高林中

（山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031）

引 言

隨著數(shù)碼相機(jī)普遍進(jìn)入千萬級有效像素的行列，為提高自動對焦速度，大多數(shù)相機(jī)都采用了多個(gè)對焦窗口的自動對焦技術(shù)。對焦窗口選擇是數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行自動對焦的關(guān)鍵技術(shù)之一。對于自動選擇對焦窗口，目前產(chǎn)品中有利用模式識別的方法選擇對焦窗口的［1］，也有利用拍攝者眼睛瞳孔信息選擇對焦窗口的［2］。受各種方法的局限性影響，很難找到一種能夠普遍適用的對焦窗口選擇方法。為此，大多相機(jī)采用了多種對焦窗口選擇方法。而采用近距離物體優(yōu)先的自動對焦窗口選擇，不失為一種既簡單又有效的選擇策略。

1 采用近距離物體優(yōu)先的對焦窗口選擇策略的可行性

利用模式識別的方法選擇對焦窗口也叫人臉優(yōu)先對焦模式，先利用人類皮膚顏色分布的特點(diǎn)來探測圖像中的皮膚區(qū)域，然后用形態(tài)學(xué)操作來去除皮膚區(qū)域中的眼睛、鼻孔、嘴巴等非皮膚碎片，最后以所得的皮膚區(qū)域作為對焦窗口應(yīng)用對焦評價(jià)函數(shù)［1］。利用拍攝者眼睛瞳孔信息選擇對焦窗口，叫做眼控對焦模式，是對現(xiàn)有照相機(jī)的取景目鏡結(jié)構(gòu)稍加改進(jìn)，利用相機(jī)的圖像傳感器獲取拍攝者眼睛的圖像，再通過對該圖像進(jìn)行處理來判斷其瞳孔在眼睛中的位置，并依此推斷拍攝者的注意力所集中的區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)對焦窗口的自動選擇［2］。

以上兩種對焦窗口選擇方法，都需要較為復(fù)雜的軟件系統(tǒng)支持，利用拍攝者瞳孔信息選擇對焦窗口，還需要一定的硬件支持。而且，模式識別的方法僅適用于成像主體是人的情況。眼控對焦模式對于單一拍攝對象且拍攝者只專注于拍攝對象的場景時(shí)是相當(dāng)有效的。但是，根據(jù)人們的拍攝經(jīng)驗(yàn)，按動快門之前，拍攝者一般都要環(huán)視一下整個(gè)畫面，以便把握照片的構(gòu)圖情況，而這一習(xí)慣往往會造成這種方法選擇對焦窗口的失敗。為此，有必要采用一種簡單有效的自動對焦窗口選擇方法。

事實(shí)上，除了框架式構(gòu)圖、透過玻璃等透明物體和細(xì)碎柵欄拍攝的照片外，在照片中心80%的區(qū)域（數(shù)碼相機(jī)的對焦窗口一般設(shè)置在此范圍）內(nèi)，大多數(shù)照片的拍攝主體都處于距離鏡頭最近的位置，如人物風(fēng)景照、合影照等，與圖1相似。通過對2007年第三期《中國攝影》雜志所刊登的166張圖片進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)其中拍攝主體滿足上述條件的有67張，達(dá)到了40.4%。

據(jù)上所述，可以采取這樣的一種對焦窗口選擇方法，即驅(qū)動相機(jī)鏡頭由近及遠(yuǎn)對拍攝對象對焦，獲得一系列圖像，針對每一幅圖像，對所有的對焦窗口計(jì)算對焦評價(jià)函數(shù)值，從中找到對焦評價(jià)函數(shù)達(dá)到最大值時(shí)對應(yīng)物距最小的對焦窗口，并以該對焦窗口為對焦區(qū)域在對焦評價(jià)函數(shù)最大值附近進(jìn)行較為精確的自動對焦，便可以得到以拍攝主體為對焦對象的清晰圖像。這就是近距離物體優(yōu)先的對焦窗口自動選擇。

