一种基于图像处理的自动调焦系统

对不用的使用要求，选择不同的判据进行调焦。例如，有时候我们所关心的目标只是图像中的某一个局部，javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>而不是整幅图像的清晰程度。这时应该针对图像中这一局部进行处理和提取判据，用该局部的对比度（边缘梯度）作为调焦的依据。

第二，利用计算机可以很方便地对运行执行机构进行控制，从而避开复杂的调焦电路和机构。计算机接口和总线技术已经非常成熟，通过软件给出控制信号，直接控制电机动物镜的运行，不仅灵活方便，响应速度符合调焦要求，还能大大简化电路和运动机构。

缺点是，由于图像处理需要占用大量的计算机资源，这种自动调焦方法对计算机硬件提出了较高的要求。此外，和前面所介绍的对比度法一样，也受到光照条件的限制。

3 在虹膜图像采集中的应用

虹膜位于瞳孔和巩膜之间，是瞳孔周围的环状部件，呈褐色或蓝色。虹膜的表面呈现高低不平的皱襞、隆起和内陷，其外观形貌因人而异，并且不随时间而改变。虹膜的这些特点非常合作为人个身份识别的依据，因而虹膜识别鉴别技术作为物特征识别技术的一个分支，近年来得到了迅速的发展和应用。

采集到清晰、高质量的虹膜图像，是虹膜识别的首要问题，同时也是虹膜识别所面临的主要困难之一。由于虹膜范围小、细节特征多，要获得高分辨率的图像，要求光学系统具有较大的放大率，同时需要较大的通光孔径来保证照明效果。但是通常孔径越大，系统景深越小，因而要求自动调焦非常精确。

用摄像机采集到的虹膜图像往往包含整个眼睛轮廓，而我们感兴趣的只是其中虹膜部分，因而自动对角只能针对虹膜的局部，调焦的目标是让虹膜部分清晰成像。基于以上考虑，我们设计了一种基于图像处理的自动调焦系统用于虹膜图像采集。考虑到可见光对人眼的刺激，要用红外光进行照明。当被摄目标（人眼）和摄像机镜头之间的距离到达一定范围内时，摄像物镜在电机驱动下进行小幅度的移动，同时CCD和图像采集卡不断采集图像，并对所采集到的一系列图像作图像质量评价，判断虹膜部分是否成像清晰。当镜头移动到合适的位置，虹膜成像清晰，符合后续处理和模式识别的要求时，即完成自动调焦过程，系统自动将该图像保存。

虹膜图像的实时处理，首先是在包括整个人眼的图像中寻址找虹膜的环状区域，即界定虹膜的中心位置和内外边界。由于瞳孔、虹膜和巩膜均具有规则的圆形边界，采用哈夫变换进行图像分割分别达到很好的效果。哈夫变换利用图像的全局特性来检测边缘的一种方法。在预先知道区域形状的条件下，利用哈夫变换可以方便地得到边界线并将不连续的连缘象素点连接起来。针对虹膜的圆形边界，哈夫变换的边缘检测算子可用下式表示：

javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

在圆的参数空间(r,x0,y0)中，寻找使得上述算子达到最大的值，即可分别找到虹膜内、外圆形边界。其中Gσ(r)是高斯函数，（σ因子可以控制算子对边缘梯度的敏感程度）；I（x,y）是坐标为（x,y）的象素点的灰度值。先将瞳孔和虹膜之间的显著边界检测出来，同时找到虹膜的中心坐标；然后在较小的范围内利用该算子寻找虹膜和巩膜的边界。

图像质量评价基于图像局部（虹膜部分）的频率梯度信息。在虹膜区域内，清晰的虹膜应该具有复杂纹理特征，因而图像中含有高频信息；同时虹膜基质内的血管和色素与周围组织的颜色存在差异，在图像中形成了较大的灰度梯度。当虹膜部分梯度最大，频率最高成了较大的灰度梯度。当虹膜部分梯率最大，频率最高的时候，即是对焦最准确的时候。实际上，由于纹理特征分布在整个虹膜环形区域，因此采用这个区域内的平均对比度作为成像清晰的判据。计算每个象素附近对比度所用的算子Δ为：

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是坐标为（i,j）的象素点的灰度值，Ii-1，j、Ii+1，j、Ii,j-1和Ii,j+1为象素点（i,j）的邻近象素点的灰度值（见图3）。

自动调焦程序流程如图4所示。

4 实验

采用敏通1132C型CCD摄像头作为摄像设备，Boser BS602图像采集卡作数字图像采集，利用红外发光二极管阵列照明，PIII800计算机作为系统控制中心，按照上述基于图象处理的方法进行自动调焦，javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>当虹膜成像清晰时自动拍摄。实验所撷取的虹膜图像照片如图5所示，进行图像增强后如图6所示。

从采集到的是膜图像来看，在红外光照明下，虹膜部分成像清晰。瞳孔轮廓显著，虹膜部分有较高的对比度，纹理特征丰富明显，说明自动调焦比较精确，能够满足虹膜图像采集的要求。

本文介绍了一种基于图像处理的自动调焦方法，并应用该原理设计了一种虹膜图像自动采集系统。采用红外照明，计算机在控制摄像物镜移动的过程中不断采集人眼图像，对每幅图像首先定位虹膜区域，并根据该区域的对比度判断虹膜是否成像清晰，进行自动调焦，撷取最终用于识别的图像。通过实验证明，自动调焦比较精确，采集到的虹膜图像具有较高的对比度、纹理特征丰富明显，符合后续处理和使用的要求。并且调焦机构相对简单，整个系统控制易于实现。

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