调焦系统

调焦系统（共8篇）

调焦系统 篇1

0 引言

成像质量是航空相机最重要的性能指标,受光学系统制约的同时,还受大气、杂光、温度、像移、CCD器件等多种环境因素的影响。温度、大气压力和照相距离等环境因素的变化,会造成相机光学焦面位置的前后移动,照相时,如果感光器件所处的位置不能随之变化,或者两者变化不匹配,那么将造成离焦。若离焦量超出半焦深,照相分辨力将显著下降,严重时甚至不能成像。目前航空相机主要采用基于图像处理或光电自准直的检调焦方式,鉴于图像处理的方式在拍摄低对比度景物时调焦比较困难[1],所以带摆扫反射镜的航空相机通常采用光电自准直方式,如美国的KS-112A和KS-146相机等。本文系统带摆扫反射镜的航空相机采用光电自准直的方式:通过测量比较焦面附近不同位置的光强精确检调焦,相似于对无穷远距离的调焦,再配合飞行平台高度信息进行距离调焦补偿。本文主要介绍了光电自准直调焦系统的设计与实验验证,对涉及到的光强测量、电机控制等关键技术进行了分析。

1 光电自准直原理

图1所示为自准直检调焦工作原理图。航空相机摆扫反射镜工作于照相模式时处于与光轴夹角为45°附近位置;工作于自动检调焦模式时,相机扫描反射镜在与光轴垂直位置附近往复摆动,由光源发出的准直光照亮位于相机物镜焦平面上的物方光栅,光线经过相机物镜及平面镜反射回来,再经过相机物镜成像在与物方光栅共轭的像方光栅上,在光电接收器件上产生一个光强调制信号,光强信号I由光电接收器件转换为电信号被采集以进行比较。

当相机准确对焦时,由物方光栅经光学系统两次所成的物方光栅像和像方光栅重合,光强调制信号幅值最大;当相机离焦时,由物方光栅经光学系统两次所成的光栅像不和像方光栅重合,光强调制信号幅值小于重合时的幅值,如图2所示。

2 系统构成

自动检调焦系统主要包含扫描反射镜、成像物镜、焦面光栅(物方光栅与像方光栅)、光源、光强测量电路、DSP控制器等,如图3所示。成像物镜采用焦距180 mm、F5.6的镜头,由装有光栅尺的精密电动平移台驱动调焦,精密电动平移台的位移可由光栅读数头精确读出;采用TI 2407A型DSP作为控制核心,DSP1主要负责光强信号采集、对摆扫电机的时序控制、数字信号分析与处理、根据信号分析结果驱动电动平移台调焦;DSP2负责控制扫描反射镜按特定的方式运动。

2.1 光源及光强采集电路

光源是光电自准直调焦系统的重要组成部分,光源的发光强度、稳定性及发热量等特性对系统性能有很大影响。本系统中采用高亮度单色LED,波长集中于585~595 nm,与相机成像器件的敏感波长接近,使用非球面准直镜和恒流源电路,以形成均匀而稳定的平行光。

光强采集电路由与光源波长相匹配的光电二极管及电流—电压转换电路构成,如图4所示。光电二极管选用时主要考虑与光源及光学系统在光谱特性上匹配、与入射辐射能量大小匹配、与光信号调制频率匹配等[2]。为了提高光电二极管测量时的线性,必须保证负载阻抗为零,因此采用运算放大器接成电流—电压转换器的办法来满足这一要求。光电二极管采用适于精密测量应用的零偏置方式,此种应用方式比反向偏置具有更低的噪声和更好的线性度。光电二极管将光强转换为电流Is,电流与入射光通量成正比,反馈电阻R2和运放一起将电流转换为电压Uo,如式(1)所示。调节反馈电阻的大小可使输出电压大小与后端DSP的A/D采样电路相匹配。

在低频时,运放的反相输入强制成地电位,Is只能流经R2,产生输出电压Uo。在高频时,光电二极管的电容和运放的输入电容会对运放反馈回路的稳定性产生强烈影响,故在电路中加入C1进行稳定性补偿,C1的选择按

GBW为运放增益带宽积,CD为传感器输出电容和运放输入电容等的组合,R3和C3构成低通滤波器限制带宽,减小高频噪声,滤波器极点f为

2.2 反射镜摆扫及调焦位置控制

利用反射镜的摆扫运动与焦面光栅进行信号调制,把恒定的光辐射通量变成周期性重复的光辐射通量,便于放大滤波等信号处理,可以较好地抑制噪声与干扰以提高系统的检测性能。反射镜由高细分步进电机驱动,同时采用指数曲线对摆扫反射镜的运动进行加减速控制[3],能充分保证升降速快速性和摆扫运行稳定性,获得理想稳定的调制信号。

调焦位置控制采用加装光栅尺与绝对零位的精密电动平移台实现。光栅读数头检测到的实际位移反馈给DSP控制器,DSP控制器根据实际位置与目标位置的差距控制脉冲输出的数量与方向,形成闭环控制,保证了系统位置控制精度。如图5所示,光栅信号经四路差动信号接收器SN75175转换为TTL制式信号接入DSP的正交编码脉冲电路,DSP内计数器对正交编码脉冲电路进行计数,计数值的正负反映平移台运动方向,计数器的值反映平移台实际位置。本文采用的光栅栅距为4µm,细分后测量精度为1µm,采用的精密电动平移台细分后步距为0.5µm,比光栅细分后测量精度高,故系统定位精度为1µm,满足调焦要求。

2.3 控制软件

检调焦控制软件基于CCS studio开发,主要控制整个检调焦流程、数据采集、信号分析处理等。检调焦是在镜头所需的调节范围内不断移动,寻找对焦位置的过程,是一种一维最优值的搜索过程,一维搜索的每一步都应该是对极值点的不断逼近。自动对焦常用的搜索策略有:遍历搜索法、Fibonacci与黄金分割法、函数逼近法、爬山法等几种[4]。本系统中考虑到调焦伺服采用的电动平移台驱动机构为丝杆,如果进行频繁往复运动会产生较大的空回累积误差,所以采用粗精结合的遍历搜索算法。

