紅外成像區(qū)域法自動(dòng)調(diào)焦聚焦區(qū)域的研究

紅外成像區(qū)域法自動(dòng)調(diào)焦是利用調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)聚焦區(qū)域圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)[1]，然后通過(guò)搜索算法進(jìn)行極點(diǎn)搜索、移動(dòng)方向和步長(zhǎng)，直至獲取圖像質(zhì)量最佳的一個(gè)控制反饋過(guò)程。
　區(qū)域圖像是從圖像出發(fā)，在一幅待分析圖像上重新劃定圖像清晰度評(píng)價(jià)區(qū)域，區(qū)域圖像選擇一方面可以減少數(shù)據(jù)處理量，加快聚焦速度；另一方面通過(guò)選取興趣區(qū)域，可以消除非興趣區(qū)域?qū)υu(píng)價(jià)函數(shù)曲線的影響，提高聚焦精確度。大多數(shù)情況下，興趣區(qū)域?yàn)閳D像的前景部分，聚焦區(qū)域即前景圖像，而背景圖像會(huì)使評(píng)價(jià)函數(shù)曲線出現(xiàn)很多局部“峰值”。
1 聚焦區(qū)域
1.1 圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)
　圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)又稱調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)。采用圖像法自動(dòng)調(diào)焦的關(guān)鍵問(wèn)題在于圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)的選取，理想的評(píng)價(jià)函數(shù)應(yīng)具備無(wú)偏性、單峰性、抗干擾能力強(qiáng)、能反映離焦的極性、靈敏度高和計(jì)算量小等特性。在本文的仿真中，選用平方梯度函數(shù)作為圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)[2]：

　用平方梯度函數(shù)對(duì)58幅紅外圖像的MATLAB仿真結(jié)果如圖1所示。

　由圖1可以看出，該函數(shù)曲線在開(kāi)始位置變化相對(duì)平緩，但在焦點(diǎn)位置附近，曲線比較尖銳但相對(duì)比較平滑，靈敏度較高，所以選擇平方梯度函數(shù)作為區(qū)域圖像法自動(dòng)調(diào)焦仿真的調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)。

1.2 聚焦區(qū)域
　聚焦區(qū)域選擇的原因[3-4]主要有：
　(1)可以大大減少數(shù)據(jù)處理量

　(2)可提高圖像目標(biāo)的對(duì)焦效果
　當(dāng)選擇目標(biāo)區(qū)域作為聚焦區(qū)域圖像的清晰度評(píng)價(jià)區(qū)域時(shí)，調(diào)焦對(duì)象的評(píng)價(jià)范圍從之前的整張圖縮減到一定大小的區(qū)域圖像內(nèi)，除去紅外圖像中無(wú)關(guān)背景因素的影響，與判斷整幅圖像相比，這樣能最大限度地提高目標(biāo)對(duì)焦的清晰度，從而提高聚焦精確度。
1.3 聚焦區(qū)域選擇的區(qū)別
　采用聚焦區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦時(shí)，為了研究聚焦區(qū)域的選擇原則，掌握選擇不同位置的區(qū)域圖像對(duì)調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線的影響，本文利用已有的58幅離焦-清晰-離焦的圖像序列進(jìn)行仿真分析。已知第33幅紅外圖像為正焦圖片，因此選擇如圖2所示的三個(gè)不同的區(qū)域作為聚焦區(qū)域，采用平方梯度函數(shù)對(duì)58幅紅外聚焦圖像序列計(jì)算評(píng)價(jià)函數(shù)值。

　其中A區(qū)域采用豐富邊緣的圖像塊，B區(qū)域邊緣圖像塊并不非常明顯，C區(qū)域?yàn)闊o(wú)明顯邊緣的圖像塊，運(yùn)用平方梯度函數(shù)對(duì)窗口區(qū)域作出評(píng)價(jià)函數(shù)曲線。
1.4 同一聚焦區(qū)域不同聚焦窗口大小
　本研究進(jìn)行聚焦區(qū)域大小選擇的直接原因是為了減少調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)的計(jì)算時(shí)間，使自動(dòng)對(duì)焦過(guò)程盡可能地縮短。由于對(duì)圖像進(jìn)行分析處理所消耗的時(shí)間基本上與參與計(jì)算的圖像像素成正比，為了達(dá)到調(diào)焦的實(shí)時(shí)、快速性要求，在算法一定的情況下，只有減少參加運(yùn)算的像素?cái)?shù)量才能實(shí)現(xiàn)。但是減少參與運(yùn)算的像素就意味著要適當(dāng)?shù)乜s小參與調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)運(yùn)算的區(qū)域圖像，而聚焦區(qū)域的減少會(huì)對(duì)調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線有影響。
因此，當(dāng)選定某一位置的區(qū)域圖像進(jìn)行自動(dòng)調(diào)焦時(shí)，為了研究同一聚焦區(qū)域窗口的大小對(duì)調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線的影響，本研究在同一聚焦像素點(diǎn)位置上分別選用如圖3所示不同大小的窗口，分別計(jì)算幾種情況的評(píng)價(jià)函數(shù)值，分析不同大小窗口評(píng)價(jià)函數(shù)曲線，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真來(lái)分析得出所需要的結(jié)果。

2 計(jì)算仿真及結(jié)果
　為了分析不同位置的聚焦區(qū)域?qū)φ{(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線的影響，選用大小為720×576的58張紅外圖片，其中的A、B、C區(qū)域分別為以(300×380)、(220×200)、(600×90)像素點(diǎn)為中心大小為100×100的正方形區(qū)域。對(duì)聚焦區(qū)域A、聚焦區(qū)域B、聚焦區(qū)域C分別計(jì)算調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)值，調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)選用梯度平方函數(shù)，最終得到的特征曲線如圖4所示。