圖1 適用于近距離物體優(yōu)先對焦窗口自動選擇的場景Fig.1 The sutable scene for close－up objects AF windows priority

2 近距離物體優(yōu)先的對焦窗口選擇的實(shí)現(xiàn)

2.1 對焦評價(jià)函數(shù)的選擇

由于在選擇對焦窗口時(shí)，要對所有的對焦窗口適用對焦評價(jià)函數(shù)，對于每一幅圖像，都要計(jì)算所有的函數(shù)值，因此，計(jì)算量大。為保證對焦的實(shí)時(shí)性，可選擇計(jì)算量小、信噪比高、評價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確可靠的圖像梯度（4鄰域微分拉普拉斯算子）加閾值求和函數(shù)，作為對焦評價(jià)函數(shù)［3］。計(jì)算如下：

對于圖像序列的第k幅圖像，在對焦窗口J內(nèi)，采用隔行掃描、間隔選取像素的方法，對每個(gè)像素在3×3鄰域內(nèi)計(jì)算拉普拉斯算子：

式（1）中，x，y＝2n＋1，n＝0，1，2，……。

設(shè)定小閾值M和大閾值N，對于上面函數(shù)作如下處理：

小閾值M和大閾值N的大小，可根據(jù)理想對焦評價(jià)函數(shù)曲線的要求，通過運(yùn)用MatLab，對于不同場景、不同對焦距離的系列照片進(jìn)行對焦評價(jià)函數(shù)曲線的仿真來確定。

當(dāng)選定對焦窗口后，可選擇一種對焦精度高、無偏性好的函數(shù)取代4鄰域微分拉普拉斯算子，以提高對焦精度，如可選取基于Kirsch邊緣檢測算子［4］：

基于Kirsch邊緣檢測算子共有8個(gè)卷積核（見表1，表中每個(gè)卷積核的行列對應(yīng)圖像像素的行序和列序，表格中的數(shù)值為相應(yīng)像素值在卷積核中的權(quán)重），對于圖像中的每個(gè)像素都用這8個(gè)掩模進(jìn)行卷積，每個(gè)掩模都對某個(gè)特定邊緣方向作出最大響應(yīng)。所有8個(gè)方向的最大值作為該點(diǎn)的輸出值f（x，y）。

表1 Kirsch邊緣檢測算子Tab.1 Kirsch edge detection operator

經(jīng)MatLab仿真實(shí)驗(yàn)可以得到，當(dāng)選擇4鄰域微分拉普拉斯算子作為對焦評價(jià)函數(shù)時(shí)，M＝0.04，N＝0.17；當(dāng)選擇Kirsch邊緣檢測算子作為對焦評價(jià)函數(shù)時(shí)，M＝0.14，N＝7。

2.2 對焦搜索算法

對焦搜索算法采用改進(jìn)的爬山算法［5］。搜索過程分為兩大步，先搜索確定對焦窗口，再在確定的對焦窗口內(nèi)進(jìn)行對焦，直到得到最高精度的搜索值。其基本流程框圖如圖2所示。

2.3 窗口選擇及對焦的實(shí)現(xiàn)過程

以圖1為例，采用近距離物體優(yōu)先的對焦窗口自動選擇的方法，實(shí)現(xiàn)自動對焦的基本過程有三步：（1）當(dāng)完成取景并啟動自動對焦程序后，數(shù)碼相機(jī)使用較大步長，由近及遠(yuǎn)驅(qū)動并改變鏡頭的對焦距離，得到不同對焦距離的一系列圖像，對于取景范圍內(nèi)的所有對焦窗口，分別計(jì)算出每一幅圖像所對應(yīng)的梯度閾值評價(jià)函數(shù)值，從而得到最先找到函數(shù)最大值的對焦窗口，如圖1中汽艇或水面波浪所對應(yīng)的窗口，該窗口即是離數(shù)碼相機(jī)最近物體所對應(yīng)的對焦窗口；（2）針對這一對焦窗口，在梯度閾值函數(shù)值最大值所對應(yīng)的對焦距離附近的一定范圍內(nèi)，使用較小步長，驅(qū)動并改變鏡頭的對焦距離，得到不同對焦距離的一系列圖像，計(jì)算出每一幅圖像在選定對焦窗口范圍內(nèi)的基于Kirsch邊緣檢測算子的閾值函數(shù)值，從而得到該函數(shù)的最大值；（3）將鏡頭驅(qū)動到基于Kirsch邊緣檢測算子的閾值函數(shù)最大值對應(yīng)的對焦距離，啟動快門拍攝，即可得到拍攝對象最清晰的圖象，如圖1所示。

