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一種基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)
摘要：一種基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦方法，應(yīng)用該方法設(shè)計(jì)一種虹膜圖像自動(dòng)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用虹膜區(qū)域的平均對比度作為是否對焦準(zhǔn)確的判據(jù)，并以此為反饋控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)對焦。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)焦精確，采集到的虹膜圖像清晰，符合使用要求；并且調(diào)焦機(jī)構(gòu)簡單，整個(gè)系統(tǒng)控制易于實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：自動(dòng)調(diào)焦 圖象處理 虹膜識別
在攝影攝像技術(shù)中，調(diào)焦是保證感光介質(zhì)所記錄的影像取得清晰效果的關(guān)鍵步驟。調(diào)焦機(jī)構(gòu)就是用來調(diào)節(jié)攝像鏡頭和感光介質(zhì)之間的距離，使得像平面落在感光介質(zhì)的表面。目前，常用的自動(dòng)照相機(jī)、攝像機(jī)和數(shù)碼相機(jī)中多采用自動(dòng)調(diào)焦，即根據(jù)被攝目標(biāo)的距離，由集成電路指使鏡頭前后移動(dòng)到相應(yīng)的位置上，從而使被攝目標(biāo)自動(dòng)清晰成像。自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)從20世紀(jì)70年代后期發(fā)展起來，到現(xiàn)在已經(jīng)日臻成熟并取得了廣泛應(yīng)用，從而使攝像、攝影設(shè)備的自動(dòng)化功能更加完善。
1 自動(dòng)調(diào)焦的幾種主要方式
從基本原理來說，自動(dòng)調(diào)焦可以分成兩大類：一類是基于鏡頭與被攝目標(biāo)之間距離測量的測距方法，另一類是基于調(diào)焦屏上成像清晰的聚焦檢測方法。(范文先生網(wǎng)www.htc668.com收集整理)
1.1 測距方法
測距方法的自動(dòng)調(diào)焦主要有三角測量法、紅外線測距法和超聲波測距法。
（1）三角測量法 測距原理如圖1所示。左邊的反射鏡是局部鍍膜反射鏡，即中間一小塊反射右邊來的光線，其余大部分視場透射前方直接進(jìn)入的光線，這樣在調(diào)焦平面上的影像如圖1左下角所示。右邊的反射鏡在電路控制下轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)焦平面上有光電元件進(jìn)行探測，當(dāng)透射和反射的兩部分影像重合的時(shí)候，可動(dòng)反射鏡的擺動(dòng)角α/2和物點(diǎn)A的距離D之間有如下關(guān)系：
α/2=(1/2)arctg(b/D)
式中，b為基線長。
于是，系統(tǒng)可以計(jì)算出被攝目標(biāo)和鏡頭之間的距離并驅(qū)動(dòng)鏡頭運(yùn)行到合適的位置，完成調(diào)焦。
（2）紅外線測距法 該方法的原理類似于三角測量法，所不同的是由照相機(jī)主動(dòng)發(fā)射紅外線作為測距光源，并用紅外發(fā)光二極管的轉(zhuǎn)動(dòng)代替可動(dòng)反光鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)。
