（电路与系统专业论文）基于FPGA的自动聚焦系统设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于f p g a 的自动聚焦系统设计 摘要 自动聚焦在光学成像系统中有着广泛的应用，随着电子技术和数字信 号处理技术的发展，基于图像信号分析的自动聚焦技术己广泛应用于摄像 系统，其聚焦方式主要分为模拟自动聚焦和数字自动聚焦。模拟自动聚焦 是通过分析从图像模拟视频信号中提取的反映图像清晰度的高频分量，控 制聚焦电机的转动，从而实现图像的自动聚焦；数字自动聚焦则是从图像 的数字信号中提取高频分量，通过对其分析来实现图像的自动聚焦。数字 自动聚焦比模拟自动聚焦有着聚焦精确、硬件电路简单等优点，己广泛应 用于数字成像系统中。 本论文详细研究并设计了一种基于c c d 图像传感器和f p g a 的自动聚 焦和变焦系统。所做的主要工作有： ( 1 ) 分析了灰度差分聚焦算法并进行了改进，进而在实际中得到验证。 采用一种改进的灰度差分法作为聚焦评价函数，即将一场图像的所有 像素的亮度值与周围像素的亮度值差的绝对值的和作为聚焦评价函数，根 据相邻同场的聚焦评价函数的比较结果，配合相应的搜索策略来控制步进 电机的转动方向，从而实现图像的自动聚焦。 ( 2 ) 分析了变焦的跟踪算法并加以验证 通过系统中提供的键盘按钮并设置相应的变焦查找表来改变变焦位 置。最终去控制步进电机的转动，从而改变镜头中的透镜至聚焦清楚、倍 率适当的位置。 ( 3 ) 完成了系统硬件结构设计 硬件方面主要包括图像传感器、f p g a 系统和可变焦镜头及步进电机的 太原理工大学硕士研究生学位论文 驱动系统等。完成了图像信号采集、信号处理及输出和控制部分的硬件电 路设计。 ( 4 ) 完成了系统软件描述 软件方面主要包括数据采集处理、一种改进的自动聚焦算法、搜索策 略算法、变焦跟踪算法、键盘控制程序和步进电机的驱动程序等。 本设计避开了复杂的数学计算，系统具有实现简单、功耗低、聚焦快 等优点，适用于各类需要自动聚焦功能的设备，如视频展台，摄像机等。 关键词：自动聚焦，变焦，f p g a ，步进电机 太原理工大学硕士研究生学位论文 s y s t e md e s i g n i n gf o ra u t o f o c u s b a s e do nf p g a a bs t r a c t a u t o f o c u si s w i d e l y u s e di nt h e o p t i c a li m a g es y s t e m 、斫t h t h e d e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，a u t o f o c u s b a s e do ni m a g es i g n a lp r o c e s s i n gi su s e di nt h ec a m e r as y s t e m t h em e t h o do f a u t o f o c u si sd i v i d e di n t oa n a l o g ya u t o f o c u sa n dd i g i t a la u t o f o c u s a n a l o g y a u t o f o c u si sa n a l y z i n gt h eh i 曲f r e q u e n c yc o m p o n e n tr e f l e c t i n gt h ed e f i n i t i o no f t h ei m a g ee x t r a c t i n gf r o mt h ea n a l o g yv i d e os i g n a la n dc o n t r o l l i n gt h em o v i n g o ft h ef o c u s i n gm o t o r s ot h ea u t o f o c u so ft h ei m a g ec a nb er e a l i z e d d i g i t a l a u t o f o c u si sa n a l y z i n gt h eh i g hf r e q u e n c yc o m p o n e n te x t r a c t i n gf r o mt h ed i g i t a l i m a g es i g n a la n dr e a l i z i n gt h ea u t o f o c u so ft h ei m a g e c o m p a r e dw i t ha n a l o g y a u t o f o c u s ，d i g i t a l a u t o f o c u sh a st h ea d v a n t a g eo fa c c u r a t ef o c u s ，s i m p l e h a r d w a r ec i r c u i t ，e t c t h i s p a p e r r e s e a r c h e s c a r e f u l l y a n d d e s i g n aa u t o - f o c u sa n d