多目標(biāo)自由聚焦系統(tǒng)

吳長(zhǎng)安+李煥梅

摘要： 為使聚焦系統(tǒng)能高效、及時(shí)、準(zhǔn)確地定位聚焦目標(biāo)，提出了一種多目標(biāo)自由聚焦算法。通過(guò)動(dòng)態(tài)劃分窗口提取單目標(biāo)，利用同步檢測(cè)法防止視場(chǎng)切換后窗口內(nèi)無(wú)目標(biāo)，采取對(duì)比分析法抑制噪聲，建立了快速聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)數(shù)學(xué)模型。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了本聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)相對(duì)于現(xiàn)有算法的優(yōu)點(diǎn)，研究了自適應(yīng)變步長(zhǎng)全局搜索策略。系統(tǒng)以TMS320DM642硬件為基礎(chǔ)，并通過(guò)VC軟件編程實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)大量戶內(nèi)外實(shí)驗(yàn)分析，證明了該系統(tǒng)的可行性、正確性和有效性，并且已成功應(yīng)用到邊防監(jiān)控轉(zhuǎn)臺(tái)產(chǎn)品中。

關(guān)鍵詞： 多目標(biāo)； 自由聚焦； 同步檢測(cè)； 自適應(yīng)

中圖分類號(hào)： TP 391文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.012

Multiobject freefocusing system

WU Changan， LI Huanmei

（Hebei Hanguang Industry Co.， Ltd.， Handan 056028， China）

Abstract： The efficient timely and accurate orientation of focusing aim is the key of a focusing system. A new evaluation method called multiobject freefocusing algorithm was proposed. User may select any single object by changing windows. Synchronized detection method was used to solve the problem of no object in the window after scene changing. The comparative and analytical method for restraining noise was discussed. The quickly focusing mathematical model was established. The technique is better than all the other methods by experimental comparison. Selfadaptalterstep wholerangesearch strategy was studied. The system was set up successfully in the TMS320DM642 hardware and VC software platform. The abundant outdoor and indoor experimental results indicated the feasibility， the veracity and the validity of the system， and it has been applied to frontier defence products.

Keywords： multiobject； freefocusing； synchronized detection； selfadapt

引言自動(dòng)聚焦是目前光學(xué)成像系統(tǒng)的一項(xiàng)不可或缺的重要技術(shù)，應(yīng)用產(chǎn)品越來(lái)越廣泛，例如數(shù)碼相機(jī)、光學(xué)鏡頭、顯微鏡、掃描儀、數(shù)字視頻平臺(tái)等精密儀器，幾乎涉及到所有領(lǐng)域，而準(zhǔn)確、快速聚焦又是自動(dòng)聚焦技術(shù)的關(guān)鍵。目前關(guān)于聚焦評(píng)價(jià)方法主要有時(shí)域和頻域兩種。由于時(shí)域函數(shù)相對(duì)于頻域函數(shù)具有計(jì)算量小、簡(jiǎn)潔、快速等特點(diǎn)，使其應(yīng)用廣泛[18]，本系統(tǒng)所用的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)是時(shí)域模型。聚焦區(qū)域劃分目前基本是針對(duì)一幅圖像進(jìn)行定性劃分[711]，具有一定的局限性。而聚焦區(qū)域的選擇直接影響到聚焦算法的速度和精度，好的局部窗口聚焦函數(shù)一方面大大減少數(shù)據(jù)處理量，加快聚焦速度，另一方面消除了非感興趣區(qū)域的噪聲干擾，提高聚焦精度。本聚焦系統(tǒng)的聚焦窗口選擇靈活，可實(shí)時(shí)更換興趣目標(biāo)并對(duì)此自動(dòng)聚焦。本系統(tǒng)所采取的算法稱作多目標(biāo)自由聚焦算法，應(yīng)用環(huán)境是路防紅外熱像儀。1系統(tǒng)評(píng)價(jià)函數(shù)自由聚焦是指當(dāng)外界有鼠標(biāo)時(shí)，可用鼠標(biāo)人工干預(yù)具體的聚焦位置，在圖像界面上自由選擇視場(chǎng)內(nèi)的任何單目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)聚焦?？梢詫?shí)時(shí)選取任意感興趣的目標(biāo)中心區(qū)域，從多目標(biāo)中靈活提取單目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)聚焦，目標(biāo)可以隨時(shí)改變，不受算法和數(shù)學(xué)模型的影響，具有很強(qiáng)的人機(jī)交互性。多目標(biāo)自由聚焦算法包括三部分：確定窗口，評(píng)價(jià)函數(shù)選取，搜索策略。在采取評(píng)價(jià)函數(shù)及搜索策略的同時(shí)，要確定采取的是局部窗口還是全局窗口，一般情況選取局部窗口進(jìn)行實(shí)時(shí)聚焦，但為避免圖像選擇區(qū)域在視場(chǎng)切換后無(wú)搜索目標(biāo)的異常情況，假設(shè)一幅圖片大小為720 pixel×576 pixel，采取同步檢測(cè)法光學(xué)儀器第37卷

