自动对焦系统中的 Zoom、Focus 和标定表到底是什么一文讲清它们之间的关系一、前言在做工业相机、机器视觉、电动变焦镜头或者自动对焦设备时经常会遇到几个关键词ZoomFocus自动对焦Zoom-Focus 曲线标定表Zoom Tracking这些词看起来都和“让图像变清楚”有关但它们的含义并不一样。很多初学者容易把 Zoom 和 Focus 混在一起认为“变焦”和“对焦”都是让画面清晰。实际上二者的作用完全不同。简单来说Zoom 负责改变画面看得多大Focus 负责让当前画面看得清楚。在自动对焦系统中真正直接参与“找清晰位置”的通常是 Focus而 Zoom 更多负责改变视场和放大倍率。对于电动变焦镜头来说Zoom 和 Focus 又不是完全独立的因为 Zoom 位置改变后最佳 Focus 位置也会发生变化。这就引出了一个非常重要的工程概念Zoom-Focus 标定表。二、Zoom 是什么Zoom 中文一般叫变焦。它控制的是镜头的焦距 focal length。焦距改变后画面的视场角和放大倍率会发生变化。通俗理解Zoom out广角看得更宽目标更小 Zoom in 长焦看得更窄目标更大例如在工业相机中焦距变短 ↓ 视场角变大 ↓ 画面范围更宽 ↓ 目标在图像中看起来更小焦距变长 ↓ 视场角变小 ↓ 画面范围更窄 ↓ 目标在图像中看起来更大所以 Zoom 的本质作用是改变焦距 ↓ 改变视场角 ↓ 改变放大倍率 ↓ 改变目标在画面中的大小需要注意的是Zoom 的主要作用不是让画面变清晰而是改变画面范围和目标大小。三、Focus 是什么Focus 中文一般叫对焦或调焦。它控制的是某个距离上的物体能不能准确成像在图像传感器平面上。通俗理解目标在 0.5 mFocus 需要调到一个位置 目标在 1 m Focus 需要调到另一个位置 目标在 5 m Focus 又需要调到另一个位置Focus 的作用是让当前目标变清晰。如果 Focus 位置不对就会出现图像模糊 边缘发散 细节不清楚 纹理不锐利如果 Focus 位置正确就会出现图像清晰 边缘锐利 细节丰富 纹理明显因此Focus 的本质作用是改变对焦位置 ↓ 让目标成像在传感器平面上 ↓ 让图像变清楚四、Zoom 和 Focus 的核心区别可以用一张表来理解项目ZoomFocus中文含义变焦对焦 / 调焦控制对象焦距成像清晰位置主要作用改变视场和放大倍率让目标清晰画面效果目标变大或变小目标变清楚或变模糊是否直接判断清晰度通常不是是自动对焦中是否必须动不一定通常必须动一句话总结Zoom 决定“看多大” Focus 决定“看得清不清”五、Zoom 和 Focus 之间有什么关系虽然 Zoom 和 Focus 的作用不同但在真实镜头中它们之间存在非常强的耦合关系。也就是说Zoom 位置改变以后最佳 Focus 位置通常也会跟着改变。原因是Zoom 改变的是镜头焦距而焦距改变后镜头内部光路也发生变化。对于同一个目标距离原来的 Focus 位置可能就不再是最清晰的位置。可以这样理解同一个目标距离下 Zoom 位置 A ↓ 最佳 Focus 位置 FA Zoom 位置 B ↓ 最佳 Focus 位置 FB也就是说Zoom 改变 ↓ 镜头内部光路改变 ↓ 最佳 Focus 位置改变 ↓ 需要重新对焦或进行 Focus 补偿工程上经常用下面这个关系表示Focus_best F(Zoom_position, Object_distance)其中Focus_best最佳 Focus 位置 Zoom_position当前 Zoom 位置 Object_distance目标距离这说明最佳 Focus 位置不仅和 Zoom 有关还和目标距离有关。因此严格来说Zoom-Focus 关系不是一条简单曲线而是一组曲线。例如目标距离 1 m Focus F1(Zoom) 目标距离 3 m Focus F2(Zoom) 目标距离 10 m Focus F3(Zoom) 目标距离 ∞ Focus F∞(Zoom)这就是电动变焦镜头中经常提到的Zoom-Focus 曲线或Zoom Tracking Curve。六、为什么 Zoom 变了Focus 也要变可以用薄透镜公式做一个简单理解1/f 1/u 1/v其中f焦距 u物距也就是目标到镜头的距离 v像距也就是镜头到成像平面的距离当目标距离u不变时如果焦距f改变那么像距v也会变化。