（光学工程专业论文）基于usb+web+camera的自动对焦系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本论文详细讨论了- - 1 应用于u s b w e b c a m e r a 中的自动对焦系统。由u s b w e b c a m e r a 获 取的视频图像经计算机进行f f t 运算或微分运算，得到其频谱幅值数据或微分幅值数据，计算 机根据所得数据判断u s bw e bc a m e r a 中的镜头是否处于离焦位置并控制电机将镜头移到对焦 位置。文章还进一步讨论了提高自动对焦准确度的措施。实验结果表明该自动对焦系统能很好的 实现u s b w e b c a m e r a 的自动对焦。该系统将使具有u s b 接口的w e b c a m e r a 使用更简单方便。 本论文具体介绍了该自动对焦系统的硬件及软件组成。硬件组成系统主要包括图像传感器、 u s b 接口、r s 2 3 2 接口和电机驱动电路四个部分。软件组成系统主要包括u s b 通信、视频图像 处理、r s 2 3 2 通信和电机驱动的嵌入式程序。 本论文对系统以后的改进也作了一些讨论。 关键词 u s bw e bc a m e m 、自动对焦、图像处理 j 两羽事 彳菇彬 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e rw e p r o p o s ea na u t o - f o c u s i n gs y s t e mf o ru s bw e bc a m e r a t h ec o m p u t e rc a l c u l a t e s t h ef r e q u e n c yd a t ao rd i f f e r e n t i a ld a t ao f t h ev i d e os i g n a lf r o mu s bw e bc a m e r a b yf f ta l g o r i t h mo r d i f f e r e n t i a l a l g o r i t h m ，t h e ni t b a s e so nt h eo b t a i n e dd a t at oj u d g ew h e t h e rt h el e n so ft h eu s bw e b c a m e r ai si nf o c u sp l a c e i ft h el e n si sn o tw e l lf o c u s e d ，t h ec o m p u t e rw i l lc o n t r o lt h em o t o rt om o v e t h el e n st ot h ef o c u s e dp l a c e w ea l s od i s c u s st h em e t h o d st h a t c a ni m p r o v et h e p r e c i s i o n o f a u t o 。f o c u s i n g t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep r o p o s e da u t o - f o c u s i n gs y s t e mw o r k sv e r y w e l l ，i tw i l lm a k et h eu s bw e bc a m e r am o r ec o n v e n i e n c ea n de a s yf o ru s e w ei n t r o d u c et h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r eo ft h ep r o p o s e da u t o f o c u s i n gs y s t e mi nd e t a i lt o o ， t h eh a r d w a r eo ft h es y s t e mm a i n l yi n c l u d e si m a g es e n s o r 、u s bi n t e r f a c e 、r s 2 3 2i n t e r f a c ea n dt h e d r i v i n gc i r c u i t so ft h es t e p p i n gm o t o lt h es o f t w a r eo ft h es y s t e mi s b a s i c a l l ym a d eu pb yu s b c o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e 、v i d e oa n di m a g ep r o c e s s i n gs o f t w a r e 、r s 2 3 2c o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ea