圖2 對焦搜索算法基本流程圖Fig.2 Basic flow chart of focus search algorithm

3 近距離物體優(yōu)先的對焦窗口選擇的應(yīng)用擴(kuò)展

拍攝實(shí)踐中，往往存在這樣的一種情況：在整幅畫面中，由于各拍攝對象的影響，故不適用近距離物體優(yōu)先的對焦窗口選擇。但在拍攝主體的附近區(qū)域內(nèi)，則可適用這種窗口選擇策略，如圖3所示情形。為實(shí)現(xiàn)這種情況下對焦窗口的自動選擇，對于對焦窗口數(shù)目較多的數(shù)碼相機(jī)，可以根據(jù)對焦窗口的空間位置，對對焦窗口進(jìn)行分組，先手動選擇拍攝主體所處位置的對焦窗口組，然后再在該對焦窗口組中選用近距離物體優(yōu)先的對焦窗口選擇策略，以自動選擇對焦窗口，實(shí)現(xiàn)自動對焦。這樣，就會擴(kuò)大該對焦窗口選擇策略的適用范圍。假設(shè)某數(shù)碼相機(jī)設(shè)有19個(gè)對焦窗口，如圖4（a）所示，可將這些窗口依空間位置分為五組。對于圖3的情形，可手動選擇一組對焦窗口作為區(qū)域［如圖4（b）所示白線框內(nèi)的五個(gè)對焦窗口］，適用近距離物體優(yōu)先的對焦窗口選擇策略。

圖3 整幅畫面不適用、但在圖中圓圈內(nèi)則適用近距離物體優(yōu)先對焦窗口選擇策略的情形Fig.3 The scene of the whole picture is not applicable，but it is applicable within a circle

圖4 近距離物體優(yōu)先的對焦窗口選擇的應(yīng)用擴(kuò)展Fig.4 The extended application of close－up objects AF windows Priority

4 結(jié) 論

近距離物體優(yōu)先的對焦窗口選擇不需要特殊硬件支持，計(jì)算量小，實(shí)時(shí)性好，適用性強(qiáng)，可作為數(shù)碼相機(jī)的一種對焦窗口自動選擇策略。當(dāng)然，該策略只適用于在數(shù)碼相機(jī)設(shè)置（或選定）的所有對焦窗口對應(yīng)的取景區(qū)域內(nèi)，離拍攝者距離最近物體是拍攝對象，并且拍攝對象具有一定圖象細(xì)節(jié)的情況。如果拍攝對象前有其他物體，該策略是不適用的。

［1］田宜彬，徐之海，馮華君，等.基于皮膚探測的自動對焦［J］.光子學(xué)報(bào)，2003，32（1）：56－61.

［2］田宜彬，徐之海，馮華君，等.用于數(shù)碼相機(jī)的瞳孔控制自動對焦技術(shù)［J］.光學(xué)技術(shù)，2003，29（1）：53－55.

［3］朱孔鳳，姜 威，王端芳，等.一種新的圖像清晰度評價(jià)函數(shù)［J］.紅外與激光工程，2005，34（4）：464－468.

［4］楊再華，李玉和，李慶祥，等.基于邊緣特征提取的圖像清晰度評價(jià)函數(shù)［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2005，41（10）：35－36，161.

［5］朱明峰，王命延.基于彩色離焦模糊圖像清晰度評價(jià)的啟發(fā)式調(diào)焦算法［J］.南昌大學(xué)學(xué)報(bào)（理科版），2004，28（3）：297－300.