（3）超聲波測距法 該方法是根據(jù)超聲波在攝像機(jī)和被攝物之間傳播的時(shí)間進(jìn)行測距的。照相機(jī)上分別裝有超聲波的發(fā)射和接收裝置，工作時(shí)由超聲振動(dòng)發(fā)生器發(fā)出持續(xù)時(shí)間約1/1000秒的超聲波，覆蓋整個(gè)畫面的10%。超聲波到達(dá)被攝體后，立即返回被接收器感知，然后由集成電路根據(jù)超聲波的往返時(shí)間來計(jì)算確定調(diào)焦距離。
紅外線式和超聲波式自動(dòng)對焦是利用主動(dòng)發(fā)射光波或聲波進(jìn)行測距的，稱之為主動(dòng)式自動(dòng)對焦。
1.2 聚焦檢測方法
聚焦檢測方法主要有對比度法和相位法
（1）對比度法 該方法是通過檢測影像的輪廓邊緣實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦的。像的輪廓邊緣越清晰，則它的亮度梯度就越大，或者說邊緣處景物和背景之間的對比度就越大。反之，離焦的像，輪廓邊緣模糊不清，亮度梯度或?qū)Ρ榷认陆�；離焦越遠(yuǎn)，對比度越低。利用這個(gè)原理，將兩個(gè)光電檢測器放在底片位置的前后相等距離處，被攝影物的像經(jīng)過分光同時(shí)成在這兩個(gè)檢測器上，分別輸出其成像的對比度。當(dāng)兩個(gè)檢測器所輸出的對比度相等時(shí)，說明調(diào)焦的像面剛好在兩個(gè)檢測器中間，即和底片的位置重合，于是調(diào)焦完成。
（2）相位法 該方法是通過檢測像的偏移量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦的。如圖2所示，在感光底片的位置放置一個(gè)由平行線條組成的網(wǎng)格板，線條相繼為透光和不透光。網(wǎng)絡(luò)板后適當(dāng)位置上與光軸對稱地放置兩個(gè)受光元件。網(wǎng)絡(luò)板在與光軸垂直方向上往復(fù)振動(dòng)。從圖2可以看出，當(dāng)聚焦面與網(wǎng)絡(luò)板重合時(shí)，通過網(wǎng)格板透光線條的光同時(shí)到達(dá)其后面的兩個(gè)受光元件。而當(dāng)離焦時(shí)，光束只能先后到達(dá)兩個(gè)受光元件，于是它們的輸出信號之間有相位差。有相位差的兩個(gè)信號經(jīng)電路處理后即可控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)物鏡的位置，使聚焦面與網(wǎng)格板的平面重合。
各種自動(dòng)對焦方式各有其局限性。例如紅外測距和超聲測距的對焦方法，當(dāng)被測目標(biāo)對紅外光或超聲波有較強(qiáng)的吸收作用時(shí)，將使測距系統(tǒng)失靈或?qū)共粶?zhǔn)確；而對比度法聚焦檢測受光照條件的制約，當(dāng)光線暗弱或
被攝體與背景明暗差別很小時(shí)，調(diào)焦就會有困難，甚至失去作用。
2 基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦
聚焦檢測的自動(dòng)調(diào)焦方法是依據(jù)被測物的光學(xué)圖像。在用計(jì)算機(jī)作數(shù)字圖像采集時(shí)，可充分利用計(jì)算機(jī)處理數(shù)字信號的高速度和靈活性，針對數(shù)字圖像進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦。隨著計(jì)算機(jī)硬件和數(shù)字圖像技術(shù)的飛速發(fā)展，圖像的實(shí)時(shí)處理已成為可能。計(jì)算機(jī)通過鏡頭和CCD采集到一系列的數(shù)字圖像，對每一幀圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，判斷對焦是否準(zhǔn)確，成像是否清晰，并給出反饋信號控制鏡頭的運(yùn)行，直到采集到的圖像符合使用要求，即完成自動(dòng)調(diào)焦。
基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦具有以下兩大優(yōu)點(diǎn)：
