AA主動(dòng)式六軸調(diào)焦技術(shù)在車載攝像頭上的應(yīng)用

1、AA主動(dòng)式六軸調(diào)焦技術(shù)在車載攝像頭上的應(yīng)用摘要：自動(dòng)調(diào)焦的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛,經(jīng)過長達(dá)幾十年的發(fā)展，出現(xiàn)了很多的調(diào)焦方法。而隨著計(jì)算機(jī)和圖像技術(shù)的高速發(fā)展，基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦方法已經(jīng)成為目前重要的研究方向之一，它不僅能提高調(diào)焦精度，而且能降低光學(xué)系統(tǒng)加工裝配精度。本文會從介紹調(diào)焦的原理，調(diào)焦的方法及其特點(diǎn)入手，引入AA主動(dòng)式六軸調(diào)焦技術(shù)的原理，光軸中心的概念。通過該方法能有效調(diào)整加工裝配的誤差，提升車載攝像頭的成像品質(zhì)。關(guān)鍵詞：AA主動(dòng)式調(diào)焦，自動(dòng)調(diào)焦，光軸中心，車載攝像頭目錄摘要引言一、攝像頭調(diào)焦原理和主要方法41.1 調(diào)焦原理41.2 調(diào)焦主要方法51.3基于圖像處理自動(dòng)調(diào)焦6二、AA主

2、動(dòng)式六軸調(diào)焦方法和原理92.1主動(dòng)式六軸調(diào)焦方法的演變及原理92.2 光軸中心調(diào)整10三、AA主動(dòng)式調(diào)焦助力車載攝像頭圖像品質(zhì)提升12結(jié)論參考文獻(xiàn)引言在攝像頭行業(yè)，人們對圖像品質(zhì)的追求已經(jīng)完成從"看得見"到"看得清"的跨越，而攝像頭在汽車工業(yè)上的應(yīng)用，特別是智能駕駛汽車和無人駕駛汽車上，不但要"看得清"，還要"看得準(zhǔn)"。"看得準(zhǔn)"就需取決于先進(jìn)的調(diào)焦技術(shù)，調(diào)焦其實(shí)就是找攝像頭模組光學(xué)系統(tǒng)的最佳清晰點(diǎn)。在汽車應(yīng)用上最佳清晰點(diǎn)存在很多的要求，比如需要邊角的清晰值和中心清晰值的均衡度，或是邊角清晰值的

3、極差均衡度等等。調(diào)焦技術(shù)從原先的手動(dòng)到自動(dòng)，從人眼判斷到計(jì)算機(jī)算法自動(dòng)判斷，從單軸到三軸再到六軸主動(dòng)式對焦，這無不預(yù)示著攝像頭行業(yè)向"看得準(zhǔn)"的要求在進(jìn)步。一、攝像頭調(diào)焦原理和主要方法1.1調(diào)焦原理：在光學(xué)系統(tǒng)中，鏡頭對一定距離的物體成像都有一個(gè)最佳像面位置。這個(gè)位置就是焦點(diǎn)位置，而尋找這個(gè)焦點(diǎn)位置的過程稱為調(diào)焦。如果偏離了焦點(diǎn)位置，則將導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)失焦，造成圖像看不清、圖像質(zhì)量下降。調(diào)焦是光學(xué)系統(tǒng)中重要的一環(huán)。傳統(tǒng)的手動(dòng)調(diào)焦依靠人的手調(diào)和目測，對人的操作熟練度要求很高，而且耗時(shí)長，可重復(fù)性差。如此的調(diào)焦精度受人主觀影響較大。這就好比我們?nèi)粘９ぷ髦惺褂玫娘@微鏡，要獲得清晰的

4、圖像就需要通過反復(fù)調(diào)節(jié)鏡頭焦距才能找到合適的清晰點(diǎn)，不但耗時(shí)長而且調(diào)出來的清晰圖像跟人熟練度就存在很大的關(guān)系。所以，能否準(zhǔn)確快速調(diào)焦對于一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)是非常重要的。調(diào)焦原理：調(diào)焦的目的是為了獲得高清晰度的圖像。對于一個(gè)成像系統(tǒng)，我們可以用高斯公式描述：從上面的高斯公式我們可以看出，通過改變物距、像距和焦距三種方式都可達(dá)到調(diào)焦的目的。由式可知，當(dāng)鏡頭焦距不變的時(shí)候，那么為了獲得高清晰度的圖像，可以通過改變物距或者像距這兩種途徑來滿足高斯公式。由于改變物距會改變光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)，所以在攝像頭上，常用的就是改變像距的途徑來滿足高斯公式。所謂攝像頭調(diào)焦，就是指沿光軸方向改變成像面或鏡頭的位置，使得物像

