摘要：一種基於影象處理的自動調焦方法，應用該方法設計一種虹膜影象自動採集系統。該系統利用虹膜區域的平均對比度作為是否對焦準確的判據，並以此為反饋控制執行機構進行實時對焦。
實驗證明該系統自動調焦精確，採集到的虹膜影象清晰，符合使用要求；並且調焦機構簡單，整個系統控制易於實現。
關鍵詞：自動調焦圖象處理虹膜識別
在攝影攝像技術中，調焦是保證感光介質所記錄的影像取得清晰效果的關鍵步驟。調焦機構就是用來調節攝像鏡頭和感光介質之間的距離，使得像平面落在感光介質的表面。目前，常用的自動照相機、攝像機和數位相機中多採用自動調焦，即根據被攝目標的距離，由積體電路指使鏡頭前後移動到相應的位置上，從而使被攝目標自動清晰成像。
自動調焦技術從20世紀70年代後期發展起來，到現在已經日臻成熟並取得了廣泛應用，從而使攝像、攝影裝置的自動化功能更加完善。
1 自動調焦的幾種主要方式
從基本原理來說，自動調焦可以分成兩大類：一類是基於鏡頭與被攝目標之間距離測量的測距方法，另一類是基於調焦屏上成像清晰的聚焦檢測方法。
1.1 測距方法
測距方法的自動調焦主要有三角測量法、紅外線測距法和超聲波測距法。
（1）三角測量法測距原理如圖1所示。左邊的反射鏡是區域性鍍膜反射鏡，即中間一小塊反射右邊來的光線，其餘大部分視場透射前方直接進入的光線，這樣在調焦平面上的影像如圖1左下角所示。右邊的反射鏡在電路控制下轉動，調焦平面上有光電元件進行探測，當透射和反射的兩部分影像重合的時候，可動反射鏡的擺動角α/2和物點a的距離d之間有如下關係：
α/2=(1/2)arctg(b/d)
式中，b為基線長。
於是，系統可以計算出被攝目標和鏡頭之間的距離並驅動鏡頭執行到合適的位置，完成調焦。
（2）紅外線測距法該方法的原理類似於三角測量法，所不同的是由照相機主動發射紅外線作為測距光源，並用紅外發光二極體的轉動代替可動反光鏡的轉動。
（3）超聲波測距法該方法是根據超聲波在攝像機和被攝物之間傳播的時間進行測距的。照相機上分別裝有超聲波的發射和接收裝置，工作時由超聲振動發生器發出持續時間約1/1000秒的超聲波，覆蓋整個畫面的10%。超聲波到達被攝體後，立即返回被接收器感知，然後由積體電路根據超聲波的往返時間來計算確定調焦距離。
紅外線式和超聲波式自動對焦是利用主動發射光波或聲波進行測距的，稱之為主動式自動對焦。
1.2 聚焦檢測方法
聚焦檢測方法主要有對比度法和相位法
（1）對比度法該方法是通過檢測影像的輪廓邊緣實現自動調焦的。像的輪廓邊緣越清晰，則它的亮度梯度就越大，或者說邊緣處景物和背景之間的對比度就越大。反之，離焦的像，輪廓邊緣模糊不清，亮度梯度或對比度下降；離焦越遠，對比度越低。
利用這個原理，將兩個光電檢測器放在底片位置的前後相等距離處，被攝影物的像經過分光同時成在這兩個檢測器上，分別輸出其成像的對比度。當兩個檢測器所輸出的對比度相等時，說明調焦的像面剛好在兩個檢測器中間，即和底片的位置重合，於是調焦完成。
（2）相位法該方法是通過檢測像的偏移量實現自動調焦的。如圖2所示，在感光底片的位置放置乙個由平行線條組成的網格板，線條相繼為透光和不透光。網路板後適當位置上與光軸對稱地放置兩個受光元件。