真实工业镜头通常不是单片薄透镜而是由多个镜片组组成内部光路更加复杂。但是这个公式可以帮助理解一个基本规律Zoom 改变焦距 ↓ 成像关系发生变化 ↓ 最佳 Focus 位置也可能变化所以在电动变焦镜头中如果只改变 Zoom 而不补偿 Focus图像可能会从清晰变成模糊。七、什么是标定表标定表简单来说就是提前测出来的一张查找表。在自动对焦和电动变焦系统中常见的标定表是Zoom 位置 目标距离 → 最佳 Focus 位置也就是当前 Zoom 在哪里 目标距离是多少 对应的最佳 Focus 应该在哪里举一个抽象例子目标距离Zoom 位置 0Zoom 位置 500Zoom 位置 1000Zoom 位置 15001 mFocus 120Focus 260Focus 610Focus 9803 mFocus 90Focus 220Focus 540Focus 87010 mFocus 60Focus 180Focus 460Focus 760∞Focus 40Focus 150Focus 410Focus 700这张表的作用是让系统不用每次都从头搜索焦点而是可以直接跳到接近清晰的位置再进行小范围微调。这对于提高自动对焦速度非常重要。八、标定表一定是表格吗不一定。工程上所谓的“标定表”只是一个通俗说法它的本质是描述输入和输出之间的映射关系。它可以是1. 离散查找表 LUT 2. 多项式拟合公式 3. 分段曲线 4. 插值表 5. 曲线系数 6. 神经网络模型比如Focus_best F(Zoom, Distance)这个F可以用一张表表示也可以用数学公式表示还可以用曲线拟合表示。只要它能根据当前 Zoom 和目标距离估算最佳 Focus 位置本质上都可以看作标定数据。九、标定表和自动对焦算法有什么区别这是一个非常容易混淆的问题。1. 自动对焦算法自动对焦算法是实时运行的。它依赖图像清晰度评价通过不断移动 Focus、采集图像、计算清晰度找到最清楚的位置。流程如下移动 Focus ↓ 采集图像 ↓ 计算清晰度 ↓ 继续移动 Focus ↓ 继续计算清晰度 ↓ 找到清晰度最大的位置它属于“现场搜索”。2. 标定表标定表是提前测好的经验数据。运行时可以直接根据当前条件查表读取当前 Zoom 位置 ↓ 估算目标距离或选择距离曲线 ↓ 查表得到 Focus 预测位置 ↓ Focus 直接移动到预测位置附近 ↓ 再用图像算法小范围微调它属于“提前预测”。3. 二者关系标定表和自动对焦算法不是互相替代的关系而是互相配合的关系。标定表负责快速接近正确焦点 图像算法负责最终精确锁焦如果没有标定表系统可能要做全范围搜索速度较慢。如果只有标定表没有图像反馈实际使用中又可能受装配误差、温度变化、机械回差、目标距离误差影响导致焦点不够准确。所以成熟的工程方案通常是标定表预测 图像清晰度微调十、什么是 Focus 曲线Focus 曲线是自动对焦过程中常见的一种曲线。它表示横轴Focus 位置 纵轴图像清晰度评价值 条件Zoom 固定当 Focus 从一侧移动到另一侧时图像清晰度通常会先升高达到峰值后再下降。形状大概如下清晰度值 ^ | | /\ | / \ | / \ |___________/______\__________ Focus 位置 最清晰位置自动对焦算法要做的事情就是尽快找到这个峰值位置。这个峰值位置就是当前条件下的最佳 Focus 位置。十一、什么是 Zoom-Focus 曲线Zoom-Focus 曲线和 Focus 曲线不是一回事。Zoom-Focus 曲线表示横轴Zoom 位置 纵轴最佳 Focus 位置 条件目标距离固定例如Focus 位置 ^ | | 距离 1 m 曲线 | / | / 距离 3 m 曲线 | / |____/________________________ Zoom 位置它的作用是当 Zoom 改变时 ↓ 预测 Focus 应该移动到哪里 ↓ 尽量保持画面清晰这就是所谓的Zoom Tracking也就是变焦跟踪。十二、Zoom 镜头和 Varifocal 镜头的区别在光学概念里还需要区分两个词Zoom Lens Varifocal Lens1. Zoom Lens / Parfocal Lens严格意义上的 Zoom Lens也可以理解为变焦过程中尽量保持合焦的镜头。