n d t h ee m b e d d e ds o f t w a r ef o rd r i v i n gt h e s t e p p i n gm o t o r t h ep a p e ra l s od i s c u s s e st h ei m p r o v i n gm e t h o d sf o rt h ep r o p o s e da u t o - f o c u s i n gs y s t e mi nt h e n u t u a r e k e y w o r d s ：u s bw e b c a m e r a ，a u t o f o c u s ，i m a g ep r o c e s s i n g 浙江大学倾士学位论文 致谢 本论文的研究工作是在我的导师林斌副教授的悉心指导下完成的，我的每一点进步无不倾注 着导师的心血。林老师渊博的知识、丰富的科研经验、精辟的学术见解、严谨的治学作风，都是 我学习的榜样。在完成论文之际，我谨向导师表示衷心的感谢，感谢他几年来对我的关怀与教诲。 衷心感谢陆祖康教授、徐向东教授、吴碧珍高级工程师在课题工作中对我的各种帮助和支持 在他们的谆谆教导和亲切关怀下，使我顺利的完成了课题工作。 特别感谢陈珏清教授、倪旭翔博士、黄桂灶硕士等的帮助和支持。 最后我要感激我的父母和家人，感谢他们对我工作学习的理解与支持以及生活上无微不至的 关怀。 ， 浙江人学硕士学位论文 引言 现代人类生活中，人们迫切需要获取各种信息，而人类获取的总信息量的8 0 以上，是通 过视觉器官得到的。所以，图像，特别是实时图像( 即视频图像) 的各种获取方法、处理技术、 传输手段等也越来越受人瞩目，数码相机、视频会议、视频电话等成为当今社会的流行语。直观、 真实、内容丰富的视频图像信息在日常的各行各业中得到了越来越广泛的应用。 在u s b 接口标准出来之前，计算机大多采用图像采集卡对视频图像进行采集、处理及传输， 这种图像采集卡包括i s a 总线型、p c i 总线型，以及e p p e c p 总线型。由于i s a 总线速度相比 p c i 总线要慢很多，所以现在采用插卡式的图像采集卡均为p c i 总线型，p c i 总线不须对图像进 行任何压缩就可实现c c i r 6 0 1 标准数字视频信号的实时采集，但它必须占用计算机的一个p c i 插槽，使用起来不大方便。e p p e c p 总线接口就是常用的打印机接口，它的传输速度可达到 2 m b y t e s s ，连接方便，由于计算机通常只提供一个打印机接口，故使用时要和打印机冲突。u s b 对各种外围设备( 包括键盘、鼠标、打印机、扫描仪、显示器等) 采用统一的接口规范，具有传 输速度较快( 1 2 m b i t s s ) 、连接方便、便于扩展、提供5 v 电源等优点，因此具有u s b 接口的各 种外围设备也越来越多。u s b w e b c a m e r a 就是其中的一种，它通过u s b 接口将获取的视频图像 传送到计算机，可实现视频图像采集与网上视频图像通信等功能，也可以配合监控软件，组合成 简单的视频监控系统。还有部分u s bw e bc a m e r a 具有双重功能，既可连接到计算机用于视频获 取和通信亦可脱离计算机以电池供电当作数码相机使用，如创新公司的v i d e ob l a s t e rw e b c a m g op l u s ，它内置8 m bf l a s h 存储器。 目前市场上已经有很多u s bw e bc a m e r a ，图o 1 所示为几个产品的一些性能参数，其中有 的具有自动对焦功能，有的还有z o o m 功能。就象具有自动对焦功能的照相机一样，具有自动对 焦功能的u s bw e bc a m e r a 将会在这类设备中占据相当大的份额。 f 面，本论文将主要研究一种基于u s bw e bc a m e r a 的自动对焦系统，该系统能快速、准 确、方便地实现u s b w e b c a m e r a 的自动对焦。论文主要由以下六个部分组成。 1 、自动对焦的原理 2 、提高对焦准确度的措施 3 、系统的硬件组成及具体实现 4 、系统的软件设计及具体实现 5 、系统的安装使用与结果分析 6 、以后的改进 堑望盔兰堕! 兰些鲨塞 2 图o - 1几种u s bw e bc a m e r a 及一些性能参数 浙江大学硕士学位论文 第一章自动对焦的原理 一个典型的光学成像系统可以用图1 1 来表示i ”。p 是物体上的一点，p ，是p 所成的像，p 和p 的位置关系可表示为： 上：l + 上 uv u 、v 分别为物距和像距，f 为镜头的焦距。图中的s 、f 、d 称为成像参数，可记为 p 三( j ，厂，d ) ( 1 2 ) 在图l 0 1 中，如果物点p 对焦不准，那么在图像传感器上会形成一个模糊的弥散斑p ”。为了得 到清晰的图像，就要使p 和p ”完全重合，使光学成像系统处于对焦状态，它可以通过手动调焦 来实现，也可以采用自动对焦技术来实现。 