如图6所示为控制软件流程图。调焦电机驱动镜头从起始位置出发,以等步长向前移动,每移动至一个位置采集并分析保存一次光强数据和位置信息。到达终点后返回至最大光强出现的位置,减小步长,在此位置附近以较小步长进行遍历搜索,找出最大光强出现位置,驱动镜头到此位置。重复上述过程,当步长减至设定最小值时停止调焦,完成任务。

3 实验结果分析

相机允许的离焦误差δ应小于相机的1/2焦深,其计算公式为

其中:λ为工作波长,F为镜头相对孔径的倒数,对于工作于可见光波段的相机,λ=0.555µm,本系统中使用镜头F=5.6,则

系统要求调焦范围为±3 mm。实验过程中第一轮粗调时调焦范围设置为理想焦面附近的±3 mm,采用步距为600µm遍历采样11个位置,每位置采样1 000个数据,采集到的11个位置的电压信号如图7所示,其中纵坐标为A/D采样值,代表电压高低。每组数据都是调制的正弦信号,如图8所示,横坐标为采样点数,纵坐标为A/D采样值,当物方光栅像的亮条纹与像方光栅亮条纹相对时出现波峰,当物方光栅像的亮条纹与像方光栅暗条纹相对时出现波谷,信号频率与摆扫反射镜速率和光栅常数相关。对11组数据的每组数据进行滤波平滑并提取峰值,比较得出第六位置为最大光强出现位置,驱动镜头至此位置。

此时实际焦面在理想位置前后600µm范围之内,第二轮粗调时扩大两边范围以防止误判,所以设定检调焦范围为第一轮调焦确定的位置附近[-360µm,360µm]。以步距为60µm遍历采样13个位置,每次采集1 000个数据,对每组数据进行滤波平滑并提取峰值,峰值信息结果如图9所示。可知在第九位置出现光强最大值,驱动电机至第九点位置。此时实际焦面在理想位置前后60µm范围内,精调焦时以步距为10µm在第二轮调焦确定的位置[-35µm,35µm]范围内遍历采样,某次精调焦得到峰值信息结果如图10所示,可见第四个位置出现最大峰值,表明此处光强最强,此处最接近理想焦面位置,驱动电机至此位置,完成调焦。

整个检调焦过程在20 s之内完成,具有一定的快速性。通过实验,可见检调焦耗时最多的是在信号采集过程与电机驱动镜头至不同位置的过程。信号采集耗时较长主要是因为光源均匀性不够理想,在每个位置采集的时候都需要采集较长时间以保证采集到整个调制信号的包络峰值,从而让不同位置具有可比性。限于实验中采用丝杆驱动平移台带动镜头移动,往复运动时定位会存在较大累积误差,故采用了耗时较长的变步长的遍历搜索策略。

经过多次重复实验,检调焦后焦面位置始终分散在理想焦面附近30µm之内,精密度较高,表明重复性满足系统半焦深为35µm的要求。受限于硬件实验条件,对理想焦面的标定还不够准确,所以对检调焦系统调焦后绝对离焦量的测量精度分析还不够完善,但不影响实际应用。

4 总结

由于采用图像处理的方法在地物目标对比度不够明显的时候调焦比较困难,本文采用光电自准直的方法设计并实验验证了航空相机检调焦系统。实验表明系统快速性较好;重复定位精度达到30µm,满足航空相机离焦量必须小于半焦深的成像要求。由于光源均匀性、稳定性和信号处理不够理想,导致系统分辨力不是很高,有待进一步改进。

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调焦系统 篇2

随着现代光学捕获技术的不断发展,捕获目标的日趋复杂化,对空间相机的.要求也越来越高,为了保证光学系统具有更强的适应性,获得最佳图像,设计了一种调焦机构.调焦机构由直线电机、直线导轨、光栅尺等组成,针对航空光学系统对调焦机构的要求,对该调焦机构的试验过程进行了设计,针对控制精度、晃动和高低温进行了试验,并分析了影响调焦机构精度的主要因素.试验证明该调焦机构可以满足使用要求.

作 者：高飞 张葆 刘大禹 GAO Fei ZHANG Bao LIU Day 作者单位：高飞,GAO Fei(中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,长春,130033;中国科学院,研究生院,北京,100039)

张葆,ZHANG Bao(中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,长春,130033)

刘大禹,LIU Day(长春奥普光电技术股份有限公司,长春,130033)

CCD航空相机调焦系统故障诊断 篇3

1CCD航空相机的调焦系统工作原理

CCD航空相机成像原理图如图1所示。

CCD航空相机工作时是水平安放的,地面物体发出的光穿过大气层首先射向与地面成45°的反射镜上进行反射,然后进入相机物镜,通过物镜成像在CCD感光面上。

为了获得清晰的像,目标必须准确成像在CCD感光面上。但在实际应用中,全景式航空相机是长焦距相机,焦深很小[2],外界因素的干扰很容易引起CCD感光面离焦,影响系统成像质量。所以,航空相机大都采用相应的调焦结构,根据光学成像原理,当焦距f' 一定时,物像之间关系式为

式中,f' 为光学成像透镜组的焦距;l为物距;l' 为像距。

航空相机工作时l =∞,l' = f' 。当CCD感光面发生离焦,根据图1,通过调整物镜位置使像成在CCD感光面上,从而得到清晰的像[3]。

CCD航空相机测控系统流程图如图2所示。

航空相机主控系统通过通信系统与指令分配系统通信并发送指令,再由指令分配系统向调焦系统发送指令,调焦系统是用来调控航空相机的调焦量的控制电路[4]。

2相机调焦系统的故障诊断系统设计

CCD航空相机调焦系统故障主要出现在指令分配系统与调焦系统的通信故障以及调焦电机驱动电路故障[5],调焦系统测控流程图如图3。

由图2可以看出,CCD航空相机调焦系统的故障主要有:

调焦系统的故障诊断是以PC/104嵌入式工控计算机为控制系统[6]。PC/104嵌入式工控计算机通过PC104总线接口与PM504板卡、PM515板卡和PM530板卡相连接,完成数字信号、模拟信号、位置信息等的采集[7],调焦的位置行程开关的左右限位, 以及串行通信信号的发送及检测,从而分析检测出指令分配系统与调焦系统的电路故障。因此,建立调焦系 统故障诊 断系统 ,其硬件连 接图如图4所示。

2.1通信请求故障

PM530是数字输入输出信号接口卡,通过DIO接口向调焦系统发送调焦请求,调焦系统接收请求并将信息回复给PM530,若能回复,则通信请求工作正常,反之,出现通信请求故障。

2.2RS422通信故障

当通信请求无故障时,诊断系统运用握手信号方式对指令系统与调焦系统之间通信进行检测。 先定好握手信号,再由主控系统向调焦系统发送请求通信的信号,PM504板卡将信号转为RS422协议信号传输至调焦系统,调焦系统接收到指令,向主控系统返回指令信号,若不能返回指令信号,则出现PS422通信故障。

2.3行程开关故障

相机上电后具有自检功能,诊断系统与相机通过命令接口由诊断系统给相机发送一个自检指令, 相机接收到自检指令后进行调焦工作,调焦时搜索全行程,寻找成像最清晰位置。在此过程中应用正反行程开关进行左右限位,在轴角编码器上读取位置数据判断行程开关是否到位,若行程开关到位, 则此环节无故障,反之,此环节有故障。

2.4高精度位置传感器位置故障

高精度位置传感器是由光栅尺组成。光栅尺的标尺光栅固定在工作台上,电机通过机械传动带动光栅尺指示光栅移动,将工作时的位置信息反馈给主控系统,与预先设定的位置理论值进行比较, 看其是否在允许的范围之内,若在误差允许范围内,则高精度位置传感器无位置故障,反之,高精度位置传感器存在位置故障。

2.5驱动器及电机故障

PM515板卡具有模数转换功能,主要针对待诊断对象的反馈模拟信号进行采集,主控系统根据操作人员输入的参数计算调焦量,并以信号的形式向调焦系统传输控制指令信号和控制参数信号,反馈的模拟信号可以为调焦系统的电位计的电压值, PM515板卡对这个信息进行采集,并发送给PC/104工控机,PC/104对采集的信息进行处理,判断待诊断对象的部分功能是否存在故障。若PM515板卡采集到的信息与调焦系统预先设定的理论值在误差允许范围内,则驱动器及电机工作正常,反之,存在驱动器及电机故障。

3诊断结果分析

此故障诊断系统是在地面模拟飞机在空中飞行状态,仿真飞机在飞行状态时的一些工作参数, 给相机发送调焦指令,判断其是否达到飞机工作状态时的指标[8]。表1为模拟飞机飞行时调焦系统各部分故障诊断结果。

CCD航空相机调焦系统可能出现的故障有RS422故障、通信请求故障、行程左限位故障、行程右限位故障、高精度位置传感器位置故障、驱动器及电机故障在地面上就完成对航空相机各部分故障的排查。根据表1,以上故障均可诊断,故本系统的故障检测率达100%。

4结论

调焦系统 篇4

1 调焦系统方案设计

1.1 调焦方式的选择

常见的双视场变焦系统分为两类:光学镜组移入移出切换式变焦系统和双位置变焦系统。切换式变焦系统需要将部分透镜插入到适当的位置改变光学系统的焦距, 因此横向尺寸较大。双位置系统则是通过改变透镜组轴向距离而改变系统的焦距, 可有效减小系统的体积, 并且可同时实现视场切换和精密调焦的功能。

考虑到整体系统对质量、空间尺寸等方面的要求, 采取沿轴平行移动光学镜组的双位置变焦系统。双位置变焦系统由前固定组、移动镜组和后固定组组成, 其工作原理如图 1 所示, 移动镜组在 1 位置时系统处于短焦距 (大视场) 状态, 在 2 位置时系统处于长焦距 (小视场) 状态。

1.2 调焦运动系统设计

整个调焦运动系统由DSP控制模块为核心的一个闭环控制系统组成, 其系统示意如图2所示, 主要由以下几部分组成:DSP控制模块、伺服电机、丝杠、滑动模块、精密直线导轨、直线光栅尺等。DSP模块在接受上位机的控制指令后控制电机转动, 通过丝杠导轨运动机构将电机旋转运动变为移动镜组的轴向直线运动, 直线位光栅尺检测镜组滑动的当前位置并反馈给DSP控制模块, DSP控制模块将移动镜组的当前位置与系统的给定位置比较, 进一步控制电机带动镜组沿轴向运动, 直至移动镜组到达系统给定的位置。

2 调焦系统硬件设计

调焦系统硬件电路以DSP控制器为核心, TMS320LF2407A是一款16位定点数字信号处理器, 它集高速数字信号处理能力及适用于电机控制的优化外围电路于一体, 为电机控制提供了一套同时具备高精度和高性能的数字解决方案。控制系统外围电路部分的设计围绕着TMS320LF2407A展开, 主要由以下基本部分组成:与上位机的串行通信接口电路, 功率驱动电路, 位置检测电路等。控制系统框图如图3所示。

2.1 SCI串行通信电路

本系统通过TMS320LF2407A芯片集成的串行通信模块SCI可以实现DSP与上位机之间的通信, 电路采用了符合RS 232标准的MAX232驱动芯片。上位机向DSP控制模块发送控制指令, DSP系统响应上位机的控制指令, 计算出移动镜组的给定位置, 控制电机运动来完成系统调焦, 同时向上位机返回调焦控制系统当前工作状态。

2.2 位置检测电路

移动镜组要实现精确的位置控制, 其位移的检测是关键, 选用英国Renishaw公司的RGH22型精密型光栅尺作为位置传感器, 分辨率为2 μm, 输出信号为符合工业标准的两路频率变化且正交 (即相位差为90°) 的脉冲。其读数头有参考零位和双限位开关, 参考零位提供一个可重复定位的参考原点或零点, 而限位开关可以在轴向运动到达两端限位点时输出信号, 控制电机停止运动。

