【摘 要】在光测系统中，调焦问题越来越受到人们的普遍重视，它直接影响光测设备的测量结果。对光学镜头进行手动调焦，其调节过程长，人的主观因素对调焦精度的影响较大。因此自动调焦越来越普遍的被应用。自动调焦方法主要分为两种：测距法和聚焦检测法。本文对两种方法进行了介绍，并详细介绍了基于图像处理的自动调焦，对几种自动调焦方式进行了比较，进一步对各自的优缺点进行了分析。
1.自动调焦的几种主要方式
从基本原理来说，自动调焦可以分成两大类：一类是基于镜头与被摄目标之间距离测量的测距方法，另一类是基于调焦屏上成像清晰的聚焦检测方法。
1.1 测距法，测距法是通过测量镜头和被摄目标之间的距离，计算出聚焦位置并驱动调焦机构调焦。主要包括三角测距法、激光测距法、红外测距法和等，下面简要介绍一下三角测距法，红外测距法和超声测距法。
(1)三角测量法测距原理为：镜头的反射镜是局部镀膜反射镜，即中间一小块反射右边来的光线，其余大部分视场透射前方直接进入的光线，后边的反射镜在电路控制下转动，调焦平面上有光电元件进行探测，当透射和反射的两部分影像重合的时候，可动反射镜的摆动角和物点间的距离，于是，系统可以计算出被摄目标和镜头之间的距离并驱动镜头运动到合适的位置，完成调焦。
(2)红外线测距法：该方法的原理类似于三角测量法 ，所不同的是由照相机主动发射红外线作为测距光源，并用红外发光二极管的转动代替可动反光镜的转动。
(3)超声波测距法 ：该方法是根据超声波在摄像机和被摄物之间传播的时间进行测距的。 照相机上分别装有超声波的发射和接收装置，工作时由超声振动发生器发出持续时间约 1/1000 秒的超声波，覆盖整个画面的 10%。超声波到达被摄体后，立即返回被接收器感知，然后由集成电路根据超声波的往返时间来计算确定调焦距离。
红外线式和超声波式自动对焦是利用主动发射光波或声波进行测距的，称之为主动式自动对焦。各种自动对焦方式各有其局限性。例如红外测距和超声测距的对焦方法，当被测目标对红外光或超声波有较强的吸收作用时，将使测距系统失灵或对焦不准确; 而对比度法聚焦检测受光照条件的制约，当光线暗弱或被摄体与背景明暗差别很小时，调焦就会有困难，甚至失去作用。 另外采用上述方法的仪器一般体积较大，价钱较贵.
1.2 聚焦检测方法
聚焦检测方法主要有对比度法和相位法。二者都是针对点目标或平行光成的模拟图像。
(1)对比度法
该方法是通过检测影像的轮廓边缘实现自动调焦的。像的轮廓边缘越清晰，则它的亮度梯度就越大，或者说边缘处景物和背景之间的对比度就越大。 反之，离焦的像，轮廓边缘模糊不清，亮度梯度或对比度下降;离焦越远，对比度越低。 利用这个原理，将两个光电检测器放在底片位置的前后相等距离处，被摄景物的像经过分光同时成在这两个检测器上，分别输出其成像的对比度。 当两个检测器所输出的对比度相等时，说明调焦的像面刚好在两个检测器中间，即和底片的位置重合，于是调焦完成。
(2)相位法
该方法是通过检测像的偏移量实现自动调焦的。首先在感光底片的位置放置一个由平行线条组成的网格板， 线条相继为透光和不透光。 网格板后适当位置上与光轴对称地放置两个受光元件。 网格板在与光轴垂直方向上往复振动。则可以看出，当聚焦面与网格板重合时，通过网格板透光线条的光同时到达其后面的两个受光元件。而离焦时，光束只能先后到达两个受光元件，于是它们的输出信号之间有相位差。有相位差的两个信号经电路处理后即可由控制执行机构来调节物镜的位置，使聚焦面与网格板的平面重合。上述两种聚焦检测法存在一定的弊端，二者都需要额外的光电检测仪器，缺乏灵活性，对环境的适应能力较差。
2.基于图像处理的自动调焦
基于图像处理的自动调焦是依据被测目标的光学图像，用计算机作数字图像采集和数字图像处理，这样就可充分利用计算机处理数字信号的高速度和灵活性， 并运用计算机硬件技术和图像处理技术，进行图像的实时处理和调焦机构的精确控制，实现了基于图像处理方法的监察相机自动调焦。 基于图像处理的自动调焦系统具有结构紧凑、轻便且具有较强的环境适应能力等特点。在用计算机作数字图象采集是针对数字图像进行自动调焦。随着计算机硬件和数字图像技术的飞速发展，图像的实时处理已经成为可能。 计算机通过镜头和 CCD 采集到一系列的数字图像，对每一帧图像进行实时处理，判断对焦是否准确，成像是否清晰，并给出反馈信号控 制镜头的运动，直到采集到的图像符合使用要求，即完成自动调焦。
基于图像处理的自动调焦具有以下两大优点：
第一，调焦更加智能化，聚焦判据更加灵活和多样。基于模拟图像的聚焦检测方法只利用被测物和背景之间的对比度 (轮廓边缘的梯度)作为判断是否成像清晰的判据。而通过数字图像处理，不仅可以利用梯度信息，还可以提取图像中各种其它的有效信息进行判断，例如频率、相位等。对于具有高频信息的图像，一般而言，对焦越准确，图像信号的频率越高，边缘越尖锐;离焦时则频率降低，边缘相对平滑。 此外，由于计算机处理图像的灵活性，可以针对不用的使用要求，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，而不是整幅图像的清晰程度。 这时应该针对图象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动执行机构进行控制，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，直接控制电机驱动物镜的运动，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。
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