l i d 、 f 心肤l 光轴卜i q广心过 p n 沁 v l 镜头 p 物点 i d 图像传感器 p 像点 q 光学中心 p ”弥散斑 d 通光孔径 f 焦距 r 弥散斑半径 至r 图1 1光学成像系统的成像原理 随着各种成像设备自动化、智能化的迅速发展，自动对焦技术的应用越来越广泛，照相机、 摄像机、显微镜等都需要自动对焦。在这些成像设备中，自动对焦部分一般由两个功能模块构成， 一个是分析处理模块，另一个是控制驱动模块9 l 。分析处理模块判断一幅输入图像是否对焦清楚， 如果图像对焦不清楚，该模块同时测算出这幅图像的离焦量；控制驱动模块则根据分析处理模块 提供的相关信息米调整整个对焦系统的状态，使目标图像处于对焦状态。根据这两个功能模块的 3 浙江大学颁t 学位论文 不同实现方法，自动对焦系统可大致分为以下四类，如表1 - 1 所示。 分析处理模块控制驱动模块 焦点检测自动对焦反差检测或相位差检测电机驱动镜头移动 测距自动对焦红外或超声波测距电机驱动镜头移动 半数字式自动对焦计算图像的高频分量能量值电机驱动镜头移动 全数字式自动对焦计算图像的点扩散函数根据点扩散函数进行图像恢复 表1 - 1自动对焦系统分类 1 1 焦点检测自动对焦 焦点检测自动对焦方式主要应用在单反相机中。它是在摄像镜头的焦点附近设置自动对焦微 型组件，把摄像镜头的焦点作为直接探测对象的一种自动对焦方式“j 。这种对焦方式的特点是能 适应各种变焦镜头并且拍摄距离大。焦点检测方式分为反差检测和相位差检测两种方式。 1 1 1 反差检测自动对焦 反差就是光学上的视觉清晰度，即边缘对比度。当我们观察一个景物的轮廓时，像的亮度变 化越大，即其亮度梯度越大，则其轮廓越清晰。在观察取景屏上的物体时，如果使一个清晰的像 离焦，则其亮度梯度变小，图像也就变得模糊。在反差检测型的自动对焦装置中，就是用非线性 光敏元件( 例如c d s ) ，把它放在胶片面的等价位置的前后，用它进行对比度检测，再经运算电 路进行自动对焦控制或作调焦方向的指示。最早采用该原理的照相机是潘太克斯m e f 相机，使 用的系统被称之为t t l e f c 。反差检测法只能是被动式的，其优点有：与取景器视差无关，能对 被摄物体作出正确的找准：与被摄物体远近无关，可自由交换镜头；可由眼睛看到对焦位置可 对被摄物体作自由选择；在对焦屏上可以监视对焦情况，可以保障一定的精度：焦点检测器件被 固定在一个小盒子里，可以提高可靠性和稳定性。缺点是对低反差的被摄物体或暗的被摄物体对 焦困难”：。 1 1 2 相位差检测自动对焦 相位差检测自动对焦是根据基准光线和参考光线随被摄物体的距离不同而产生不同的位置 差，该位置差信息被换算成相位差，把它与不产生相位差时进行比较，再根据调焦组件的运算， 得到镜头的移动量和方向，然后由伺服电机带动镜头运动，当相位差为零时，发出停止信号，使 镜头停住对焦位置上。相位差检测方式根据可采用的调焦组件不同而有不同形式，其中最主要的 有t c l 方式( 使用霍耐威尔t c l 自动调焦组件) 和n i k o n 方式。霍耐威尔t c lt l i f l 用c c d 列阵， 庄受光元件前置有复眼透镜组，它把通过镜头的光线分成两半，分别照射到两组c c d 列阵上，通 浙江大学硕士学位论文 过数字电路分析两组c c d 列阵上的照度分布来判断镜头是否对焦以及对焦方向。n i k o n 方式的检 测器件采用p s d 代替c c d 列阵，它把通过镜头的光线，经检测光学系统分为两束光线，然后在两 个焦点检测器上判断偏移方向。后来又有美能达a 一7 0 0 0 相机采用c c d 列阵代替复眼和佳能采用 其独立开发的b a s i s 组件代替复眼的相位差检测方式。 1 2 测距自动对焦 红外测距法或超声波测距法广泛应用在镜头快门照相机中，属于主动式测距方法。在测距方 法中还有一种被动式方法( 双像重合式) 。 在一般的镜头快门照相机的取景器中，在调焦时可看到两个不重合的像，一个是直接通过取 景系统的基准像，另一个是由测距可动反光镜反射的参照像，可通过调节镜头、用机械联动使两 像重合来达到正确对焦。自动对焦就是采用传感器把测得的两个不重合像的信息，通过电路运算， 发出镜头移动信号，使两像重合，在两像重合后给出停止信号，从而结束调焦。 双像重合式自动对焦不需要发射系统，耗能少，有利于小型化，但对细线条的物体、低反差 的物体、运动的物体和暗的物体等对焦困难。因此，目前镜头快门照相机的自动对焦技术都向主 动式方法转换，红外测距和超声波测距自动对焦都属于主动式自动对焦“”。 1 2 1 红外测距自动对焦 红外测距自动对焦方式采用来自被摄物体反射的红外光进行测距，它是由照相机内的红外发 光元件发射红外光，从被摄物体反射回来，由装置在照相机内的测光元件接收进行测距。 一种典型的红外测距法如图1 - 2 所示”，它采用红外l e d 发射红外光，p s d 作为接收器件， 工作原理如下： 分 采e dn 一“。 析 划 u 7 处 = 净 理 1 电 扪n 路 刮p s d u 接收透镜1) j被舞物体 图1 2l e d p s d 自动对焦系统原理图 红外线发光二极管l e d 发射一束红外光束，经发射透镜会聚后射到被摄物体表面，经被摄物 体反射后，有一部分光线经接收透镜会聚于位置传感器p s d 表面，形成一个光斑。