自动调焦方法在机载光电成像设备中的应用

自动调焦技术是一种可提升测量精度的方法。文中介绍了基于图像处理的自动调焦方式在机载光电成像设备中的应用。提出了Mix算子和Bevel算子两种调焦评价算子方式。应用局部全局搜索法、交变长爬山搜索法以及综合搜索法3种调焦控制策略。通过实验表明,采用图像处理自动调焦方式能满足机载光电成像设备调焦精确性要求。     

基于图像处理的航空成像设备自动调焦设计

针对当前航空成像设备中自动调焦装置结构复杂、不利于集成的问题,对基于图像处理的自动调焦方法在航空成像设备中的应用进行了研究。根据自然图像斜边缘多于水平和垂直边缘的特点,提出了基于图像斜边缘检测的对焦评价算子(Lean算子)。通过对多种对焦评价算子进行试验比较,分别选取斜边缘检测算子和卷积算子作为调焦粗搜索和精搜索阶段的对焦评价算子。针对航空成像设备光学系统的特点,提出了局部全局搜索算法(LFS)和变步长的爬山搜索算法(CHS),使用调焦行程为130步,焦深为2步的变焦镜头,分别将调焦时间由全局搜索算法的43s缩短至7s和5～8s。实验结果表明:将所提出的对焦评价算子和搜索算法结合使用,能够准确实现自动聚焦,准确度达到95%以上。     

利用LSF实现推扫式遥感相机的自动调焦

为实现推扫式遥感相机自动调焦,结合推扫成像的特点提出了利用LSF作为图像质量评价函数来指导自动调焦的方法。该方法利用了LSF和MTF的傅里叶变换关系。经过边缘检测后,搜索刀刃边缘区域,提取边缘扩散函数ESF,并通过求导得到像元尺寸级的LSF;然后利用最小二乘法作LSF的曲线拟合得出亚像元尺寸级的LSF,并且由LSF的重要参数σ得到图像质量评价值(IQE)指导推扫式遥感相机的自动调焦过程;通过实验对该方法的准确性和实时性做了验证,并给出了调焦精度的计算方法,最后利用IQE改变步距的爬山坡法实现调焦过程,提高了对焦速度及可靠性。实验结果表明:调焦精度可达到0.1倍焦深,调焦一次动作不超过0.2 s。说明该方法在实时性和准确性的方面都得到了较好的体现,为推扫式遥感相机实现自动调焦提供了可能性。     

TFT-LCD面板光学检测自动聚焦算法研究与比较

针对当前TFT-LCD玻璃基板在线检测过程中存在的显微图像对焦模糊问题,对基于图像处理的自动调焦方法在TFT-LCD玻璃基板检测中的应用进行了研究。基于对TFT-LCD液晶面板的光学检测,重点介绍了目前较为常用的、具有代表性的几种基于图像处理的清晰度评价算法,并从算法的单峰性、无偏性、灵敏性以及计算量等方面进行了比较与分析,提出了一种粗细调相结合的复合自动对焦方法,分别选取斜边缘检测算子和梯度滤波器算子作为调焦粗搜索和精搜索阶段的对焦评价算子。实验结果表明:使用调焦行程为15步的全局搜索算法,传统单一算法耗时2.18s,得到图像的清晰度评价函数值为46.78;粗细调相结合的复合自动对焦方法时间仅为1.41s,得到图像的清晰度评价函数值为52.49。该方法不仅对焦精度高,有较大的对焦范围,还能保证高的计算效率。     

图像清晰度评价与变步长融合调焦方法

十字丝目标在CCD上的成像,一般受到环境光和光路的影响,不同位置的焦距产生的十字丝图像会存在边缘模糊和离焦的情况,使十字目标的中心点位置提取受到严重影响,传统的Sobel算法忽视边缘信息,并且容易受噪声影响,因此提出改进Sobel算子图像清晰度评价函数与粗细调焦结合的变步长两段式快速搜索自动调焦的方法。该方法首先利用图像的空间域评价图像清晰度,其次利用根据光学设计选用的两段式调焦方式。第一步进行粗调,先快速找到正焦位置附近,然后进行细调,直至找到正焦的位置。实验表明,该方法与其他算法相比,自动调焦失败率为2%,调焦时间为1 242 ms,调焦行程在-25～+30 mm之间。通过该算法将图像清晰度评价函数与两段式调焦方式结合进行自动调焦,准确性高,实时性好。     