TMS320LF2407A的每个事件管理器EV含有一个正交解码脉冲电路QEP, 该电路可对光栅尺产生的正交解码输入脉冲进行编码和计数。光栅尺产生正交编码脉冲送入正交编码电路后, QEP电路通过检测两个序列的先后, 就可以确定移动镜组的运动方向, 通过脉冲计数和脉冲频率可以计算出移动镜组的当前位移和运动速度。由于光栅尺输出的是5 V数字电平信号, 而DSP只能接受3.3 V电平信号, 因此采用SN74LVC245芯片作为DSP与光栅读数头的电平转换接口电路。

2.3 电机驱动电路

在调焦系统中, DSP将采集到的信息处理后输出的 PWM信号不足以直接驱动电机运行, 需要使用驱动芯片将其转换成可驱动电机的驱动信号。电机驱动电路采用SGS公司的电机驱动芯片L298N。它是恒压恒流双H桥电机芯片, 可同时控制两台直流电机, 输出电流可达到2 A。为了减小驱动电路对控制系统的影响, DSP产生的PWM信号经TLP521光耦进行光电隔离, 再送给驱动芯片L298, 这样使得系统控制信号变的稳定而且可靠。另外, 在实际应用中为了保护电机, 在驱动电路中需要加入两组续流二极管。

3 调焦控制系统软件设计

调焦控制系统的软件包括主程序和中断子程序。主程序主要完成 DSP内核和外围器件的初始化、系统全局变量的定义和赋初值等, 并检测电机的初始位置。初始化完成后系统进入中断等待状态。主程序流程图如图4所示。

中断程序主要用来检测移动镜组当前位置, 并根据上位机的控制指令给定的目标位置计算出需要调节的位置偏差, 设计位置校正调节器输出PWM电机控制信号。中断程序流程图如图5所示。

位置调节控制器采用经典的PID控制算法。在进行大小视场切换时, 短时间内系统有很大的位置偏差, 会造成PID运算的积分积累, 从而引起系统较大的超调, 甚至造成系统振荡, 调节时间延长。为了消除积分饱和带来的不利影响, 位置调节控制器采取积分分离算法:当系统偏差较大时采用 PD控制避免较大超调又可以快速减少偏差;当偏差降低到一定程度后, 采用 PID 控制保证系统的控制精度。积分分离控制算法可表示为:

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式中:T为采样时间;β为积分项的开关系数:

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4 实验结果

双视场红外光学系统的工作波段为3～5 μm, 视场宽为24°×18°, 窄视场为4°×3°, 短焦焦距20 mm, 长焦焦距145 mm。大小视场切换距离为125 mm, 移动镜组的定位精度要求小于20 μm。

通过实验测试, 调焦系统可以在1 s的时间内实现大小视场的切换, 调焦精度可以达到5 μm, 满足系统要求的定位精度。图6为红外光学系统分别在大、小视场下的图像。

5 结 语

介绍一种双视场红外光学镜头调焦控制系统, 采用移动镜组轴向移动方式实现变焦, 仅需一套机电装置即可同时实现视场变换和调焦的功能, 有效地控制了轴向尺寸, 使其结构更加紧凑。控制系统采用了高性能的TMS320LF2407A芯片作为系统的控制单元, 使得整个硬件电路的设计简单可靠, 同时强大的运算处理能力使得复杂控制算法通过编程得以实现, 大大提高了控制系统的控制精度, 满足了红外光学成像系统对视场切换速度快与调焦精度高的要求。

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调焦系统 篇5

自动聚焦技术是机器人视觉和数字视频系统中的关键技术。视频涉及可视化信息,包括静态图像和动态图像。不论静态或动态图像,获取清晰的图像是第一步。

聚焦性能取决于调焦评价函数的准确性和有效性,即评价函数必须具有无偏性好、单峰性,能反映离焦的极性,对噪声敏感度低等特性。图像模糊的本质是高频分量的损失,完全聚焦图像比离焦图像包含更多的信息和细节,这是设计聚焦评价函数的基础。目前评价函数主要有频谱函数、灰度熵函数、梯度函数、基于灰度统计的函数[1,2]等几大类。

本研究通过实验对几种主要评价函数的性能和特点进行分析总结,提出了一种基于窗函数的能量梯度评价函数的方法,并给出了实验结果和分析。实验结果表明,该函数具有较好的计算效率,比起一般的评价方法具有更高的信噪比、可靠性和清晰灵敏度,更好地满足了对图像清晰度评价的要求。

1 常用评价函数

根据Ng Kuang Chern等人的工作[3]结果,可将常见的清晰度评价函数分成两大类:(1)以图像直方图法和能量方差法为代表的函数;(2)以拉普拉斯能量法和平方梯度能量法为代表的函数。研究结果表明,对于正常光照下拍摄的图像,常用评估函数都呈现出单峰特性,基本上可实现正确聚焦,只是在聚焦速度与准确度上略有不同。

1.1 梯度函数

在图像处理中,图像梯度可以用来进行边缘提取,离焦量越小图像边缘越锋利,应该具有更大的图像梯度值。常用的梯度函数有Tenengrad函数、能量梯度函数、Brenner函数、方差函数等[4,5]。

Tenengrad函数是使用Sobel算子来提取水平和垂直方向的梯度值。评价函数f(I)定义为梯度的平方和。梯度S(x,y)要高于一个阈值T,即:

式中,S(x,y)是在点(x,y)上与Sobel算子的卷积:

能量梯度函数与Tenengrad函数相似。它用相邻点的差分计算一个点的梯度值,此时:

式中:I(x,y)—图像在点(x,y)的灰度值。

由于能量梯度函数已经将梯度值平方,这样已经把边缘的贡献加强了,没有必要再设一个阈值。

Brenner函数是最简单的与梯度有关的评价函数。它只是计算相差两个单位的两个像素的灰级差。基于与Tenengrad函数和能量梯度函数同样的原因,这个差值也进行了平方处理:

