刀具預(yù)調(diào)儀的調(diào)焦區(qū)域探究

劉 娟 杜文華 段能全 曾志強(qiáng)

（中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原030051）

0 引言

在機(jī)器視覺(jué)測(cè)量中，清晰的圖像是后續(xù)圖像分析與處理的前提，它關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度。影響成像清晰度的因素很多，而圖像是否正確聚焦是測(cè)量的關(guān)鍵因素。根據(jù)前人做的大量研究，發(fā)現(xiàn)對(duì)焦深度法相比離焦深度法精度更高，適合于精密測(cè)量領(lǐng)域[1-2]。刀具預(yù)調(diào)儀屬于精密測(cè)量領(lǐng)域，因此，對(duì)焦深度法可用于刀具預(yù)調(diào)儀的自動(dòng)聚焦中。對(duì)焦深度法的核心內(nèi)容包括：圖像清晰度的評(píng)價(jià)、對(duì)焦窗口的選擇、對(duì)焦搜索策略，本文主要研究對(duì)焦窗口的選擇。

1 基于刀具預(yù)調(diào)儀的評(píng)價(jià)函數(shù)選擇

理想的調(diào)焦函數(shù)的特點(diǎn)包括：?jiǎn)畏逍?、無(wú)偏性、靈敏度、能反映離焦極性、具有足夠的信噪比、高效性[3]。根據(jù)前人做的大量研究發(fā)現(xiàn)，常用的調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)中，根據(jù)對(duì)各種調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)的分析及所測(cè)對(duì)象的特點(diǎn),使用灰度法作為調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)，計(jì)算量小，靈敏度高，適用于刀具預(yù)調(diào)儀的自動(dòng)聚焦過(guò)程[4-6]。刀具圖片像素的灰度變化較為均勻，使用傳統(tǒng)的灰度差分函數(shù)得到的評(píng)價(jià)函數(shù)值變化不明顯，聚焦效果不理想。因此，我們可以改進(jìn)傳統(tǒng)的灰度差分法。改進(jìn)的灰度差分法將圖像前景中的所有像素灰度值與后置像素的灰度值的差的平方和作為圖像的評(píng)價(jià)函數(shù)[7]。此方法的聚焦效果得到改善，精度提高。較之傳統(tǒng)的灰度差分法，此算法有更好的單調(diào)性以及單峰性。

改進(jìn)的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)：

其中：F0(x,y)為聚焦位置,f(x,y)為圖像在像素為x×y的灰度值。

2 基于對(duì)刀儀的調(diào)焦窗口的選擇

合適的調(diào)焦窗口大小和位置是保證成像主體準(zhǔn)確聚焦的關(guān)鍵因素。從實(shí)時(shí)性的角度出發(fā)，調(diào)焦窗口選擇的越小，包含的信息越少，調(diào)焦函數(shù)的運(yùn)算量就小，實(shí)時(shí)性越好。常用的調(diào)焦窗口選擇方法有：中央?yún)^(qū)域選擇法、多區(qū)域選擇法、非均勻采樣選擇法等。

刀具預(yù)調(diào)儀測(cè)量刀具尺寸時(shí)，刀具的位置位于圖像的中部、右部和下部，使用倒T型窗口使主體右側(cè)精度降低，因此將倒T型窗口改進(jìn)成倒L型窗口，倒T型圖1倒L型圖2的選擇區(qū)域?qū)Ρ葓D如下：

圖1 倒L型窗口

圖2 倒T型窗口

設(shè)倒L型窗口的圖像為L(zhǎng)（x,y），大小為m×n。那么，圖像聚焦區(qū)域算法表達(dá)式為

其中：

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本試驗(yàn)采用CCD攝像頭和LED光源獲取銑刀圖像，繪制圖像支持的最高分辨率為1392×1040，測(cè)試圖片的分辨率為1344×1024,此實(shí)驗(yàn)中，為保證在論文中顯示清晰，使用的圖片分辨率為448×482。拍攝39幅離焦到聚焦再到離焦的圖像，20幅時(shí)是精確聚焦圖，繪制成評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)比曲線圖。

不同區(qū)域（A區(qū)域倒L型、B區(qū)域倒T型）、不同大?。ˋ區(qū)域161×150、B區(qū)域54×50、C區(qū)域241×224）、對(duì)調(diào)焦特性曲線的影響如圖3、4所示：

圖3

圖4

由圖3(b)得出：倒L型調(diào)焦窗口較倒T型窗口有更好的清晰度以及單峰性；由圖4(b)得出：調(diào)焦窗口A受背景的影響較小，單峰性更好，靈敏度可保證。但圖片的清晰度低于調(diào)焦窗口B的圖片，調(diào)焦窗口C單峰性較差，圖片的穩(wěn)定性不足。因此，在刀具測(cè)量中應(yīng)選用161×150、倒L型調(diào)焦窗口。

4 結(jié)語(yǔ)

在刀具預(yù)調(diào)儀的自動(dòng)調(diào)焦過(guò)程中，調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)、調(diào)焦區(qū)域、調(diào)焦搜索算法對(duì)圖片的清晰度都具有一定的影響。本文通過(guò)選用不同的調(diào)焦窗口進(jìn)行對(duì)比，找出適用于刀具測(cè)量的調(diào)焦區(qū)域，提高圖片的清晰度，對(duì)后期圖片的處理具有深遠(yuǎn)的影響。

［1］史萌.基于刀具檢測(cè)儀的數(shù)字圖像自動(dòng)聚焦技術(shù)研究[D].西安工業(yè)大學(xué),2012.

［2］劉力雙.電子攝像式刀具預(yù)調(diào)測(cè)量?jī)x的調(diào)焦方法研究[D].天津大學(xué),2012.

［3］黃德天.基于圖像技術(shù)的自動(dòng)調(diào)焦方法研究[D].中國(guó)科學(xué)院大學(xué),2013.

［4］汪宋良.一種改進(jìn)型灰度差分聚焦算法研究與實(shí)現(xiàn)[J].光學(xué)儀器,2013,35(4)：47-52.

［5］張旭東.一種自動(dòng)聚焦方法及其應(yīng)用[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì),2008,18(27)：150-152.

［6］鄭媛媛.一種新的自動(dòng)計(jì)較算法的研究[J].光學(xué)技術(shù),2011,37(4)：471-474.

［7］Li Hui.An improved focusing algorithm based on image definition evaluation[C]//2011 2nd International Conference on Artificial Intelligence,Management Science and Electronic Commerce,AIMSEC 2011-Proceedings,2011.