一种梯度阈值自动调焦算法

传统的梯度自动调焦算法计算量大,抗噪声能力弱,影响调焦的实时性及调焦曲线的单峰性和灵敏度,因此提出一种梯度阈值自动调焦算法,提高调焦性能,满足光电跟踪系统能实时、准确地进行自动调焦的要求。该算法先以图像的局部方差作为局部阈值区分边缘像素与非边缘像素,再计算整幅图像的一种新的标准差作为全局阈值来削弱噪声和背景的影响,最后对阈值预处理后的图像采用梯度调焦算法计算其调焦值,进行清晰度评价。大量实验结果表明,该算法具有实时性好,单峰性强,灵敏度高的特点和良好的抗噪性能。该算法用于光电跟踪系统的自动调焦中时,依然保持上述良好的性能,明显优于传统梯度自动调焦算法。     

基于人类视觉的快速自动调焦法

为了提高自动调焦算法的性能,对调焦评价函数和调焦搜索算法进行了研究。在分析人类视觉系统(HVS)特性研究成果的基础上,提出了一种基于HVS加权的小波调焦评价函数。根据视觉多通道特性和视觉敏感度带通特性,对不同方向、不同空间频带的小波高频系数分别赋予不同的权值。为了克服爬山法搜索速度慢的缺点,提出了一种基于SOM神经网络的搜索算法,采用训练完成的SOM神经网络预测镜头的最佳聚焦位置。实验结果表明,提出的小波调焦评价函数得到了比传统小波调焦评价函数更优的调焦特性曲线;采用本文的搜索算法平均仅需要采集处理7.3幅图像就能找到最佳聚焦位置,与基于全搜索的爬山法相比,节省了大量的搜索时间。说明提出的调焦方法不但可以得到符合人眼视觉的调焦效果,还可以实现快速自动调焦。     

激光共聚焦生物芯片扫描中的自动调焦

计算图像高频分量进行成像的调焦是自动调焦的方法之一。通过对调焦评价函数的分析,根据激光共聚焦生物芯片扫描的成像特点,提出了一种调焦评价函数-像素灰度差绝对值求和法。运用爬山搜索算法进行多次重复调焦实验,并对此调焦评价函数的自动调焦重复精度进行了验证。     

基于图像处理的自动调焦技术研究

随着自动调焦技术的快速发展,在成像系统中得到了广泛的应用。基于图像处理的自动调焦能够进一步满足各种成像设备的智能化自动调焦需求。基于图像处理的自动调焦的关键在于图像的清晰度评价函数,本文在对评价函数进行分析的基础上提出了梯度阈值评价函数,实现了调焦的实时性、抗噪性方面的提升。     

基于可见光及近红外的仿生视觉成像技术

为了解决传统单通道仿生视觉成像系统应用场景受限的问题,提出一种基于可见光及近红外的仿生视觉成像技术.首先,对多光谱光学成像系统进行研究,设计了以棱镜为分光元件的同口径双通道成像系统,对目标物体进行初步成像.然后,利用基于Roberts算子的图像清晰度评价函数并结合自适应变步长搜索策略对目标物体进行清晰成像.最后,搭建了以液体变焦透镜为调焦执行机构的实验装置,验证仿生视觉成像系统及自动调焦算法的实际性能,实验结果表明:光学系统的成像质量可满足实际需求,同时,自动调焦算法完成一次调焦过程的时间仅为1050 ms.     

白光扫描干涉过程的自动对焦方法研究

针对白光扫描干涉系统由于物镜景深小、干涉区间短而导致的调焦不准确、查找条纹困难、耗时长等问题,提出一种适用于白光干涉仪的自动对焦方法,该方法包括一种结合穷举法与爬山法的复合式对焦搜索算法,以及一种基于四叉树分解的粗精分步对焦评价函数。所提的搜索算法不需预先设定搜索范围,步长迭代可变,在能够快速搜索的同时具有较高的搜索精度和稳定性。所提的评价函数灵敏度较高,单峰性较好。实验结果表明,所提的自动对焦方法具有较高的对焦精度和速度,且能够在快速准确找到干涉条纹位置的同时,有效地避免由条纹以及环境噪声引起的对焦曲线多峰值问题。     

基于小波变换的太赫兹数字全息成像自动聚焦算法

自动聚焦技术是实现数字全息成像快速、准确再现的关键技术之一。在分析聚焦和离焦过程中小波变换高频和低频系数变化特点的基础上,提出了一种基于小波变换的聚焦判据函数。采用无噪声和被噪声污染的模拟太赫兹(THz)数字全息图,比较分析了这种聚焦判据函数和五种经典的数字全息聚焦判据函数的性能,给出了综合评价。仿真结果表明：同五种经典聚焦判据函数相比,基于小波变换的聚焦评价函数具有更好的单峰性、更高的主峰锐度和极佳的抗噪性,是一种性能优越的THz数字全息成像自动聚焦判据函数。     

数字同轴全息对刀技术中微细铣刀的自动聚焦方法

数字同轴全息对刀技术中微细铣刀全息再现像的自动聚焦是实现高精度自动对刀的关键技术,其中聚焦评价函数是判别图像质量的依据.通过比较几种常用的聚焦评价函数的评价性能,探讨了数字全息自动对焦过程中刀具的成像特点以及适用的聚焦评价方法,发现小波变换聚焦评价函数能适应高精度聚焦的需要.针对自动调焦问题,提出一种分段递进搜索方法,将搜索过程分为两个过程:大步距粗调和小步距精调,分段搜索最优解.然后比较分析了所提搜索方法与经典的模拟退火算法和Levenberg-Marquardt算法的搜索性能.实验结果表明,所提分段递进搜索方法适用性更强,并通过计算机模拟实验进一步验证了其有效性.     

