刀具預(yù)調(diào)儀中評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)調(diào)焦的影響

山西中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 劉娟 杜文華 段能全 曾志強(qiáng)

刀具預(yù)調(diào)儀中評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)調(diào)焦的影響

山西中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 劉娟 杜文華 段能全 曾志強(qiáng)

調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)的優(yōu)劣直接關(guān)系到調(diào)焦的精度和速度，合適的調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)的選取對(duì)調(diào)焦有著至關(guān)重要的作用。因此，對(duì)調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行了研究，找出合適的調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)刀具預(yù)調(diào)儀自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)的應(yīng)用有著重要作用。對(duì)各種調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)的分析研究發(fā)現(xiàn)，在常用的調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)中，使用梯度評(píng)價(jià)函數(shù)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。

調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)；自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)；刀具預(yù)調(diào)儀；梯度評(píng)價(jià)函數(shù)

1 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則是測(cè)量的關(guān)鍵因素[1-2]。圖像聚焦的關(guān)鍵問(wèn)題是要找到合適的調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)，調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)調(diào)焦性能的影響非常重要，調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)直接關(guān)系著調(diào)焦的精度和速度[3]。根據(jù)對(duì)刀具預(yù)調(diào)儀的自動(dòng)調(diào)焦過(guò)程的研究選取主要的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)：清晰度比率、靈敏度、局部極值因子、陡峭度和陡峭度寬度，這些評(píng)價(jià)性能指標(biāo)多角度描述了調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)的性能，為刀具預(yù)調(diào)儀的評(píng)價(jià)函數(shù)選取提供了依據(jù)[4-6]。

2 調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)性能指標(biāo)及實(shí)驗(yàn)分析

常用的調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)有：梯度調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)、頻域調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)、熵調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)等。常用的梯度評(píng)價(jià)函數(shù)：閾值積分法、灰度差分函數(shù)法（SMD）、灰度平方函數(shù)法（EOG）、梯度濾波函數(shù)法（Brenner）、SML函數(shù)法、FFT函數(shù)法和中值濾波函數(shù)法（WTMRA）等。頻域調(diào)焦函數(shù)：高頻分量法、全頻段積分法。

為了分析提出不同調(diào)焦函數(shù)曲線對(duì)調(diào)焦效果的影響，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。拍攝39幅離焦到聚焦再到離焦的圖像，20幅是精確聚焦圖，繪制成評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)比曲線圖。

圖1 不同離焦深度圖像

圖2 調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線圖

圖2（a）為頻域和熵評(píng)價(jià)函數(shù)圖，根據(jù)調(diào)焦評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可看出，這兩種方法的陡峭度寬度都較寬并且靈敏度較差，單峰性也不明顯。圖2（b）為梯度評(píng)價(jià)函數(shù)曲線圖分別列出了7種調(diào)焦曲線，根據(jù)調(diào)焦評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可看出，閾值積分法的陡峭度寬度最寬，靈敏度最差；BRENNER曲線、FFT曲線、SML曲線分別在第十三幅圖、十二幅圖、第四幅圖、第十幅圖進(jìn)行采集的過(guò)程中，容易發(fā)生誤判；SMD曲線、FSWM曲線、WTMRA曲線歸一化以后變化不大，效果比較好，誤判的可能性較小，陡峭度寬度較小，曲線靈敏度較好，因此，F(xiàn)SWM和EOG調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)都適用于刀具預(yù)調(diào)儀。

3 總結(jié)

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)對(duì)各種調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)的分析研究發(fā)現(xiàn)，常用的調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)中，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。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)（SMD函數(shù)法）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（EOG函數(shù)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)。此方法使聚焦效果得到改善，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)性及單峰性。中值濾波函數(shù)法（WTMRA）選取3個(gè)灰度中值作為評(píng)價(jià)函數(shù)，此方法的靈敏度高、單調(diào)性好、單峰性明顯，適用于刀具預(yù)調(diào)儀的調(diào)焦過(guò)程。

[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]查世華,王旭,張舞杰,李迪.一種改進(jìn)的數(shù)字圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)研究[J]. 2007,23（12）.

[3]黃偉瓊,游林儒,劉少君.基于改進(jìn)的灰度對(duì)比度函數(shù)的自動(dòng)對(duì)焦方法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2011,31（11）.

[4]王任華,沈忙作.自動(dòng)對(duì)焦算法研究[J].光電工程,2000,27（4）.

[5]黃德天.基于圖像技術(shù)的自動(dòng)調(diào)焦方法研究[D].2013.

劉娟，1987出生，碩士研究生，研究方向：機(jī)械故障診斷與機(jī)器視覺(jué)。

山西省研究生優(yōu)秀創(chuàng)新項(xiàng)目。項(xiàng)目名稱：基于機(jī)器視覺(jué)的難測(cè)尺寸高精度測(cè)量技術(shù)研究。項(xiàng)目編號(hào)：20133095*