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数字成像中的自动对焦技术

冯华君李奇徐之海
浙江大学现代光学仪器国家重点实验室，浙江，杭州，310027
摘要：本文详细介绍了作者在自动对焦领域的工作，对数字成像系统自动对焦的原理和研究
现状进行了简单的介绍，重点讨论了图像清晰度评价标准，分析了对焦窗口选择的必要性，
指出了传统方法只对特定成像目标才能取得较好的效果，然后对不同成像目标的对焦窗口选
择策略进行了讨论；对成像主体在图像中心区域的情况作了分析，提出了探测图像中的皮肤
区域来选择对焦窗口的方法、提出了跟踪拍摄者瞳孔来选择对焦窗口的方法。最后用DSP
控制实现了数字成像系统自动对焦。
关键词：自动对焦、对焦窗口、DSP控制

Auto-Focustechniqueindigitalimagingsystems

FengHuajun,LiQi,XuZhihai
StateKeyLabofModernOpticalInstrumentationZhejiangUniversity,Hangzhou,310027
Abstract:Thispapersummarizestheauthor’sresearchaccomplishmentsontheprojectof
“Auto-focusingtechniqueinDigitalImagingSystems”.First,thepaperbriefstheprinciplesand
researchstatusofauto-focusindigitalimagingsystems.Onthebasisofthemodelthenecessityto
selectfocuswindowsareexpatiated,andthelimitsofthetraditionalmethodsareshown.Thenthe
generalstrategiestochoosefocuswindowsarebroughtforward,especiallyfortheinstancethatthe
mainobjectisinthecenteroftheimage.Selectingskinareasinimagesasfocuswindowsareput
forwardforimageswhereimagingobjectsaremen.Trackingpupilsofphotographerstoselect
focuswindowsareproposed.Lastly,anautofocussystemcontrolledbyDSPhasbeencompleted.
Keywords:Auto-Focus,focuswindow,DSP

自动对焦是现代成像系统中必不可少的关键技术，数字成像系统中的自动对焦问题受到
人们的普遍关注。虽然自动对焦的产品早已面市，但即使是市场上销售量很大的产品（如
FujiA303数码相机），也还存在对焦失效的情况，如目标为横向线条（如百叶窗）、目标对
比度较差、透过玻璃（如窗户）看到的目标等。因此自动对焦技术还远未解决。
本文介绍本实验室开展的自动对焦方面的一些成果。
1国内外现有的主要方法
实现自动对焦的方法有很多，基于图像处理的智能化方法是重中之重，有速度快、精度
高、体积小等优点。数字成像系统用CCD或CMOS代替了传统的底片将景物图像信息以数
字化形式记录下来。如果采用传统的对焦方法会使系统变得较为复杂，所以利用CCD所获
得的数字图像信息来实现智能化对焦则变得十分重要。
在基于图像处理的数字成像自动对焦方法中，比较典型的有对焦深度法、离焦深度

法两种。

对焦深度法是一种建立在搜寻过程上的对焦方式。它通过改变镜头的位置获得一系列模
糊程度不等的图像。通过计算每幅图像的清晰度评价值构成对焦评价曲线，最终移动镜头到
曲线的最大值对应的位置（即最佳对焦位置）。为了能准确地探测峰值的位置，减少由于噪

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声产生的局部极值以及边缘凸出效应的干扰，可以使用Fibonacci搜寻法以及曲线拟合法。
精确对焦的图像比存在一定模糊量的图像具有更好的图像对比度，因此可以利用各像素
间的灰度变化关系来分析图像是否达到良好的对焦。另一种评价方法是功率谱。功率谱是空
间自相关函数的傅立叶变换。空间自相关函数表征空间两点之间场的相似性或关联性，它是
场的空间相干性的度量。当场相干性较高时，功率谱的弥散较小，光功率在空间频域内集中
在较小的区域中；反之，相干性较差时，光功率比较分散。因此，当一幅图像准确对焦呈现
清晰的结构和边缘时，它的自相关曲线顶部窄而高；如果图像模糊，则自相关曲线顶部宽而
低，对焦最清晰的图像就对应着顶峰最尖锐的自相关曲线。
离焦深度法是一种从离焦的图像中获得物体深度信息的方法。这种方法