基于数字图像处理的自动对焦方法研究

发布时间：2020-06-21 18:00

【摘要】：自动对焦技术是成像系统成像过程中的一项关键技术,随着计算机技术、机械自动化和图像处理技术的不断发展,基于图像处理的自动对焦技术以系统结构简单、对焦速度快、准确率高等优势被广泛地应用于各类成像系统中。数码相机、智能拍照手机等各类小型化成像设备的普及也使消费者对自动对焦技术的要求越来越高,成像质量与成像速度都十分重要,如何实现快速准确的自动对焦成为了问题的关键。然而,现有的基于图像处理自动对焦技术仍然存在缺点与不足,仍有许多问题亟待解决。因此开展基于图像处理的自动对焦方法研究对光学成像领域具有重要意义。为了满足人们对自动对焦技术的需求并解决现有的问题,本文主要分别针对自动对焦评价函数的改进、对焦窗口的选取、自动对焦搜索策略的设计以及获取图像后处理技术等几个关键环节进行了研究。首先,分析了成像系统的光学成像模型与基本原理,完善了现有自动对焦技术基本方法的分类,并指出基于数字图像处理的自动对焦方法的关键问题。为本文对自动对焦技术的研究思路与基本研究方向提供了依据。其次,开展了自动对焦评价函数的研究。对现有的评价函数进行了分类与原理介绍,指出理想的评价函数应该具有的性质。提出了一种覆盖范围可调的变频梯度绝对值自动对焦评价函数,解决了系统调焦范围较大时评价函数覆盖范围不够广的问题,实现了评价函数覆盖范围可调的目的;提出了一种基于强边缘宽度直方图的对焦评价函数,对图像进行分块加权处理,对利用图像边缘信息进行清晰程度评价算法进行改进,从而使算法的性能得到进一步提升;提出了一种基于相位一致性的对焦评价函数,利用相位一致性克服了亮度、对比度的变化及低信噪比对图像质量评价的影响。然后,讨论了自动对焦过程中对焦窗口选择的必要性及对焦窗口应该具备的性质,介绍了现有对焦窗口的选择方法,并研究了对焦窗口的选择方法,通过实验发现并指出自动对焦过程中存在场景漂移的现象,并研究了对焦窗口的跟踪选择策略;针对拍摄过程中出现多景深场景的情况进行了对焦窗口选择算法的研究;在此基础上,对所获得的准焦图像进行背景虚化,对于体积受到限制的成像系统,可以实现大光圈的艺术效果。接下来,开展了自动对焦搜索策略设计的研究,介绍了几种自动对焦搜索策略的原理并分析了不同搜索策略的优劣,为了满足消费者对自动对焦系统实时性与准确性的需求,通过对离焦模型的研究,推导了一种基于光学离焦梯度模型的表达式,进而提出了一种基于光学离焦梯度模型曲线拟合的自动对焦搜索策略,并利用实验对其进行了可行性验证。最后,针对夜景等特殊场景,开展了自动对焦与后处理技术研究,针对夜景等场景的自动对焦过程会受到灯光等过亮区域影响的问题,提出了一种饱和像素剔除的自动对焦评价函数;提出了一种基于暗通道原理的低照度图像增强算法,对低照度图像进行增强与较暗区域细节信息的恢复;进而,又针对低照度图像噪声较大的问题,提出了一种基于噪声估计的去噪算法,达到图像质量提升的目的,使成像效果令人满意。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.41
【图文】：

薄透镜,透镜成像,成像模型,孔径

２．Ｕ成像系统模型逡逑对于光学成像系统而言，再复杂的镜头结构都可以用一片凸透镜来代替，因此，为了逡逑简化研究模型，以一个理想的薄透镜来代表成像系统，如图２－１所示。逡逑Ｏｂｊｅｃｔ逦Ｌｅ＂ｓ逦Ｓ逦＂逡逑ｑ邋Ｉ逦Ｉｍａｇｅ邋Ｉ邋＞ｃｔｃｃｔｏｒ逡逑－？逦ｉｉ逦ｖ逦Ａ逡逑图２－１理想透镜成像模型逡逑该成像模型的各个参数意义分别为：横向的虚线表示光轴，乃为不规则薄透镜的孔径逡逑直径，／为焦距，ｗ代表物点ｐ到薄透镜的距离即物距，物点ｐ所在的平面为物平面，ｖ代逡逑表像点，到薄透镜的距离即像距，右侧为探测器平面，当系统处于离焦状态时，像距由ｖ逡逑变为代表物点０落在探测器平面上的模糊像斑，其直径为Ａ成像平面距理想像点逡逑的距离为Ａ。逡逑１４逡逑

示意图,焦深,景深,光学系统

允许弥散圆的大小决定，通常情况下，当人眼的分辨能力或者探测器的分辨率大于弥散圆逡逑直径的时候，人们所看到的像仍是清晰的。逡逑在几何光学中，焦深可以通过光学模型进行计算，如图２－２所示，＆和么２即为前后焦逡逑深，其表达式可由三角形相似定理得到：逡逑Ｏ邋Ｄ逡逑ａ，邋＾—？ｒ逦（２－Ｈ）逡逑１邋Ｄ邋＋邋２Ｒ逡逑Ａ，＝－＾—？ｒ逦（２－１２）逡逑其中，Ｄ为镜头的口径，／＇为理想像距，为弥散圆的半径，可利用公式（２－３）计算得到，逡逑因此，焦深Ａ即为式（２－１１）与式（２－１２）之和：逡逑４Ｒ逡逑Ａ邋＝邋Ａ．＋Ａ，＝逦Ｖ逦（２－１３）逡逑１逦２邋Ｄ邋＋邋２Ｒ逡逑另一方面，根据瑞利判据，当光学系统的最大波像差小于波长的四分之一时，成的像逡逑接近完善ｌ９Ｇ］。因此在工程应用中

【参考文献】