5、關(guān)系滿足高斯公式，以獲得清晰的圖像。1.2調(diào)焦主要方法調(diào)焦的方法主要有兩種：主動(dòng)法和被動(dòng)法。主動(dòng)法是指各種方式的物距檢測，如超聲波測距法，紅外測距法；被動(dòng)法則是對成像品質(zhì)的評價(jià)。主動(dòng)法由系統(tǒng)主動(dòng)發(fā)出光波測距，可以在低反差，弱光線下調(diào)焦；被動(dòng)法直接接收來自被攝物自身的反光，對具有一定亮度的被攝物能理想地自動(dòng)對焦，自身不要發(fā)射系統(tǒng)，有利于產(chǎn)品小型化、輕便化。攝像頭行業(yè)采用的都是被動(dòng)法，通過對被攝物圖像品質(zhì)的評價(jià)來實(shí)現(xiàn)調(diào)焦。近些年，隨著計(jì)算機(jī)硬件和數(shù)字圖像技術(shù)的飛速發(fā)展，圖像的實(shí)時(shí)處理已成為可能。計(jì)算機(jī)通過鏡頭和圖像傳感器（CCD/CMOS）采集到一系列的數(shù)字圖像，對每一幀圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，判斷對焦

6、是否準(zhǔn)確，成像是否清晰，并給出反饋信號控制鏡頭或圖像傳感器的運(yùn)動(dòng)直到采集到的圖像符合閥值設(shè)定，即完成自動(dòng)調(diào)焦。1.3基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦具有以下兩大優(yōu)點(diǎn)：第一，調(diào)焦更加智能化，焦點(diǎn)的判斷更加靈活和多樣。基于模擬圖像的調(diào)焦檢測方法只利用被測物和背景之間的對比度（如黑白圖卡輪廓邊緣的梯度,如圖2所示）作為判斷成像是否清晰的依據(jù)。而通過數(shù)字圖像處理，不僅可以利用梯度信息，還可以提取圖像中各種其它有效信息進(jìn)行判斷，例如頻率、相位等。對于高頻信息的圖像，一般而言，對焦越準(zhǔn)確，圖像信號的頻率越高，邊緣越銳利；失焦時(shí)則頻率降低，邊緣相對平滑。此外，由于計(jì)算機(jī)處理圖像的靈活性，可以針對

7、不同的使用要求，選擇不同的判定條件來進(jìn)行調(diào)焦。例如，有時(shí)要考慮邊緣的均勻性或是中心與邊緣差值時(shí)。這時(shí)應(yīng)該針對這些不同的判定條件來調(diào)整合適的算法。第二，利用計(jì)算機(jī)可以很方便地對運(yùn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，計(jì)算機(jī)接口和總線技術(shù)已經(jīng)非常成熟，通過軟件給出控制信號，直接控制電機(jī)的運(yùn)行，電機(jī)運(yùn)行的重復(fù)精度可達(dá)到0.3um以下，可以完全實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)焦?？偩€技術(shù)的快速傳輸可以有效減少圖像采集和運(yùn)動(dòng)控制的時(shí)間差，不僅靈活方便，而且響應(yīng)速度也極快。采用圖像處理法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦的一個(gè)關(guān)鍵問題就在于圖像清晰度判定算法的選齲自動(dòng)調(diào)焦的過程是對圖像清晰度的一個(gè)逐步優(yōu)化的過程。實(shí)際上，理想對焦位置不可能從一副圖像確定，調(diào)焦過程必須

8、經(jīng)過多次圖像采集、處理、對照并判斷的過程。因此，如何快速而準(zhǔn)確地找到焦點(diǎn)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中的一大問題。調(diào)焦曲線是一條近似的拋物線，所以可以借鑒數(shù)學(xué)求極值的方法來找到最佳清晰點(diǎn)。常用的方法有以下幾種：1. 斜率法，如圖3所示，焦點(diǎn)P點(diǎn)處于拋物線的峰值點(diǎn)，此點(diǎn)的斜率等于零或接近于零而在非焦點(diǎn)處（如A,B點(diǎn)）的斜率則大于零或是小于零。所以在移動(dòng)鏡頭的調(diào)焦過程中，只要檢測各點(diǎn)處的斜率值就知道清晰度的情況，正斜率表示運(yùn)動(dòng)方向趨于清晰點(diǎn)，負(fù)斜率表示運(yùn)動(dòng)方向偏離清晰點(diǎn)。這一方法的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)焦速度快，但對于焦點(diǎn)P處的斜率變化很微小，所以這種方法的調(diào)焦精度并不理想。2. 逐步搜索法，如圖3所示，調(diào)焦時(shí)出發(fā)到A點(diǎn)后繼續(xù)朝

