發(fā)布時(shí)間：2018-09-04 16:08

【摘要】：圖像是信息傳遞的重要載體,如何獲取清晰、高質(zhì)量的圖像畫面一直是人們探索的方向與目標(biāo),圖像質(zhì)量直接關(guān)系著后續(xù)的圖像處理與應(yīng)用。自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)作為光學(xué)成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)顯微鏡、掃描儀等精密儀器,以及衛(wèi)星導(dǎo)航、空間探測、機(jī)器人視覺、自動(dòng)監(jiān)控等領(lǐng)域�；趫D像處理的自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)不同于傳統(tǒng)調(diào)焦技術(shù),該技術(shù)僅依賴于獲取的圖像信息,不需要額外的光電檢測設(shè)備,按照圖像信息處理方式可分為兩大類:離焦深度法和聚焦深度法。本文主要就聚焦深度法進(jìn)行了深入研究�；诰劢股疃确ǖ恼{(diào)焦過程是一個(gè)閉環(huán)控制過程,集光、機(jī)、電于一體,主要包括三個(gè)重要環(huán)節(jié):調(diào)焦窗口的構(gòu)建、調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)的選取、搜索算法對調(diào)焦電機(jī)的反饋控制。本文在研究國內(nèi)外自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀基礎(chǔ)上,針對這三個(gè)重要環(huán)節(jié),并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用開展了一系列研究。首先,建立了光學(xué)成像系統(tǒng)的離焦模型,介紹了離焦?fàn)顟B(tài)下的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)與光學(xué)傳遞函數(shù),通過分析離焦造成圖像模糊的本質(zhì)原因,奠定了自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)的理論基礎(chǔ)。其次,對調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行了深入研究。調(diào)焦評(píng)價(jià)算法的選取是調(diào)焦過程中一個(gè)至關(guān)重要的步驟。離焦會(huì)造成圖像高頻分量的流失,在空間域上表現(xiàn)為圖像邊緣及細(xì)節(jié)變模糊、圖像質(zhì)量下降。本文分析了常見的基于圖像梯度、頻率域、信息熵、統(tǒng)計(jì)學(xué)的調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)�；诟道锶~變換的圖像功率譜具有場景不變性的特點(diǎn),有著廣泛應(yīng)用。小波分析克服了傅里葉單一分辨率的缺陷,具有多分辨率分析的特點(diǎn)。小波功率譜函數(shù)是對基于傅里葉變換的功率譜函數(shù)的改進(jìn)。結(jié)合人類視覺系統(tǒng)(HVS)的低通濾波特性,對小波功率譜法進(jìn)行加權(quán)處理。使得評(píng)價(jià)結(jié)果更加符合人眼視覺感知特性。為了驗(yàn)證算法的有效性及通用性,在LIVE數(shù)據(jù)庫上進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。同時(shí),針對大型光測設(shè)備的特點(diǎn),本文又提出一種基于自適應(yīng)閾值分割的改進(jìn)SML清晰度評(píng)價(jià)函數(shù),在原有的SML函數(shù)基礎(chǔ)上增加兩個(gè)對角方向的梯度值,并取最大值作為該點(diǎn)空間濾波的結(jié)果,該算法能有效地克服背景噪聲、以及大氣湍流造成設(shè)備抖動(dòng)的影響,具有較高的穩(wěn)定性與靈敏度。再次,對調(diào)焦窗口的構(gòu)建進(jìn)行了研究。討論了調(diào)焦窗口的尺寸及位置對調(diào)焦評(píng)價(jià)曲線的影響。由于光測設(shè)備的觀察目標(biāo)具有位置及尺寸上的不確定性,窗口過大或過小容易造成背景信息的干擾或目標(biāo)缺失。在分析比較傳統(tǒng)調(diào)焦窗口選擇方法局限性的基礎(chǔ)上,提出了基于多尺度脈沖余弦變換的窗口構(gòu)建方法。該方法模擬人類視覺注意機(jī)制,從而提取圖像感興趣區(qū)域,能使光測設(shè)備在任意調(diào)焦?fàn)顟B(tài)下很好地適應(yīng)成像主體的位置變化,建立有效調(diào)焦窗口。然后,制定了自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的搜索策略。搜索算法是調(diào)焦過程的最終實(shí)現(xiàn)。本文針對比較常用的、具有較高可行性的爬山法進(jìn)行了改進(jìn)。以改進(jìn)爬山法作為調(diào)焦系統(tǒng)的基礎(chǔ)搜索算法,同時(shí)以圖像的小波功率譜值作為輔助手段,綜合判斷調(diào)焦搜索方向以及極值點(diǎn)性質(zhì);并采用自適應(yīng)步長,提高了搜索速率。從而快速準(zhǔn)確的得到最佳聚焦位置,避免了范圍較大的局部極值點(diǎn)的干擾。最后,本文根據(jù)所提出的調(diào)焦策略,設(shè)計(jì)了以DSP芯片TMS320C6678和Virtex-II系列XC2V3000為核心的嵌入式自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng),并在調(diào)焦精度、穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性等方面進(jìn)行了大量的測試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文所提出的自動(dòng)調(diào)焦方法切實(shí)可行,具有較高工程應(yīng)用價(jià)值。
[Abstract]:Image is an important carrier of information transmission. How to obtain clear and high-quality images has always been the direction and goal of people's exploration. Image quality is directly related to the subsequent image processing and application. Auto-focusing technology based on image processing is different from traditional focusing technology, which only relies on the acquired image information and does not require additional photoelectric detection equipment. Focusing process based on depth of focus method is a closed-loop control process, which integrates light, machine and electricity. It mainly includes three important links: the construction