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手機模組生產線被動自動對焦技術研究

时间:2017-07-06     作者:afscope【原创】   阅读

這是我N年前寫的一篇小論文。供大家參考。請大家下載附件。 自動對焦係統在手機中得到越來越廣泛的應用。根據手機鏡頭焦距短,可調範圍窄等特點,全麵分析了噪聲,視場,清晰度評價函數,窗口選取等各種因數的影響。構建了適於生產線檢測的自動對焦係統,並成功地實現快速調焦。



手機模組生產線被動自動對焦技術研究


徐加軍


摘要:自動對焦係統在手機中得到越來越廣泛的應用。根據手機鏡頭焦距短,可調範圍窄等特點,全麵分析了噪聲,視場,清晰度評價函數,窗口選取等各種因數的影響。構建了適於生產線檢測的自動對焦係統,並成功地實現快速調焦。

關鍵詞:自動對焦,穩健平滑濾波,自動對焦,窗口選擇。

Auto-focusing Technique used for Camera Module Production Line

Xu Jiajun

(Zhejiang Sunny Optics Co.,Ltd, 315400)

Abstract:Auto-focusing system finds wide application in mobile camera module production line. According to the short focus length, small adjustable range, we analyse the effect of the noise, field, sharpness evaluation function and window method.


1. 自動調焦原理和方法

攝像頭手機已經從30萬像素發展到300萬像素,隨著音圈馬達等馬達小型化技術的成熟,AF技術也開始被廣泛應用到手機模組中來,目前國內各大手機廠家都在紛紛推出自己的AF手機。本文根據手機鏡頭的特點,研究探討AF技術應用到手機模組中的算法與技術。

要在CMOS、CCD上或者膠片上成清晰的像,對焦距為f那麽物距l與像距l'必須滿足高斯公式。自動調焦的原理就是根據物距l的大小來計算或者尋找l的位置。因此AF技術有主動和被動兩種方式。主動對焦方式主要是利用三角測距、輻射能量或者利用飛行時間法來測定物距,然後調整機構完成對焦。被動方式指利用所獲取圖像的自有信息分析聚焦方向,通過反複調整最終調節焦距到最佳位置。根據文獻[1]的分析表明:從人眼感覺來看清晰圖像相對於模糊圖像的差別在於清晰圖像的邊沿清楚,細節豐富,即人眼以圖像的鋒利性測度作為判斷圖像清晰度的標準,從鏡頭係統的分析來看,由於散焦和PSF本身的寬度造成了相鄰像素之間的相互影響,使得圖像高頻分量丟失。手機模組自動對焦原理如圖1所示:

本文針對手機模組自動調焦的特性,從對焦窗口選取、圖像預處理、圖像清晰度評階函數、視場的影響等幾個方麵進行了詳細地研究,完整地製定了手機模組的調焦方案,為手機模組生產線自動調焦提供了一種切實可行的方法,並在生產線上得到實際應用。

2. 對焦窗口的選取

進行對焦區域選擇有兩個原因即:1)運用對焦評價函數對圖像進行運算所用的時間基本上與圖像的像素成正比,在生產線上為了達到實時性的要求,必須盡可能減少參加運算的像素數量;2)如果對整幅圖像運用對焦評價函數,圖像中不重要的部分(背景)會對評價結果產生負麵的影響,導致圖像中的重要部分(成像主體)無法準確對焦。

對焦窗口選取是否合適是對焦成敗的重要因素。為了加快運算速度,要求參與運算的像素少,即窗口要選擇盡量的小。但是窗口太小會導致圖像中的重要部分(成像主體)信息不夠,導致對焦失敗。因此,對焦窗口的選擇是一個兩難的選擇。

對焦窗口選擇方法的主要有包括分辨率空間變化的非均勻采樣法、瞳孔跟蹤法、基於皮膚探測 的主體對焦法和基於光流場的主體對焦法等方法。這些方法在對焦準確率、對焦速度等方麵各有優勢,但相對比較複雜。

一種比較簡單的方法是直接選取圖像中的某個或某些區域作為對焦窗口。這種選窗方法在現有產品中廣泛使用,常見的選擇方案有中央選擇法和多區域選擇法。即選取圖像中央或者選取圖像中具有代表意義的幾個區域作為對焦窗口。比如,可以選擇橫向軸線和縱向軸線上的四個四分點為中心的四個像素區域,或者選擇兩對角線上的四個四分點為中心的四個像素區域等。俗稱五區域對焦法,其窗口的大小一般選擇32*32或者64*64。實驗表明,64*64的窗口已經幾乎完全包含圖像成像主體信息,窗口再大不僅不能改善對焦曲線,反而會增加運算時間和導致對焦結果的偏離(因為背景的幹擾)。對焦窗口太小,則包含的成像信息不夠,導致對焦結果不穩定。文獻[7] 針對單區域圖像清晰度評價函數的不足,給出了一個五區域圖像清晰度評價模型,並引入神經網絡模型來實現該模型中權重的優化。本文直接引用他的結果,即中間窗口的權重為0.44,其他四個窗口的權重都為0.14。

由於各種原因,圖像中經常存在各種噪聲,主要的噪聲有椒鹽噪聲、脈衝噪聲、高斯噪聲。為保證後繼圖像清晰度評價函數取得正確地結果,必須先對圖像進行濾波,結合手機模組自動調焦的特點,提出一種快速有效的去噪聲的辦法即穩健平滑濾波器。算法描述如下:

(1)計算掩模窗口內除中心點外的其他像素點的最大值和最小值;

(2)將掩模窗口中心點的灰度值與掩模窗口內的最大最小值進行比較;

(3)如果掩模窗口內中心點灰度值大於最大值,則輸出該最大值;如果掩模窗口內中心點灰度值小於最小值,則輸出該最小值;如果掩模窗口內中心點灰度值介於最大值最小值之間,則輸出該掩模窗口中心點灰度值。


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