由几何关系可 知，当发射系统，接收系统的相对位置固定后，p s d 上光斑的位置仅与被摄物体离照相机的距离 浙江大学颇士学位论文 有关，而p s d 的输出信号义正好反映其表面光斑的位置，经分析处理电路处理后，被摄物体离照 相机的距离就被测出。 在实际应用设计中上述自动对焦系统的分析处理电路较为复杂，包括为增强信号的抗干扰 能力而设计的调制及解调电路，p s d 信号的除法运算及放大处理电路等。在光学系统方面，为使 p s d 接收的光斑能量尽可能大，以便分析处理电路获得更高的信噪比，发射透镜和接收透镜的口 径都做的尽可能大。另一方面，为使p s d 对光斑位置有较高的检出灵敏度，希望p s d 上光斑尽可 能小，而且边界清晰，要求发射透镜和接收透镜的像差尽可能小。 1 2 1 超声波测距自动对焦 超声波测距自动对焦是由照相机发出超声波信号，测出该信号从被摄物体反射回接收器所花 费的时间，据此计算出物体的距离，调节镜头到相应的对焦位置。 目前超声波测距自动调焦只有波拉公司采用，它在相机上安装有超声波源，可发出4 种频率 的超声波( 5 0 、5 3 、5 7 、6 0 千赫) ，用以区别周围其它噪声信号，这是一种定向声频，时间大约 1 m s ，与此同时计时器开始工作，发声信号为1 2 8 个，与1 2 8 个可能的调焦位置相对应。当接收 器接收到反射声频后，通过运算电路得到物体的距离，并据此调节电机运动，驱动镜头进行调焦。 还有一种1 9 动对焦方法，它采用模糊控制理论对电机进行对焦控制，结合了测距法和反差检 测法两者的优点。它先采用红外测距原理对目标进行粗调对焦，然后再采用反差检测法使目标处 r 最佳对焦位置。所有的电机控制都通过一定的模糊逻辑来实现“】。 由于测距法要求自动对焦系统要有红外光源或超声波源以及相应的接收传感器，这使得红外 或超声波自动对焦系统的体积庞大，而且费用较高。 1 3 半数字式自动对焦 随着超大规模集成电路v l s i 的发展以及计算机性能的不断提高，视频图像处理的速度也越 来越快，这些都使得半数字式自动对焦系统在近年来得到很大的发展和应用。 庄这种方法中，分析处理模块直接对获得的视频图像进行处理，以得到相应的调焦评价函数， 控制驱动模块则根据得到的调焦评价函数信息来驱动电机运动，带动镜头前后移动，商到获得对 焦清楚的图像。因此，构造合理的评价函数是半数字式自动对焦的关键所在。 理想的调焦评价函数应该具有单峰性( 仅有一个极值) 、无偏性( 处于最佳对焦状态时评价 函数才给出极人值或极小值) 、能反映离焦的极性( 在焦前位置还是在焦后位置) 、同时应具备强 的抗干扰能力。”。图1 3 为一个典型的调焦评价函数曲线图“j ，它充分考虑了图像的构成特 址，即：图像能量主要由低频分量构成，而图像质量的好坏与清晰度则主要由图像的高频成份决 6 浙江大学硕士学位论文 定，该评价函数为一个基于检测表征图像高频特性的二次多项式。 焦后方向一 正焦点- 焦前方向离焦量 图l - 3对焦位置与判据值的趋势图 根据不同的调焦评价函数，半数字自动对焦可主要分为以下几种： 1 3 1 阈值积分法 闽值积分法是图像在离焦的情况下，对图像的模糊程度进行判断1 ”。阈值积分法的原 理如图卜4 所示。曲线i 、1 1 分别为两幅聚焦质量不同的图像的灰度分布曲线。曲线i 的清晰度 优于曲线i i ，由图可见，离焦退化造成的灰度平均化倾向使得大于阈值1 l r 的灰度总和减少，也就 是中r 0 ”闽值积分法将该灰度之和作为调焦评价函数，其离散形式为 中= ( d 。一妒) ( dp 妒) ( 1 3 ) f ， 式中，吐，为图像在位置i ，j 的灰度值。 j t 州：江，： 图1 4阈值积分法原理示意图 7 浙江大学颁七学位论文 闽值积分法对被测对象的性质比较敏感，对尺寸较小的目标图像适应性较好，而对大范围的 目标图像则效果不佳。 1 3 2 频域带通法 频域带通法是基f 图像频率的检测方法，图像轮廓的锐度和细节的丰富度取决于图像的高频 成份。离焦退化造成的图像模糊在频率域上表现为高频成份的衰减，因此适当地选择带通滤波器 鼍 的带宽，使其恰好通过视频信号中对离焦敏感的那部分频率成份，就能实现图像清晰度的自动检 测】。 一行数字图像f ( m ) 经过傅立叶变换得到其频谱f ( k 1 ： f ( 七) ：芝、厂( 研) 。叫f 鲁 4 ) m = 0 f ( k ) 经过一个理想的带通滤波器g ( s ) g ：1 1 l0胚絮耆 s ， 得到f ( k ) = f ( k ) g ( s ) ，相应的调焦评价函数为 巾= ，( t )；i k ( 1 6 ) 频域带通法的检测特性比较稳定，对不同尺寸的目标图像都能较好的进行对焦，但其运算量 也相应的增加了。 1 3 3 微分梯度法 对图像进行微分运算可以提取图像中景物的边缘和轮廓，对于数字图像，微分运算近似用差 分来代替，微分法是选定图像灰度差分绝对值之和作为调焦评价函数“。对于图像序列 ( x ，y ) 的第k 幅图像，在其中选定某矩形窗口w ，则灰度差分绝对值之和为 中= l ( x ，y ) 一 ( x ，y 1 ) l + l ( x ，y ) 一 ( x 一1 ，y ) b ( 卜7 ) ( r ，p ) e h 由r 边缘、轮廓在一幅图像中常常具有任意的方向，而差分运算是有方向性的，因此和差分 方向一致的边缘、轮廓便检测不出来。