第2期吳長(zhǎng)安，等：多目標(biāo)自由聚焦系統(tǒng)

Epart=∫ymaxymin∫xmaxxminT（m，n）

Eall=∫5761∫7201T（m，n） （1）式中：Epart和Eall分別指某一幅圖像局部窗口和全局窗口具有的邊緣能量；（xmin，ymin）和（xmax，ymax）分別是局部窗口選取圖像區(qū)域的左上角坐標(biāo)點(diǎn)和右下角坐標(biāo)點(diǎn)；T（m，n）是圖像某像素（m×n）所具有的邊緣能量。Dpart=max（Epart）

Dall=max（Eall） （2）式中Dpart和Dall分別是電機(jī)走一圈的所有視頻幀的局部窗口和全局窗口邊緣能量峰值。D=DpartifDpart>Dthreshold

D=Dallelse （3）式中：Dthreshold是一個(gè)很小的峰值閾值；D作為邊緣能量峰值的輸出值，是搜索策略判斷的依據(jù)，對(duì)應(yīng)的視頻幀圖像即搜索匹配圖像。一般基于空域的評(píng)價(jià)函數(shù)由梯度算子決定，由于Sobel梯度算子對(duì)于局部窗口區(qū)域聚焦效果好，但算子只有水平方向和垂直方向的梯度，對(duì)于規(guī)則目標(biāo)較適用，對(duì)于不規(guī)則對(duì)象就會(huì)導(dǎo)致丟失邊緣點(diǎn)從而誤判。所以，多目標(biāo)自由聚焦算法為了全面考慮各個(gè)方向的目標(biāo)梯度值，模板基于Sobel算子，同時(shí)添加了斜向算子，一個(gè)像素清晰度值由其周圍的8個(gè)像素對(duì)應(yīng)的4個(gè)算子絕對(duì)值和來(lái)計(jì)算，這4個(gè)算子分別是：檢測(cè)水平邊緣能量的算子，檢測(cè)垂直邊緣能量的算子，檢測(cè)正斜45°方向邊緣能量的算子，檢測(cè)反斜45°方向邊緣能量的算子。多目標(biāo)自由聚焦算法評(píng)價(jià)函數(shù)為Tx=f（x+1，y-1）+2f（x+1，y）+f（x+1，y+1）-f（x-1，y-1）-2f（x-1，y）-f（x-1，y+1）

