符安飞
珠海市华亚智能科技有限公司
摘要：自动调焦的应用领域十分广泛,经过长达几十年的发展，出现了很多的调焦方法。而随着计算机和图像技术的高速发展，基于图像处理的自动调焦方法已经成为目前重要的研究方向之一，它不仅能提高调焦精度，而且能降低光学系统加工装配精度。本文会从介绍调焦的原理，调焦的方法及其特点入手，引入AA主动式六轴调焦技术的原理，光轴中心的概念。通过该方法能有效调整加工装配的误差，提升车载摄像头的成像品质。
关键词：AA主动式调焦，自动调焦，光轴中心，车载摄像头
目录
摘要
引言
一、摄像头调焦原理和主要方法 ………………………………4
1.1调焦原理………………………………………………4
1.2调焦主要方法…………………………………………5
1.3基于图像处理自动调焦 ……………………………6
二、AA主动式六轴调焦方法和原理 ……………………………9
2.1 主动式六轴调焦方法的演变及原理 ………………9
2.2 光轴中心调整 ………………………………………10
三、AA主动式调焦助力车载摄像头图像品质提升 ……………12
结论
参考文献
引言
在摄像头行业，人们对图像品质的追求已经完成从"看得见"到"看得清"的跨越，而摄像头在汽车工业上的应用，特别是智能驾驶汽车和无人驾驶汽车上，不但要"看得清"，还要"看得准"。"看得准"就需取决于先进的调焦技术，调焦其实就是找摄像头模组光学系统的最佳清晰点。在汽车应用上最佳清晰点存在很多的要求，比如需要边角的清晰值和中心清晰值的均衡度，或是边角清晰值的极差均衡度等等。调焦技术从原先的手动到自动，从人眼判断到计算机算法自动判断，从单轴到三轴再到六轴主动式对焦，这无不预示着摄像头行业向"看得准"的要求在进步。
一、摄像头调焦原理和主要方法
1.1调焦原理：
在光学系统中，镜头对一定距离的物体成像都有一个最佳像面位置。这个位置就是焦点位置，而寻找这个焦点位置的过程称为调焦。如果偏离了焦点位置，则将导致光学系统失焦，造成图像看不清、图像质量下降。
调焦是光学系统中重要的一环。传统的手动调焦依靠人的手调和目测，对人的操作熟练度要求很高，而且耗时长，可重复性差。如此的调焦精度受人主观影响较大。这就好比我们日常工作中使用的显微镜，要获得清晰的图像就需要通过反复调节镜头焦距才能找到合适的清晰点，不但耗时长而且调出来的清晰图像跟人熟练度就存在很大的关系。所以，能否准确快速调焦对于一个光学系统是非常重要的。
调焦原理：调焦的目的是为了获得高清晰度的图像。对于一个成像系统，我们可以用高斯公式描述：
从上面的高斯公式我们可以看出，通过改变物距、像距和焦距三种方式都可达到调焦的目的。由式可知，当镜头焦距不变的时候，那么为了获得高清晰度的图像，可以通过改变物距或者像距这两种途径来满足高斯公式。由于改变物距会改变光学系统的放大倍数，所以在摄像头上，常用的就是改变像距的途径来满足高斯公式。所谓摄像头调焦，就是指沿光轴方向改变成像面或镜头的位置，使得物像关系满足高斯公式，以获得清晰的图像。
1.2调焦主要方法
调焦的方法主要有两种：主动法和被动法。主动法是指各种方式的物距检测，如超声波测距法，红外测距法；被动法则是对成像品质的评价。主动法由系统主动发出光波测距，可以在低反差，弱光线下调焦；被动法直接接收来自被摄物自身的反光，对具有一定亮度的被摄物能理想地自动对焦，自身不要发射系统，有利于产品小型化、轻便化。摄像头行业采用的都是被动法，通过对被摄物图像品质的评价来实现调焦。