为了克服这个缺点，人们找到了一些各向同性的检测算子 即梯度葬r 。 8 幅剀像g ( x ，y ) 在位置( x ，y ) 的梯度定义为 浙江大学硕t 学位论文 v g ( x ，y ) 船 _ _ 盘 船 勿 梯度法以图像梯度的平方和作为调焦评价函数，即 中= z z v g ( x , y ) 2 = 砖+ g ； 用于调焦评价函数的常用梯度算子主要有“ r o b e r t s 算子 g ，= g ( x ，y ) g ( x + 1 ，y + 1 ) g 。= g ( x + l ，y ) 一g ( x ，y + 1 ) s o b e l 算子 g ，= g ( x 一1 ，y + 1 ) + g ( x + 1 ，y + 1 ) + 2 9 ( x ，y + 1 ) g ( x 一1 ，y 一1 ) g ( x + 1 ，y 一1 ) + 2 9 ( x ，y 一1 ) g 。= g ( x + l ，y 一1 ) + g ( x + 1 ，y + 1 ) + 2 9 ( x + l ，y ) ( 1 8 ) ( 1 9 ) ( 卜l o ) ( 1 1 1 ) f 1 - 1 2 、 g ( x 一1 ，y 一1 ) 一g ( x 一1 ，y + 1 ) + 2 9 ( x 一1 ，)( 】一】3 ) r o b e r t s # 子在2 x 2 区域内求图像梯度，运算量为4 ( n 一1 ) 2 1 次加运算和2 ( n 一1 ) 2 次乘运算。 而s o b e l 算子在3 x 3 区域内求图像梯度，运算量为1 i ( n 一2 ) 2 1 次加运算和6 ( n 一2 ) 2 次乘运 算，运算量大约为r o b e r t s 算子的三倍，但它有更强的抗干扰性，而且加权因子使结果更平滑。 此外，用于自动对焦算法中的调焦评价函数还有l a p l a c i a n 运算，一幅图像g ( x ，y ) 的 l a p l a ci a n 运算定义为 v 2 贴川= 鲁甓 此时调焦评价函数为 ( 1 _ 1 4 ) 中2 莓莓鼢， 22 莓莓 警+ a 西2 _ g g c l - 常用的图像l a p i a c i a n 算子为 9 浙江大学颁上学位论文 了8 g + ：；曼：4 9 ( x ，j ，) 一g ( x ，少+ 1 ) 一g ( x ，y 1 ) 一g ( x + 1 ，y ) 一g ( x l ，j ，) ( 11 6 ) d xd 。v 用上式对图像进行运算，运算量为5 ( n 一2 ) 2 1 次加运算和2 ( n 一2 ) 2 次乘运算，调焦效果也介 rr o b e r ts 算子和s o b e l 算子之间。 微分法在调焦效果上比频域带通法好，在近焦区的检测灵敏度较高，远焦区有效范围较宽， ， 但是其对噪声比较敏感，抗干扰性较差。 1 3 4 图像最大熵法 根据s h a n n o n 信息论，熵最大时所表示的信息量最多，对于二维图像而言就是熵最大时图像 最清晰，因此就_ = | j 图像的熵值作为调焦评价函数2 2 n ，一1 中= 一( h ，n2 ) l o g ( h ，n 2 ) ，= 0 图像最大熵法对生物医学显微成像非常适用，用于摄像机自动对焦时则效果一般。 ( 1 1 7 ) 获取调焦评价函数的方式也是多种多样的，既可以采用硬件电路处理视频图像，将整个系统 作成一个嵌入式系统”“】。也可以通过计算机先采集到视频图像，然后再利用相应软件对其进 行处理“4 6 “”1 。目前这两种实现方法都有，各有其优缺点。 半数字式自动对焦系统也有其相应的缺点：由于控制驱动模块要寻找最佳对焦位置，使得系 统的输出图像也相应的不断变化，导致输出图像不稳定而且有一定的时延。 1 4 全数字式自动对焦 从表卜l 可以看出，全数字式自动对焦系统既不需要红外光源或超声波源，也不需要驱动镜 头移动的电机，因此它最大限度的节省了体积和费用。 全数字式自动对焦系统的关键在于确定图像的点扩散函数p s f ，这可以从图卜l 中推导出来。 在图11 中，如果物点p 没有处于对焦状态则它在图像传感器i d 上形成一个弥散斑p ”。假设 p 的入射能量为单位能量1 ，则p ”就是系统对单位能量的冲击相应，也就是系统的点扩散函数 p s f 记为h 。 ，y ) 。定义q = 2 r d ，则 2rs v l 11 l 口o = = s l l 1 dv lvsl ：舟式( 1 1 ) 代入得 1 11 l 92 5 f 7 一i 一一sl ( 1 一1 8 ) ( 1 一1 9 ) 浙江大学硕士学位论文 因此 尺= a 詈= s 詈 手一三一：1 ( 1 2 0 ) 即r 是u 和式( 1 - 2 ) 所表示的e 的函数，故记为r ( e ，“) 。此时可得系统的点扩散函数p s f 为1 2 5 九( x ，鹏“) ：i 1 x 2+y2zr 2 - ( e , u ) r 2(p，“)(1-21)( x ，鹏“) ： r ( 8 “) 1 0 其他 其傅立叶变换形式为 蹦w , v ；e , u 笔辫 z z ， 其中j l 为一阶b e s s e l 函数，p ( w ，v ) = w 2 + v 2 。 