 过电机驱动器控制电机带动镜筒运动，不仅灵活方便，响应速度符合对焦要求， 还能大大简化电路的运动机构。 浙江大学硕士学位论文 第三章系统的硬件组成及具体实现 3 1 系统的整体硬件设计 甘二篓兰二卜 _ 镜头 计 显 算 铝暑 微 机 镜 镜筒 图3 l 系统硬件连接框图 系统的硬件结构如图3 1 所示，主要由计算机、基于c m o s 的视频采集设备、 显微镜、步迸电机和步进电机驱动器等组成。视频采集设备通过u s b 接口与计 算机连接，步进电机通过专用的电机驱动器也以u s b 接口与计算机连接。计算 机通过驱动器控制步进电机转动，并同时接收传感器发送的图片。步进电机每转 动一次，计算当时位置图像的评价函数值，根据优化的爬山搜索算法，得出准确 的对焦曲线，最终找到最佳对焦点的位置，完成自动对焦。 本章下面的内容具体介绍各组成部分。 3 2 u s b 通信 u s b 系统主要由u s b 主控制器( h o s tc o n t r 0 1 ) 、集线器( h u b ) 、连接电缆、 u s b 设备组成。u s b 设备的具备连接方式如图3 - 2 所示f 2 6 1 。 图3 - 2u s b 设备的连接方式 1 6 浙江大学硕士学位论文 u s b 通过4 线电缆来传输数据和提供电源，如图3 3 所示。其中d + 和d 是 一对差分的信号线，而v b u s 和g n d 则提供5 v 的电源。 v b u s d 十 d - g n d v b u s d + d - g n d 图3 - 3 u s b 连接线 u s b 由于有以下优点，使它在数字图像、电话语音合成、交互式多媒体、 消费电子产品、计算机外设等领域得到了广泛的应用。 ( 1 ) 速度快。u s b 有全速和低速两种方式，全速方式主要应用于 5 0 0 k b ，s 1 0 m b s 的音频设备及压缩的视频设备；低速方式主要应用于交互式设备 中，如键盘、鼠标、输入笔和游戏设备等，其传输速率一般要求在1 0 1 0 0 k b s ； 在u s b 2 0 标准中又新加了高速方式，主要应用于2 5 - 4 0 0 m b s 的视频设备和存储 设备。 ( 2 ) 设备安装和配置容易。安装u s b 设备不需要打开计算机箱，加减已安装 过的设备也不需要关闭计算机。所有u s b 设备都支持热插拔，系统对其进行自 动配置，彻底抛弃了过去的跳线和拨码开关设置。 ( 3 ) 易于扩展。通过使用h u b 扩展可连接多达1 2 7 个外部设备。全速方式下 u s b 传输线长度为3 m 。通过h u b 或中继器可以使传输距离达到3 0 m 。 ( 4 ) 能够采用u s b 供电。u s b 总线提供最大为5 v 电压，5 0 0 m a 电流的电源。 ( 5 ) 使用灵活。u s b 共有4 种传输模式：控制传输( c o n t r 0 1 ) 、同步传输 ( i s o e h r o n o u s ) 、中断传输( i n t 咖p t ) 和块传输( b u l k ) ，可以适应不同设备的需型2 7 l 。 计算机通过u s b 设备d + 、d 一数据线的上拉电阻来确定该设备为全速传输 设备还是低速传输设备。当d + 数据线上接有1 5 k q 5 上拉电阻时，该u s b 设备为全速设备，如图3 4 所示所小，当d 一数据线上接有1 5 k t ) 5 上拉电 阻时，该u s b 设备为低速设备，如图3 5 所示1 2 9 l 。 1 7 浙江大学硕士学位论文 图3 - 4u s b 全速设备接口连接电路 n i m 一m id 峙蟊鼬m b r u l l f 峪享ld r - j n t r a n s c d e b u l o w - s p e e du s b 阻一 lf l- & t r a n s c e i c e r 套订 。 