基于單片機的ＣＣＤ攝像機自動調焦方法的仿真研究

摘 要：基于單片機信號處理的自動聚焦系統通過對CCD圖像傳感器輸出的視頻信號進行濾波，析出反映聚焦清晰程度的高頻分量，單片機采樣、分析、控制馬達轉動鏡頭至對焦清楚的位置。為了避免該系統設計過程中調試硬件帶來的困難和復雜性，先將視頻信號用圖像采集卡采集到計算機上，然后使用Matlab這一功能強大的軟件對該系統的關鍵技術進行仿真分析，并給出實驗仿真結果，為系統的硬件電路設計和算法實現提供支持。

關鍵詞：自動聚焦；圖像處理；帶通濾波器；Matlab仿真

中圖分類號：TP3681 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2008)06-075-02

Simulation of Automatic Focusing arithmetic Single Chip-based CCD Camera

HUANG Juan，HE Xiaogang，CHENG Yongqiang

(Information Engineering College，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，030024，China)

Abstract：The single chip-based automatic focusing system out put the high frequency through filtering the video signal provided by CCD image sensor，the single chip microprocessor samples，analyzes and controls motor to rotate lens to a location where the focus is clear.To avoid the complexity of hardware debugging，the video signal is sampled through a TV card to the computer.And then the key techniques of the system are emulated and analyzed with Matlab which has strong functions，the experimental emulate results are also given，which give a great support to the hardware design and arithmetic realization.

Keywords：auto-focus；image processing；band filter；Matlab simulation

1 引 言

自動聚焦有許多種方法，主要分為主動式和被動式兩種。主動式自動聚焦是指通過測距并使用一定的數學模型計算出實際應取的焦距，常見的有紅外線測距法和超聲波測距法；被動式自動聚焦是指利用所獲取圖像的自有信息分析聚焦方向，通過焦距的反復調節獲取最清晰的圖像。前者需要發射接收裝置，在很多場合下使用受到限制。對于后者，問題主要集中在2個方面：一是對焦方法的確定；二是自動聚焦的具體實現。目前廣泛采用的自動對焦方法可以分為時域分析法和空域分析法2種，這里所設計的系統中采用的是高頻分量析出法，即先對圖像傳感器輸出的視頻信號進行模擬濾波，析出反映圖像清晰度的高頻分量，隨后由單片機采樣、分析高頻信息，根據分析結果控制聚焦馬達的轉動至對焦清楚位置。這一系統設計過程中的關鍵問題是濾波器頻帶的設計、評價函數的確定以及聚焦的實現。為了避免硬件調試的復雜性，應先對這2個問題在計算機上進行仿真和分析，將視頻信號用圖像采集卡采集到計算機上，然后用Matlab進行仿真分析，以確定合適的圖像清晰度評價函數、帶通濾波器和聚焦算法。本文給出了這一仿真分析的過程和研究結果。仿真系統框圖如圖1所示。

圖1 自動聚焦系統框圖

2 圖像清晰度評價函數

理想的評價函數應該具有無偏性、單峰性；同時，評價函數要有較強的抗干擾能力。先用圖像采集卡將視頻信號采集到計算機上得到數字圖像，采樣頻率為13.5 MHz，再用Matlab對數字圖像進行帶通濾波并通過仿真和分析，選擇一個合適的圖像清晰度評價函數。其中，濾波器的設計要使得反映圖像清晰程度的高頻分量通過，同時濾掉噪聲信號。這樣，當圖像聚焦準確時，畫面清晰、輪廓清楚、高頻成分的電平幅度大；當聚焦不準時，畫面不清晰、輪廓不清楚、高頻成分的電平幅度小。

考慮單片機的計算能力這里設計了2種評價函數進行對比：一種是最大值型，即一幀圖像中眾多采樣點亮度值的最大值，另一種是求和型，即一幀圖像中眾多采樣點亮度值的求和。實驗結果表明，最大值型判據雖相對差值大，但數據不穩定，而求和型數據穩定，抗干擾能力強，雖聚焦和離焦時的差值相對比例不如最大值型，但已足夠作為判據。因此最終選用求和型：F=∑Yi，其中Yi是一幀信號高頻成分第i個采樣點的亮度值。其函數曲線即調焦曲線如圖2所示。評價函數的選取對自動聚焦的性能至關重要，實際工作時要根據具體要求合理選擇，以使得既能反映對焦準確與否的真實情況，又能簡便的實現。

3 濾波頻點選擇

自然界中有千姿百態的景物或畫面，有的圖像畫面柔和(豐富的頻率成分不在高頻點)，有的圖像畫面鮮明，對比度大(頻譜的豐富成分在高頻點上)。要適用于各種畫面，濾波頻點需做適當選擇，保證在這個頻點上，各調焦曲線呈一定程度的單峰，不至于誤判聚焦位置。