方差函数是一个比较流行的自动聚焦的评价函数。因为清晰聚焦的图像应有比模糊的图像更大的灰级差异,方差函数可以作为一个对焦清晰的评价标准。方差函数定义为:

式中:μ—平均灰度。

即:

1.2 频谱函数

这种评价方法是基于傅里叶变换的[6]。傅里叶变换的高频分量对应图像边缘,而聚焦图像总是具有锋利的边缘,即包含更多的高频分量,这样可以根据图像傅里叶变换后高频量的含量作为评价函数。

通过二维傅里叶变换可以对构成图像的空间频率进行分析。对于连续图像g(x,y),当时,可由下式求出二维傅里叶变换G(μ,ν):

对于数字图像,如考虑把g(x,y)在x和y方向上用抽样间隔进行抽样Δx,Δy得到g(m,n):

式中:M,N—横纵方向的像素数(Δx=1/M,Δy=1/N);m,n=0,±1,±2…。

假定上式为周期性的,即得:

式中:W1=e-j2π/M,W2=e-j2π/N。

将一幅图像进行二维傅里叶变换后,其频率分布图[7]如图1所示。

1.3 熵函数

熵函数[8]是基于这样一个前提:对焦良好的图像的熵大于没有对焦清晰的图像。因此可以作为一种评价标准。对于一幅图像,图像能量E(I)和图像熵H(I)分别定义为:

根据香农信息理论,熵最大时信息量最多。将此原理用于对焦过程中,可以认为当E(I)一定时,H(I)越大,则图像越清晰。

2 实验及分析

为了验证各评价算法的效果,选择了在不同焦距下拍的一组标志的图片(720×576)。在离焦→聚焦→离焦的顺序排列的15副测试图像如图2所示。

为了便于比较各种算法的性能和特点,笔者将各种算法的计算结果描绘出来,如图3所示。它的纵坐标表示进行了各种算法的图像清晰度评价值,横坐标表示不同程度的离焦图片的序号。该图片序列是严格按照调焦时从一个方向到另一个方向顺序采集得到的(如图2所示)。

将各种算法写成独立的函数,在Windows平台下对各种算法处理图2中15幅图像所需全部时间进行计量以便比较各种算法的时间性能,所得结果如表1所示(实验所用计算机基本配置如下:Pentium(R)Dual-Core CPU E5200@2.50 GHz,2.00 GB内存)。

由图3看到各种算法的清晰度评价值都随着图像的清晰程度变化而变化,都在第8幅图像位置取得最大值,这和肉眼看到的事实是相符合的。从图中可以看出,能量熵算法清晰度评价值变化起伏不定,不具有良好的单峰性,所以它的灵敏性最差;Tenengrad函数、Brenner函数和平方梯度函数算法的评价值在焦点附近变化剧烈,但在图像严重离焦时变化不大,这个特点在某些需要精确对焦的观测设备中有重要的应用价值,如显微镜的细调过程[9]。由图可以看出,方差函数在调焦前期过程中清晰度评价值变化率稳定,具有良好的整体灵敏性,适用于摄像头的视频自动对焦系统中。

3 对焦实验

本研究选取了书封面和消防栓等目标物进行了对焦实验。目标物体对焦前后的对比图如图4所示,对焦前后图像清晰度的评价参数如表2所示。

从上面的实验数据可以证明系统对焦较为稳定,且具有较高的对焦精度。对焦平均速度大约为2.5 s左右,与普通相机对焦速度相当,能满足实际应用要求。

4 结束语

数字图像的清晰度判定是数字图像处理的一个重要内容,对于实现精密仪器的自动对焦具有重要的意义。研究结果表明,所研究的几种函数中方差函数最适合于系统中的数字成像系统的清晰度评价,因为它具备如下的性质:

(1)评价函数有效,并且能够迅速得出评价因子,指导完成自动对焦功能。

(2)评价函数在一点上达到峰值对应于最佳对焦参量,并当物体离开最佳点时单调递减,即具有良好的单峰性。

(3)在存在噪音的情况下,评价函数具有鲁棒性,即噪音产生不确定的评价值对评价结果影响很小。

摘要：为了实现基于数字图像处理的自动调焦技术,采用准确有效的图像清晰度评价函数是其实现的关键。通过实验分析比较了梯度函数、频谱函数和熵函数在自动对焦技术中的作用,并研究了各评价函数在实验平台下所表现出来的性能和特点。研究结果表明,Tenengrad函数、Brenner函数和平方梯度函数在焦平面附近具有变化趋势明显和灵敏度高的特点,而在离焦较远时变化不大,适用于要求精确对焦的设备。而方差函数具有良好的单峰性和无偏性,具有较好的计算效率,相对其他的评价方法具有更高的信噪比、可靠性和清晰灵敏度,更好地满足了对图像清晰度评价的要求,适用于摄像头辅助调焦系统中。

关键词：图像清晰度,自动对焦,评价函数,焦平面

参考文献

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用于短弧氙灯的光学调焦机构 篇6

1 光学汇聚系统组成

1.1 光学汇聚原理

反射镜的抛物面由方程y2=2 px确定的抛物线绕X轴旋转一周形成,如图1所示,其中1为氙灯光源,2为抛物面反射镜,它的焦点F位于坐标(p/2,0)上。

根据抛物面反射镜的光学性质,当光源中心位于反射镜的焦点F处时,光源在焦点发出的光线经反射镜反射后光线平行射出,在这种情况下,光能得到最大限度地汇聚。

若光源不在反射镜的焦点处,此时光源发出的光线经反射镜反射后向各个方向发散地射出,能量得不到汇聚。在实际系统中再小的光源也有一定的体积,可以将它看作是无数个点光源,分布在焦点区域,有一点在焦点,其他在焦点的上下左右,而且散布距离不同。光源体积越大,反射光斑就越虚[3,4]。总之,点光源偏离焦点就会出现散射,越接近焦点,发散角越小。

为了避免这种现象的发生,必须设计调焦机构调节灯体或反射镜的位置,使它们能够连续在各个方向相对运动,目的是使光源的中心置于反射镜的焦点处,最终使光源处发出的光线经反射镜后近似平行地射出,能量得到最大限度地汇聚。

