一种基于图像清晰度函数的调焦机构限区间变速控制方法

张怀利，李迎春，张廷华

（航天工程大学 电子与光学工程系，北京 101416）

引言

目标通过光学系统成像时，有一个最佳焦面位置，在这个位置能够获得最清晰的图像，即所谓的物像共轭关系。当成像位置偏离了最佳焦面位置，即光学系统产生了离焦时，成像变得模糊[1-2]。一般会在光学系统中设计调焦机构，对焦面位置进行微调，再通过对图像的清晰度进行判断，寻找最佳的调焦位置。在人们刚开始研究自动调焦时，最直接的方式是通过外部设备对目标的位置和系统的焦距进行测量，以测量结果作为调焦依据[3-5]。这种方案具有不可消除的测量误差，且有系统体积大、成本高、精度下降等弊端。从上世纪90年代开始，数字图像处理技术逐渐成熟，基于图像处理的自动调焦技术成为研究的主要方向，此技术方案直接处理采集到的图像信息，再通过某种算法对图像的清晰度评价值进行计算，根据计算结果判断系统的成像状况，并给出调焦指令，驱动机构根据响应的指令控制调焦机构运动，如此反复，直到获得最清晰的图像，完成系统的自动调焦控制[6]。根据这一工作原理，基于图像清晰度法的调焦控制可以充分利用计算机技术处理数字信号的快速性和灵活性，不需要对目标位置、光学系统焦距等信息进行测量，减少了中间环节，干扰因素少，具有高效、准确的优点。近年来，国内对基于图像处理的自动调焦技术的研究取得了一些成果，但是研究方向主要集中在图像清晰度算法和搜索策略研究方面，对自动调焦控制方法的研究和应用却很少[7-9]，自动调焦技术的创新性和完善程度还有很大的上升空间。在这样的背景下，开展基于图像清晰度函数的调焦机构控制方法研究具有十分重要的工程意义。

1 常用的清晰度评价函数及特点

对自动调焦的图像进行评价，需要利用某种客观标准对图像清晰度进行计算，从而对控制过程进行反馈，这种图像清晰度客观标准称为图像清晰度评价函数。图像清晰度评价函数根据图像的细节特征和轮廓特征判断图像清晰与否。一幅清晰图像包含丰富的细节和清晰的轮廓，因此可以通过计算图像的细节特征或提取图像的轮廓特征做为评价图像是否清晰的依据。根据图像的处理方法和原理，可以将清晰度评价函数分为空域评价函数、频域评价函数、信息学评价函数和统计学评价函数[10-11]，以上4 种评价函数的特点如表1所示。

评价函数能够作为自动调焦过程中图像清晰度的判断标准，应具有以下特点[12-13]：1）无偏型，即评价函数能够正确反映最佳调焦位置；2）单峰型，即评价函数在调焦行程内有且仅有一个峰值，从而避免局部极值的干扰；3）高灵敏性，即能够轻易区分最佳焦面和轻微离焦的差异；4）抗噪声性，即评价函数能够抵抗外界环境，如温度变化带来的影响，具有基本不变的趋势和规律，保证调焦的正确性；5）实时性，即评价函数的计算量小，计算速度快于图像刷新的速度，能够保证调焦的实时性。

考虑到空域梯度能量函数具有计算简单、复杂度低的特点，在后续工作中，本文不对清晰度评价函数进行研究，直接以空域梯度能量函数作为评价标准，对图像的清晰度进行计算，用以指导控制模块的设计和实现。

2 聚焦控制设计及实现

在某光电系统非制冷长波热像仪设计工作中，要求其具有快速聚焦功能，聚焦时间小于2 s，传统的控制方法很难实现。针对此工程需求，从样机镜头的清晰度曲线规律入手，以空域梯度能量函数为清晰度评价标准，改进了一种调焦机构限区间变速控制方法，实现了研制目标。

2.1 光学设计及分析

为了研究调焦机构控制方法，设计了一种可调焦的光学镜头，光学参数如表2所示。

表2 光学设计参数Table 2 Optical design parameters

光路图如图1所示，透镜二作为调焦物镜，在驱动电机、曲线套筒等调焦机构的驱动下，沿着光轴方向前后移动，调焦行程为 -2.0 mm～+1.5 mm，能够补偿物距从50 m 变化到无穷远的离焦量。

图1 光路图Fig.1 Optical path diagram

对调焦过程的成像质量进行仿真，分析物距为无限远、3 km 和50 m 三种情况，考虑在整个调焦行程中，调焦物镜的位置对光学传递函数的影响，得到的曲线如图2所示。纵坐标为传递函数，仿真的空间频率为42 lp/mm，横坐标为调焦位置，以无穷远物距对应的调焦位置为零位。

图2 光学传递函数变化曲线Fig.2 Variation curves of optical transfer function

从仿真曲线可以看出，对于不同的物距，光学传递函数随调焦量变化存在相同的规律：曲线存在唯一的峰值，对应最佳调焦位置；在最佳调焦位置附近，传递函数变化剧烈，在远离最佳调焦位置处，传递函数变换缓慢。对于成像镜头，认为光学传递函数和图像清晰度函数具有相同的变化规律。基于这种规律，考虑采用有针对性的调焦控制方式，在保证调焦精度的前提下，缩短自动调焦的行程，提高自动调焦的效率。