除了用上述方法来确定系统的p s f 外，还有另外的方法来确定系统的p s f ”。首先，输 入图像被分割成多个图像块，这些图像块将按照所包含线条的边界信息被分成不同的集合，接着 根据每种集合的阶梯响应函数推断出整个图像的二维点扩散函数p s f ，最后根据得到的p s f 对图 像进行恢复，以得到清晰的对焦图像。实现过程如图1 5 所示。 图i 5 图像恢复实现自动对焦的系统框图 由于图像恢复中存在病态问题，所以全数字式自动对焦系统只能在图像离焦量较小的范围内 对图像起恢复作硐，限制了它的应用范围。 1 5 本论文所采用的自动对焦方法 本论文所设计的自动对焦系统应用于u s b w e bc a m e r a 中，它要求调焦范围大，从5 c m o o 远 都要对目标进行清楚对焦，而且要求体积小同时考虑到u s bw e bc a m e r a 必须和计算机连接时 才能使片；| ，综合上述各种对焦方法，我们选取了半数字式自动对焦方法，并且是采用计算机软件 处理视频图像米获得凋焦评价函数。 一幅图像是否对焦准确，反映在空间域上是图像的边界及细节部分是否清晰，在频率域上是 i j 浙江大学颂士学位论文 图像的高频分量是否# 富。前者可以通过对图像进行微分运算来获取图像的边缘及细竹信息，后 者可以对图像进行f f t 来获取图像的频谱信息。在获得一系列图像的微分幅值或频谱幅值后， 系统的控制驱动模块将控制电机移动镜头寻找微分幅值或频谱幅值的最大值位置，此位置对应图 像的虽佳对焦位置。由于图像采集过程中难免会混入噪声，本自动对焦系统还在计算图像的微分 幅值或频谱幅值之前对其进行预处理，以便有效的拟制噪声，提高对焦的准确度。 图16 、17 分别是采用该对焦方法获得的一幅目标图像及其微分幅值和频谱幅值。 图1 - 7 图1 - 6 中图像的微分与频谱幅值 在图卜7 中，横坐标为电机离开初始位置的步长，纵坐标为图像的微分幅值和频谱幅值，频 谱幅值选取的频带范围为8 0 0 k h z 一1 5 m h z ，这样选取，既可以获取图像的高频信息，同时还可以 滤掉图像中更高频率的噪声；微分幅值中有一个次大值点，它由图像中噪声引起，图中微分算法 为5 0 b e l 算子。 根据上述所得到的原始幅值数据，只要控制电机走到数据中的最大值位置，则镜头就相应被 调节到最佳对焦位置。 在寻找微分幅值或频谱幅值的最大值位置时，我们采用了一种类似爬山法的搜索方法，其主 要恩路是止电机首先止转一定距离，然后计算当前位置图像的微分幅值或频谱幅值并将该幅值 与前一位置图像的幅值相比较，若幅值变化的趋势是增大，则让电机继续止转，若幅值变化的趋 势是减小，则让电机反转，直到电机走到对焦位置为止。程序流程具体如图卜8 ： 剧1 8 中1 3 i g s t e p 为是否细份的标志， 浙江大学硕士学位论文 l 黔茹i 北 【1 1 掣一 n o 电机后退一步； l 电机后退一步；l 、色s ! y e s 一，：令 f l a g = 2 ；f j = f i ； 1r 噼；唧；r 飞 汁 f l a 酽1 ，f i = f j ，il 人 b i g s t e p _ f a is e ； # - 盱弓八 电机前进一步： f 1 8 9 = 1 ；e j = r i ； 魄乳? f l a g = l ； f j = 0 ； yf 恼 大人 b i g s t e p = t r u e ； 犍 f l a g = l ：r j = f i 图l 一8 寻找微分幅值或频谱幅值最大值的流程图 浙江大学硕士学位论文 第二章提高对焦准确度的措施 提高对焦准确度的方法很多，我们下面主要讨论两种方法：图像预处理法和数据拟合法。 2 1 对图像进行预处理以提高对焦准确度 从图1 - 7 可以看出，对图像进行微分运算，虽然得到了图像的边缘与细节信息，但图像中的 噪声也被加强了，当噪声引起的干扰达到一定程度时，就会使对焦发生错误，要避免出现这种情 况，就要在图像微分之前滤除图像中的噪声，这些噪声一般包括脉冲噪声、加性噪声和信号有关 噪声三类噪声。 到目前为止，已提出许多滤除图像中噪声的方法【2 8 】。通常将其分为两类：一类是全局处理， 即对噪声图像的整体或大的块进行校正以得到平滑的图像。例如在变换域中使用的w i e n e r 滤波、 最小二乘滤波和应用一维或二维k a l m a n 滤波等。使用这些技术都需要知道信号和噪声的统计模 型，但对大多数图像而言，人们不知道或不可能用简单的随机过程精确地描述统计模型，而且使 用这些技术时计算很费时间。另一类技术是对含噪声的图像使用局部算子，当对某一像素进行平 滑处理时，仅对它的局部小邻域内的一些像素加以运算，它的优点是计算效率高，而且可以对多 个像素进行并行处理，可实现实时或准实时图像处理。局部平均法是最常用的一种方法。 局部平均法是一种直接在空间域上对图像进行平滑处理的技术，其基本思想如下：认为图像 是由许多灰度恒定的小块组成，相邻像素间存在很高的空间相关性，而噪声则是统计独立的，因 此，可用像素邻域内的各像素的平均灰度值代替该像素原来的灰度值，实现图像的平滑。 