刀具预调仪中评价函数对调焦的影响

山西中北大学机械与动力工程学院 刘娟 杜文华 段能全 曾志强

刀具预调仪中评价函数对调焦的影响

山西中北大学机械与动力工程学院 刘娟 杜文华 段能全 曾志强

调焦评价函数的优劣直接关系到调焦的精度和速度，合适的调焦评价函数的选取对调焦有着至关重要的作用。因此，对调焦评价函数进行了研究，找出合适的调焦评价函数对刀具预调仪自动调焦技术的应用有着重要作用。对各种调焦评价函数的分析研究发现，在常用的调焦评价函数中，使用梯度评价函数作为调焦评价函数，计算量小，灵敏度高，适用于刀具预调仪的自动聚焦过程。

调焦评价函数；自动调焦技术；刀具预调仪；梯度评价函数

1 引言

在机器视觉测量中，清晰的图像是后续图像分析与处理的前提，它关系着整个系统的测量精度。影响成像清晰度的因素很多，而图像是否正确聚焦则是测量的关键因素[1-2]。图像聚焦的关键问题是要找到合适的调焦评价函数，调焦评价函数对调焦性能的影响非常重要，调焦评价函数直接关系着调焦的精度和速度[3]。根据对刀具预调仪的自动调焦过程的研究选取主要的性能评价指标：清晰度比率、灵敏度、局部极值因子、陡峭度和陡峭度宽度，这些评价性能指标多角度描述了调焦评价函数的性能，为刀具预调仪的评价函数选取提供了依据[4-6]。

2 调焦评价函数性能指标及实验分析

常用的调焦评价函数有：梯度调焦评价函数、频域调焦评价函数、熵调焦评价函数等。常用的梯度评价函数：阈值积分法、灰度差分函数法（SMD）、灰度平方函数法（EOG）、梯度滤波函数法（Brenner）、SML函数法、FFT函数法和中值滤波函数法（WTMRA）等。频域调焦函数：高频分量法、全频段积分法。

为了分析提出不同调焦函数曲线对调焦效果的影响，本试验采用CCD摄像头和LED光源获取铣刀图像，绘制图像支持的最高分辨率为1392×1040，测试图片的分辨率为1344×1024。拍摄39幅离焦到聚焦再到离焦的图像，20幅是精确聚焦图，绘制成评价函数对比曲线图。

图1 不同离焦深度图像

图2 调焦评价函数曲线图

图2（a）为频域和熵评价函数图，根据调焦评价标准可看出，这两种方法的陡峭度宽度都较宽并且灵敏度较差，单峰性也不明显。图2（b）为梯度评价函数曲线图分别列出了7种调焦曲线，根据调焦评价标准可看出，阈值积分法的陡峭度宽度最宽，灵敏度最差；BRENNER曲线、FFT曲线、SML曲线分别在第十三幅图、十二幅图、第四幅图、第十幅图进行采集的过程中，容易发生误判；SMD曲线、FSWM曲线、WTMRA曲线归一化以后变化不大，效果比较好，误判的可能性较小，陡峭度宽度较小，曲线灵敏度较好，因此，FSWM和EOG调焦评价函数都适用于刀具预调仪。

3 总结

通过上述实验对各种调焦评价函数的分析研究发现，常用的调焦评价函数中，使用灰度法作为调焦评价函数，计算量小，灵敏度高，适用于刀具预调仪的自动聚焦过程。刀具图片像素的灰度变化较为均匀，使用传统的灰度差分函数（SMD函数法）得到的评价函数值变化不明显，聚焦效果不理想。因此，我们可以改进传统的灰度差分法（EOG函数法）。改进的灰度差分法将图像前景中的所有像素灰度值与后置像素的灰度值的差的平方和作为图像的评价函数。此方法使聚焦效果得到改善，精度提高。较之传统的灰度差分法，此算法有更好的单调性及单峰性。中值滤波函数法（WTMRA）选取3个灰度中值作为评价函数，此方法的灵敏度高、单调性好、单峰性明显，适用于刀具预调仪的调焦过程。

[1]史萌.基于刀具检测仪的数字图像自动聚焦技术研究[D].西安工业大学,2012.

[2]查世华,王旭,张舞杰,李迪.一种改进的数字图像清晰度评价函数研究[J]. 2007,23（12）.

[3]黄伟琼,游林儒,刘少君.基于改进的灰度对比度函数的自动对焦方法[J].计算机应用,2011,31（11）.

[4]王任华,沈忙作.自动对焦算法研究[J].光电工程,2000,27（4）.

[5]黄德天.基于图像技术的自动调焦方法研究[D].2013.

刘娟，1987出生，硕士研究生，研究方向：机械故障诊断与机器视觉。

山西省研究生优秀创新项目。项目名称：基于机器视觉的难测尺寸高精度测量技术研究。项目编号：20133095*