of focusing window, the selection of focusing evaluation function, and the feedback control of search algorithm for focusing motor. Based on the development status of focusing technology, a series of researches are carried out aiming at these three important links and combining with practical application. Firstly, the defocusing model of optical imaging system is established, the point spread function and optical transfer function under defocusing state are introduced, and the auto-focusing technology is established by analyzing the essential reasons of blurring image caused by defocusing. Secondly, focusing evaluation function is studied deeply. The selection of focusing evaluation algorithm is an important step in the focusing process. Defocusing will cause the loss of high-frequency components of the image, which will blur the edges and details of the image and degrade the image quality in the spatial domain. Fourier transform based image power spectrum has the characteristics of scene invariance and is widely used. Wavelet analysis overcomes the shortcomings of single Fourier resolution and has the characteristics of multi-resolution analysis. Wavelet power spectrum function is a power spectrum function based on Fourier transform. In order to verify the validity and universality of the proposed method, some experiments are carried out on LIVE database. At the same time, according to the characteristics of large-scale optical measurement equipment, a new method is proposed in this paper. The improved SML intelligibility evaluation function based on adaptive threshold segmentation adds two diagonal gradient values to the original SML function and takes the maximum value as the result of the point space filtering. The algorithm can effectively overcome the background noise and the influence of equipment jitter caused by atmospheric turbulence, and has high stability and sensitivity. Thirdly, the construction of the focusing window is studied. The influence of the size and position of the focusing window on the focusing evaluation curve is discussed. Due to the uncertainty of the position and size of the object observed by the optical measuring equipment, too large or too small of the window can easily cause the interference of background information or the loss of the object. Based on the limitation of the method, a window building method based on multi-scale pulse cosine transform is proposed. This method simulates the human visual attention mechanism and extracts the region of interest (ROI) of the image. The search strategy of the dynamic focusing system is the final realization of the focusing process.This paper improves the hill-climbing method which is commonly used and has high feasibility.The improved hill-climbing method is used as the basic search algorithm of the focusing system,and the wavelet power spectrum value of the image is used as the auxiliary means to judge the direction of the focusing search. Finally, according to the proposed focusing strategy, an embedded auto-focusing system based on DSP chip TMS320C6678 and Virtex-II series XC2V3000 is designed. A large number of experiments have been carried out on focusing accuracy, stability and real-time. The experimental results show that the auto-focusing method proposed in this paper is feasible and has high engineering application value.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP391.41

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本文編號(hào)：2222672