光学成像系统中的自动检焦技术研究

作     者：邹雨彤 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：谭毅

授予年度：2021年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：离焦 像差检测 图像处理 清晰度评价函数 

摘      要：望远镜、航空相机等光学成像系统作为空间观测和空中监测的主要手段之一,是人类感知获取空间目标和检测空中目标的重要途径。由于其具有分辨率高、实时性强等优点,在获取太空信息、保障空防安全等方面得到了诸多应用。但光学成像系统实际使用环境复杂多变,温度、压力、冲击、摩擦等各种因素都有可能在其复杂精密的成像过程中造成离焦现象,从而导致像质下降,干扰后续工作。调焦技术是提高光学成像系统质量的重要手段,而检焦技术则是调焦技术准确实施的前提与基础,因此快速高精度的检焦方法是高质量光学成像系统中的重要研究内容。本文通过研究各类别自动检焦技术,分析其发展历程、检测原理、对比其优缺点,深入探讨了基于传感器的像差检测技术和基于图像处理的离焦检测方法。并在此基础上,以扩展目标为主要检测任务,针对时间和精度两个目标提出了改进方法。文章首先对研究背景、意义、各类技术方法及发展、离焦基本原理及模型做了详细的归纳与解释。为了实现点目标的检焦,本文在基于夏克—哈特曼传感器检测像差的研究基础上,完成了对于离焦量的检测,平均误差为0.03?,并分析了影响其精度的各种因素。为了提升针对扩展目标检焦的快速性,本文在基于图像处理的检焦方法基础上,提出了直接对离焦图像频谱处理的方法。先根据离焦图像频域特性直接求得模糊参数,然后求出扩展目标的粗检离焦量,此方法可以节省基于图像的检调焦系统中大量的步进调整时间,将原本多幅图像所需的调整、传输、检测时间缩短至1s左右。为了提升针对扩展目标检焦方法的精度、改善基于图像处理的检焦方法抗噪性弱的问题,提出了一种基于图像灰度梯度算子的改进清晰度评价函数,该函数通过丰富算子灰度梯度方向、改善阈值和权重等方式,在精度方面相比于传统清晰度评价函数提升约0.0855～0.2145,同时极大地改善了抗噪性;在真实离焦扩展目标的验证中,该方法的灵敏度因子在单一场景和复杂场景下分别表现出至少13%和17%的提升。最终针对空中扩展目标提出了一种粗精结合的快速高精度检焦方法,为后续空中目标检测的高质量影像获取提供了保障。