第一，調(diào)焦更加智能化，聚焦判據(jù)更加靈活和多樣�；谀M圖像的聚焦檢測方法只利用被測物和背景之間的對比度（輪廓邊緣的梯度）作為判斷是否成像清晰的判據(jù)。而通過數(shù)字圖像處理，不僅可以利用梯度信息，還可以提取圖像中各種其它的有效信息進(jìn)行判斷，例如頻率、相位等。對于具高頻信息的圖像，一般而言，對焦越準(zhǔn)確，圖像信號的頻率越高，邊緣越尖銳；離焦時(shí)則頻率降低，邊緣相對平滑。此外，由于計(jì)算機(jī)處理圖像的靈活性，可以針對不用的使用要求，選擇不同的判據(jù)進(jìn)行調(diào)焦。例如，有時(shí)候我們所關(guān)心的目標(biāo)只是圖像中的某一個(gè)局部，而不是整幅圖像的清晰程度。這時(shí)應(yīng)該針對圖像中這一局部進(jìn)行處理和提取判據(jù)，用該局部的對比度（邊緣梯度）作為調(diào)焦的依據(jù)。
第二，利用計(jì)算機(jī)可以很方便地對運(yùn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，從而避開復(fù)雜的調(diào)焦電路和機(jī)構(gòu)。計(jì)算機(jī)接口和總線技術(shù)已經(jīng)非常成熟，通過軟件給出控制信號，直接控制電機(jī)動(dòng)物鏡的運(yùn)行，不僅靈活方便，響應(yīng)速度符合調(diào)焦要求，還能大大簡化電路和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
缺點(diǎn)是，由于圖像處理需要占用大量的計(jì)算機(jī)資源，這種自動(dòng)調(diào)焦方法對計(jì)算機(jī)硬件提出了較高的要求。此外，和前面所介紹的對比度法一樣，也受到光照條件的限制。
3 在虹膜圖像采集中的應(yīng)用
虹膜位于瞳孔和鞏膜之間，是瞳孔周圍的環(huán)狀部件，呈褐色或藍(lán)色。虹膜的表面呈現(xiàn)高低不平的皺襞、隆起和內(nèi)陷，其外觀形貌因人而異，并且不隨時(shí)間而改變。虹膜的這些特點(diǎn)非常合作為人個(gè)身份識別的依據(jù)，因而虹膜識別鑒別技術(shù)作為物特征識別技術(shù)的一個(gè)分支，近年來得到了迅速的發(fā)展和應(yīng)用。
采集到清晰、高質(zhì)量的虹膜圖像，是虹膜識別的首要問題，同時(shí)也是虹膜識別所面臨的主要困難之一。由于虹膜范圍小、細(xì)節(jié)特征多，要獲得高分辨率的圖像，要求光學(xué)系統(tǒng)具有較大的放大率，同時(shí)需要較大的通光孔徑來保證照明效果。但是通�？讖皆酱�，系統(tǒng)景深越小，因而要求自動(dòng)調(diào)焦非常精確。
用攝像機(jī)采集到的虹膜圖像往往包含整個(gè)眼睛輪廓，而我們感興趣的只是其中虹膜部分，因而自動(dòng)對角只能針對虹膜的局部，調(diào)焦的目標(biāo)是讓虹膜部分清晰成像�；谝陨峡紤]，我們設(shè)計(jì)了一種基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)用于虹膜圖像采集�？紤]到可見光對人眼的刺激，要用紅外光進(jìn)行照明。當(dāng)被攝目標(biāo)（人眼）和攝像機(jī)鏡頭之間的距離到達(dá)一定范圍內(nèi)時(shí)，攝像物鏡在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行小幅度的移動(dòng)，同時(shí)CCD和圖像采集卡不斷采集圖像，并對所采集到的一系列圖像作圖像質(zhì)量評價(jià)，判斷虹膜部分是否成像清晰。當(dāng)鏡頭移動(dòng)到合適的位置，虹膜成像清晰，符合后續(xù)處理和模式識別的要求時(shí)，即完成自動(dòng)調(diào)焦過程，系統(tǒng)自動(dòng)將該圖像保存。