9、焦點(diǎn)方向運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過P點(diǎn)，但是此時(shí)并不知道P點(diǎn)是最清晰點(diǎn)，然后繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到達(dá)B點(diǎn)，當(dāng)B點(diǎn)的采樣值較P點(diǎn)低，故又再返回到P點(diǎn)。B點(diǎn)和P點(diǎn)之差是人為設(shè)定的，這一差值應(yīng)確保P點(diǎn)在A,B區(qū)間之內(nèi)，而且B點(diǎn)也不能離P點(diǎn)太遠(yuǎn)，會影響調(diào)焦速度。該方法的特點(diǎn)是調(diào)焦速度比較快，但由于該方法是以圖像采樣值的大小來確定對焦點(diǎn)。所以噪聲、亮度以及其它干擾都會使系統(tǒng)的調(diào)焦精度受到影響。3. 對分法，由光學(xué)理論可以證明，標(biāo)準(zhǔn)調(diào)焦曲線關(guān)于對焦點(diǎn)是對稱的。故利用對稱特性便可以用對分法找到最佳對焦點(diǎn)。如圖3所示，從A點(diǎn)出發(fā)，在曲線另一側(cè)找到A的對稱點(diǎn)B,然后再返回A,行程的一半即是對焦點(diǎn)P。這一方法的精度是相當(dāng)高的，但從圖中可以看

10、出若A點(diǎn)位置不同則AB的行程也不一樣，從而調(diào)焦時(shí)間也不一樣。這就是說調(diào)焦速度很大程度上取決于A點(diǎn)的位置；另一個(gè)問題是A點(diǎn)的選取，如若選取A點(diǎn)的位置很接近P點(diǎn)，則可能導(dǎo)致無法找到焦點(diǎn)。在車載攝像頭調(diào)焦上，多是采用逐步搜索法。其在自動(dòng)調(diào)焦設(shè)備上動(dòng)作流程為：開始-任意采集一副圖像,計(jì)算其清晰度值-電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏡頭快速前進(jìn)-清晰度值逐步上升，電機(jī)速度也逐步減速-當(dāng)采集圖像的清晰度值小于前一步的清晰度值時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)回到清晰度值高的位置。如此正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)重復(fù)運(yùn)動(dòng)直至找到最佳清晰點(diǎn)位置。2.AA主動(dòng)式六軸調(diào)焦方法和原理2.1 主動(dòng)式六軸調(diào)焦方法的演變及原理在車載攝像頭行業(yè)，因?yàn)槠洚a(chǎn)品特點(diǎn)都是小型化，所以多是采用基于

11、圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦法。在其發(fā)展過程中，調(diào)焦方式歷經(jīng)了3代，第一代為單軸調(diào)焦，即通過調(diào)整鏡頭Z軸方向，改變鏡頭與圖像傳感器的距離來獲得清晰點(diǎn)，鏡頭多是采用螺紋的結(jié)構(gòu)，通過旋鏡頭螺紋來改變像距。這僅僅是只找到了清晰點(diǎn)，但未必是整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的最佳清晰點(diǎn)。第二代為三軸調(diào)焦，除了鏡頭Z軸方向，還增加了X、Y軸方向的調(diào)整，X、Y軸方向主要是調(diào)整圖像傳感器和鏡頭的光學(xué)中心。由于攝像頭在車載上應(yīng)用的范圍和功能越來越廣，調(diào)焦除了找到攝像頭的最佳清晰點(diǎn)外，還要對光軸中心進(jìn)行調(diào)整或標(biāo)定。光軸中心的調(diào)整改善了鏡頭和圖像傳感器水平中心偏差導(dǎo)致的圖像暗角、邊角清晰度差異大的問題，使得圖像品質(zhì)進(jìn)一步的提升。第三代為六軸調(diào)焦