e l e c t r i c z o o ms y s t e mo fd i g i t a lv i d e od e v i c e sw h i c hi sb a s e do nt h ec c di m a g e s e n s o ra n dt h ef p g a t h em a i nw o r k so ft h ep a p e rc a nb es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： ( 1 ) a n a l y z e d t h e g r a y s c a l ed i f f e r e n t i a l a l g o r i t h m a n dm a d es o m e i m p r o v e m e n t v e r i f i e di nt h er e a l i t y t h ed e s i g nu t i l i z e sa ni m p r o v e dg r a ys c a l ed i f f e r e n t i a la l g o r i t h ma sf o c u s v a l u e t h es u mo ft h eg r a ys c a l ed i f f e r e n t i a la b s o l u t ev a l u eo fa ni m a g ei su s e d a st h ef o c u sv a l u e a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r i n gr e s u l to ft w oa d ja c e n tf i e l d sa n d u t i l i z i n gs o m es e a r c hs t r a t e g yt oc o n t r o lt h er e m o v eo fs t e p m o t o r , s ot h ei m a g e c a r lb ea u t o f o c u s e d i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) a n a l y z e dt h ez o o mt r a c ka l g o r i t h ma n dv e r i f i e d c h a n g i n gt h ep o s i t i o no fz o o ml e n st h r o u g ht h ek e y p a da n d z o o mt a b l ef o r t h es y s t e m f i n a l l y , m a k i n gt h em o t o rt ow h e e l l i n gt h es t e p p i n gm o t o r , i no r d e r t oc h a n g et h ep o s i t i o no fl e n st om a k et h ea fi nf o c u s 、t h em u l t i p l eo fz o o m p r o p e r l y ( 3 ) d e s i g no fs y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r e i nt h ea s p e c to fh a r d w a r em a i n l yi n c l u d e st h ei m a g es e n s o r , f p g a ，z o o m l e n sa n dt h ed r i v e r i n gs y s t e mo fs t e p p i n gm o t o r r e a l i z e st h eh a r d w a r ec i r c u i t d e s i g no fi m a g es i g n a lc a p t u r i n g ，i m a g es i g n a lp r o c e s s i n g ，s i g n a lo u t p u ta n d c o n t r 0 1m o d u l e ( 4 ) d e s i g no fs y s t e ms o f t w a r ed e s c r i b e i nt h ea s p e c to fs o f t w a r em a i n l yi n c l u d e st h ep r o c e s s i n gf o ri m a g ed a t a ，a n i m p r o v e dg r a y s c a l ed i f f e r e n t i a l a l g o r i t h m ，s e a r c hs t r a t e g ya l g o r i t h m ， c o n t r o l l i n gt h ek e y p a d sp r o g r a ma n dt h ed r i v e r i n gp r o g r a mo fs t e p p