【视觉知识】自动对焦技术

什么是自动对焦？

自动对焦指的是能够根据被测物与视觉系统之间的距离，来自动调整镜头焦距以保持影像清晰。是利用物体光反射的原理，相机上的传感器接收反射的光，通过计算机进行处理，带动电动对焦装置进行对焦。自动对焦技术通常分为两类：主动式和被动式。

主动式

指的是相机上的红外线发生器、超声波发生器发出红外光或超声波到被测物。相机上的接收器接收反射回来的红外光或超声波进行对焦，其光学原理类似三角测距对焦法，即测距自动对焦。

被动式

即直接接收并分析来自被测物自身的反光，进行自动对焦的方式。这种自动对焦方式的优点是自身不需要一个发射系统，因而耗能少，对具有一定亮度的被测物有较为理想的自动对焦。通常为聚焦检测自动对焦。一般来说，工业上进行使用多数为被动式自动对焦。

如何进行自动对焦？

配备有自动对焦功能的相机，通常使用软件搭配液态镜头来调整焦距，从而达到聚焦清晰的效果。

只有在需要对焦的区域中需要达到最佳聚焦点时才会有作用，然后会停止自动对焦的动作。这就是通过接收来自被测物自身反射的信息，进行图像数据分析，从而达到控制液态镜头，改变焦距的效果。

如何判断最佳聚焦点？

有不同的方法来测量图像的清晰度，依据两个基本原理。

第一个原理是图像的边缘清晰度。也就是在实际获取的图像中，搜索相邻像素之间的大的灰度值的跳跃，来突出显示边缘或者轮廓。这些边缘轮廓的对比度则用来决定图像的锐利度。边缘图像越清晰，原始图像的清晰度越高。（具体可以参考图像在时域和频域的转换中的高频部分）。

第二个原理是基于图像直方图的值的分析。可以用来计算图像的平均灰度值的像素值的变化量。方差越大，现有的灰度值边缘和图像的对比度就越高。如果图像变得不聚焦，那么之前的灰度值跳跃大的边缘就会呈现斜坡形式的梯度，导致图像的对比度降低。也就是说，图像越清晰，灰度扩散越高，图像中的对比度也就越高，图像也越清晰。

在使用自动对焦，焦距在改变过程中，图像的锐利度和方差是会实时改变的，通过软件进行图像锐利度以及方差的分析处理，达到一个效果显著的清晰图像。

自动对焦技术的优势在哪？

自动对焦技术使用液态镜头来实现，与传统透镜有所不同，液体镜头是一种使用一种或多种液体制成的无机械连接的光学元件，可以通过外部控制改变光学元件的内部参数，有着传统光学透镜无法比拟的性能。简单来说就是透镜的介质由玻璃变为液体。更准确地来说就是一种动态调整透镜折射率或通过改变其表面形状来改变焦距的新型光学元件。

就像利用玻璃制成的传统光学镜头一样，液体镜头也属于单体光学元件，但其材质是可以改变形状的光学液态材料。

与传统的玻璃透镜不同，液态镜头利用光学液态材料的特性来实现对焦功能。

液态镜头通常由两个或多个光学液体组成，这些光学液体具有不同的折射率。

在液态镜头中，通常使用电场、压力或温度等外部控制手段来改变光学液体的形状。例如，通过施加电场来改变电致变折效应，从而控制光学液体的折射率和形状。

由于可以通过外部控制来改变光学液体的形状和位置，因此液态镜头具有可变焦距和快速响应等优势。这使得相机可以实现快速准确的自动对焦，并且在不同拍摄场景下灵活调整焦距。

玻璃镜头焦距取决于其材质和曲率半径。液态镜头也遵从相同的基本原理，但其独特之处在于可以改变曲率半径，从而改变焦距。这种半径变化采用电控方式，能够实现毫秒级的变化。生产厂家利用从电润湿到形变聚合物再到声光调节等各种技术，控制液态镜头曲率半径和折射率。

大多数成像镜头都是多元件镜头，单光学镜头的成像性能难以满足需要。因此只使用液态镜头是不明智的。但在多元件设计中结合使用液态镜头和成像镜头，就可以发挥液态镜头的速度和灵活性优势。液态镜头能够以毫秒级的反应时间在近距离或光学无穷远对焦，这对于条码读取、包装分类、安保和快速自动化等需要在多个位置进行对焦的应用来说是一种理想选择，这些被检测物体要么尺寸不同，要么与镜头之间的距离不同。在需要快速对焦的各种应用中，可以利用液态镜头提高成像系统灵活性。

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