12、，即AA(ActiveAlignment)主動(dòng)式調(diào)焦。除了對X、Y、Z三軸的調(diào)整外，還增加了x、y、z三個(gè)方向傾斜度ex、ey和ez的調(diào)整，即是對光學(xué)系統(tǒng)6個(gè)自由度方向的調(diào)整。AA主動(dòng)式調(diào)焦方法是通過改變攝像頭模組部件間相對位置(如鏡頭位置、圖像傳感器位置)來獲得最佳清晰點(diǎn)的一種技術(shù)。此相對位置反饋的是基于整體光學(xué)系統(tǒng)的輸出，而不是參考單個(gè)部件的物理幾何尺寸，因此單個(gè)部件公差和整體公差疊加在組裝過程中變得不那么重要或不那么強(qiáng)相關(guān)。對于攝像頭模組，使用AA主動(dòng)對準(zhǔn)來確定相對于圖像傳感器的最佳鏡頭位置，對6個(gè)自由度方向進(jìn)行調(diào)整、補(bǔ)償，以便在整個(gè)成像區(qū)域獲得最佳的成像品質(zhì)。2.2 光軸中心調(diào)整光軸中

13、心調(diào)整，其實(shí)就是對鏡頭中心、圖像傳感器中心和像素傳感器中心之間的標(biāo)定。如圖4所示，我們把圖像傳感器中心的坐標(biāo)稱為圖像坐標(biāo)系，以CCD/CMOS圖像平面的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸和y軸分別平行于圖像平面的兩條垂直邊，用(x,y)表示其坐標(biāo)值。圖像坐標(biāo)系是用物理單位(例如毫米)表示像素在圖像中的位置。像素傳感器的中心坐標(biāo)稱為像素坐標(biāo)系，以CCD/CMOS圖像平面的左上角頂點(diǎn)為原點(diǎn)，u軸和v軸分別平行于圖像坐標(biāo)系的x軸和y軸，用(u,v)表示其坐標(biāo)值。像素坐標(biāo)系就是以像素為單位的圖像坐標(biāo)系。例如720P高清像素的攝像頭，其像素為1080*720，故像素傳感器的中心坐標(biāo)即為(u0,v0)=(640,360

14、)。鏡頭中心坐標(biāo)稱為相機(jī)坐標(biāo)系或光心坐標(biāo)系。以鏡頭的光心為坐標(biāo)原點(diǎn)，Xc軸和Yc軸分別平行于圖像坐標(biāo)系的x軸和y軸，鏡頭的光軸稱為Zc軸，用(Xc,Yc,Zc)表示其坐標(biāo)值。由于攝像頭是安放在三維空間中，所以我們需要世界坐標(biāo)系這個(gè)基準(zhǔn)坐標(biāo)系來描述攝像頭的位置，并且用它來描述安放在此三維環(huán)境中的其它任何物體的位置，用(X,Y,Z)表示其坐標(biāo)值。所以，已知一個(gè)現(xiàn)實(shí)世界中的物體點(diǎn)P在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(X,Y,Z),經(jīng)過相機(jī)拍攝得到圖片，在圖片上的像素坐標(biāo)為(u,v)。假設(shè)在圖像坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(x,y)，在相機(jī)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(Xc,Yc,Zc)。各個(gè)坐標(biāo)之間通過一系列線性代數(shù)算法即可實(shí)現(xiàn)對攝像

15、頭的光軸中心進(jìn)行標(biāo)定(如下公式所示，本文不涉及線性代數(shù)算法推導(dǎo)過程，有興趣可參考相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn))。在攝像頭調(diào)整過程中，在P點(diǎn)位置放一標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識點(diǎn)或十字圖卡，利用圖像傳感器采集到圖像點(diǎn)位置進(jìn)行運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)攝像頭光軸中心的調(diào)整和標(biāo)定。三、AA主動(dòng)式調(diào)焦助力車載攝像頭圖像品質(zhì)提升攝像頭的主動(dòng)式調(diào)焦，或稱為主動(dòng)對準(zhǔn)，是一項(xiàng)調(diào)整攝像頭鏡頭和圖像傳感器等零配件裝配過程中相對位置的方法。由于在攝像頭在組裝過程中，涉及到圖像傳感器(CCD/CMOS)、鏡頭、鏡頭座、PCB板、前后蓋等零配件的多次組裝。隨著疊加的零部件增多，導(dǎo)致最終的配合公差越來越大，其呈現(xiàn)在攝像頭上的效果是拍照時(shí)畫面最清晰位置可能偏離畫面中心、畫面