i n gm o t o r t m sm e t h o da v o i d st h ec o m p l e xc a l c u l a t i o ni nm a t ha n dt h es y s t e mh a st h e c h a r a c t e r i s t i c sf o rr e a l i z i n gs i m p l y , p o w e rl o w l y ，s p e e do fa fq u i c k l ya n ds oo n , b et h es a m ew i t ht h ea l lt h ek i n d so fa fd e v i c e s ，s u c ha st h ev i d e op r e s e n t e r , v i d e oc a m e r a k e y w o r d s ：a u t o f o c u s ，z o o ml e n s ，f p g a ，s t e p p i n gm o t o r i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：煎盘日期：亟! 玉! 丝 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； j 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 j 导师签名：兰邀益嗑 日期： 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 研究背景 第一章前言帚一早月i ji 置身于数字化时代，数字技术时时刻刻都在影响着我们的生活，影像领域的数字化 进程正如火如荼。数码影像( 相机) 技术，最初是由美国柯达公司、日本富士公司、尼 康公司、佳能公司、索尼公司和荷兰的飞利浦公司六家在感光材料领域、照相机领域和 家用电器领域里卓有成效的世界级大公司共同发起的，并进行了在光学、电子和计算机 技术领域的联合开发研制。当今社会，数码影像技术正以其无限的创造能力、快速的转 移能力、精确的复制能力、大容量的存储能力、高效的检索能力以及图像的直接获取和 减少了环境污染，日益受到人们的重视和大力推崇。 近年来，世界各国都纷纷加入了数码影像研发的行列。各大公司在共同开发、联合 研制的同时，又都保持了本公司在技术领域里的绝对优势。目前数码相机的核心技术还 基本掌握在日本，美国，韩国等国手中。我国在近年来也加大了数字影像领域的投入和 研发。但国内的相关领域技术还处于起步阶段。主要存在下面的问题【l 】：第一是器件问 题，一些主要芯片如传感器和存储卡目前掌握在少数几家国外大公司手中，其次是技术 问题，由于硬件受制于人，国内的研发技术也大大落后于国外。国内这些厂家所有工作 基本都建立在国外公司提供的现成方案上，开发的程度和自主性都受到严重的限制。 现实世界中的物体在模糊和清晰状态之间变化着。通过人眼看到阴云的天空是模糊 的，而晴朗的天空则是清晰的。这一切都是光的作用。光是能源，也是信息的载体。光 波携带物体的信息传播进我们的眼睛，这样我们才能对物体产生视觉印象。这是人类认 识外部世界最主要的方式。人眼是亿万年进化而形成的高度精密和智能的光学系统，配 有发达的处理器一大脑，人眼是自动聚焦的，所以我们看到的五彩世界都是清晰的。但 人眼有很多局限，它只对可见光有感应，产生视觉；视野范围小，分辨率有限制等。作 为人眼功能的延伸，光学系统、红外成像系统等应运而生。在光学成像系统中，成像物 镜对于物体应有一个最佳的成像位置，如果平面不在最佳位置，所成的像将模糊不清。 成像质量明显下降。同时我们也希望在某一固定不变的位置下，获得大小不同的物体图 像。在这种背景下，自动聚焦变焦技术应运而生。 现代社会是一个信息化的社会，人们迫切需要获取各种信息、图像，特别是清晰的 实时图像的各种获取方法，处理技术和传输手段等越来越受人瞩目，所以自动聚焦变焦 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 技术有了很大的发展空间。随着各种成像设备自动化、智能化的迅速发展，自动聚焦变 焦的应用越来越广，照相机、摄像机、显微镜、计算机等都需要自动聚焦变焦功能。 自动聚焦是现代光学成像系统必不可少的关键技术。随着科技的迅速发展，数字成 像系统的自动聚焦问题受到人们的普遍关注，并已广泛应用于数码相机，高分辨率监控 摄像机、数字视频展台等产品，且其产品有着广泛的应用领域，如教育、银行、煤矿、 交通、医疗等监控领域。因此本课题的研究将使得我们可以自主开发具有知识产权的产 品，具有很强的现实意义。 现在自动聚焦技术相对比较成熟，各种自动聚焦芯片种类也比较繁多。常用的自动 聚焦芯片有p i x e l w o r k s 公司的p w l 2 2 5 、a v e r l o g i c 公司的a l 2 5 0 2 捌等。但是自动聚焦的 实现目前都是基于d s p 实现的，基于f p g a 的自动聚焦芯片还没有出现，本课题采用 灰度差分法作为焦距评价函数，但对其有所改进，计算每个像素与周围八个像素的亮度 的绝对值的差作为焦距评价函数，用f p g a 实现自动聚焦功能。 