1.2 光源

所采用的短弧氙灯具有较好的稳定性,技术较成熟,光源发光点小,效率高。将这种稳定发光的短弧氙灯近似看作点光源。

1.3 反射镜

由光学系统设计制造了具体的抛物面反射镜[5],实现对灯源发光能量的汇聚。

2 调焦机构的结构设计

2.1 调焦方式的选择

考虑到反射镜的制造加工成本高,高温容易变形等特点,最终选择反射镜固定,灯体移动的调节方式,达到调焦的目的。由于对整体体积的要求,又考虑到该机构经调节好焦距后用于系统中,在工作中不需要经常调焦,所以最终确定为手动调节方式,以后随着方案的改进,应该考虑电动或者自动调焦的方式[6,7,8,9]。

2.2 调焦机构的结构设计

为了达到较小发散角的指标要求,设计该调焦机构的轴向调焦量为0～5 mm,圆周方向最大调焦量h=2 mm。经设计的调焦机构的结构如图2所示。

反射镜10设计为在前灯罩11和后灯罩8之间的螺钉固定连接的结构形式,通过调节灯体9的移动,达到调焦的目的。

2.3 轴向调焦原理

图2显示的结构形式为,后端的偏心轮4、偏心轮7、锁紧螺母1、锁紧螺母2、挡环6、灯体9和调节腔体5形成固定连接在一起。灯体9的前端在连接套12的中心孔内连接配合,尺寸公差为Ø18H7/g6,这样灯体9不仅在连接套12中有非常小的间隙,保证了灯体的径向定位,而且灯体9能够在连接套12中轴向移动。调节腔体5与后灯罩8之间设计有细牙螺纹连接,旋转调节腔体5后端的旋钮就会形成与后灯罩8之间的相对运动,从而带动灯体沿轴向移动,从而达到轴向调焦的目的。轴向调焦完成后用锁紧螺母3锁紧。调节腔体与后灯罩之间留有8 mm的空隙,满足了轴向调焦0～5 mm的要求。轴向调焦后用锁紧螺母3加止动垫圈锁紧,实现灯体的轴向定位。

2.4 周向调焦原理及分析设计

灯体的前端通过支撑套12实现圆周方向的定位并与前灯罩11固定连接,灯体的后端与偏心轮4的中心孔与设计有较小的间隙配合,保证了灯体的周向定位[9]。偏心轮4和偏心轮7的轴心与调焦机构的中心设计有一定的偏心量,这样通过调节偏心轮4和偏心轮7就能带动灯体以O为支点沿圆周方向转动,实现周向调焦。考虑到调焦机构周围的结构空间较小,在偏心套4和偏心套7的后端面上分别设计有两个窄槽,配合设计的专用调焦工具使用,就能够方便、快捷地实现机构的周向调焦功能。调整后分别用锁紧螺母1和锁紧螺母2加止动垫圈来锁紧。周向调焦量分析如图3所示。

在图3中,设两个偏心轮的偏心量为e,AB为灯体后端偏心轮轴向中点处的最大圆周跳动量,即是AB=2e。灯体与支撑套中心O点设为支点,光源F点的周向调焦量EF=h=2 mm。

根据机构的实际尺寸,OF=92 mm,OA=173mm。在ΔOAB与ΔOEF中:EF/AB=OF/OA。

计算得:e=1.88 mm

因此偏心轮4与偏心轮7的偏心量设计为2 mm,就能够满足光源圆周方向最大调焦量h=2 mm的要求。

3 试验验证

将调焦机构固定安装在一个光学测试转台上,调焦机构与测试靶面之间的距离L需大于或等于30 m,试验装置[11]如图4所示.

开始试验之前首先要调节光学转台,使之水平,然后将调焦机构置于光学转台的中心位置。试验开始时等待氙灯光源正常工作后,分别调节机构的周向及轴向焦距,参考测试靶面上的光斑情况,调好后一定要用锁紧方式锁紧。第一步,转动光学转台,观察测试靶面的光斑情况,同时用能量辐射仪测试光斑的辐射能量,找到光斑的能量中心O点,记下此时光学转台的位置角度θ。第二步,向左转动光学转台,观察测试靶面的光斑情况,用能量辐射仪测试光斑的辐射能量,找到光斑的能量衰减为中心O点能量的50%的位置A点,记下此时光学转台的位置角度α。第三步,向右转动光学转台,观察测试靶面的光斑情况,同样地,用能量辐射仪找到光斑的能量衰减为中心O点能量的50%的位置B点,记下此时光学转台的位置角度β。该系统最终的发散角为α与β两个角度之和。在试验中还需要保证能量辐射仪符合GB6360的要求。根据上述测试方案,进行了多次的试验测试,由试验数据计算得出的发散角,小于该项目的发散角设计要求,试验验证了调焦机构的合理性。

4 结论

设计了一种调焦机构,实现了某种短弧氙灯汇聚系统的三维连续调焦功能,在此基础上研制的机构样机,结构设计紧凑,调节过程方便、快捷。经过多次试验验证了调焦机构达到了设计要求,具有很好的可靠性。

摘要：设计了一种用于短弧氙灯汇聚光学系统的调焦机构,对周向及轴向的调焦方式分别进行了设计及计算:一方面通过细牙螺纹的结构实现轴向调焦;另一方面通过一组偏心轮装置完成周向调焦。最终实现了机构的三维连续调焦,在此基础上研制了调焦机构样机,经过多次试验验证了该调焦机构的可靠性,效果良好。

关键词：短弧氙灯,调焦机构

参考文献

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电视摄像中的调焦技术与光线运用 篇7

1 电视摄像中调焦技术的运用

调焦主要利用了景深的控制原理和镜头的光学原理,根据不同的拍摄条件,通过调节聚焦环改变焦点位置,进而拍摄出有足够清晰程度和清晰范围的画面。由于电视摄像是一个动态过程,被摄主体和摄像机总是处于交替或同步的运动中,所以熟练掌握调焦的方法和技巧是摄像师应具备的基本要求。