。 v r = i s k q 5 8 勺 h u bu p s t r e a mp o r t 1 4 0 s t o f r _ l - 1 s k q4 - 5 o r h u b p o l l f u l l - s p e e df u n c t i o n 图3 - 5u s b 低速设备接口连接电路 3 3 显微镜参数介绍 本系统选择的显微镜为x y 系列实验室生物显微镜。x y 实验室生物显微镜 的无限远色差校正系统，修正了传统生物显微镜的光学系统，可根据不同的需要 选择各种附件，包括明场、暗场、相衬、偏光、荧光等。 其技术规格如表3 1 所示。 表3 - 1 显微镜技术规格 光学系统无限远色差校正光学系统 观察筒铰链双目，3 0 。倾斜 目镜p l i o x 高眼点平场目镜，线视场2 2 m m 物镜转换器 内定位五孔转换器 物镜无限远平场消色差物镜( 4 x 、1 0 x 、2 0 x 、4 0 x 、1 0 0 x ) 粗微对焦机构 机构：粗微调同轴，带粗调上限位和松紧调节装置， 行程：2 5 r a m 1 8 浙江大学硕士学位论文 微调精度：2 p m 矩形机械移动平台 面积：1 7 5 x 1 4 5 m m 。 行程：7 5 x 5 0 m ， 机构：低位同轴调节左右手位可选。 附件：旋转载物台。可3 6 0 4 旋转，精度6 聚光镜 ma 1 2 0 2 2 摇出式消色差聚光镜 照明系统内装透射式柯拉照明，6 v 3 0 w 卤素灯，预置中心光强连续可调 3 4 视频采集设备 视频采集设备的主要部件是图像传感器，图像传感器就是把光信号转换成电 信号的装置，即把入射到传感器光敏上按空间分布的光强信息，转换为按时序串 行输出的电信号视频信号，该视频信号能再现入射的光学图像。6 0 年代前， 摄像的任务主要由各种电子束摄像管( 如光导摄像管、飞点扫描管) 来完成。6 0 年 代后期，随着半导体集成电路技术，特别是m o s 集成电路工艺的成熟，各种固 态图像传感器得到迅速发展。 电荷耦合器件c c d 是7 0 年代发展起来的新型半导体器件，它是在m o s 集 成电路技术基础上发展起来的。由于它具有光电转换、信息存储和延时等功能， 而且信噪比高、有很强的感光灵敏面和良好的动态范围，所以在图像传感、信息 存储和处理方面得到了广泛的应用。然而，c c d 图像传感器有如下缺点： ( 1 ) 驱动电路和信号处理电路难与c c d 图像阵列单片集成，图像系统为多芯 片系统。 ( 2 ) 为了获得信号的完整性，在像元间信号就要进行完美的转移，随着阵列 尺寸的增加，电荷转移要求更加严格准确。 ( 3 ) 时钟脉冲复杂，需要相对高的工作电压，不能与亚微米和深亚微米的 v l s i 技术兼容。 ( 4 ) 成品率低，成本高，蓝光响应差，有光晕。 ( 5 ) 图像信息不能随机读取，而这种随机读取对很多应用是不可缺少的( 2 9 1 。 为了克服c c d 感光芯片的不足，人们研发和推出了新型的c m o s 影像传感 器。与c c d 相比，c m o s 最明显的优势是集成度高、功耗小、生产成本低、容 易与其他芯片整合。c m o s 芯片几乎可以将数码相机所需的全部捕获功能集成到 一块芯片上，这不仅因为c m o s 像素尺寸更小，有更多的地方放置电路，它甚 1 9 浙江大学硕士学位论文 至可以将模数转换控制芯片集成在一起，图像数据不必在迷宫般的电路中被传来 传去，极大地提高了捕获速度。此外，c m o s 还更省电，功耗仅为c c d 的1 8 。 现在国内外纷纷致力于c m o s 图像传感器的应用研究工作，充分利用c m o s 图 像传感器的优越性，开发更多基于c m o