随着微电子技术及其制造工艺的发展，可编程逻辑器件的逻辑门密度越来越大，功 能也越来越强，由于f p g a 器件的可并行处理能力及其可重复在系统编程的灵活性，其 应用越来越广泛。同时随着微处理器、专用逻辑器件、以及d s p 算法以口核的形式嵌 入到f p g a 中【4 1 ，f p g a 可实现的功能越来越强，f p g a 在现代电子系统设计中正发挥 着越来越重要的作用。本课题就是采用“图像采集模块+ f p g a 的设计方案进行自动聚 焦变焦的研制，图像采集模块完成图像的采集，可输出模拟复合视频信号和p a l 制数 字y u v 格式信号，f p g a 对其输出的数字视频信号进行处理，并根据f p g a 计算的聚 焦判断信息和一定的搜索策略来控制镜头中步进电机的转动，从而实现图像的自动聚 焦。 目前，该课题己研发成功，本课题的研究成果已应用于数字视频展台的生产中，为 继续开发拥有自主知识产权的高分辨率数字视频展台积累了宝贵的经验。 1 2 课题意义 随着现代计算技术的发展和数字图像处理理论的日益成熟，自动聚焦变焦技术进入 一个新的数字时代，越来越多的自动聚焦算法是基于图像处理的理论，改变以往测量相 机与被摄物体之间的距离来进行聚焦的方法，老的方法不仅使系统庞大笨重，而且有时 还不准确( 因为红外线必须准确地射向被摄体) 。数字图像处理理论认为【5 1 ，信号或图像 的能量大部分集中在幅度谱的低频和中频段，但图像轮廓的锐度和细节的丰富程度取决 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 于图像的高频成分。因此，各种检测图像的边缘信息或计算图像高频分量的自动聚焦变 焦方法应运而生。其中，通过对图像有关信息进行分析计算从而驱动聚焦电机使系统正 确聚焦变焦的方法，我们可称之为半数字式的自动聚焦方法【6 7 1 。本文研究的主要内容就 是在f p g a 上实现这种自动聚焦方法。 目前市面上聚焦马达步进电机的控制大都是由单片机或d s p 加步进电机驱动器的 方式来实现的。由单片机或d s p 作为控制系统发出脉冲信号经步进电机驱动器，转化 为步进电机的角位移，或者说，控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机 旋转一个步距角。一般步进电机驱动器包括脉冲分配器和功率放大器两个主要部分。本 文采用由f p g a 直接输出适用于步进电机的角位移信号驱动步进电机。这样可以在一片 芯片上集成单片机或d s p 及步进电机驱动器的功能，该方案有着很强的价格优势，且 利于系统的功能扩展，对于提高系统的集成度和稳定性，减小产品的体积和成本有很大 的意义。 本课题设计的自动聚焦控制系统硬件电路简单、聚焦速度快，既可作为独立的模块 应用于数字成像系统中，也可作为i p 核嵌入到不同控制系统中，以实现更加复杂的功 能。 1 3 论文完成的工作 在关于基于f p g a 的自动聚焦变焦算法的设计与实现的研究中，图像采集模块输出 p a l 制数字1 6b i t sy u v ( 4 ：2 ：2 ) 格式图像数据，其有效图像分辨率为7 3 8 * 5 7 5 。论文主要 用f p g a 通过对图像采集模块输出图像数据的分析、采用一种改进的自动聚焦算法，判 断出当前图像的清晰度，进而控制聚焦步进电机的转动，来实现图像的自动聚焦，同时 根据系统中键盘的控制可实现光学镜头的手动变焦，具体内容有： ( 1 ) 系统硬件结构设计 完成了图像信号采集、信号处理及输出和控制部分的硬件电路设计。 ( 2 ) 利用f p g a 完成了对图像采集模块中d s p 芯片( s h a r p3 8 6 0 3 ) 的s p i 初始化。 ( 3 ) 利用数字图像处理理论，对图像采集模块输出的图像数据进行分析、采用一种 改进的自动聚焦算法，判断出当前图像的清晰度，进而控制聚焦步进电机的转动，从而 实现图像的自动聚焦功能。 ( 4 ) 利用f p g a 计算出的数据及键盘控制步进电机，从而达到改变聚焦变焦镜片的 位置，使得被摄物体实现变焦并能够在成像面上有清晰的图像。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 4 论文的组织 全文结构分成五个章节，前三章是课题研究的基础，第一章简要的阐明了本论文的 研究背景及意义；第二章对自动聚焦变焦的原理进行了具体的介绍，回顾了其发展历史 并分析了其现状；第三章介绍了系统的硬件组成及实现。第四章详细介绍了系统软件的 设计及具体实现。最后对本论文的工作进行了总结，给出了图像处理部分f p g a 电路板 的原理图，并给出了顶层和底层的p c b 布线图，提出了本系统的可改进之处并对今后 进一步设计的开发、研究与应用提出展望。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 自动聚焦算法 第二章自动聚焦变焦技术 聚焦( f o c u s ) 是通过光学镜头( 通常为凸透镜) 的折射作用，将景物光线聚集在正对镜 头中央的图像传感器表面的感光区域，使曝光图像更清晰的过程。如果聚焦不良，图像 就会显得很模糊。聚焦是通过前后校正镜头的位置决定的，而校正镜头位置是通过控制 聚焦马达来实现的。聚焦马达分为两种，一种是大范围校正镜头位置的缩放( z o o m ) 马达， 一种是进行微调的聚焦( f o c u s ) 马达，在高档影像设备中一般两者皆备瞵j 。 