变焦跟踪曲线在对焦中的应用

    １　引　言

　　随着变焦镜头的广泛使用，变焦跟踪技术已经成为数码相机的一个重要功能，并广泛应用于工业检 测、军事安全以及生活休闲等诸多方面［１－２］。变焦跟踪是指在进行变焦操作时，通过变焦镜头的移动来改变系统的焦距，由于系统的焦距发生变化，所成的像将不会聚焦在原来的对焦面上，所以在变焦镜头移动的同时需要通过调整对焦镜头的位置，使景物能在变焦过程中聚焦在图像传感器上。实现变焦跟踪的方法主要有查表法、几何变焦跟踪法、自适应变焦跟踪法等，其核心都 是获取变焦跟踪曲 线并 控制对焦 镜头 运动［３］。无论是查找表法、几何法还是自适应变焦跟踪法，都需要有准确的变焦跟踪曲线来控制对焦镜头移动，所以一个变焦成像系统要实现变焦跟踪，必须获取准确的变焦跟踪曲线［４］。

    传统的变焦跟踪曲线的获取方法主要有两种：一种是利用自动对焦算法逐点求出不同物距下的跟踪曲线，该方法计算量大，而且对相机的存储空间占用多；另一种是根据镜头组的光学位置关系用几何光学知识推算出不同物距下的变焦跟踪曲线，但该方法应用于相机系统中会由于存在机械差等因素降低变焦跟踪的质量［３，５－８］。此外，当变焦电机从广角端向远角端移动时，传统的查表法使得系统很难选择到适当的跟踪曲线。本文提出了一种新的变焦跟踪曲线获取算法，该方法通过使用基于原始图像数据的梯度算子计算图像清晰度值，获取远物距端和近物距端两条跟踪曲线，构成变焦跟踪曲线的上下边界。将几何变焦跟踪算法和自适应变焦跟踪算法相结合，计算得到其它物距下的变焦跟踪曲线。

    ２　变焦镜头结构及变焦跟踪曲线

　　通常变焦镜头的光路如图１所示，它由３个镜头组单元构成，分别是１Ｇ单元、２Ｇ单元和３Ｇ单元，其中前两个单元起变焦作用，称为变焦镜头，３Ｇ单元起对焦作用［９－１１］，称为对焦镜头。

    变焦操作是通过变焦电机调节凸轮机构来改变变焦镜头的组合焦距ｆ，在物距不变的情况下，若要物体在图像传感器上成清晰的像，便需要调节像距来满足成像公式。由于图像传感器的位置不易改变，所以一般通过对焦电机改变对焦镜头位置来实现对焦。这样，每调节一次变焦镜头的组合焦距，便对应了一个唯一确定的对焦面。

    在变焦成像系统中，当进行变焦操作时，变焦镜头的焦距发生变化，镜头组最终的对焦面将不会在图像传感器上，为了保持对焦面与图像传感器共面，必须控制对焦电机根据变焦跟踪曲线进行实时移动。变焦跟踪曲线就是在一定的物距下，变焦电机与对焦电机的位置关系曲线，不同物距下的景物具有不同的跟踪曲线。图２便是从光学系统上分析不同物距ｄｋ下的变焦曲线的示意图。