【摘要】：安防視頻監(jiān)控領域的一體化攝像機已經有近二十年的發(fā)展歷史。近年來,隨著數字圖像處理技術和芯片技術的進步,一體化攝像機正由模擬向數字、標清向高清的方向發(fā)展,高清一體化攝像機應運而生,以其清晰度高、傳輸方式靈活、適應范圍廣、體積小巧、安裝方便的優(yōu)勢很快成為監(jiān)控類攝像機中的主力軍。自動對焦技術作為高清一體化攝像機的關鍵技術,直接決定著攝像機的成像質量和圖像清晰度。高清一體化攝像機中一般采用基于圖像處理的自動對焦技術,主要包括三個核心子算法:圖像清晰度評價函數、變焦跟蹤算法和對焦搜索算法。基于此,本文深入分析現(xiàn)有自動對焦算法存在的問題,從工程應用的角度提出了改進的算法,最后在自行設計的自動對焦系統(tǒng)上完成了算法的對比實驗。(1)在分析現(xiàn)有典型圖像清晰度評價函數和海思AF模塊的基礎上,設計對比性實驗,實際論證了本文選用的海思AF模塊在工程實踐中的可行性。(2)研究了現(xiàn)有的變焦跟蹤算法,針對現(xiàn)有算法變焦過程不連續(xù)、通用性不足的問題,首次提出采用相鄰兩個變焦點的狀態(tài)信息來修正評估跟蹤曲線,從而得到本文的變焦跟蹤算法。經過對比性實驗驗證,本文提出的跟蹤算法解決了反饋法和自適應法變焦過程不連續(xù)的問題,同時在變焦精度和速度方面也有了明顯的改進,綜合性能提升明顯,實際應用價值較高。(3)研究了不同種類改進的對焦搜索算法,總結發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有算法無法解決光源場景和無細節(jié)場景下的對焦問題,基于此提出了一種基于場景判斷的對焦搜索算法,該算法能夠智能識別場景并作出判斷,針對光源場景提出利用圖像高亮度像素統(tǒng)計值作為對焦搜索的依據;針對無細節(jié)場景,提出了改進的全局搜索算法;針對普通場景對焦電機位于離焦區(qū)時判斷方向困難的問題,提出了采用模糊度評價模型判斷峰值方向的辦法。實驗結果表明,本文設計的算法提高了對焦搜索的速度、準確率和穩(wěn)定性。(4)最后本文搭建了以海思Hi3518A處理器SoC芯片為核心的自動對焦系統(tǒng),詳細描述了系統(tǒng)的軟硬件設計方案,在此基礎上編寫了算法程序和電機驅動程序,在自行設計的實驗方案上完成了本文算法的驗證工作。該系統(tǒng)作為一種典型的高清一體化攝像機解決方案,具備很強的市場競爭力。
【圖文】：

自動對焦過程就是對光學系統(tǒng)不斷校正的過程，本章將從光學系統(tǒng)的成像原理和光學設備的機械結構兩方面入手，對光學成像系統(tǒng)作必要的介紹。2.1.1 變焦鏡頭的光學結構鏡頭是一種接收光信號并將光信號匯聚至感光元件的成像裝置，按照焦距是否可以改變，分為變焦鏡頭和定焦鏡頭。變焦鏡頭的焦距在一定范圍內可以連續(xù)變化，從而得到不同視場角、不同影像大小的圖像。鏡頭的變焦和對焦操作一般通過多枚鏡片之間的相對運動實現(xiàn)，根據所處位置和功能不同，大致可將鏡片分成三組，一組鏡片稱為一群，變焦鏡頭一般由以下部分組成：三群鏡片、固定筒、凸輪結構曲線筒、光圈、快門、步進電機、光遮斷傳感器等。根據鏡頭組成，在光軸上從物方到成像端，變焦鏡頭依次包括具有負屈光率的一群、具備正屈光率的二群和三群，不同鏡片組可以沿著光軸運動，通過改變一群和二群之間的相對距離實現(xiàn)變倍的功能，驅動三群鏡片沿著光軸運動可以達到對焦的效果。圖 2-1顯示了三群鏡片組之間的相對位置關系，其中 G1、G2、G3 構成一群，，G4、G5、G6 構成二群，G7 即為三群[25]。