視頻信號是包含0～6 MHz帶寬的寬帶信號，就彩色視頻信號而言，他包含著亮度信號、色度信號及其他輔助信號。其中色度信號載波頻率為4.43±1.3 MHz，由于圖像能量主要由亮度信號反映，選擇一個中心頻率遠離色度信號的帶通濾波器對圖像進行濾波，得到反映圖像清晰度的高頻分量。試驗中分別選擇3個頻點(0.6 M，1 M和1.6 M)作為帶通濾波中心頻率對一幅廣告畫圖像進行濾波，為了適用各種情況，選擇400 k這樣一個較寬的頻帶寬度。

試驗結果如圖3所示，可以看到，不同頻率下，數據均較穩，呈現單峰性。在聚焦位置附近，即微離焦和離焦時，1.6 M評價函數曲線變化最明顯，1 M次之，0.6 M再次之。可見中心頻率越高，越能反映聚焦程度。但是，對于遠離焦位置的圖像，由于本身高頻分量已經很少，所以中心頻率選得越高，遠離焦位置高頻分量變化反而不明顯，也即中心頻率選得越高，系統的搜索范圍相應變小。同時，隨著中心頻率地提高，系統對光照變化等因素的抗干擾能力也會下降。

圖2 圖像清晰度評價函數

圖3 廣告畫圖像不同中心頻率下的對焦曲線

綜合考慮以上因素，在系統調整初期，選擇中心頻率為1 MHz，帶寬為400 kHz的一組帶通濾波器，這一濾波頻點的選擇，基本能滿足普通被攝景物的自動聚焦要求。

在系統的繼續調整過程中，希望在保證一定的對焦精度的情況下，加快對焦的速度。經過多次探討以及實驗，發現在搜索過程中，第一次大步長粗略地搜索，選用更低頻的通帶較為適合，對焦的范圍會更大，速度也會有所提高。因為這時低頻的變化明顯，且己經足夠讓系統粗略判出大致的聚焦位置。而第二次以小步長搜索，選用較高頻的通帶，更能反映圖像的細節信息，能夠保證一定的精度要求。

4 算法實現

為了實現快速聚焦，本系統采用改進的爬坡算法(Hill-Climbing Search，HCS)。HCS 算法如圖4所示，假定聚焦鏡頭從m=mi位置開始，高頻分量值F(mi)和F(mi+M)的大小決定鏡頭移動方向，當F(mi+M)>F(mi)時，新的鏡頭位置是m=mi+M，否則位置是m=mi-M；當找到位置mx時，有F(mx-M)F(mx+M)成立，則聚焦位置mp可由下式得到：

mp=mx+M/2*(D1-D2)/(D1+D2)

其中D1=F(mx)-F(mx-M)

D2=F(mx)-F(mx+M)

圖4 HCS算法

這一算法的好處是容易用運算能力比較弱的單片機實現，然而，這樣的算法存在缺陷。如果對焦評價曲線受到各種干擾導致出現多個峰值時，爬坡法很容易搜索到局部極值，導致對焦失敗。并且，在攝像機自動對焦系統中，由于噪聲的影響而產生局部極值的情況較容易出現。因此，需要對該算法法進行一些改進。由于通常對焦曲線受到干擾而出現的局部極值都比較窄，故可對爬坡法進行如下改進。在爬坡算法的基礎上，確定曲線方向時，不是僅根據前后2次對焦評價值的大小來確定，而是用3個點大小的變化以確定曲線的方向。如果3點連續上升，則確定曲線為上升方向；如果3點連續下降，則確定曲線為下降方向；3點大升小降與大降小升時，經過數據處理可以分別歸到上面兩種情況。這樣就能避免那些在2個對焦步長內出現的局部峰值而使得曲線方向誤判的情況，而在2個步長外出現的局部峰值的情況比較少，從而對焦的準確程度被大大提高。

5 試驗結果分析

視頻信號經有源濾波器濾波，當圖像聚焦時，高頻成分電平幅度大，求和后的值就大，離焦時相應的就小。依據本文中的聚焦評價函數能夠快速地實現自動對焦。應

用于研制的單片機自動聚焦系統，能基本上滿足捕獲各種典型景物清晰畫面的要求。圖5所示圖像為一本書的封面，其函數曲線即調焦曲線如圖6所示，其中聚焦窗口選擇居于中心的145×145個象素點。根據這樣的試驗曲線能夠快速實現自動對焦。

圖5 書的封皮圖像

圖6 圖像清晰度評價函數曲線

6 結 語

基于單片機信號處理的自動聚焦系統具有小型輕便、聚焦速度快且效果良好、適用范圍廣、

成本較低等特點，為信息家電提供了一種快速攝取清晰圖像的手段。從目前實驗的結果看，經過改進和隨著相關技術的發展，將會取得更加理想的自動聚焦效果。

參考文獻

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作者簡介 黃娟女，1982年出生，山西洪洞人，在讀碩士研究生。主要從事圖像處理方面研究的工作。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。