聚焦的方法有两种，一种是手工校正镜头位置，称之为手动聚焦；一种是由成像设 备内部的电路或程序进行检测和计算，根据检测结果自动校正镜头位置，称之为自动聚 焦。随着现代成像系统逐渐向智能化的方向发展，自动聚焦技术己成为成像系统中必不 可少的一个部分。 自动聚焦在数码相机、数码摄像机、视频监控、显微镜及卫星遥感相机等方面有着 广泛的应用。自动聚焦技术于2 0 世纪7 0 年代最初用于照相系统，传统的聚焦技术大部 分是基于测距原理的，如超声波测距法、反射能量法和一些基于三角测距原理的方法 f 9 】们。随着电子技术和数字信号处理技术的发展，产生了基于图像信号分析的自动聚焦 技术，并广泛应用于摄像系统。 早期的聚焦技术有像偏移法、p s d ( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r , 位置感测器) 测距法 和对比度法等。像偏移法是利用三角测距原理，由被摄物体发出的光线，同时进入测距 器的左、右两端，并成像在接收元件上，通过两组间的信号比较，求得合适的聚焦位置。 p s d 测距法是另一种基于三角测距原理的自动聚焦技术。红外发光管向被摄目标发射红 外辐射，用接收透镜收集经物体反射后的辐射，并会聚在位置检测器件p s d 上，通过 对p s d 输出电流比值的探测和运算得到被测物体的物距，从而通过镜头控制系统实现 自动聚焦的目的。对比度法：当系统聚焦时，图像对比度最强，系统离焦时，图像对比 度下降，离焦量越大，对比度越低，因此，可以通过一维c c d 做对比度检测，根据检 测结果判别是否聚焦，并对离焦情况进行聚焦处理。 随着数字图像处理技术的发展，基于数字图像处理的聚焦方法在数字成像系统中得 到了广泛的应用，人们可以通过数字图像处理的方式实现自动聚焦。图像是否聚焦与图 像的高频成分有关，当完全聚焦时，图像清晰，包含边缘信息的高频分量最多：通常， 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 判断图像是否聚焦清晰是通过聚焦评价函数( f v , f o c u sv a l u e ) 来衡量的【j 。 对特定的成像系统，图像的清晰度反映了系统的离焦程度。当图像比较清晰时，即 图像聚焦较好时，图像细节丰富，在空域表现为相邻像素的特征值( 如灰度) 变化较大， 在频域表现为频谱的高频分量多。利用这一特点可以构造各种聚焦评价函数对图像的清 晰度进行评价。自动聚焦评价函数应具有以下几个特性【1 2 】：( 1 ) 无偏性：在焦平面位置， 评价函数达到最大值；( 2 ) 单峰性：在聚焦的变化过程中，评价函数只有一个最大值； ( 3 ) 灵敏度高：能区别开轻微散焦状态；( 4 ) 较高的信噪比：抗噪性能强；( 5 ) 计算量小： 快速的实时聚焦。 散焦状态下的图像相邻像素之间会相互叠加，从而造成成像平滑，细节成分丢失造 成图像模糊，所以聚焦图像比散焦图像在细节上更加丰富，拥有更多的高频分量，对比 度也更强烈。根据上述特点，常用的聚焦评价函数可分为三类【1 3 】：( 1 ) 基于图像统计的方 法如灰度熵法，灰度方差法和直方图法等。( 2 ) 基于图像边缘检测的梯度能量法如差分法、 l a p l a c i a n 算子法和s o b e l 算子法等。( 3 ) 基于变换域的方法如快速f o u r i e r 算法、小波变 换等。 2 2 自动聚焦变焦原理 一个典型自动聚焦变焦系统应具备以下几个单元【1 4 , 1 5 】：成像光学镜头、成像器件、 自动聚焦单元、处理器、镜头驱动单元。各种成像系统的聚焦变焦原理都类似，镜头对 准被摄物体，通过调整镜头的焦距使其焦点位于成像面上。自动聚焦是由计算机提取被 摄物体的某种特征量，判定是否聚焦，通过调整镜头参数或恢复物体特征来达到目的。 如果系统没有聚焦，则在成像面上获得的是模糊的图像，由自动聚焦单元经过计算，得 到相关信息，去控制聚焦镜头向正焦方向移动，从而使系统处于正确聚焦的状态，获得 清晰的图像。变焦则是通过人的主观判断，利用系统提供的键盘按钮，对图像的大小进 行缩放。 在自动聚焦变焦系统中，首先要根据获得的图像信息来判断系统目前是否处于正确 聚焦状态，是否满足变焦倍率的要求，若系统偏离正焦状态或不满足倍率要求，系统还 要给出控制策略去驱动电机，带动镜头移动，在尽量短的时间内，使整个系统达到正确 聚焦变焦状态。因此，自动聚焦变焦系统中一般有两个模块构成分析模块和控制模 块。分析模块判断一幅图像是否清晰聚焦和适当变焦，如果聚焦不清楚或变焦倍率不适 当，该模块还要估计图像离焦量和倍率。控制模块运用分析模块提供的信息，调整系统 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 的状态，使输入图像很好的聚焦变焦。 2 3 自动聚焦变焦技术的发展 自动聚焦变焦技术的研究可追溯到19 世纪末，早在18 9 8 1 1 6 1 年法国人就有人对放大 镜头的自动聚焦进行过研究，其后，在1 9 6 0 年出现过a m a r t i n 马丁自动测距调节器， 19 6 3 年c a n o n 的自动聚焦相机样板曾在k o l n 的世界摄影器材博览会p h o t o k i n a 上 亮相可惜由于体大身重与实用化差距太大而未能形成气候，在1 9 7 4 年n i k o n 在 p h o t o k i n a 上又展出了具有自动聚焦功能的新机，也由于机构复杂，且贵、重、大而 不能实用化。