理想情况下改变 Zoom ↓ 画面大小变化 ↓ Focus 基本保持清晰这种镜头通常内部结构复杂需要精密机械设计或补偿机构。2. Varifocal LensVarifocal Lens 也可以改变焦距但改变焦距后通常会失焦。也就是说改变 Zoom ↓ 画面大小变化 ↓ 图像可能变模糊 ↓ 需要重新调 Focus3. 工程上要注意很多工业镜头即使叫“电动变焦镜头”实际使用时仍然需要做 Focus 补偿或者变焦后重新对焦。所以不能只看镜头名字而要实际验证改变 Zoom 后图像是否还能保持清晰 如果不能就必须做 Zoom-Focus 标定和对焦补偿。十三、自动对焦时 Zoom 和 Focus 都要动吗答案是不一定。多数情况下单纯自动对焦只需要动 Focus不需要动 Zoom。需要分场景来看。场景 1画面大小合适只是图像模糊这种情况最典型。Zoom 不动 Focus 动例如当前视场已经合适 目标只是从 1 m 移动到 1.2 m 图像变模糊这时只需要调 Focus。因为你只是想让画面变清楚并不想改变画面大小。场景 2用户改变放大倍率后重新对焦这种情况是先动 Zoom 再动 Focus例如用户希望目标更大 ↓ Zoom in ↓ 画面放大 ↓ 焦点可能偏掉 ↓ Focus 重新对焦这不是自动对焦过程中 Zoom 和 Focus 同时乱动而是两个阶段第一阶段Zoom 到目标视场 第二阶段Focus 找清晰位置场景 3连续变焦过程中保持清晰这种情况叫Zoom Tracking。这时 Zoom 和 Focus 需要协调运动。Zoom 连续改变 ↓ Focus 根据 Zoom-Focus 曲线同步补偿 ↓ 画面尽量保持清晰这种功能在视频监控、工业检测、远距离观测等场景中比较常见。场景 4自动构图 自动对焦如果系统不仅要让图像清晰还要让目标在画面中保持某个大小那么 Zoom 也可能参与自动控制。例如目标太小 ↓ 系统自动 Zoom in ↓ 目标变大 ↓ Focus 跟随调清晰这已经不是单纯的自动对焦而是Auto Zoom Auto Focus控制难度会更高。十四、如何建立 Zoom-Focus 标定表实际工程中可以按下面流程建立标定表。第一步确定 Zoom 采样点例如Zoom 0, 200, 400, 600, 800, 1000采样点越多标定越精细但工作量越大。第二步确定目标距离采样点例如距离 0.5 m, 1 m, 2 m, 5 m, 10 m, ∞不同应用需要选择不同距离。如果是近距离机器视觉就重点标定近距离。如果是远距离观测就重点标定远距离和无穷远附近。第三步每个 Zoom、每个距离下找最佳 Focus对每个组合执行自动对焦固定目标距离 ↓ 固定 Zoom 位置 ↓ Focus 从近到远扫描 ↓ 计算每个 Focus 位置的清晰度 ↓ 找到清晰度最大的位置 ↓ 记录最佳 Focus例如Zoom 400 Distance 2 m 扫描 Focus 0 ~ 1000 找到最佳 Focus 520 保存数据第四步生成二维查找表最终得到Focus_best F(Zoom, Distance)表格形式类似Distance / ZoomZoom 0Zoom 200Zoom 400Zoom 6000.5 mF00F01F02F031 mF10F11F12F132 mF20F21F22F235 mF30F31F32F33∞F40F41F42F43第五步运行时查表或插值实际运行时当前 Zoom 位置可能不刚好落在标定点上。例如标定点Zoom 400 和 Zoom 600 实际值Zoom 530此时就需要插值。最简单的是线性插值Focus(530) Focus(400) (Focus(600) - Focus(400)) × (530 - 400) / (600 - 400)如果同时考虑目标距离还可以做二维插值。十五、标定表在自动对焦中的实际使用流程推荐流程如下1. 确定当前 Zoom 位置 2. 根据标定表预测 Focus 位置 3. Focus 快速移动到预测位置附近 4. 采集图像 5. 计算清晰度 6. 在小范围内微调 Focus 7. 找到清晰度峰值 8. 锁定焦点也就是Zoom-Focus 标定表负责“快” 图像清晰度算法负责“准”如果没有标定表可能需要全范围扫描Focus 从最小位置扫到最大位置 ↓ 每个位置都采图 ↓ 每个位置都算清晰度 ↓ 找到最大值这种方法虽然简单但速度很慢。