最简单的局部平均法称为非加权邻域平均，它均等的对待邻域中的每个像素。设图像中某像 素的灰度值为f ( x ，y ) ，它的邻域s 为n x n 点的方形窗口，点集的总点数为m ，则平滑后该点的 灰度值为 m 川3 寺，萎。巾 1 设图像中的噪声是随机不相关的加性噪声，窗口内各点噪声是独立等分布的，经过上述平滑 后，信号与噪声的方差比可望提高n 倍。 该算法简单，计算速度快，但其主要的缺点是在降低噪声的同时使图像产生模糊，特别是在 t z 1 像的边缘利细1 i 处，邻域越大，模糊稗度越厉害。为克服上述缺点，目前已提出许多保边沿保 细1 ，的局部平滑算法，它们的出发点都集中在如何选择邻域的大小、形状和方向，如何选择参加 平均的点数以及邻域各点的权重系数等。如超限像素平滑法、灰度最相近的k 个邻点平均法、 饼j 发倒数k 、 浊、最人均匀陀、r 卅池、小斜面筷j 弘、f 滑池i t i 值滤波法书。 r 值滤波法f 过滤幽像噪卢的尉时，还能很女r 的，呆护幽像的边缘轮廓信息”。搏原理t 分 蔺单：h 一个窗uw 住图像上扫描，把窗口内包含的幽像像素按姒灰度值升( 或酶) 7 i 排，0 起 水，取灰度值居中的像素灰度值为窗 j 中心像素的灰度，这佯便实现r 幽像的中f f 【滤波。川公式 表示州 g ( m t 7 ) = m e a n ( m 一，”一z ) ，( k ，f ) w ( 2 - 2 ) 通常窗内像素数为奇数，以便有个中间像素。常用的窗有线形、方形、十字形、圆形平环形 苜，如图2 1 所示。 a b c d ef 图2 - 1中值滤波常用窗形状 中值滤波对丁消除孤立点币线段的干扰十分有用，同时也能抑制加性噪卢。中值滤波突出的 f 厄点是芏消除噪声的同时，还能保护图像中的边界细肯信息。 我仃j 采片j 瓦点中值滤波，窗口形状为图2 - l c ，即 厂，= m e a n f h ，厂。，。+ l ( 2 - 3 ) m e d i a n 表示取中间值。图l - 6 在先经过中值滤波，然后再微分后的幅值如图2 - 2 ，可以看 到原来的次人值峰已很女f 的消除。本系统对信号有关噪声没有进行处理。 幽2 - 2 经过中值滤波后的微分幅值 g 浙江人学坝 。学应论文 2 2 对数据进行拟合以提高对焦准确度 一般情况卜，镜头的最佳对焦位营并不一定在电机移动步k 的整数倍何置，为了得剑更为准 确的对焦位置，我们需要对上述的离散电机位置进行数据拟合，这样可以得剑壁丁拟合结果的最 佧对熊位置。 对丁上述的实验数据，我们希望j _ f j 曲线y = 妒( x ) 进行拟合，但由于我们实验中所得剑的 数据通常部带育测试误差，如果要求拟合曲线y = 妒( x ) 严格地通过所有的数据点，就会使曲 线保留原有的测试误差。所以，在一般情况下，我们不能要求近似曲线y = 妒( x ) 严格地通过 所有数据点，即不能要求拟合函数在x ，处的偏差 d 。= 妒( x ，) 一y ， ( i = l 、2 、3 、m )( 2 4 ) 都严格的等于零。但是，为了使近似曲线能够尽量反映所给数据点的变化趋势，要求扮i 部较小 还是需要的。达到这一目标的途径很多，常见的有： ( 1 ) 选取妒( x ) ，使偏差绝对值之和最小，即 hj = l 妒( x 。) 一y ，i =m l n ( 2 ) 选取妒( x ) ，使偏差最大绝对值最小，即 罂懋川= 罂氅i 妒( x ，) 一y ，i = m i n ( 3 ) 选取妒( x ) ，使偏差平方和最小，即 mm 2 j ，二= 盼( x ，) 一y 。 = m i n k lf _ 1 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 2 7 ) 我们根据“使偏差平方和最小”的原则( 最小二乘原则) 来选取拟合曲线y = 妒( r ) 。从 幽：一2 可以看出，住最大值附近频谱幅值的变化趋势很接近_ 二次多项式，冈此我们采：久曲线 v ：a x2 + b x + c ! 一8 ) 米拟合最人值点及其两旁备4 个数据点其中a ，b ，c 为拟合系数，频谱幅值拟台斤彳的曲线如蚓 二3 所示。 浙江夫学倾匕学位论史 令 【j ! | 最大值位置为 a y ：0 d x 。：一鱼：塑! ! ! ：9 4 2 a2x2 5 5 5 0 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 这样对电机步长进行细分，使其移动镜头至x = 9 4 的位置处，则得到了更为准确的对焦效果。 当然，对数据拟合弗不是都能够获得更准确的对焦结果，有时候也会出现偏筹，甚至对焦结 果还不如数据拟合之前的列焦结果，这就需要新的方法米提高对焦的准确度我们将庄后面第 第三章系统的硬件组成及具体实现 整个u s bw e b c a m e r a 及其自动对焦系统包括两犬部分，一是系统的埂什细成部分，另个 胜系统的软f ，f ：组成部分，在本章中我们主要介绍系统的硬件组成部分，下一章将详细介 “系统的 软什组成部分。 