1.1 聚焦技术

聚焦就是当被摄主体和拍摄机位相对固定的情况下调整摄像机聚焦环,使被摄主体的影像落在焦平面上形成清晰的画面。它是电视摄像中经常用到的一种调焦技术,经常被应用于固定摄像之中,如在新闻报道类节目的拍摄中将摄像机固定在一个位置,调整摄像机的聚光环使焦点保持在人物身上。这种方法与人眼观察事物的聚焦方法是相近的,符合人的观察习惯。但是,一旦光线条件并不充足或受光圈与焦距的影响景深较小,被摄主体还在作前后方向运动状态的话,主体就很容易超出景深范围变得模糊不清,因此,摄像师必须采用跟焦方法。

1.2 跟焦技术

跟焦是用于保证移动的被摄主体图像清晰的调焦技术,适用于移动物体的拍摄。采用这种方法,需要摄像师在拍摄的过程中不断改变焦距。在娱乐节目摄像中,当主持人位置发生移动时,需要及时的调整聚焦环改变焦点位置,但通常会保持焦点在主持人鼻尖处,以保证主持人始终在画面范围之内。在这种调节过程中,通过对主持人的某个动作或细节进行展现,可以提高画面的感染力[1]。

1.3 移焦技术

移焦适用于突出摄像中某一点时的摄像画面,其工作机制是利用景深控制原理和光学镜头的特性,使前、后景之间或主、陪体之间发生虚实转化,转移和面的视觉中心。移焦可以让画面更有层次感,可以展示人物之间的关系,如谈话类节目的摄像中,画面中会有甲(主持人)、乙(嘉宾)两个被摄主体,当需要突出主持人时,可以使焦点放在甲身上,同时使乙在景深范围外,这样拍摄出来的画面,甲会比较清晰,而乙则会比较模糊,使观众第一时间分清画面的主体。当然,在实际的拍摄中,要根据节目的类型,采用不同的聚焦方式和技巧。

2 电视摄像中光线的运用

2.1 合理运用光线进行特定人物的塑造

在电视摄像人物塑造中,经常通过合理光线处理来展现出人物的形象、情绪和性格等内容。在实际使用过程中,各种光线的使用不是一成不变的,需要根据实际需要来进行光线的合理选择和搭配,从一些影视作品中的拍摄手法当中我们也可以得到借鉴。

在电视剧《大明宫词》中,武则天扮演者实际年龄已经在60岁左右,但通过对低角度布光法的改进,对布光的角度进行适当调整,减弱了拍摄的人物眼窝、鼻梁、嘴角等部位形成的阴影,使得拍摄出来人物形象的年龄远远低于实际年龄;在电影《天生杀人狂》中,米基和梅洛瑞在饭馆杀人后逃亡的夜景中,对在荒野中的两人分别使用了不同的光线处理,显示出不同的人物性格;影片《阳光灿烂的日子》里,有一幕马小军在大雨中跑向米兰楼下的场景。在此场景中,利用了光线减弱处理,使夜色更为突出,让观众更能感受到马小军在女主人公被他人夺走后的痛苦、压抑的心境。

2.2 合理运用光线营造相应的环境氛围

环境氛围是电视画面整体给人的一种感觉,在电视摄像中有着重要的地位。光线的使用在环境氛围的营造中起着重要的作用,如同一个场景在白天、阴天、黄昏等光线条件下会给人以不同的感觉。因此,在营造环境氛围时,需要采用符合氛围需要的光线。在实际使用中,要充分考虑光线的性质、色彩、对环境的影响等诸多要素,保证营造的环境氛围符合想要表达的主题。

2.3 合理运用光线表现画面的空间感

电视摄像画面不同于普通摄像,画面的一点就在于其表现的立体感、空间感更加强烈,能够给人更直观的感受。空间感的表现不仅依赖于现场环境的布置,更依赖于光线的运用,通过对光线的亮度、角度、色温等的调节,改变画面中物体的轮廓、造型,会使得拍出的画面更具备空间感。在实际运用中,通过光线表现空间感的例子比比皆是。比如对拍摄乡村或街道清晨画面时,通过迎着自然光线拍摄,会使拍摄出来的画面近浓远淡,具有较强的层次感。

3 结语

在电视摄像中,需要根据实际情况合理运用调焦技术和光线,营造具有空间和层次感的电视画面,突出摄像对象的特点,来保证电视摄像的最终质量。

摘要：调焦技术与光线运用是影响电视摄像质量的重要因素。电视摄像不同于普通的摄像,对调焦技术与光线运用上有着独特的要求。在电视摄像中,根据摄像内容的不同应选择怎样的调焦方式以及如何根据画面需求来运用光线呢?本文对此进行了分析研究,以供参考。

关键词：电视摄像,调焦技术,光线运用

参考文献

调焦系统 篇8

自动聚焦有许多种方法,主要分为主动式和被动式两种。主动式自动聚焦是指通过测距并使用一定的数学模型计算出实际应取的焦距,常见的有红外线测距法和超声波测距法;被动式自动聚焦是指利用所获取图像的自有信息分析聚焦方向,通过焦距的反复调节获取最清晰的图像。前者需要发射接收装置,在很多场合下使用受到限制。对于后者,问题主要集中在2个方面:一是对焦方法的确定;二是自动聚焦的具体实现。目前广泛采用的自动对焦方法可以分为时域分析法和空域分析法2种,这里所设计的系统中采用的是高频分量析出法,即先对图像传感器输出的视频信号进行模拟滤波,析出反映图像清晰度的高频分量,随后由单片机采样、分析高频信息,根据分析结果控制聚焦马达的转动至对焦清楚位置。这一系统设计过程中的关键问题是滤波器频带的设计、评价函数的确定以及聚焦的实现。为了避免硬件调试的复杂性,应先对这2个问题在计算机上进行仿真和分析,将视频信号用图像采集卡采集到计算机上,然后用Matlab进行仿真分析,以确定合适的图像清晰度评价函数、带通滤波器和聚焦算法。本文给出了这一仿真分析的过程和研究结果。仿真系统框图如图1所示。

