图像是信息传递的重要载体,如何获取清晰、高质量的图像画面一直是人们探索的方向与目标,图像质量直接关系着后续的图像处理与应用。自动调焦技术作为光学成像系统的关键技术之一,广泛应用于医学显微镜、扫描仪等精密仪器,以及卫星导航、空间探测、机器人视觉、自动监控等领域。基于图像处理的自动调焦技术不同于传统调焦技术,该技术仅依赖于获取的图像信息,不需要额外的光电检测设备,按照图像信息处理方式可分为两大类:离焦深度法和聚焦深度法。本文主要就聚焦深度法进行了深入研究。基于聚焦深度法的调焦过程是一个闭环控制过程,集光、机、电于一体,主要包括三个重要环节:调焦窗口的构建、调焦评价函数的选取、搜索算法对调焦电机的反馈控制。本文在研究国内外自动调焦技术发展现状基础上,针对这三个重要环节,并结合实际应用开展了一系列研究。首先,建立了光学成像系统的离焦模型,介绍了离焦状态下的点扩散函数与光学传递函数,通过分析离焦造成图像模糊的本质原因,奠定了自动调焦技术的理论基础。其次,对调焦评价函数进行了深入研究。调焦评价算法的选取是调焦过程中一个至关重要的步骤。离焦会造成图像高频分量的流失,在空间域上表现为图像边缘及细节变模糊、图像质量下降。本文分析了常见的基于图像梯度、频率域、信息熵、统计学的调焦评价函数。基于傅里叶变换的图像功率谱具有场景不变性的特点,有着广泛应用。小波分析克服了傅里叶单一分辨率的缺陷,具有多分辨率分析的特点。小波功率谱函数是对基于傅里叶变换的功率谱函数的改进。结合人类视觉系统(HVS)的低通滤波特性,对小波功率谱法进行加权处理。使得评价结果更加符合人眼视觉感知特性。为了验证算法的有效性及通用性,在LIVE数据库上进行了相关实验。同时,针对大型光测设备的特点,本文又提出一种基于自适应阈值分割的改进SML清晰度评价函数,在原有的SML函数基础上增加两个对角方向的梯度值,并取最大值作为该点空间滤波的结果,该算法能有效地克服背景噪声、以及大气湍流造成设备抖动的影响,具有较高的稳定性与灵敏度。再次,对调焦窗口的构建进行了研究。讨论了调焦窗口的尺寸及位置对调焦评价曲线的影响。由于光测设备的观察目标具有位置及尺寸上的不确定性,窗口过大或过小容易造成背景信息的干扰或目标缺失。在分析比较传统调焦窗口选择方法局限性的基础上,提出了基于多尺度脉冲余弦变换的窗口构建方法。该方法模拟人类视觉注意机制,从而提取图像感兴趣区域,能使光测设备在任意调焦状态下很好地适应成像主体的位置变化,建立有效调焦窗口。然后,制定了自动调焦系统的搜索策略。搜索算法是调焦过程的最终实现。本文针对比较常用的、具有较高可行性的爬山法进行了改进。以改进爬山法作为调焦系统的基础搜索算法,同时以图像的小波功率谱值作为辅助手段,综合判断调焦搜索方向以及极值点性质;并采用自适应步长,提高了搜索速率。从而快速准确的得到最佳聚焦位置,避免了范围较大的局部极值点的干扰。最后,本文根据所提出的调焦策略,设计了以DSP芯片TMS320C6678和Virtex-II系列XC2V3000为核心的嵌入式自动调焦系统,并在调焦精度、稳定性、实时性等方面进行了大量的测试实验。实验结果表明本文所提出的自动调焦方法切实可行,具有较高工程应用价值。