基于数字图像的自动聚焦技术研究

论文摘要

近些年来,自动聚焦己成为各种成像系统的一项重要功能,与国外相比国内在这方面的工作做得还比较少,同时图像处理技术的发展使得自动聚焦趋于数字化和智能化,所以基于图像技术的自动聚焦方法研究具有重要的实际意义。自动聚焦是利用各种成像系统获取图像过程中的一项关键技术,在数字成像系统、计算机视觉和显微镜仪器等领域有着广泛的应用。国内外对自动聚焦算法特别是对聚焦评价函数进行了大量研究,但在聚焦区域选择和提高极点搜索效率等方面还有许多问题有待解决。本文围绕着自动聚焦技术研究了图像清晰度评价函数、聚焦区域选择、和焦点搜索算法等相关技术,主要包括以下部分:(1)在傅里叶光学理论的基础上,分析了光学成像系统中评价数字图像清晰的机理,为以后算法的提出打下了坚实的理论基础,然后对现有的数字图像处理自动聚焦算法进行了深入研究,分析了它们的不足并且提出了相应的解决方案。(2)分析了自动聚焦算法的相关理论,包括三个模块:聚焦区域选择、聚焦评价函数和焦点搜索算法。聚焦区域选择是选择感兴趣区域进行聚焦,本文分析了中心取窗、多点取窗、非均匀采样窗口等方式的优缺点;聚焦评价函数是对感兴趣区域的离焦程度进行评价,它是一种有参考的图像质量评价。本文针对基于对比度的图像质量分析方法从图像时域、频域及信息熵三个角度建立能表示图像对比度的一些聚焦函数,并对这些评价函数做了详细的分析比较;焦点搜索算法实现聚焦点搜索和定位,本文分析了常用的极点搜索算法,包括Finacci搜索算法、“盲人”爬山算法和曲线拟合等。(3)通过大量的计算机仿真试验分析了图像灰度方差、图像灰度梯度模和、图像灰度差的绝对值之和Laplacian等聚焦评价函数在实际运用中的性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 自动聚焦技术的国内外研究动态与现状
• 1.3 基于图像的自动聚焦工作原理及主要性能指标
• 1.3.1 目标的光学成像过程
• 1.3.2 如何利用图像进行自动聚焦判断
• 1.3.3 自动聚焦评价函数的相关性能指标
• 1.4 本文研究的内容
• 第2章 常用的自动聚焦评价函数
• 2.1 灰度评价函数
• 2.2 频域函数
• 2.2.1 基于DTF 的图像清晰度评价函数
• 2.2.2 基于小波分析的图像清晰度评价函数
• 2.3 本章小结
• 第3章 窗口区域选择及焦点搜索算法
• 3.1 景深和焦深对区域选择的影响
• 3.2 一维区域选择算法
• 3.3 二维区域选择算法
• 3.3.1 中心取窗区域选择算法
• 3.3.2 多点取窗区域选择算法
• 3.3.3 采样窗口区域选择算法
• 3.4 搜索算法的选择
• 3.4.1 聚焦点搜索算法的评价原则
• 3.4.2 Fibonacci 搜索算法
• 3.4.3 “盲人”爬山算法
• 3.4.4 曲线拟合算法
• 3.5 本章小结
• 第4章 图像评价函数验证系统设计
• 4.1 验证系统的相应指标
• 4.1.1 验证系统的主要指标
• 4.1.2 分光棱镜
• 4.1.3 CCD 探测器
• 4.2 照明及准直系统
• 4.3 成像系统
• 4.3.1 物镜外形结构
• 4.3.2 综合弥散斑
• 4.3.3 成像物镜的传函
• 4.3.4 成像物镜透过率
• 4.4 图像接收及同步控制信号
• 4.4.1 CCD 性能简介
• 4.4.2 GFG-8016G 函数发生器
• 4.4.3 CCD 的相关测试
• 4.5 本章小节
• 第5章 实验结果及其分析
• 5.1 在可见光范围内各种评价函数的评价性能分析
• 5.2 在红外光谱范围内各种评价函数的评价性能分析
• 5.3 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