摘  要： 在紅外成像區(qū)域法自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)中,，聚焦區(qū)域選擇很重要。為此,，對(duì)一組紅外圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真,，選擇相同大小、不同位置的聚焦區(qū)域觀察其對(duì)調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線的影響,，以及選擇同一聚焦位置,、不同大小的聚焦區(qū)域觀察其對(duì)調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線的影響，通過(guò)分析得出聚焦區(qū)域選擇的基本原則。
關(guān)鍵詞： 紅外成像,；自動(dòng)調(diào)焦,；聚焦區(qū)域；調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)

　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(chēng)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。

　從圖4(a)、(b),、(c)中可以看出,，相對(duì)于B、C兩個(gè)聚焦區(qū)域,，聚焦區(qū)域A的評(píng)價(jià)函數(shù)曲線在聚焦點(diǎn)附近仍保持了很高的靈敏度,，而C區(qū)域的函數(shù)曲線圖4(c)與A、B兩個(gè)區(qū)域的函數(shù)曲線圖4(a),、(b)相比,，不僅不能滿足單峰性，而且靈敏度低,，還有很多局部“峰值”,，可見(jiàn)C區(qū)域明顯不能滿足調(diào)焦曲線函數(shù)的要求。由圖4(d)可知,，A區(qū)域正焦圖為第33幅,，與系統(tǒng)給定的正焦圖片一樣，選擇A區(qū)域作為聚焦區(qū)域可以達(dá)到正確對(duì)焦的效果,。而B(niǎo)區(qū)域正焦圖為第35幅,，所選聚焦區(qū)域已經(jīng)造成了誤對(duì)焦，而且B區(qū)域的評(píng)價(jià)函數(shù)曲線還出現(xiàn)了不少局部“峰值”,。
由于圖像噪聲近似為高斯白噪聲,，噪聲點(diǎn)分布也是隨機(jī)的，所以不同聚焦區(qū)域的選擇總會(huì)引入一些噪聲,，對(duì)無(wú)明顯邊緣信息的C窗口,，調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線出現(xiàn)隨機(jī)波動(dòng)，受噪聲的影響比較大,；對(duì)于邊緣豐富的A窗口,，調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線單峰值尖銳。由此可以看到,，在同樣引入了噪聲的情況下,，聚焦窗口圖像邊緣能量[5]信噪比越高，對(duì)噪聲的抑制能力越強(qiáng),，評(píng)價(jià)函數(shù)曲線性能越好,。從而證明了細(xì)節(jié)豐富的聚焦區(qū)域具有更好的調(diào)焦特征曲線。因此,，選擇細(xì)節(jié)豐富的區(qū)域進(jìn)行調(diào)焦,，對(duì)提高精度十分有利。
　為了分析既定的聚焦區(qū)域位置,、不同大小的聚焦窗口對(duì)調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線造成的影響,，本研究選用A區(qū)域中(300×380)像素點(diǎn)為中心,，分別繪出如圖3所示的不同大小的正方形，分別為10×10,、50×50,、100×100、120×120,、150×150大小的窗口,，得到調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線分別如圖5、圖6所示,。

　分析圖5可以得出：當(dāng)聚焦區(qū)域太小,、包含的紅外圖像的信息太少時(shí)，調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)性能會(huì)變差或不能用于自動(dòng)調(diào)焦(如圖5(d)),；當(dāng)聚焦區(qū)域?yàn)?0×50大小時(shí),，出現(xiàn)了局部峰值，不滿足單峰性,，會(huì)干擾自動(dòng)調(diào)焦；當(dāng)聚焦區(qū)域進(jìn)一步縮小為10×10大小時(shí)(如圖5(a)),，這時(shí)的區(qū)域內(nèi)所包含的紅外圖像信息被大幅度消減,，曲線出現(xiàn)大幅波動(dòng)，已不符合調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)的選取要求,。
　分析圖5和圖6可以得出：選用更大面積的聚焦區(qū)域不一定能使評(píng)價(jià)函數(shù)性能更好,，如圖6(c)所示，150×150區(qū)域在第32幅圖的時(shí)候就已經(jīng)基本達(dá)到了最大值,，100×100,、120×120區(qū)域窗口的調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線的靈敏度均要好于150×150區(qū)域窗口的評(píng)價(jià)函數(shù)曲線。

　通過(guò)以上的分析可知,，聚焦區(qū)域選擇的重要原則是：盡可能選擇邊緣豐富的圖像區(qū)域,，減少無(wú)邊緣的背景區(qū)域的選入，以避免引入更多的噪聲,；當(dāng)所選聚焦區(qū)域太小,，則調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)性能會(huì)變差或不能用于自動(dòng)調(diào)焦，應(yīng)盡可能選擇大的窗口以保持評(píng)價(jià)函數(shù)的穩(wěn)定性,，但是越大的聚焦窗口評(píng)價(jià)函數(shù)性能未必就越好,，反而可能引入越多無(wú)關(guān)的背景，因此,，應(yīng)該盡可能少地引入無(wú)關(guān)的背景以保證評(píng)價(jià)函數(shù)的單峰性,。
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