Ty=f（x-1，y+1）+2f（x，y+1）+f（x+1，y+1）-f（x-1，y-1）-2f（x，y-1）-f（x+1，y-1）

Tz=2f（x+1，y+1）+f（x+1，y）+f（x，y+1）-2f（x-1，y-1）-f（x-1，y）-f（x，y-1）

Tw=2f（x-1，y+1）+f（x-1，y）+f（x，y+1）-2f（x+1，y-1）-f（x，y-1）-f（x+1，y）

T（m，n）=Tx+Ty+Tz+Tw

MT=max（Tm，n）

FT=max（MT） （4）式中：FT是在視頻所有幀中求邊緣能量峰值的最大值極值；MT是一幀圖像所有像素邊緣能量峰值；Tx，Ty，Tz，Tw分別是4個(gè)方向的邊緣算子?？紤]到時(shí)域函數(shù)抑制噪聲能力弱的特點(diǎn)，本評(píng)價(jià)函數(shù)采取如下對(duì)比分析法：在求邊緣峰值的同時(shí)記錄下峰值對(duì)應(yīng)的像素及附近8個(gè)像素的邊緣能量值，根據(jù)圖像邊緣分割原理，邊緣處不可能只存在單個(gè)像素點(diǎn)，鄰域8個(gè)像素至少有2個(gè)像素也為邊緣像素，設(shè)定一個(gè)閾值，求出能量值與峰值差的絕對(duì)值在閾值內(nèi)的像素個(gè)數(shù)n，若n<2，則將此峰值對(duì)應(yīng)的像素舍棄。此對(duì)比分析法有效去除了非邊緣區(qū)單個(gè)噪音點(diǎn)，達(dá)到了去噪的效果，以利于更準(zhǔn)確判斷極值對(duì)應(yīng)的視頻幀是要搜索的焦距位置。2系統(tǒng)搜索策略聚焦搜索策略經(jīng)典算法主要是遍歷搜索算法及爬山搜索算法，目前研究的大多數(shù)搜索策略都是基于爬山思想且在其基礎(chǔ)上有所改進(jìn)[68，12]。但爬山思想存在的缺點(diǎn)是只有找到下降點(diǎn)才能確定最大峰值點(diǎn)，算法本身不可能做到單側(cè)逼近收斂，時(shí)常也會(huì)出現(xiàn)虛晃現(xiàn)象，導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法停止，并不能兼顧聚焦速度及精度要求。為避免上述情況，本文采取自適應(yīng)變步長(zhǎng)全局搜索策略，根據(jù)系統(tǒng)評(píng)價(jià)函數(shù)所得出的極值焦距位置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)使鏡頭定位到該處。這種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，有效克服了回程定位誤差。在此，電機(jī)速度必須控制好，既不能太快也不能太慢，因圖像處理主芯片DM642圖像采集速度為50幀/s，太快容易丟失有用幀，導(dǎo)致定位錯(cuò)誤，太慢雖然能精確對(duì)焦但速度指標(biāo)達(dá)不到，所以要根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定電機(jī)速度，將模糊控制應(yīng)用于自動(dòng)聚焦的峰值搜索過(guò)程中。因鏡頭有長(zhǎng)焦區(qū)域、短焦區(qū)域和無(wú)效區(qū)域，長(zhǎng)焦區(qū)域（即小視場(chǎng)）和短焦區(qū)域（即大視場(chǎng)）分別有聚焦清晰位置，但長(zhǎng)焦區(qū)域范圍窄，峰值只在長(zhǎng)焦端附近，所以接近長(zhǎng)焦端電機(jī)速度一定要慢，而無(wú)效區(qū)內(nèi)圖像處于離焦模糊狀態(tài)，所以在無(wú)效區(qū)域電機(jī)大步長(zhǎng)全速前進(jìn)。在長(zhǎng)焦區(qū)域和短焦區(qū)域可根據(jù)當(dāng)前視頻幀圖像峰值Dnow和評(píng)價(jià)函數(shù)輸出極值D差的絕對(duì)值Dnow-D選擇變步長(zhǎng)搜索，設(shè)當(dāng)前步長(zhǎng)為lnow，則表示為Dnow-Dlnow=p，其中p為一固定常量。3系統(tǒng)組成

3.1硬件組成多目標(biāo)自由聚焦系統(tǒng)主要是由鏡頭部分、控制單元、模仿按鍵模塊的界面及圖像采集卡組成，如圖1所示。鏡頭部分主要包括鏡頭、供電模塊、圖1自由聚焦系統(tǒng)硬件構(gòu)成

Fig.1Hardware components of

autofocusing system步進(jìn)電機(jī)、機(jī)芯。控制單元主控芯片是TMS320DM642。圖2自由聚焦系統(tǒng)模塊劃分

Fig.2Modules of autofocusing system鏡頭機(jī)芯供電電源為12 V，步進(jìn)電機(jī)可在整個(gè)視場(chǎng)區(qū)（包括長(zhǎng)焦區(qū)域、短焦區(qū)域及無(wú)效區(qū)）內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，串口通訊采用標(biāo)準(zhǔn)485接口?？刂浦餍酒邮战缑姘撮L(zhǎng)焦切換、短焦切換和自由聚焦串口協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)響應(yīng)，程序一部分用于圖像處理算法，一部分用于控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速，其中長(zhǎng)焦切換和短焦切換是跨越無(wú)效區(qū)域的只對(duì)圖像中心區(qū)域運(yùn)用數(shù)字圖像處理算法實(shí)現(xiàn)聚焦的過(guò)程，自由聚焦是指在長(zhǎng)焦區(qū)域或短焦區(qū)域針對(duì)局部窗口及全局窗口運(yùn)用數(shù)字圖像處理算法實(shí)現(xiàn)聚焦的過(guò)程。

3.2軟件平臺(tái)軟件編程是基于CCS（code coposer studio）2和VC6.0軟件平臺(tái)的，其中CCS2是針對(duì)TMS320DM642編程使用的，VC6.0是為界面服務(wù)的，界面上實(shí)時(shí)顯示視頻流。