住最初的设计方案中，我们有一个理想的自动对焦系统蓝图，其组成框图如图3 ，1 所示，南 镜头所得的光学图像经图像传感器转换为视频图像数据，该数据由u s b 接口器件转换成u s b 传 输格式的数据并传送至计算机的u s b 接口，接着数据被传送到帧缓冲器进行缓冲，帧缓冲器t f l 的视频幽像数据一方面传送至显示设备进行视频显示，一方面由c p u 读取并进行f f t 运算( 或 微分运算) ，得到当前帧图像的频谱信息( 或边界轮廓信息) ，c p u 根据得到的频谱信息( 或边 界轮廓信息) 产生相应的控制命令并传送到u s b 接口，该控制命令再进一步传送至u s bw e b c a m e r a 中的电机控制驱动电路电机控制驱动电路根据该命令来控制步进电机的转向与转速 步进电机通过传动装置来移动镜头，实现u s bw e bc a m e r a 的自动对焦功能。 肄 u s b 连接线 网掣澈 矗卜丙 茜石一高 幽3 一l理想白动对焦系统的绢成框剀 由丁我们所选取的u s b 接口芯片是专h 的视频处理u s b 器什，该器引的生产厂商没有提供 川向的底层操作接口，限制了我仃j 对u s b 接口底层功能的开发，阗此，电机控制命令没有通过 u s b 接 i 传送刨u s bw e bc a m e r a 中的l u 机控制驱动电路，而是通过r s 2 3 2 接l 传送，系统的 “戊h 1 1 割也朴j i ：j 1 ； 13 - 二所_ 】i ， r 【f i j i f 细介；“细成l 系统的蝗戈钰芏削分及乓j i 体史现。 3 、1 成像器件 皈像器件也就芷幽像传感器，其功能是把光学幽像转换为l h 信吁，即把入身剑f 感器光j _ j j 面 | 按j 讣分布的光灶f 氘a 、，转换为按时序串仃输的【u 信号视频信弓嘎说频信0 能阿址入 lr 浙江大学硕士学位论文 射的光学图像。6 0 年代前p ，摄像的任务主要都是用各种电子束摄像管( 如光导摄像管、飞点 扫描管等) 来完成。6 0 年代后期，随着半导体集成电路技术，特别是m o s 集成电路工艺的成熟， 各种固体图像传感器得到迅速发展。 图3 - 2 实际自动对焦系统的组成框图 电荷耦合器件c c d 是7 0 年代发展起来的新型半导体器件，它是在m o s 集成电路技术基础 上发展起来的。由于它具有光电转换，信息存储和延时等功能，而且集成度高，功耗较小，故在 固体图像传感、信息存储和处理等方面得到了广泛的应用。 当然，c c d 也有一些缺点：c c d 光敏单元阵列难与驱动电路及信号处理电路单片集成，不 易处理一些模拟与数字功能，这些功能包括：a d 转换器、精密放大器、存储器、运算单元等元 件的功能。c c d 阵列驱动脉冲复杂，需要使用相对高的工作电压。 出于两种不同的原因促进了c m o s 图像传感器的发展，一是在价格成为决定因素时，需要 一种价格低廉、成像质量良好的图像传感器；二是n a s a 需要一种超小型、低功耗的成像系统 作为新一代宇宙探测器的配置。正是上述动机使c m o s 图像传感器具备以下优点：集成度高， 可将图像传感器阵列、驱动和控制电路、信号处理电路、a d 转换电路、全数字接口电路等集成 在一起，可实现单芯片成像系统。工作电压低，功耗小。更低的系统代价【3 2 】。 由y - c m o s 图像传感器的上述优点，而且u s bw e bc a m e r a 是用于计算机视频采集和传输 的，所以我仃j 选择r 数字式的c m o s 图像传感器0 v 7 6 2 0 ，下面大概介绍一fc m o s 图像传感 器的结构原理川。 3 、1 、1c m o s 图像传感器的总体结构 c m o s 图像传感器的总体结构框图如图3 3 。它们一般由光敏像元阵列、行选通逻辑、列选 通逻辑、定时和控制电路，在片模拟信号处理器( a s p ) 构成，数字式c m o s 图像传感器还集成有 9 浙江大学硕士学位论文 在片模数转换器( a d c ) 。 c m o s 图像传感器的光敏像元有无源像素结构和有源像素结构两大类。后者主要有光敏二 极管型和光栅型两种，其他特殊结构类型还包括对数传输型、钉扎光敏二极管型、浮栅放大器型 等。行选通逻辑和列选通逻辑可以是移位寄存器，也可以是译码器。定时和控制电路决定信号的 读出模式、设置积分时间、控制数据输出速率等。在片模拟信号处理器完成信号积分、放大、取 样和保持、相关双取样、双取样等功能。在片模拟数字转换器是在片数字成像系统所必需的， c m o s 图像传感器可以是整个成像阵列有一个a d c 或几个a d c ( 每种一个颜色) ，也可以是成像阵列 每列各有一个a d c 。 i j 连通莲戢 逆i i | f 控翻 - - ， 图3 - 3c m o s 图像传感器总体结构 c m o s 图像传感器的图像信号有以下几种读出模式：整个阵列逐行扫描读出是一种普通的读 出模式；窗口读出模式仅读出感* 趣窗口内像元的图像信息，这种读出模式增加了感兴趣窗口内 信号的读出速率：跳跃读出模式每隔一个( 或两个或更多) 像元读出图像信号，这种读出模式用降 低图像分辨率作为代价，以增加图像信号的读出速率。跳跃读出模式与窗口读出模式相结合，