虹膜圖像的實(shí)時(shí)處理，首先是在包括整個(gè)人眼的圖像中尋址找虹膜的環(huán)狀區(qū)域，即界定虹膜的中心位置和內(nèi)外邊界。由于瞳孔、虹膜和鞏膜均具有規(guī)則的圓形邊界，采用哈夫變換進(jìn)行圖像分割分別達(dá)到很好的效果。哈夫變換利用圖像的全局特性來檢測邊緣的一種方法。在預(yù)先知道區(qū)域形狀的條件下，利用哈夫變換可以方便地得到邊界線并將不連續(xù)的連緣象素點(diǎn)連接起來。針對虹膜的圓形邊界，哈夫變換的邊緣檢測算子可用下式表示：
在圓的參數(shù)空間(r,x0,y0)中，尋找使得上述算子達(dá)到最大的值，即可分別找到虹膜內(nèi)、外圓形邊界。其中Gσ(r)是高斯函數(shù)，（σ因子可以控制算子對邊緣梯度的敏感程度）；I（x,y）是坐標(biāo)為（x,y）的象素點(diǎn)的灰度值。先將瞳孔和虹膜之間的顯著邊界檢測出來，同時(shí)找到虹膜的中心坐標(biāo)；然后在較小的范圍內(nèi)利用該算子尋找虹膜和鞏膜的邊界。
圖像質(zhì)量評價(jià)基于圖像局部（虹膜部分）的頻率梯度信息。在虹膜區(qū)域內(nèi)，清晰的虹膜應(yīng)該具有復(fù)雜紋理特征，因而圖像中含有高頻信息；同時(shí)虹膜基質(zhì)內(nèi)的血管和色素與周圍組織的顏色存在差異，在圖像中形成了較大的灰度梯度。當(dāng)虹膜部分梯度最大，頻率最高成了較大的灰度梯度。當(dāng)虹膜部分梯率最大，頻率最高的時(shí)候，即是對焦最準(zhǔn)確的時(shí)候。實(shí)際上，由于紋理特征分布在整個(gè)虹膜環(huán)形區(qū)域，因此采用這個(gè)區(qū)域內(nèi)的平均對比度作為成像清晰的判據(jù)。計(jì)算每個(gè)象素附近對比度所用的算子Δ為：
Δ=|Ii,j-Ii-1,j|+|Ii,j-Ii+1,j|+Ii,j-Ii,j-1|+|Ii,j-Ii,j+1|
式中，Ii,j是坐標(biāo)為
（i,j）的象素點(diǎn)的灰度值，Ii-1，j、Ii+1，j、Ii,j-1和Ii,j+1為象素點(diǎn)（i,j）的鄰近象素點(diǎn)的灰度值（見圖3）。
自動(dòng)調(diào)焦程序流程如圖4所示。
4 實(shí)驗(yàn)
采用敏通1132C型CCD攝像頭作為攝像設(shè)備，Boser BS602圖像采集卡作數(shù)字圖像采集，利用紅外發(fā)光二極管陣列照明，PIII800計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)控制中心，按照上述基于圖象處理的方法進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦，當(dāng)虹膜成像清晰時(shí)自動(dòng)拍攝。實(shí)驗(yàn)所擷取的虹膜圖像照片如圖5所示，進(jìn)行圖像增強(qiáng)后如圖6所示。
從采集到的是膜圖像來看，在紅外光照明下，虹膜部分成像清晰。瞳孔輪廓顯著，虹膜部分有較高的對比度，紋理特征豐富明顯，說明自動(dòng)調(diào)焦比較精確，能夠滿足虹膜圖像采集的要求。
本文介紹了一種基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦方法，并應(yīng)用該原理設(shè)計(jì)了一種虹膜圖像自動(dòng)采集系統(tǒng)。采用紅外照明，計(jì)算機(jī)在控制攝像物鏡移動(dòng)的過程中不斷采集人眼圖像，對每幅圖像首先定位虹膜區(qū)域，并根據(jù)該區(qū)域的對比度判斷虹膜是否成像清晰，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦，擷取最終用于識別的圖像。通過實(shí)驗(yàn)證明，自動(dòng)調(diào)焦比較精確，采集到的虹膜圖像具有較高的對比度、紋理特征豐富明顯，符合后續(xù)處理和使用的要求。并且調(diào)焦機(jī)構(gòu)相對簡單，整個(gè)系統(tǒng)控制易于實(shí)現(xiàn)。
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