系統(tǒng)按照模塊化設(shè)計(jì)原則，采用自頂向下逐步細(xì)化方法進(jìn)行軟件開發(fā)，劃分的各模塊如圖2所示，大致分為視頻采集模塊、自由聚焦模塊、聚焦搜索模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，采用的編程語(yǔ)言為最基本且高效率的C語(yǔ)言和VC++語(yǔ)言。4實(shí)驗(yàn)分析為了驗(yàn)證多目標(biāo)自由聚焦系統(tǒng)的可行性及系統(tǒng)算法的性能，充分考慮到聚焦速度、聚焦精確度的評(píng)價(jià)原則，在上述軟硬件平臺(tái)上分別對(duì)長(zhǎng)短焦視場(chǎng)切換、長(zhǎng)焦內(nèi)自由聚焦、短焦內(nèi)自由聚焦做了大量的戶內(nèi)外實(shí)景實(shí)驗(yàn)，并用紅外平行光管模擬無(wú)窮遠(yuǎn)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)多目標(biāo)自由聚焦算法的性能分析：（1）無(wú)偏性：搜索策略搜索到的聚焦結(jié)果視頻幀與評(píng)價(jià)函數(shù)極值對(duì)應(yīng)的幀一致。（2）單峰性：評(píng)價(jià)函數(shù)與搜索策略有且只有一個(gè)極值。（3）靈敏性：按照用戶所需聚焦窗口可在界面上任意改變，評(píng)價(jià)函數(shù)與搜索策略內(nèi)的閾值可以改變。（4）通用性：圖3、圖4、圖5是針對(duì)不同場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，大量實(shí)驗(yàn)證明了本算法的通用性。

圖3實(shí)驗(yàn)中抽取的幾個(gè)場(chǎng)景

Fig.3Some scenes of the experiments

圖4不同視場(chǎng)聚焦結(jié)果圖

Fig.4Focus results of the different scenes圖4是10 km以外場(chǎng)景的長(zhǎng)短焦區(qū)域分別聚焦結(jié)果圖，證明了視場(chǎng)切換前后采用同步檢測(cè)法的可行性，圖4（a）是長(zhǎng)焦區(qū)域窗口內(nèi)有目標(biāo)則按窗口聚焦，圖4（b）是短焦區(qū)域窗口內(nèi)無(wú)目標(biāo)則進(jìn)行全局聚焦。圖5是進(jìn)行戶外實(shí)驗(yàn)過(guò)程中抓取的長(zhǎng)焦區(qū)域內(nèi)聚焦情況，是同一場(chǎng)景下3個(gè)不同方位處的目標(biāo)分別處于模糊和清晰狀態(tài)時(shí)的對(duì)比圖，由圖5（b）（d）（f）可明顯看出，場(chǎng)景復(fù)雜情況下動(dòng)態(tài)劃分窗口并進(jìn)行局部聚焦的必要性，體現(xiàn)了本算法的優(yōu)越性。圖6是針對(duì)上述整幅圖像截取大致170幀的歸一化清晰度變化曲線。由圖6看出，大致有4個(gè)尖峰點(diǎn)，視頻幀15 、80和165附近代表不同目標(biāo)最清晰位置，恰好分別對(duì)應(yīng)圖5的（b）、（d）及（f）。若是對(duì)整幅圖像聚焦則會(huì)聚焦在120幀附近，從而造成誤判。

圖5同一場(chǎng)景下不同目標(biāo)聚焦對(duì)比圖

Fig.5Comparison of focus of the different objects in the same scene

圖6聚焦曲線

Fig.6Focusing curve

5結(jié)論本文從聚焦算法、搜索策略、系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)四個(gè)方面全面闡述了路防多目標(biāo)自由聚焦系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，有效地滿足了自由聚焦精度和速度兩個(gè)最重要指標(biāo)。相對(duì)于以往研究工作，本系統(tǒng)所做的環(huán)境實(shí)驗(yàn)較多，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，今后所要開展的工作是將系統(tǒng)進(jìn)行海上環(huán)境實(shí)驗(yàn)。該自由聚焦系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用前景，例如可以應(yīng)用于陸地邊防、海上邊防、安全緝私等系統(tǒng)，可滿足夜視、偵察、報(bào)警、跟蹤等方面的要求。參考文獻(xiàn)：

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（編輯：張磊）