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1、 本科毕业设计（论文）基于边缘算子和灰度标准差的对焦清晰度评价函数学 院 物理与光电工程学院 专 业 光信息科学与技术2班 年级班别 2009级（2）班 学 号 3109008924 姓 名 梁江荣 指导老师 雷 亮 2013年 5月基于边缘算子和灰度标准差的对焦清晰度评价函数 梁江荣 物理与光电工程学院摘要镜头系统是机器视觉系统的重要组成部分，它的精确自动对焦问题显得越来越重要。若能提高镜头对焦精确度，则可让采集图像数据的质量得到有效的保证，这对进一步提高系统质量方面具有重要的现实意义。论文首先对现今学界与业界自动对焦技术的研究进行了总结，介绍了国外自动对焦技术的发展现状。然后总结了镜头成像
2、的原理，再针对自动对焦的对焦窗口选择、清晰度评价函数进行了分析，重点讨论了清晰度评价函数的问题。针对目前几种常用的清晰度评价方法（离散余弦函数、小波变换、边缘算子），分析其各自存在的问题。其中特别将边缘算子中的Sobel算子、Roberts算子、Prewitt算子、Canny算子的应用进行比较，分别讨论其原理和适用围。最后提出了一种基于边缘检测算子和灰度标准差的清晰度评价函数。在此理论基础上，运用Visual C+ 6.0和 HALCON软件，设计了一个自动对焦清晰度评价系统，可自动计算出质量最佳的图像，从而保证了采集图像的质量，使整个机器视觉系统性能有了一定的提高。关键词：机器视觉，镜头，自
3、动对焦，清晰度评价函数，边缘算子，灰度标准差AbstractLens system is a important part of machine vision systems,which autofocusing problem becomes more and moreimportant. Ifwecanimprove accuracy of thelens focus, thequalityoftheauquiredimage datawill be effectively guaranteed, anditmakes important practicalsignificanceon t
4、he further improvement of the systems quality.Firstly,much surveys of todays educational circles and trade union is summarized，and thedevelopmentofdomestic and foreignauto focus technology.For severalcommonly useddefinition evaluationmethod(discrete cosine function, wavelet transform, edge operators
5、),their respectiveproblems are analyzed. Espectially,applications on operatorSobeledge operator, Roberts operator, Prewittoperator and Canny operator are compared, and the principleand its scope of well-application are discussed in the paper.Finally,a new Clarity-evalueation Function based on the gr
6、ay value standard deviation has been put forward.Based on the theory of the demonstrated operator,an auto-focus clarify evalueation system ,which can automatically calculate out the image in best quality, have been designed with the Visual C+6.0 and HALCON.Concequently,the aquired image data can be
7、guaranteed and the entire performance of machine vision system can have a extent improvement.Key Words：Machine Vision,Lens,AutoFocus,Clarity-evalueation Function,Edge operator,Gray Value Standart Deviation目 录1 绪论.11.1 研究背景与目的.11.2 国外自动对焦技术的研究状.21.2.1 国外自动对焦研究现状.21.2.2 国自动对焦研究现状.3 1.3 研究方法.31.3.1 Vis
8、ual C+.31.3.2HALCON.3 1.4 论文构成与研究容.42 自动对焦的基本理论和方法.5 2.1自动对焦的基本原理.52.1.1 几何光学成像理论.52.1.2 景深.62.1.3 远心光路.7 2.2 自动对焦的基本方法.92.2.1 测距自动对焦法.92.2.2 焦点检测自动对焦方法.102.2.3 基于数字图像处理的自动对焦方法.112.2.4 基于频域分析的清晰度评价函数.112.2.5 基于信息学函数的清晰度评价函数.133 基于边缘算子和灰度标准差的清晰度评价函数的研究.153.1 边缘检测算子简介153.1.1Sobel（索贝尔）边缘检测算子.163.1.2 Ro
9、bert（罗伯特）边缘检测算子163.1.3 Prewitt（普瑞维特）边缘检测算子.173.1.4 Canny（坎尼）边缘检测算子17 3.2 Sobel算子、Robert算子、Prewitt算子、Canny算子的比较18 3.3 灰度标准差20 3.4 基于边缘算子和灰度标准差的清晰度评价函数214 对焦检测系统的程序设计与使用界面简介.25 4.1 自动对焦系统程序的基本流程.25 4.2 软件界面和操作介绍.26 4.3 实时自动对焦检测软件界面28结论.30参考文献.32致.33附录A 关键程序源代码.34 / 1 绪论1.1 研究背景与目的机器视觉系统通过图像采集硬件（相机、镜头、
10、光源等）将被检测目标转换成图像信号，并传达给专用的图像处理系统。图像处理系统根据像素亮度、颜色分布等信息，进行目标特征的抽取，并进行相应的判断，进而根据结果来控制现场的设备。机器视觉系统综合了光学、机械、电子、计算机软硬件方面的技术，设计图像处理、模式识别、人工智能、光机电一体化等多个领域。近年来，图像处理和模式识别等技术的快速发展，大推动了机器视觉的发展。镜头的基本功能就是实现光束变换（调制），在机器视觉系统中，镜头的主要作用是将目标成像在图像传感器的光敏面上。镜头的质量直接影响到机器视觉系统的整体性能，合理地选择和安装镜头，是机器视觉系统设计的重要环节。机器视觉系统具有效率、高柔性、高度自
11、动化等特点。在大批量工业生产过程中，如果用人工视觉检查产品质量，往往效率低且精度不高，用机器视觉检测可以大幅度提高检测效率和生产的自动化程度；同时，在一些不适合人工作业的危险工作环境或工人视觉难以满足要求的场合中，也常用机器视觉来替代人工视觉，如核电站监控、晶圆缺陷检测；而且，机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术之一。正是由于机器视觉系统可以快速获取大量信息，而且易于自动处理与信息集成，因此，在现代自动化生产过程中，人们将机器视觉系统广泛地用于装配定位、产品质量检测、产品识别、产品尺寸测量等方面。成像质量是人们对多数光学系统进行研究时比较关心的重要问题之一，因为它直接关系到研究的成果。由光学成像模型可知，只有当图像处于对焦面时才最清楚，具有更多的细节，而偏离对焦面即离焦时将造成