圖 4-2 舜宇 20 倍鏡頭不同物距下的變焦跟蹤曲線圖 4-2 列舉了 1 米、2 米、5 米和無窮遠物距下 20 倍變焦鏡頭的變焦跟蹤曲線，橫軸表示變焦電機位置，縱軸表示對焦電機位置。以光遮斷傳感器位置為原點，以步進電機運行一步帶動鏡片移動的距離為最小刻度單位，實測得到鏡頭內變焦電機與對焦電機的可移動范圍，變焦電機從 1 倍位置到 20 倍位置的總行程范圍為[-1200,102]，對焦電機總行程范圍為[-300, 400]。分析圖 4-2 中的曲線，發(fā)現(xiàn)變焦電機在[-1200, -668]的范圍內曲線呈線性變化，稱為線性區(qū)；而在[-668,102]范圍內，曲線呈非線性變化，稱為非線性區(qū)域。變焦跟蹤曲線在線性區(qū)域基本重合，各曲線之間的距離差別很小，隨著變焦電機往長焦端（tele-angle）移動，各條曲線逐漸分離，曲線之間的距離越來越大。由此可知，如果變焦跟蹤前的變焦電機位于長焦端附近的區(qū)域且對焦清晰，則可以通過線性插值的方法確定一條評估跟蹤曲線，對焦電機的位置可以沿著這條評估跟蹤曲線調節(jié)；如果初始變焦位置位于廣角端（wide-angle）附近，則由于各條曲線重合，當變焦電機往長焦端移動時，各條曲線逐漸分離，在沒有任何策略的情況下，很難確定一條評估跟蹤曲線。
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TP391.41

【參考文獻】

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1 謝琦;張廣;;基于差分方程預測模型的自動聚焦算法[J];計算機應用與軟件;2015年12期

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4 黃德天;劉雪超;張紅勝;趙晶麗;;基于人類視覺的快速自動調焦法[J];液晶與顯示;2014年05期

5 陳東;楊建中;王金;;基于模糊推理的聚焦曲線峰值搜索算法研究[J];電視技術;2014年07期

6 莫春紅;劉波;丁璐;陳二瑞;郭高;;一種梯度閾值自動調焦算法[J];紅外與激光工程;2014年01期

7 尤玉虎;劉通;劉佳文;;基于圖像處理的自動對焦技術綜述[J];激光與紅外;2013年02期

8 閔志盛;;基于DM6446的變焦成像系統(tǒng)設計[J];電子設計工程;2012年16期

9 翟永平;周東翔;劉云輝;劉順;彭科舉;;聚焦函數性能評價指標設計及最優(yōu)函數選取[J];光學學報;2011年04期

10 趙志彬;劉晶紅;;基于圖像處理的航空成像設備自動調焦設計[J];液晶與顯示;2010年06期

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2 路朋羅;基于圖像處理技術的自動調焦方法研究[D];中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所);2016年

3 王昊;航空可見光變焦距鏡頭自動調焦系統(tǒng)研究[D];中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所);2015年

4 劉雪超;基于數字圖像處理的自動調焦技術研究[D];中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所);2014年

5 王健;基于圖像處理的自動調焦技術研究[D];中國科學院研究生院（光電技術研究所）;2013年

6 黃德天;基于圖像技術的自動調焦方法研究[D];中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）;2013年

7 林兆華;基于圖像處理自動調焦技術在經緯儀中應用的研究[D];中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）;2012年

8 于秋水;基于圖像處理方法的光學瞄具自動調焦技術研究[D];長春理工大學;2011年

9 陳國金;數字圖像自動聚焦技術研究及系統(tǒng)實現(xiàn)[D];西安電子科技大學;2007年

10 李奇;數字自動對焦技術的理論及實現(xiàn)方法研究[D];浙江大學;2004年

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1 朱彥宇;高清自動聚焦及其在網絡一體機上的應用研究[D];浙江大學;2017年

2 林華佑;一體攝像機自動聚焦系統(tǒng)軟件設計[D];浙江大學;2016年

3 陶金有;基于圖像處理的自動調焦算法研究及系統(tǒng)實現(xiàn)[D];中國科學院研究生院（西安光學精密機械研究所）;2014年

4 龐勝利;圖像模糊度評價研究[D];西安電子科技大學;2010年

5 高素芳;ZOOM鏡頭驅動控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D];蘇州大學;2009年

6 吳建平;基于DSP的顯微鏡自動對焦系統(tǒng)設計[D];浙江大學;2008年

7 蔣鳳林;基于數字圖像處理的自動調焦算法研究[D];哈爾濱理工大學;2008年

本文編號：2622420