直到2 0 世纪7 0 年代，微电子技术的突破性发展，尤其是大规模集成电路 和c p u 的出现，给自动聚焦技术的发展带来了新的生机。1 9 7 5 年，美国h o n e y w e l l 的 v i s i t r o n i e a f 组件的问世，k o n i c a1 9 7 7 年c 3 5 a f 世界上第一台实用化、商品化的1 3 5 m m a f 相机的出场提供了舞台。接踵而至的，1 9 7 8 年美国p o l a r o i d 利用超声波s o n a a 主动 聚焦的s x 7 0s n o a ra f 相机登台。1 9 7 9 年c a n o n 运用红外线、参照三角测距原理进行 主动聚焦的袖珍相机a f3 5 m 诞生。1 9 8 0 年c a n o na f 5 1 4 x l s 宣告了第一架采用三角 测距原理、s s t ( 固态三角测量法) 技术袖珍机的诞生。1 9 8 1 年，o l y m p u s 在c a f 袖 珍机里右手采用了以s e i k o 精工f c m a fm o u d l e 实现了f c m f o c u s i n gc e n t r a lm e m o r y 聚焦中存储器被动式测距聚焦技术。1 9 8 1 年1 1 月，日本a s a h i 公司开发出采用t t l e f c ( t t l 式电子聚焦系统) 的p e n t a xm e f 自动聚焦s l r 相机。它采用检测聚焦点法中对 比度( 或反差) 。1 9 8 3 年n i k o n f 3 a f 利用配套的自动聚焦变焦镜头a f n i k o n8 0 m m f 2 8 、 2 0 0 m m f f 5 3 以及d x 1 自动聚焦变焦取景器已实现t t l 自动聚焦，是采用检焦法中相 位差检出发的首机。1 9 8 5 年2 月，采用二次成像式相位差检焦的m i n o l t aa 7 0 0 0 问世， 标志着s l r a f 技术进入实用化阶段。随着计算机和图像处理理论的发展，半数字式及 数字式的自动聚焦变焦技术迅速崛起，通过对所获得的图像进行高频分量能量的计算或 系统点扩展函数的分析，进行系统的聚焦或图像恢复，与传统的自动聚焦变焦方式相比， 半数字式和数字式的聚焦变焦系统不需要发射红外线或超声波，也省去了传感器阵列， 减少了系统的体积和费用，是现代自动聚焦变焦技术发展的主流。总体来说，自动聚焦 变焦技术的类型可以参见图2 1 。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 4 自动聚焦变焦技术 图2 - 1 自动聚焦变焦分类 f i g 2 - 1d i v i s i o no f a u t o - f o c u sm e t h o d s 随着现代计算技术的发展和数字图像处理理论的日益成熟，自动聚焦变焦技术进入 一个新的数字时代，越来越多的自动聚焦算法是基于图像处理的理论，改变以往测量相 机与被摄物体之间的距离来进行聚焦的方法，老的方法不仅使系统庞大笨重，而且有时 还不准确( 因为红外线必须准确的射向被摄体) 。数字图像处理理论认为，信号或图像 的能量大部分集中在幅度谱的低频和中频段，但图像轮廓的锐度和细节的丰富程度取决 于图像的高频成分。因此，各种检测图像的边缘信息或计算图像高频份量的自动聚焦变 焦方法应运而生。其中。，通过对图像有关信息进行分析计算从而驱动电机使系统正确聚 焦变焦的方法，我们可称之为半数字的自动聚焦方法；另一种方法完全建立在图像信息 的分析计算的基础上，用图像处理的方法对离焦的图像进行复原变换，使输出的数字图 像清晰，而不是调整聚焦镜头的位置，使系统处于聚焦状态，我们可称这种方法为全数 字式的自动聚焦变焦方法。而变焦则是要通过人的主观判断，利用系统中所提供的键盘 按钮使图像和摄影者在固定的位置而获取不同大小的图像。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 4 1 主动式自动聚焦方法( 测距法) 这种方法常用的有红外线和超声波两种方法，他们在基本实现上有所不同。 ( 1 ) 红外线测距法 红外线测距自动聚焦采用被摄物反射的红外线进行测距，它由相机内的红外发光元 件发射红外线，从被摄物反射回来，由装置在相机内的测光元件接收进行测距。图2 2 是一种典型的红外线测距法的原理图【1 。丌。 这种方法的自动聚焦利用红外发射管l e d 发射一束红外线，经反射透镜会聚后射 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，p s d 上光斑的位置仅与被摄物体和反射光源的位置有关，而p s d 的输出信号能反映光斑的位置，所以p s d 的输出信号经分析处理电路的处理后，可计 算出被摄物体的当前位置，调节镜头到相应的聚焦位置。 实际应用中，分析处理电路比较复杂，包括增强抗干扰能力的调制解调电路、 p s d 信号的除法运算以及放大处理电路等。在光学系统方面，为了使p s d 接收的光斑 能量尽可能大，以便分析处理电路获得较高的信噪比，发射透镜和接收透镜的口径都要 尽可能大。