網路板在與光軸垂直方向上往復振動。從圖2可以看出，當聚焦面與網路板重合時，通過網格板透光線條的光同時到達其後面的兩個受光元件。而當離焦時，光束只能先後到達兩個受光元件，於是它們的輸出訊號之間有相位差。
有相位差的兩個訊號經電路處理後即可控制執行機構來調節物鏡的位置，使聚焦面與網格板的平面重合。
各種自動對焦方式各有其侷限性。例如紅外測距和超聲測距的對焦方法，當被測目標對紅外光或超聲波有較強的吸收作用時，將使測距系統失靈或對焦不準確；而對比度法聚焦檢測受光照條件的制約，當光線暗弱或被攝體與背景明暗差別很小時，調焦就會有困難，甚至失去作用。
2 基於影象處理的自動調焦
聚焦檢測的自動調焦方法是依據被測物的光學影象。在用計算機作數字影象採集時，可充分利用計算機處理數碼訊號的高速度和靈活性，針對數字影象進行自動調焦。隨著計算機硬體和數字影象技術的飛速發展，影象的實時處理已成為可能。
計算機通過鏡頭和ccd採集到一系列的數字影象，對每一幀影象進行實時處理，判斷對焦是否準確，成像是否清晰，並給出反饋訊號控制鏡頭的執行，直到採集到的影象符合使用要求，即完成自動調焦。
基於影象處理的自動調焦具有以下兩大優點：
第一，調焦更加智慧型化，聚焦判據更加靈活和多樣。基於模擬影象的聚焦檢測方法只利用被測物和背景之間的對比度（輪廓邊緣的梯度）作為判斷是否成像清晰的判據。而通過數字影象處理，不僅可以利用梯度資訊，還可以提取影象中各種其它的有效資訊進行判斷，例如頻率、相位等。
對於具高頻資訊的影象，一般而言，對焦越準確，影象訊號的頻率越高，邊緣越尖銳；離焦時則頻率降低，邊緣相對平滑。此外，由於計算機處理影象的靈活性，可以針對不用的使用要求，選擇不同的判據進行調焦。例如，有時候我們所關心的目標只是影象中的某乙個區域性，而不是整幅影象的清晰程度。
這時應該針對影象中這一區域性進行處理和提取判據，用該區域性的對比度（邊緣梯度）作為調焦的依據。
第二，利用計算機可以很方便地對執行執行機構進行控制，從而避開複雜的調焦電路和機構。計算機介面和匯流排技術已經非常成熟，通過軟體給出控制訊號，直接控制電機動物鏡的執行，不僅靈活方便，響應速度符合調焦要求，還能大大簡化電路和運動機構。
缺點是，由於影象處理需要占用大量的計算機資源，這種自動調焦方法對計算機硬體提出了較高的要求。此外，和前面所介紹的對比度法一樣，也受到光照條件的限制。
3 在虹膜影象採集中的應用
虹膜位於瞳孔和鞏膜之間，是瞳孔周圍的環狀部件，呈褐色或藍色。虹膜的表面呈現高低不平的皺襞、隆起和內陷，其外觀形貌因人而異，並且不隨時間而改變。虹膜的這些特點非常合作為人個身份識別的依據，因而虹膜識別鑑別技術作為物特徵識別技術的乙個分支，近年來得到了迅速的發展和應用。
採集到清晰、高質量的虹膜影象，是虹膜識別的首要問題，同時也是虹膜識別所面臨的主要困難之一。由於虹膜範圍小、細節特徵多，要獲得高解析度的影象，要求光學系統具有較大的放大率，同時需要較大的通光孔徑來保證照明效果。但是通常孔徑越大，系統景深越小，因而要求自動調焦非常精確。
用攝像機採集到的虹膜影象往往包含整個眼睛輪廓，而我們感興趣的只是其中虹膜部分，因而自動對角只能針對虹膜的區域性，調焦的目標是讓虹膜部分清晰成像。基於以上考慮，我們設計了一種基於影象處理的自動調焦系統用於虹膜影象採集。考慮到可見光對人眼的刺激，要用紅外光進行照明。