近些年，随着计算机硬件和数字图像技术的飞速发展，图像的实时处理已成为可能。计算机通过镜头和图像传感器（CCD/CMOS）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或图像传感器的运动，直到采集到的图像符合阀值设定，即完成自动调焦。
1.3基于图像处理的自动调焦
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，焦点的判断更加灵活和多样。基于模拟图像的调焦检测方法只利用被测物和背景之间的对比度（如黑白图卡轮廓边缘的梯度,如图2所示）作为判断成像是否清晰的依据。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有效信息进行判断，例如频率、相位等。对于高频信息的图像，一般而言，对焦越准确，图像信号的频率越高，边缘越锐利；失焦时则频率降低，边缘相对平滑。此外，由于计算机处理图像的灵活性，可以针对不同的使用要求，选择不同的判定条件来进行调焦。例如，有时要考虑边缘的均匀性或是中心与边缘差值时。这时应该针对这些不同的判定条件来调整合适的算法。第二，利用计算机可以很方便地对运行执行机构进行控制，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，直接控制电机的运行，电机运行的重复精度可达到0.3um以下,可以完全实现精准调焦。总线技术的快速传输可以有效减少图像采集和运动控制的时间差，不仅灵活方便，而且响应速度也极快。
采用图像处理法实现自动调焦的一个关键问题就在于图像清晰度判定算法的选龋自动调焦的过程是对图像清晰度的一个逐步优化的过程。实际上，理想对焦位置不可能从一副图像确定，调焦过程必须经过多次图像采集、处理、对照并判断的过程。因此，如何快速而准确地找到焦点是系统实现中的一大问题。调焦曲线是一条近似的抛物线，所以可以借鉴数学求极值的方法来找到最佳清晰点。常用的方法有以下几种：
1.斜率法，如图3所示，焦点P点处于抛物线的峰值点，此点的斜率等于零或接近于零，而在非焦点处（如A,B点）的斜率则大于零或是小于零。所以在移动镜头的调焦过程中，只要检测各点处的斜率值就知道清晰度的情况，正斜率表示运动方向趋于清晰点，负斜率表示运动方向偏离清晰点。这一方法的优点是调焦速度快，但对于焦点P处的斜率变化很微小，所以这种方法的调焦精度并不理想。
2.逐步搜索法，如图3所示，调焦时出发到A点后继续朝焦点方向运动，经过P点，但是此时并不知道P点是最清晰点，然后继续运动到达B点，当B点的采样值较P点低，故又再返回到P点。B点和P点之差是人为设定的，这一差值应确保P点在A,B区间之内，而且B点也不能离P点太远，会影响调焦速度。该方法的特点是调焦速度比较快，但由于该方法是以图像采样值的大小来确定对焦点。所以噪声、亮度以及其它干扰都会使系统的调焦精度受到影响。
3.对分法，由光学理论可以证明，标准调焦曲线关于对焦点是对称的。故利用对称特性便可以用对分法找到最佳对焦点。如图3所示，从A点出发，在曲线另一侧找到A的对称点B，然后再返回A，行程的一半即是对焦点P。这一方法的精度是相当高的，但从图中可以看出若A点位置不同则AB的行程也不一样，从而调焦时间也不一样。这就是说调焦速度很大程度上取决于A点的位置；另一个问题是A点的选取，如若选取A点的位置很接近P点，则可能导致无法找到焦点。
在车载摄像头调焦上，多是采用逐步搜索法。其在自动调焦设备上动作流程为：开始->任意采集一副图像,计算其清晰度值->电机驱动镜头快速前进->清晰度值逐步上升，电机速度也逐步减速->当采集图像的清晰度值小于前一步的清晰度值时，电机反转回到清晰度值高的位置。如此正转反转重复运动直至找到最佳清晰点位置。