2 图像清晰度评价函数

理想的评价函数应该具有无偏性、单峰性;同时,评价函数要有较强的抗干扰能力。先用图像采集卡将视频信号采集到计算机上得到数字图像,采样频率为13.5 MHz,再用Matlab对数字图像进行带通滤波并通过仿真和分析,选择一个合适的图像清晰度评价函数。其中,滤波器的设计要使得反映图像清晰程度的高频分量通过,同时滤掉噪声信号。这样,当图像聚焦准确时,画面清晰、轮廓清楚、高频成分的电平幅度大;当聚焦不准时,画面不清晰、轮廓不清楚、高频成分的电平幅度小。

考虑单片机的计算能力这里设计了2种评价函数进行对比:一种是最大值型,即一帧图像中众多采样点亮度值的最大值,另一种是求和型,即一帧图像中众多采样点亮度值的求和。实验结果表明,最大值型判据虽相对差值大,但数据不稳定,而求和型数据稳定,抗干扰能力强,虽聚焦和离焦时的差值相对比例不如最大值型,但已足够作为判据。因此最终选用求和型:F=∑Yi,其中Yi是一帧信号高频成分第i个采样点的亮度值。其函数曲线即调焦曲线如图2所示。评价函数的选取对自动聚焦的性能至关重要,实际工作时要根据具体要求合理选择,以使得既能反映对焦准确与否的真实情况,又能简便的实现。

3 滤波频点选择

自然界中有千姿百态的景物或画面,有的图像画面柔和(丰富的频率成分不在高频点),有的图像画面鲜明,对比度大(频谱的丰富成分在高频点上)。要适用于各种画面,滤波频点需做适当选择,保证在这个频点上,各调焦曲线呈一定程度的单峰,不至于误判聚焦位置。 视频信号是包含0～6 MHz带宽的宽带信号,就彩色视频信号而言,他包含着亮度信号、色度信号及其他辅助信号。其中色度信号载波频率为4.43±1.3 MHz,由于图像能量主要由亮度信号反映,选择一个中心频率远离色度信号的带通滤波器对图像进行滤波,得到反映图像清晰度的高频分量。试验中分别选择3个频点(0.6 M,1 M和1.6 M)作为带通滤波中心频率对一幅广告画图像进行滤波,为了适用各种情况,选择400 k这样一个较宽的频带宽度。

试验结果如图3所示,可以看到,不同频率下,数据均较稳,呈现单峰性。在聚焦位置附近,即微离焦和离焦时,1.6 M评价函数曲线变化最明显,1 M次之,0.6 M再次之。可见中心频率越高,越能反映聚焦程度。但是,对于远离焦位置的图像,由于本身高频分量已经很少,所以中心频率选得越高,远离焦位置高频分量变化反而不明显,也即中心频率选得越高,系统的搜索范围相应变小。同时,随着中心频率地提高,系统对光照变化等因素的抗干扰能力也会下降。

综合考虑以上因素,在系统调整初期,选择中心频率为1 MHz,带宽为400 kHz的一组带通滤波器,这一滤波频点的选择,基本能满足普通被摄景物的自动聚焦要求。

在系统的继续调整过程中,希望在保证一定的对焦精度的情况下,加快对焦的速度。经过多次探讨以及实验,发现在搜索过程中,第一次大步长粗略地搜索,选用更低频的通带较为适合,对焦的范围会更大,速度也会有所提高。因为这时低频的变化明显,且己经足够让系统粗略判出大致的聚焦位置。而第二次以小步长搜索,选用较高频的通带,更能反映图像的细节信息,能够保证一定的精度要求。

4 算法实现

为了实现快速聚焦,本系统采用改进的爬坡算法(Hill-Climbing Search,HCS)。HCS 算法如图4所示,假定聚焦镜头从m=mi位置开始,高频分量值F(mi)和F(mi+M)的大小决定镜头移动方向,当F(mi+M)>F(mi)时,新的镜头位置是m=mi+M,否则位置是m=mi-M;当找到位置mx时,有F(mx-M)F(mx+M)成立,则聚焦位置mp可由下式得到:

undefined

其中D1=F(mx)-F(mx-M)

D2=F(mx)-F(mx+M)

这一算法的好处是容易用运算能力比较弱的单片机实现,然而,这样的算法存在缺陷。如果对焦评价曲线受到各种干扰导致出现多个峰值时,爬坡法很容易搜索到局部极值,导致对焦失败。并且,在摄像机自动对焦系统中,由于噪声的影响而产生局部极值的情况较容易出现。因此,需要对该算法法进行一些改进。由于通常对焦曲线受到干扰而出现的局部极值都比较窄,故可对爬坡法进行如下改进。在爬坡算法的基础上,确定曲线方向时,不是仅根据前后2次对焦评价值的大小来确定,而是用3个点大小的变化以确定曲线的方向。如果3点连续上升,则确定曲线为上升方向;如果3点连续下降,则确定曲线为下降方向;3点大升小降与大降小升时,经过数据处理可以分别归到上面两种情况。这样就能避免那些在2个对焦步长内出现的局部峰值而使得曲线方向误判的情况,而在2个步长外出现的局部峰值的情况比较少,从而对焦的准确程度被大大提高。

5 试验结果分析

视频信号经有源滤波器滤波,当图像聚焦时,高频成分电平幅度大,求和后的值就大,离焦时相应的就小。依据本文中的聚焦评价函数能够快速地实现自动对焦。应

用于研制的单片机自动聚焦系统,能基本上满足捕获各种典型景物清晰画面的要求。图5所示图像为一本书的封面,其函数曲线即调焦曲线如图6所示,其中聚焦窗口选择居于中心的145×145个象素点。根据这样的试验曲线能够快速实现自动对焦。

6 结 语

基于单片机信号处理的自动聚焦系统具有小型轻便、聚焦速度快且效果良好、适用范围广、成本较低等特点,为信息家电提供了一种快速摄取清晰图像的手段。从目前实验的结果看,经过改进和随着相关技术的发展,将会取得更加理想的自动聚焦效果。

参考文献

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