當被攝目標（人眼）和攝像機鏡頭之間的距離到達一定範圍內時，攝像物鏡在電機驅動下進行小幅度的移動，同時ccd和影象採集卡不斷採集影象，並對所採集到的一系列影象作影象質量評價，判斷虹膜部分是否成像清晰。當鏡頭移動到合適的位置，虹膜成像清晰，符合後續處理和模式識別的要求時，即完成自動調焦過程，系統自動將該影象儲存。
虹膜影象的實時處理，首先是在包括整個人眼的影象中定址找虹膜的環狀區域，即界定虹膜的中心位置和內外邊界。由於瞳孔、虹膜和鞏膜均具有規則的圓形邊界，採用哈夫變換進行影象分割分別達到很好的效果。哈夫變換利用影象的全域性特性來檢測邊緣的一種方法。
在預先知道區域形狀的條件下，利用哈夫變換可以方便地得到邊界線並將不連續的連緣象素點連線起來。針對虹膜的圓形邊界，哈夫變換的邊緣檢測運算元可用下式表示：
在圓的引數空間(r,x0,y0)中，尋找使得上述運算元達到最大的值，即可分別找到虹膜內、外圓形邊界。其中gσ(r)是高斯函式，（σ因子可以控制運算元對邊緣梯度的敏感程度）；i（x,y）是座標為（x,y）的象素點的灰度值。先將瞳孔和虹膜之間的顯著邊界檢測出來，同時找到虹膜的中心座標；然後在較小的範圍內利用該運算元尋找虹膜和鞏膜的邊界。
影象質量評價基於影象區域性（虹膜部分）的頻率梯度資訊。在虹膜區域內，清晰的虹膜應該具有複雜紋理特徵，因而影象中含有高頻資訊；同時虹膜基質內的血管和色素與周圍組織的顏色存在差異，在影象中形成了較大的灰度梯度。當虹膜部分梯度最大，頻率最高成了較大的灰度梯度。
當虹膜部分梯率最大，頻率最高的時候，即是對焦最準確的時候。實際上，由於紋理特徵分布在整個虹膜環形區域，因此採用這個區域內的平均對比度作為成像清晰的判據。計算每個象素附近對比度所用的運算元δ為：
δ=|ii,j-ii-1,j|+|ii,j-ii+1,j|+ii,j-ii,j-1|+|ii,j-ii,j+1|
式中，ii,j是座標為（i,j）的象素點的灰度值，ii-1，j、ii+1，j、ii,j-1和ii,j+1為象素點（i,j）的鄰近象素點的灰度值（見圖3）。
自動調焦程式流程如圖4所示。
4 實驗
採用敏通1132c型ccd攝像頭作為攝像裝置，boser bs602影象採集卡作數字影象採集，利用紅外發光二極體陣列照明，piii800計算機作為系統控制中心，按照上述基於圖象處理的方法進行自動調焦，當虹膜成像清晰時自動拍攝。實驗所擷取的虹膜影象**如圖5所示，進行影象增強後如圖6所示。
從採集到的是膜影象來看，在紅外光照明下，虹膜部分成像清晰。瞳孔輪廓顯著，虹膜部分有較高的對比度，紋理特徵豐富明顯，說明自動調焦比較精確，能夠滿足虹膜影象採集的要求。
本文介紹了一種基於影象處理的自動調焦方法，並應用該原理設計了一種虹膜影象自動採集系統。採用紅外照明，計算機在控制攝像物鏡移動的過程中不斷採集人眼影象，對每幅影象首先定位虹膜區域，並根據該區域的對比度判斷虹膜是否成像清晰，進行自動調焦，擷取最終用於識別的影象。通過實驗證明，自動調焦比較精確，採集到的虹膜影象具有較高的對比度、紋理特徵豐富明顯，符合後續處理和使用的要求。
並且調焦機構相對簡單，整個系統控制易於實現。
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