16、四個(gè)角的清晰度不均勻等。圖5是一個(gè)完美的攝像頭光學(xué)系統(tǒng)，鏡頭光學(xué)中心和圖像傳感器中心對準(zhǔn)，且圖像傳感器垂直于光軸中心沒有傾斜。但現(xiàn)實(shí)中由于制造工藝的誤差，鏡頭內(nèi)鏡片和鏡頭框之間組裝公差，鏡頭組入鏡頭座的組裝公差，圖像傳感器貼片、組裝公差，這些組裝過程中疊加的誤差就勢必導(dǎo)致光學(xué)中心不對準(zhǔn)的問題。而傾斜的方向就有可能在6個(gè)自由度內(nèi)都會發(fā)生，如圖6所示。隨著圖像傳感器芯片的分辨率不斷增加和單像素尺寸不斷減小的情況下，鏡頭與圖像傳感器芯片的精準(zhǔn)配合難度越來越大。尤其是車載攝像頭，鏡頭和圖像傳感器的光軸誤差，將直接影響到智能系統(tǒng)對車身位置和周圍環(huán)境位置的判斷準(zhǔn)確性，如鏡頭與圖像傳感器之間幾十微米的光軸偏

17、差，表現(xiàn)在車身與周圍環(huán)境的距離上會達(dá)到幾十厘米偏差，從而嚴(yán)重影響駕駛的安全性。再如多攝像頭組合系統(tǒng)，不同攝像頭之間的位置關(guān)系調(diào)整不到位導(dǎo)致的錯(cuò)位或者傾斜偏差，都會導(dǎo)致組合系統(tǒng)畫面難以拼接或者融合，從而影響畫面的一致性。主動(dòng)式六軸調(diào)焦技術(shù)很好解決了攝像頭組裝后誤差大的問題。自動(dòng)調(diào)焦六軸平臺對X、Y、Z、Xt、Yt、Zt六個(gè)方向組裝誤差進(jìn)行調(diào)整。以初始位置作為坐標(biāo)零點(diǎn)，六軸平臺Z方向驅(qū)動(dòng)鏡頭，實(shí)時(shí)獲取六軸平臺Z方向運(yùn)動(dòng)量與瞬時(shí)圖像中心和邊緣四角清晰度數(shù)值，生成關(guān)系曲線，并計(jì)算圖像傳感器與鏡頭平面夾角0x>0y；根據(jù)夾角0x>0y調(diào)整六軸平臺的Xt、Yt方向；驅(qū)動(dòng)六軸平臺的X、Y方向，使

18、處于中心的靶標(biāo)圖卡十字交點(diǎn)與成像畫面幾何中心對準(zhǔn)，然后根據(jù)預(yù)先測量的鏡頭與鏡頭座夾角計(jì)算需要補(bǔ)償?shù)腦、Y方向的偏移量。如此反復(fù)微調(diào)整使得圖像中心清晰度和邊角清晰度均為最優(yōu)位置，而且可以使得邊角清晰度的一致性、均衡性最優(yōu)。采用主動(dòng)式六軸調(diào)焦和非六軸調(diào)焦的對比圖如下：車載攝像頭采用六軸主動(dòng)調(diào)焦的方法，通過對攝像模組中鏡頭與鏡頭座的傾角測量，鏡頭平面與圖像傳感器平面垂直度調(diào)整及鏡頭與圖像傳感器中心度調(diào)整，從而完成對攝像頭整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)焦點(diǎn)和光軸中心的調(diào)整。因此，可以有效的提升車載攝像頭產(chǎn)品圖像品質(zhì)，確保產(chǎn)品的一致性，為在汽車行業(yè)的應(yīng)用提供高精度圖像傳感器。特別在未來智能駕駛和無人駕駛的發(fā)展驅(qū)動(dòng)下，高精度的攝像頭勢必能助力未來更安全，更智能、的應(yīng)用。結(jié)論隨著工業(yè)和科技的發(fā)展，對攝像頭的需求會越來越高，對其成像品質(zhì)的要求也會越來越高。攝像頭就好比人的眼睛，它是感知外界信息的主要傳感器。不論是在汽車行業(yè)，還是機(jī)器人行業(yè)，不論是感知識別，還是測算測量，攝像頭已經(jīng)完成了從"看得見"，"看得清"到"看得準(zhǔn)"的迭代更新中。對于調(diào)焦技術(shù)的發(fā)展也是日新月異，從原來人工判讀到計(jì)算機(jī)圖像自動(dòng)判讀，從單軸調(diào)整到六軸調(diào)整，再到光軸中心調(diào)整，這些種種的進(jìn)步和變化促使攝像頭行業(yè)實(shí)現(xiàn)更加高效的制造，更加優(yōu)良的產(chǎn)品。AA主動(dòng)式調(diào)焦方法完美解決了制造過程中不可