有了标定表后可以直接跳到焦点附近查表得到预测 Focus ↓ 只在预测位置附近小范围搜索 ↓ 快速锁焦这就是标定表提高自动对焦速度的核心原因。十六、做高速自动对焦时Zoom 和 Focus 应该怎么配合如果目标是对焦速度快不建议在自动对焦过程中让 Zoom 来回搜索。推荐流程是第一步先确定需要的视场 第二步Zoom 移动到目标位置 第三步根据 Zoom-Focus 标定表预测 Focus 位置 第四步Focus 快速移动到预测位置 第五步图像算法做小范围微调 第六步锁定焦点也可以简化为Zoom 先定画面大小 Focus 再找清晰位置对于高速系统重点是减少 Focus 搜索范围。减少搜索范围的方法包括1. 使用 Zoom-Focus 标定表 2. 使用上一次对焦位置作为初值 3. 使用距离传感器估计目标距离 4. 使用粗扫 细扫算法 5. 使用高帧率相机和小 ROI 6. 使用更快的执行机构例如 VCM 或液态镜头十七、一个推荐的工程实现顺序如果从零开始做自动对焦设备建议分阶段实现。第一阶段只做固定 Zoom 下的 Focus 自动对焦先不要考虑 Zoom。只实现固定 Zoom ↓ 移动 Focus ↓ 采集图像 ↓ 计算清晰度 ↓ 找到清晰度最大位置这一阶段的目标是跑通自动对焦闭环。第二阶段加入 Zoom 控制实现用户设置 Zoom ↓ Zoom 移动到目标位置 ↓ Focus 自动重新对焦这一阶段已经可以做成比较实用的电动变焦自动对焦设备。第三阶段建立 Zoom-Focus 标定表实现Zoom 改变 ↓ 查表得到 Focus 预测位置 ↓ Focus 先移动到预测位置 ↓ 再进行小范围自动对焦这一阶段可以显著提高对焦速度。第四阶段实现连续 Zoom Tracking实现Zoom 连续变化 ↓ Focus 根据 Zoom-Focus 曲线同步跟随 ↓ 画面尽量持续保持清晰这一阶段最接近成熟的工业变焦对焦系统但难度也最高。十八、最终总结Zoom 和 Focus 是自动对焦系统中两个非常重要但容易混淆的概念。1. Zoom 的作用Zoom 变焦 作用改变焦距、视场角和放大倍率 结果目标在画面中变大或变小2. Focus 的作用Focus 对焦 作用改变最佳成像位置 结果让目标图像变清晰3. Zoom 和 Focus 的关系Zoom 改变后最佳 Focus 位置通常也会改变可以抽象为Focus_best F(Zoom_position, Object_distance)4. 标定表的作用标定表 提前测出来的 Zoom、距离、Focus 之间的对应关系它的作用是减少搜索范围 提高对焦速度 提高变焦后的对焦稳定性5. 自动对焦时是否要同时动 Zoom 和 Focus场景Zoom 是否动Focus 是否动只需要让当前画面清楚不动动改变画面大小后重新对焦先动后动连续变焦保持清晰动同步动自动构图加自动对焦可能动必须动最推荐的高速自动对焦流程是Zoom 先到目标视场 ↓ 查 Zoom-Focus 标定表 ↓ Focus 快速移动到预测位置 ↓ 图像清晰度算法小范围微调 ↓ 锁定焦点一句话概括Zoom 负责确定画面大小Focus 负责确定图像清晰度标定表负责让 Focus 更快接近正确位置图像算法负责最终精确锁焦。参考资料Edmund OpticsUnderstanding Focal Length and Field of ViewEdmund OpticsImaging Lens Selection GuideOpto EngineeringFixed Focal Length Lenses / Varifocal LensesTheia TechnologiesFocus/Zoom Tracking Application NotesSensors 2012Robust Feedback Zoom Tracking for Digital Video SurveillanceICPR 2000Camera Calibration with a Motorized Zoom LensAuto Focus Using Adaptive Step Size Search and Zoom Tracking Algorithm
