撰稿人：陈慧玲 中国科学技术大学 博士研究生
在成像技术领域，实现快速且准确的自动对焦（Auto-focus，AF）始终是一个核心议题。随着科技的发展，对自动对焦技术的需求日益增长，尤其是在低光照或特殊波段如红外和太赫兹波段的成像应用中。传统的自动对焦方法，依赖于图像序列的获取和处理，不仅速度受限，而且成本较高。此外，这些方法在处理低对比度或特殊波段图像时，往往难以准确对焦，限制了高质量成像结果获取。近年来，被动自动对焦技术因其无需额外的距离测量设备而受到关注。这些技术包括基于图像信息的传统方法，如对比度和相位对焦，以及先进的局部微分焦点度量。然而，这些方法在计算上较为复杂，且通常只适用于特定场景。此外，基于人工智能的自动对焦技术，尤其是深度学习方法，虽然取得了一定的进展，但它们需要大量的图像序列，计算量大，且适用范围有限。为了克服现有技术的局限性，本研究提出了一种基于单像素矩检测的快速自动对焦技术。这种技术利用单像素探测器的高灵敏度和宽光谱响应特性，通过实时获取目标物体的几何矩，快速准确地确定焦点位置。该技术不需要额外的距离测量设备，也不需要复杂的图像处理算法，从而降低了系统的成本和复杂性。通过理论分析和实验验证，本研究证明了所提出方法的有效性，为自动对焦技术的发展提供了一种新的解决方案，尤其在低光照成像和近红外成像等领域具有广泛的应用前景。在这一背景下，中国科学院合肥物质科学研究院时东锋等人的研究团队联合捷克科学院信息理论与自动化研究所Jan Flusser教授在《Communications Engineering》上发表了题为“Fast autofocusing based on single-pixel moment detection”的论文。陈慧玲为文章第一作者，时东锋为通讯作者。研究团队提出了一种基于单像素矩检测的快速自动对焦技术。这一技术通过实时获取目标物体的三个几何矩，快速准确地确定焦点，为非成像对焦技术的发展带来了新的突破。研究团队通过深入的理论分析和实验验证，开发了一种基于图像矩的自动对焦准则。这一准则通过空间光调制器对物体图像光学信息进行调制，并将调制后的图像投影到单点感光探测器上。这种方法不仅能够实现对目标物体的快速对焦，而且由于其非成像特性，还能够在不依赖于图像细节的情况下工作，这使得我们的技术在噪声条件下表现出色。在实现过程中，首先需要对目标图像在成像透镜的不同位置下的三个几何矩值进行直接检测，这些矩值是通过单像素探测器获取的，它们反映了图像在不同位置的光强度分布。通过计算这些矩值，可以得到图像的中心矩，这些中心矩作为对焦准则，用于衡量图像的模糊程度，以找到使中心矩最小的位置，从而实现自动对焦。
同时，考虑了不同噪声水平对自动对焦性能的影响。通过在模拟图像中引入不同级别的高斯噪声，发现即使在信噪比较低的情况下，我们的技术仍然能够准确地确定对焦位置。这一发现证明了我们的自动对焦技术在实际应用中的鲁棒性，尤其是在低光照或高噪声环境下。此外，我们的研究还探讨了如何将这一技术应用于实际的成像系统。我们设计了一个实验系统，通过使用数字微镜设备（DMD）作为空间光调制器，将调制后的光信号投射到单像素探测器上。通过调整成像透镜的位置，我们能够实时监测中心矩的变化，并找到最佳的对焦位置。实验结果表明，我们的技术能够在不同的成像条件下实现快速且准确的自动对焦。研究团队实现了几项关键的技术突破和创新，这些创新点不仅提升了自动对焦的性能，也为成像和投影技术的发展开辟了新的可能性。
1）非成像方法的应用：所提技术突破了传统成像方法的局限，采用了一种创新的非成像方法。这种方法不依赖于图像的完整重建，而是通过单像素探测器直接测量场景中的光强度。通过这种方式，能够快速地获取目标物体的几何矩，从而实现快速对焦。这种非成像的方法大大减少了数据的获取和处理时间，使得对焦过程更加高效。此外，这种方法的简洁性也降低了对硬件的要求，使得系统更加经济且易于实施。实时对焦标准：通过中心矩的计算，研究者们能够实时评估对焦标准，这在以往的技术中是难以实现的。（a）、（b）、（c）和（d）分别是在10、15、20和30mm s-1的移动速度下的结果。i-vii是当成像镜头分别在0、10、20、30、40、50、60mm的位置移动时使用小米13手机拍摄的图像。（e） （f）和（g）分别是焦点左侧10mm、中心矩最小值焦点处和焦点右侧10mm处物体的哈达玛单像素重建图像。2）高灵敏度和宽光谱响应：单像素探测的显著优势是其高灵敏度和宽光谱响应。单像素探测通过测量整个场景中的总光强来捕获信息，使其在捕获微弱光信号方面表现出色。此外，单点探测器具有宽光谱响应，使其能够在红外和太赫兹等特殊波段进行使用。这些波段在许多科学和工业应用中都非常重要，但传统成像技术往往难以覆盖。所提技术为这些领域的自动对焦提供了新的解决方案。3）鲁棒性：所提技术对噪声具有很高的鲁棒性，这是其另一个重要的创新点。在成像过程中，各种噪声源可能会影响图像的质量，尤其是在信噪比较低的情况下。我们的技术通过单像素探测器对光信号进行积分，有效地抑制了噪声的影响。这种鲁棒性使得我们的自动对焦技术即使在高噪声环境下也能保持稳定的性能，这对于许多实际应用来说是非常宝贵的，例如低光照监控或高噪声成像。所提出的单像素矩检测快速自动对焦技术在理论和实验上都得到了验证，证明了其在自动对焦领域的有效性。该技术不仅提高了对焦速度，还降低了成本和复杂性，使其在各种成像和投影领域具有广泛的应用前景。未来的研究将进一步优化该技术，以适应更多的应用场景，并提高其在复杂环境下的性能和稳定性。Fast autofocusing based on single-pixel moment detectionHuiling Chen, Dongfeng Shi, Zijun Guo, Runbo Jiang, Linbin Zha, Yingjian Wang, Jan FlusserCommunications Engineering DOI: https://doi.org/10.1038/s44172-024-00288-z陈慧玲，2023级物理学博士研究生，发表SCI期刊论文2篇（第一作者1篇），授权美国发明专利和中国发明专利各1项，主要从事单像素探测、矩的分析与应用、计算机图像处理等方向的研究。时东锋，中国科学院青年创新促进会会员，曾获中国科学院院长优秀奖。主持创新特区项目、国家自然科学基金、装备预先研究等项目。已在《Optics Express》、《Optics Letters》等杂志发表SCI/EI收录论文30余篇，3篇论文被国际期刊评选为亮点论文，获授权发明专利10余项。声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理（按照法规支付稿费或立即删除），所有来稿文责自负，专委会仅作为分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系邮箱：cita@csoe.org.cn
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