2.AA主动式六轴调焦方法和原理
2.1主动式六轴调焦方法的演变及原理
在车载摄像头行业，因为其产品特点都是小型化，所以多是采用基于图像处理的自动调焦法。在其发展过程中，调焦方式历经了3代，第一代为单轴调焦，即通过调整镜头Z轴方向，改变镜头与图像传感器的距离来获得清晰点，镜头多是采用螺纹的结构，通过旋镜头螺纹来改变像距。这仅仅是只找到了清晰点，但未必是整个光学系统的最佳清晰点。第二代为三轴调焦，除了镜头Z轴方向，还增加了X、Y轴方向的调整，X、Y轴方向主要是调整图像传感器和镜头的光学中心。由于摄像头在车载上应用的范围和功能越来越广，调焦除了找到摄像头的最佳清晰点外，还要对光轴中心进行调整或标定。光轴中心的调整改善了镜头和图像传感器水平中心偏差导致的图像暗角、边角清晰度差异大的问题，使得图像品质进一步的提升。第三代为六轴调焦，即AA（Active Alignment）主动式调焦。除了对X、Y、Z三轴的调整外，还增加了X、Y、Z三个方向倾斜度θx、θy和θz的调整，即是对光学系统6个自由度方向的调整。
AA主动式调焦方法是通过改变摄像头模组部件间相对位置（如镜头位置、图像传感器位置）来获得最佳清晰点的一种技术。此相对位置反馈的是基于整体光学系统的输出，而不是参考单个部件的物理几何尺寸，因此单个部件公差和整体公差叠加在组装过程中变得不那么重要或不那么强相关。对于摄像头模组，使用AA主动对准来确定相对于图像传感器的最佳镜头位置，对6个自由度方向进行调整、补偿，以便在整个成像区域获得最佳的成像品质。
2.2光轴中心调整
光轴中心调整，其实就是对镜头中心、图像传感器中心和像素传感器中心之间的标定。如图4所示，我们把图像传感器中心的坐标称为图像坐标系，以CCD /CMOS图像平面的中心为坐标原点，x轴和y 轴分别平行于图像平面的两条垂直边，用( x , y )表示其坐标值。图像坐标系是用物理单位（例如毫米）表示像素在图像中的位置。像素传感器的中心坐标称为像素坐标系，以 CCD/CMOS图像平面的左上角顶点为原点，u轴和v 轴分别平行于图像坐标系的 x 轴和y 轴，用(u , v )表示其坐标值。像素坐标系就是以像素为单位的图像坐标系。例如720P高清像素的摄像头，其像素为1080*720，故像素传感器的中心坐标即为（u0，v0）=（640,360）。镜头中心坐标称为相机坐标系或光心坐标系。以镜头的光心为坐标原点，Xc轴和Yc轴分别平行于图像坐标系的x轴和y轴，镜头的光轴称为Zc轴，用（Xc,Yc,Zc）表示其坐标值。由于摄像头是安放在三维空间中，所以我们需要世界坐标系这个基准坐标系来描述摄像头的位置，并且用它来描述安放在此三维环境中的其它任何物体的位置，用（X, Y, Z）表示其坐标值。
所以，已知一个现实世界中的物体点P在世界坐标系中的坐标为（X, Y, Z），经过相机拍摄得到图片，在图片上的像素坐标为(u , v )。假设在图像坐标系中的坐标为( x , y )，在相机坐标系中的坐标为（Xc, Yc, Zc）。各个坐标之间通过一系列线性代数算法即可实现对摄像头的光轴中心进行标定(如下公式所示，本文不涉及线性代数算法推导过程，有兴趣可参考相关技术文献)。在摄像头调整过程中，在P点位置放一标准标识点或十字图卡，利用图像传感器采集到图像点位置进行运算，实现摄像头光轴中心的调整和标定。
三、AA主动式调焦助力车载摄像头图像品质提升
摄像头的主动式调焦，或称为主动对准，是一项调整摄像头镜头和图像传感器等零配件装配过程中相对位置的方法。由于在摄像头在组装过程中，涉及到图像传感器（CCD/CMOS）、镜头、镜头座、PCB板、前后盖等零配件的多次组装。随着叠加的零部件增多，导致最终的配合公差越来越大，其呈现在摄像头上的效果是拍照时画面最清晰位置可能偏离画面中心、画面四个角的清晰度不均匀等。
