一体化摄像机中自动聚焦技术的研究与实现

摘要

近年来,一体化摄像机成为了电视监控系统中的核心设备。一体机在安防领域中的应用非常的广泛,这其中主要是因为一体化摄像机具有小巧方便,在结构上以及控制系统上都比较简单等特点。而一体化摄像机的发展主要得益于自动聚焦技术的发展,自动聚焦技术是利用各种成像系统在获取图像过程中的一个关键的技术。随着计算机技术的快速发展和数字图像处理技术的改进,自动聚焦技术步入了一个崭新的阶段,基于图像处理的自动聚焦技术开始发展起来,因此对基于图像处理的自动聚焦算法的研究具有重大的实际意义。
　　 本文首先介绍了自动聚焦的基本原理、特点以及分类,然后对自动聚焦技术中的几个核心技术:图像聚焦评价函数、聚焦区域选择算法以及焦点搜索算法进行了详细的研究,最后研究与设计了自动聚焦系统的硬件和软件,完成了采用FPGA技术的自动聚焦系统以实现自动聚焦功能。聚焦过程是对感兴趣的区域聚焦,聚焦评价函数是判断感兴趣区域的离焦程度,焦点搜索算法是通过比较聚焦评价函数值来移动镜头,使镜头移动到获取的图像质量最佳的位置上,从而完成聚焦。
　　 本文对自动聚焦算法中的图像聚焦评价函数进行了分析,从时域分析法和频域分析法上分别对聚焦评价函数进行了详细的介绍,然后重点介绍了FSWM滤波算子(加权滤波中值算法)。最后通过自动聚焦的仿真序列图像对常用的时域分析法中的聚焦评价函数进行了性能测试和分析,实验结果表明。FSWM滤波算子具有很好的抗噪声能力,最后将该算法应用到设计的自动聚焦系统中。
　　 在聚焦区域选择算法上,本文介绍了聚焦区域选择算法对自动聚焦的重要性和主要的原则。对各种一维的、二维的聚焦区域选择算法进行了详细的描述。最终采用了传统摄像构图的黄金分割理论来选择聚焦区域,并将该算法应用于设计的自动聚焦系统中。焦点搜索算法实现了对聚焦点的搜索和定位,本文分别讨论了Fibonacci搜索算法、曲线拟合搜索算法、爬山搜索算法等常用的搜索算法。提出了改进后的爬山搜索算法,并将此改进的算法作为本课题设计的自动聚焦系统的搜索算法。
　　 最后本论文介绍了自动聚焦系统的硬件和软件的研究与实现过程,硬件主要是以S2C公司的Virtex-5TAI Logic Module原型验证平台为核心,把系统分成了光学镜头部分、图像采集模块、图像处理与主控模块以及电机驱动模块。软件则主要介绍了自动聚焦系统的程序流程以及自动聚焦过程中粗调和细调的程序流程。最后对设计出的自动聚焦系统进行测试和分析,测试的结果表明系统能够准确、稳定的完成自动聚焦。