基于线阵CCD的多表面焦点偏移测量

在显微成像过程中,焦点偏移对长时间的活细胞观测等应用有很大影响,自动对焦技术是解决该问题最有效的技术手段之一。反射式的主动式表面偏移测量是显微镜实现自动对焦的关键,但是在存在多个表面反射的情况下如何进行准确的焦点偏移测量仍是需要解决的一个问题。本文提出了一种针对多表面反射的焦点偏移测量方法,该方法采用线阵CCD对反射光斑进行成像,不同表面反射回来的光斑在线阵CCD上可以很好的区分,通过窗口加权质心法够精确地测量所需要的表面反射光斑在CCD上的位移,从而精确测定焦点偏移,在样品干燥和样品湿润的情况下测量精度分别达到106 nm和111 nm。     

基于八面梯度均方差的跟踪系统自动调焦方法

为了实现目标跟踪系统的自动调焦,针对其实时性、准确性的要求,提出了基于八面梯度均方差的自动调焦方法.该方法以像素周围8个方向的梯度均方差作为清晰度评价函数,对消除噪声及光线波动的影响效果很好,能够准确地计算图像清晰度.同时,制定了强制连续调焦与精确调焦相结合的调焦策略.通过对几种评价函数的研究仿真,验证了八面梯度均方差函数在单峰性、灵敏性和稳定性等方面的优越之处;通过反复进行自动调焦实验,说明了调焦策略在克服评价函数局部峰值和精确聚焦方面的良好表现.该方法已应用于目标跟踪系统的自动调焦.     

一种灰度梯度暗通道图像自动调焦方法

针对目前调焦评价函数存在的灵敏度低、鲁棒性差、易进入饱和区等问题,提出了一种融合灰度梯度和暗通道L0范数的调焦评价函数。首先分析并证明了清晰图像与离焦图像相比具有亮度更大、更稀疏的暗通道这一特性,然后选择了暗通道的L0范数对图像的离焦情况进行评价,最后融合图像灰度梯度与暗通道的L0范数构建了一种新的调焦评价函数。在对森林、公路、天空中的无人机、室内静物等多种场景的调焦实验中,使用单核DSP处理速度为9Hz,基本满足实时性;受到外界干扰时函数曲线没有出现伪峰;在离焦比较严重的情况下没有进入饱和区,仍然能够保持一定的陡峭度。实验结果表明,本文提出的调焦评价函数具有较好的灵敏度和鲁棒性,可以满足光电成像系统对实时调焦的要求。     

小机芯离焦检测系统特性的新型测量方法

利用聚焦预搜索原理，测量出小机芯离焦检测系统特性的关键参数：离焦偏置、离焦灵敏度和线性区范围。首先将周期电压输入小机芯的聚焦力矩器使小机芯进行聚焦预搜索，同时得到聚焦误差曲线；然后根据聚焦误差曲线计算出小机芯离焦检测系统的特性，利用聚焦误差曲线S状脉冲的出现时刻计算出离焦偏置，利用S状脉冲的斜率和峰峰值得到离焦灵敏度和线性区范围；最后给出测量实例。该方法采用电信号测量小机芯的离焦检测系统特性，无需进一步的聚焦闭环控制以及互维精密工作台，具有设备简单、易于实现等特点。     

基于功率谱的遥感相机自动调焦算法研究与实现

应用图像处理法针对线阵CCD推扫成像的遥感相机进行自动调焦研究.推扫成像的线阵CCD相机在任意时刻所拍摄的景物都是不同的,这就给对焦评价函数的选取增加了难度.用功率谱的方法对任意景物在空间频域进行分析表明,功率谱对于自然景物具有一定的不变性.由此建立了基于功率谱的对焦评价函数,并采用DSP FPGA的高速硬件系统方案实现自动调焦的算法.一系列的调焦实验表明,系统有较好的自动调焦性能,基于功率谱的对焦评价函数是可行的.     

辅助透镜构造开普勒望远系统法测量热焦距

基于望远系统的工作原理,提出了辅助透镜与热透镜构成开普勒望远系统的方法来测量工作物质对指示光的动态热焦距,结合指示光与ND:YAG激光波长关系推导工作物质对ND:YAG激光的动态热焦距。研究结果表明,该方法测量精度小于±5 MM,能够实现对热焦距较小情况的测量。