另一方面，为了使p s d 对光斑位置有较高的检出灵敏度，p s d 上的光斑要 尽可能小，且边缘清晰，这就要求发射、接收透镜的像差要尽可能小。 被摄物体 图2 - 2l e d - p s d 自动聚焦系统原理图 f i g 2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fl e d p s da u t o f o c u ss y s t e m p s d 系统中i r e d 和p s d 都是静止的，没有扫描运动，p s d 不仅结构简单、而且 光电输出特性线性好、分辨率高( 可达几个u m ) ，响应快，甚至可以在受光面上获得无级 连续的位置检测。p s d 还可制成多维的、以完成同时量测几个位置或位移的任务。 ( 2 ) 超声波测距法 这种方法的自动聚焦是由相机发出超声波信号，测出信号从被摄物体反射回接收器 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 所需的时间，计算出物体与相机之间的距离，调节镜头到相应的聚焦位置。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。 测距法的主要优点是：红外线法的优点是对暗物体或玻璃后的物体都能进行自动聚 焦；超声波法的优点是结构简单，可靠性高。缺点是：不同物体反射和吸收能力存在差 异，从而有随机误差，且对远距离被摄物体的测量精度较差，又由于有反射装置，是系 统显得笨重。 2 4 2 被动式半数字的自动聚焦方法 近年来，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，半数字式自动聚焦系统在数字成像领域内得到了很大的发展 和应用。 半数字式自动聚焦由分析处理模块直接处理视频图像，以得到相应的聚焦评价函 数；控制驱动模块则根据得到的聚焦评价函数驱动电机运动，带动镜头前后移动，直到 获得对焦清晰的图像。因此，构造合理的评价函数是半数字式自动对焦系统的关键。 理想的评价函数应该具有单峰性、无偏性、能反映离焦的极性、同时应该具备较好 的抗干扰能力。根据不同的聚焦评价函数，半数字式自动聚焦可以分为以下几种： ( 1 ) 反差法焦点检测自动聚焦 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，其轮廓越清晰。如果使一个清晰的像离焦，则其 亮度梯度变小，图像也就变模糊。在反差检测中，用非线性光敏元件，把它放在胶片面 的等价位置前后，用它进行对比度检测。 反差法的优点是：与取景器视差无关，能对被摄物体正确聚焦；与被摄物体远近无 关，可自由交换镜头；可由眼睛看到聚焦位置，可对被摄物体做自由选择；焦点检测部 分被固定在一个小盒子中，可以提高稳定性和可靠性。缺点是：对低反差的被摄物体或 暗的被摄物体聚焦困难。 ( 2 ) 灰度阈值积分法 当使用阈值规则时，所有灰度值大于或等于某阈值的像素都被判为属于物体，所有 灰度值小于该阈值的像素被排除在物体之外。准确聚焦的图像具有清晰锐利的边界，而 离焦退化会造成图像灰度的平均化。灰度阈值积分法的原理图如图2 3 所示。曲线i 、 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 分别为两幅聚焦质量不同的图像灰度分布曲线。曲线i 的清晰度优于曲线i i ，离焦退 化造成的灰度平均化倾向使得大于阈值的灰度总和减小，也就是， 兀，阈值积分法 将该灰度之和作为调焦评价函数，其中 = ( ，】：厂甲)，j r - ( 2 - 1 ) i 。j i 为图像在位置( i j ) 的灰度值，甲为阈值。 jl 中 1 嘭鑫文么 心 图2 - 3 灰度阈值积分法原理示意图 f i g 2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fg r a ys c a l ed i f f e r e n t i a la l g o r i t h m 灰度阈值积分法对被测对象的性质比较敏感，对较小尺寸的图像适应性较好，而对 大范围的目标图像则效果不佳，且对噪声敏感。 ( 3 ) 高频带法 由图像处理理论可知，图像细节的丰富程度即是否清晰取决于图像的高频成分。离 焦退化造成的图像模糊在频率域上表现为高频成分的衰减。因此适当选择带通滤波器的 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分，就能实现图像清晰度的 自动检测。理论上高通可覆盖更广的敏感范围。图显示了将高频分量作为调焦评价函数 之后，图像清晰度与步进电机的关系。 在系统硬件上的引擎中有一个带通滤波器对输出的原始图像数据进行计算；同时高 频带法的物理意义非常明确，检测特性也比较稳定，对不同尺寸的目标图像都能较好的 聚焦，运算量虽然较大，但对于一般情况下不会影响系统的实时捕捉时间。 ( 4 ) 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 近似用差分代替。微分法是选定图像灰度差分绝对值之和作为聚焦评价函数。用于聚焦 太原理工大学硕士研究生学位论文 评价函数的常用梯度算子主要有r o b e r t s 算子、s o b e l 算子等。 