2.2 聚焦策略优化

无论是基于何种清晰度评价函数，自动调焦的控制原理都是电机驱动控制调焦物镜在调焦行程内运动，获取各位置清晰度评价函数值，寻找函数峰值，将调焦物镜定位在最佳位置处，得到最清晰的图像[14-15]。在长期的工程实践中，发展出了诸多控制方法，最简单的方式是控制调焦物镜单向匀速运动。这种方式虽然实现简单，但是效率比较低，整个调焦过程花费的时间较长，占用的资源较多，在工程应用中存在限制。为了解决上述问题，需要寻找一种改进的变速控制方法，满足工程化应用。

从仿真分析的结果来看，在最佳调焦位置附近，曲线的斜率很大，在图像上表现出清晰度变化剧烈；在远离最佳调焦位置处，曲线的斜率很小，在图像上表现出清晰度变化缓慢。基于这种特征，在图像清晰度变化缓慢时，加快驱动电机的速度，使之快速进入有效的搜索区间，并锁定在该区间内，从而有效缩短调焦行程和提高调焦效率。在锁定区间内，在图像清晰度变换剧烈时，降低驱动电机的速度，以提高调焦的精度。从整个调焦过程来看，限区间变速控制能缩短调焦时间。

将清晰度变化曲线分为Q1、Q2 和Q3 三个区间，如图3所示。

图3 限区间变速原理图Fig.3 Schematic diagram of limited interval variable speed

Q2 区间显然是有效的搜索区间，调焦机构处于该区间内时，进行低速控制，调焦机构处于该区间外时，进行高速控制。三个区间以曲线的斜率k1和k2为分界，在控制过程中，需要对曲线的斜率进行计算，计算公式为

式中F（x1）和F（x2）分别为x1和x2位置的清晰度函数值对于预设的斜率阈值。当清晰度评价函数的斜率小于该值时，认为调焦机构处于有效搜索区间外，控制调焦机构快速进入有效搜索区间；当清晰度评价函数的斜率大于该值时，认为调焦机构进入了有效搜索区间，从而可以利用成熟的爬山搜索法在该区域内确定最佳调焦位置。

2.3 自动调焦控制模块实现和评测

根据上述聚焦策略优化结果，聚焦模块的控制流程如图4所示。

图4 限区间变速控制流程图Fig.4 Flow chart of limited interval variable speed control

为实现图4 所述控制流程，设计了基于单片机的电路控制板。如图5所示，电路控制板分为控制模块、驱动模块和通讯模块，其中控制模块中的单片机选用Microchip 公司的Dspic30f6010a，驱动模块中的驱动芯片选用TI 公司的DRV8825，通讯模块中的通讯芯片选用Maxim 公司的max488。当通讯模块接收到控制指令后，控制模块进行指令分解判断，然后输出相应的脉冲宽度调制（PWM）波，通过驱动模块来控制相应的电机来完成指令。

图5 电路控制板结构图Fig.5 Structure diagram of circuit control panel

该控制板不涉及清晰度评价函数算法和搜索策略的研究，通过借用成熟的技术，实现自动聚焦功能。该控制模块的优势在于通过限区间变速控制，能够有效缩短自动调焦的行程和时间，利用试制的光学镜头对7 个不同的场景进行成像。对控制板的自动调焦时间进行了测试，测试结果如表3所示。

表3 控制板自动聚焦时间Table 3 Automatic focus time of control panel

表3 中：聚焦时间1 为采用常规控制方法的测试结果，平均为4.53 s；聚焦时间2 为采用限区间变速控制方法的测试结果，平均为1.38 s。可以看出，采用限区间变速的控制方法后，调焦时间大幅度缩短，调焦效率明显提高。

在测试过程中发现，预设的曲线斜率阈值是一个极其重要的参数，直接关系到有效搜索区间的大小，进而影响了调焦时间的长短。目前的斜率阈值为预设，经过反复测试和迭代，得到了斜率阈值的最优解，这种方式设计效率低下，只能做为限区间变速控制方法的验证方案。在接下来的工程化过程中，计划探索一种自适应算法，能自动计算曲线斜率阈值的最优化值，确定最合适的有效搜索区间大小，进一步提高自动调焦的效率。

3 结论

以工程实现为目标，本文完成了以下工作：1）提出了一种通用的自动调焦仿真方法，从样机镜头的清晰度曲线规律入手，针对性地提出了控制方案，完善了自动调焦分析和设计流程；2）改进并实现了一种调焦机构的变速控制方法，与传统的匀速控制方法相比，缩短了聚焦时间，且能够减少调焦电机往复运转的次数，便于工程实现；3）完成了在调焦行程中锁定搜索区间工作，有效缩短了调焦行程，进一步提高了自动调焦的效率。在某光电系统非制冷长波热像仪的研制过程中，采用以上3 种方法对自动调焦控制进行优化，该热像仪的平均聚焦时间从4.53 s 缩短到1.38 s，聚焦速度明显提升。基于现有的清晰度评价函数和调焦搜索策略，本文提出的对光学系统进行仿真分析以指导自动调焦控制的方法，以及在变速控制过程中锁定搜索区间的改进方法，具备一定的通用性，能够解决同类光学镜头的自动聚焦分析和设计问题。