图5是一个完美的摄像头光学系统，镜头光学中心和图像传感器中心对准，且图像传感器垂直于光轴中心没有倾斜。但现实中由于制造工艺的误差，镜头内镜片和镜头框之间组装公差，镜头组入镜头座的组装公差，图像传感器贴片、组装公差，这些组装过程中叠加的误差就势必导致光学中心不对准的问题。而倾斜的方向就有可能在6个自由度内都会发生，如图6所示。
随着图像传感器芯片的分辨率不断增加和单像素尺寸不断减小的情况下，镜头与图像传感器芯片的精准配合难度越来越大。尤其是车载摄像头，镜头和图像传感器的光轴误差，将直接影响到智能系统对车身位置和周围环境位置的判断准确性，如镜头与图像传感器之间几十微米的光轴偏差，表现在车身与周围环境的距离上会达到几十厘米偏差，从而严重影响驾驶的安全性。再如多摄像头组合系统，不同摄像头之间的位置关系调整不到位导致的错位或者倾斜偏差，都会导致组合系统画面难以拼接或者融合，从而影响画面的一致性。
主动式六轴调焦技术很好解决了摄像头组装后误差大的问题。自动调焦六轴平台对X、Y、Z、Xt、Yt、Zt 六个方向组装误差进行调整。以初始位置作为坐标零点，六轴平台Z方向驱动镜头，实时获取六轴平台Z方向运动量与瞬时图像中心和边缘四角清晰度数值，生成关系曲线，并计算图像传感器与镜头平面夹角θx、θy；根据夹角θx、θy调整六轴平台的Xt、Yt方向；驱动六轴平台的X、Y方向，使处于中心的靶标图卡十字交点与成像画面几何中心对准，然后根据预先测量的镜头与镜头座夹角计算需要补偿的X、Y方向的偏移量。如此反复微调整使得图像中心清晰度和边角清晰度均为最优位置，而且可以使得边角清晰度的一致性、均衡性最优。采用主动式六轴调焦和非六轴调焦的对比图如下：
车载摄像头采用六轴主动调焦的方法，通过对摄像模组中镜头与镜头座的倾角测量，镜头平面与图像传感器平面垂直度调整及镜头与图像传感器中心度调整，从而完成对摄像头整个光学系统焦点和光轴中心的调整。因此，可以有效的提升车载摄像头产品图像品质，确保产品的一致性，为在汽车行业的应用提供高精度图像传感器。特别在未来智能驾驶和无人驾驶的发展驱动下，高精度的摄像头势必能助力未来更安全，更智能、的应用。
结论
随着工业和科技的发展，对摄像头的需求会越来越高，对其成像品质的要求也会越来越高。摄像头就好比人的眼睛，它是感知外界信息的主要传感器。不论是在汽车行业，还是机器人行业，不论是感知识别，还是测算测量，摄像头已经完成了从"看得见"，"看得清"到"看得准"的迭代更新中。对于调焦技术的发展也是日新月异，从原来人工判读到计算机图像自动判读，从单轴调整到六轴调整，再到光轴中心调整，这些种种的进步和变化促使摄像头行业实现更加高效的制造，更加优良的产品。AA主动式调焦方法完美解决了制造过程中不可避免的误差问题，通过六个自由度方向的调整、补偿使得摄像头光学系统获得完美的图像品质。当然，即使是采用最先进的六轴主动调焦技术，也依然存在很多技术难题需要去改进，去突破，特别是运动算法和图像算法的结合上，如何做到更快速、更精准的调焦是未来广大技术人员努力的方向。
参考文献
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论文作者:符安飞
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/26
标签：图像论文; 摄像头论文; 镜头论文; 光轴论文; 位置论文; 方法论文; 中心论文; 《中国西部科技》2019年第22期论文;