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，但是对噪声较敏感，抗干扰性较差。 ( 5 ) 图像最大熵法 根据s h a n n o n 信息论，熵最大时表示的信息量最多。图像最大熵法对生物医学显微 成像非常适用，用于摄像机自动聚焦则效果一般。 获取聚焦评价函数的方式多种多样，既可以采用硬件电路处理视频图像，将整个系 统作为一个嵌入式系统。也可以先通过计算机采集视频图像，然后再利用相应的软件处 理这些图像。目前这两种实现方法都有，各有其优缺点。半数字式自动聚焦系统也有相 应的缺点：控制驱动模块需要寻找最佳聚焦位置，使得系统的输出图像相应的不断变化， 导致输出图像不稳定且有一定的时延。 聚焦评价函数的特点和分类： ( 1 ) 频域函数：这类函数是以傅立叶变换为基础。它对应于图像傅立叶变换后的高 频分量。离焦退化造成的图像模糊在频域上体现为高频分量的衰减，因此可用图像的高 频分量作为图像的聚焦评价函数。 ( 2 ) 灰度函数：这一函数主要是利用对图像灰度的各种处理来表征图像的清晰度： 例如利用图像处理方法的梯度函数提取图像的边缘信息。 ( 3 ) 信息学函数：正焦图像和离焦图像比，图像的灰度值多样性要大，既它们的信 息含量或熵是不一样的，图像趋于离焦时，图像的灰度值趋于单一灰度，信息含量少， 所以可以利用图像的信息熵来作为聚焦评价函数。 ( 4 ) 统计学函数：完全离焦的图像是由单一灰度值组成的，对聚焦图像则因为包含 了清晰图像信息，表现为多灰度值分布，这一特性可以用直方图来表示，直方图是指未 归一化的灰度概率密度函数估计，它表示了所有图像点在每一灰度值的出现次数，用对 应于每一灰度值的大小表示，聚焦图像则表示为多个带分布，而离焦图像则表示为少数 带分布。故利用直方图分析函数可以评价图像质量。 目前，常用的几种聚焦评价函数有以下5 种【1 8 , 1 9 如】： ( 1 ) 高频分量法。由数字图像处理知识可知，一副聚焦清晰的图像细节部分也更为 丰富，对其作傅立叶变换后，相应地具有更高的高频分量。则可对图像进行傅立叶变换， 提取其中的高频成分作为聚焦评价函数，但这种方法计算量大，不适于一般情况下的快 速、实时测量。 】2 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 平滑法。即计算图像上相邻像素的平滑度，再对整个像面求和作为聚焦评价函 数，其最大值为图像的聚焦判据，该方法灵敏度不高。 ( 3 ) 阈值积分法。即根据图像的灰度分布，选取一个阈值，并对大于阈值的灰度进 行求和，其最大值为图像的聚焦判据，该方法测量精度不高。 ( 4 ) 灰度差分法。这是一个形式简单但很有效的聚焦评价函数，它是利用图像的相 邻像素差的绝对值之和作为聚焦评价函数，即： f = 厂kj ，) 一厂g ，y - 1 ) l + f ( x ，y ) - f ( x - 1 ，y 1 ) ( 2 2 ) j ， ( 5 ) 拉普拉斯像能函数。这是一个非常有效的评价函数，在焦距附近具有较高的灵 敏度，但计算量较大，其形式如下： ，= ( 一厂g 一1 ，y - 1 ) - 4 f ( x - 1 ，y ) jy f ( x 一1 ，j ，+ 1 ) 一4 f ( x ，y 一1 ) + 2 0 f ( x ，y ) 一4 f ( x ，y + 1 ) ( 2 3 ) 一f ( x + 1 ，y 一1 ) 一f ( x + 1 ，y ) 一f ( x + l ，少+ 1 ) 2 当图像聚焦时，拉普拉斯像能函数取得最大值。 当图像最清晰时，聚焦评价函数值最大，通过相邻两场的聚焦评价函数值的比较， 可判断聚焦马达的驱动方向，从而可实现自动聚焦功能。 几种聚焦评价函数的比较如表2 1 所示。 表2 - 1 几种聚焦评价函数的比较 t a b 2 - 1c o m p a r i s o no fs o m ef o c u s v a l u e 聚焦评价函数优点缺点 高频分量法 检测特性稳定计算量大，影响实时性 平滑法计算量小边缘模糊，灵敏度低 阈值积分法适应小尺寸图像对大尺寸图像灵敏度低 灰度差分法 计算量小，实时性高图像噪声大 拉普拉斯像能函数灵敏度比灰度差分高计算量大 2 4 3 被动式全数字的自动聚焦方法 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 j丽 嗷平面 i n 、 e弋、 吣 、 光轴 、a 名 b 图2 - 4 散焦的光学系统e b 为像平面上的弥散盥 f i g 2 - 4o p t i c a ls y s t e mo fd i s p e r s i n gz o o m 随着通用数字信号处理器d s p 计算性能的提高，数字成像产品的开发将逐步向采 用通用d s p 取代专用i c 的方向发展，全数字式的纯软件自动聚焦、自动曝光系统将成 为开发数字成像产品的发展方向。 全数字式自动聚焦的关键在于确定图像的点扩散函数p s f 。如果一个系统处于散焦 状态如图2 - 4 所示，则物点p 在成像面上形成一个弥散斑e b ，这个弥散斑直接映射出 系统的点扩散函数p s f 。首先，将输入图像分割成多个图像块，将它们按照所含线条的 边界信息不同分成不同的集合，然后根据每种集合的阶跃响应函数推出整个图像的二维 点扩散函数p s f