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現(xiàn)代社會是一個高度信息化的社會,多媒體技術(shù)的發(fā)展使圖像信息的獲取及其傳輸手段倍受矚目。自動對焦技術(shù)是計算機(jī)視覺和各類成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,在照相機(jī)、攝像機(jī)、顯微鏡、內(nèi)窺鏡等成像系統(tǒng)中有著廣泛的用途。傳統(tǒng)的自動對焦技術(shù)較多采用測距法,即通過測出物距,由鏡頭方程求出系統(tǒng)的像距或焦距,來調(diào)整系統(tǒng)使之處于準(zhǔn)確對焦的狀態(tài)。隨著現(xiàn)代計算技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字圖像處理理論的日益成熟,自動對焦技術(shù)進(jìn)入一個新的數(shù)字時代,越來越多的自動對焦方法基于圖像處理理論對圖像有關(guān)信息進(jìn)行分析計算,然后根據(jù)控制策略驅(qū)動電機(jī),調(diào)節(jié)系統(tǒng)使之準(zhǔn)確對焦。 本文利用數(shù)字式CMOS圖像傳感器作為感像器件,運(yùn)用DSP芯片采集圖像信息并計算系統(tǒng)的對焦評價函數(shù),根據(jù)優(yōu)化的爬山搜索算法控制驅(qū)動步進(jìn)電機(jī),調(diào)節(jié)系統(tǒng)光學(xué)鏡頭組的位置,使系統(tǒng)成像清晰,從而實(shí)現(xiàn)自動對焦。這是一種數(shù)字式的自動對焦方法,其準(zhǔn)確性和實(shí)時性使其在視頻展示臺和顯微鏡等設(shè)備中的應(yīng)用具有廣泛的前景。 1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 一個典型的自動對焦系統(tǒng)應(yīng)具備以下幾個單元:成像光學(xué)鏡頭組、成像器件、自動對焦單元、鏡頭驅(qū)動單元。在本系統(tǒng)中,成像光學(xué)鏡頭組包括光學(xué)濾波器、變焦透鏡組和對焦透鏡組;成像器件是CMOS數(shù)字式圖像傳感器,輸出圖像信息的數(shù)字量;自動對焦單元由DSP芯片作為核心器件,圖像信息的采集、計算、控制策略的選擇和控制信號的產(chǎn)生都在這個單元中進(jìn)行;鏡頭驅(qū)動單元包括步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動電路,該單元接受自動對焦單元的控制,驅(qū)動成像光學(xué)鏡頭組中的變焦透鏡組和對焦透鏡組進(jìn)行位置調(diào)節(jié),最終使圖像傳感器輸出準(zhǔn)確對焦的圖像。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1 自動變焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1.1 數(shù)字式CMOS圖像傳感器 圖像傳感器是把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。本系統(tǒng)采用1/3英寸數(shù)字式CMOS圖像傳感器OV7620,總有效像素單元為664(水平方向)×492(垂直方向)像素;內(nèi)置10位雙通道A/D轉(zhuǎn)換器,輸出8位圖像數(shù)據(jù);具有自動增益和自動白平衡控制,能進(jìn)行亮度、對比度、飽和度、γ校正等多種調(diào)節(jié)功能;其視頻時序產(chǎn)生電路可產(chǎn)生行同步、場同步、混合視頻同步等多種同步信號和像素時鐘等多種時序信號;5V電源供電,工作時功耗＜120mW,待機(jī)時功耗＜10μW。 OV7620工作時序圖如圖2所示。其中,PCLK是圖像傳感器的像素時鐘,HREF是行同步信號,Y和UV是圖像數(shù)據(jù)信號,VSYNC是幀同步信號,FODD是奇偶場信號。 圖2 OV7620的時序圖 1.2 DSP 控制系統(tǒng) DSP芯片也稱數(shù)字信號處理器,是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號處理的微處理器,其主要應(yīng)用是實(shí)時快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。本系統(tǒng)采用TI公司的DSP芯片TMS320F206進(jìn)行數(shù)值計算和實(shí)施控制,采用40MHz有源晶振,經(jīng)過分頻后獲得50ns的系統(tǒng)時鐘周期。該芯片支持硬件等待狀態(tài),當(dāng)READY引腳電平為低時,TMS320F206等待一個CLOCK1周期并再次檢查READY,在READY被驅(qū)動至高電平以前,TMS320F206將不再繼續(xù)執(zhí)行。TMS320F206的工作時序圖如圖3所示。 圖3 TMS320F206的工作時序圖 1.3 系統(tǒng)的硬件電路 系統(tǒng)的硬件電路如圖4所示。圖像數(shù)據(jù)Y0～Y7通過74LS245輸入到DSP的數(shù)據(jù)端口D0～D7;行同步信號HREF、幀同步信號VSYNC、時鐘信號CLOCK、像素時鐘PCLK分別接至相應(yīng)引腳配合數(shù)據(jù)采集;鍵盤輸入用來手動控制變焦倍率;DSP通過數(shù)據(jù)端口送出步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需的三相六拍脈沖時序,經(jīng)過74S245緩沖和MC1413功率放大后,驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)工作。 圖4 硬件電路示意圖 2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件包括數(shù)據(jù)采集及處理、優(yōu)化搜索算法、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動和變焦跟蹤等功能模塊。系統(tǒng)軟件流程圖見圖5。 圖5 系統(tǒng)軟件流程圖 2.1 數(shù)據(jù)采集和計算 系統(tǒng)上電復(fù)位后,先對系統(tǒng)初始化,包括對DSP芯片TMS320F206內(nèi)的RAM區(qū)進(jìn)行功能劃分、定義程序中的變量、驅(qū)動聚焦鏡頭的電機(jī)復(fù)位、設(shè)置DSP芯片TMS320F206的輸入輸出端口、設(shè)置TMS320F206的等待狀態(tài)等。 初始化工作完成后,系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集和計算階段,根據(jù)數(shù)字圖像傳感器提供的場同步、行同步和像素時鐘等時序信號,可以方便地選取不同的對焦窗口采集數(shù)據(jù)。采集完成后,馬上計算相鄰像素的亮度差值的平方和,并保存到TMS320F206的RAM中。由于TMS320F206提供的重復(fù)執(zhí)行指令極大地節(jié)約了運(yùn)算時間,因此一行數(shù)據(jù)的差值運(yùn)算根據(jù)采集窗口的不同可在一至兩行的時間內(nèi)完成。一幀圖像的數(shù)據(jù)采集都完成后,將每一行像素的亮度差值平方和累加,就得到這一幀圖像的調(diào)焦評價函數(shù)。將調(diào)焦評價函數(shù)的最大值及此時的步進(jìn)電機(jī)行程記錄下來。一幀圖像的數(shù)據(jù)采集和計算處理結(jié)束后,步進(jìn)電機(jī)以一個較大的步長定向前進(jìn),重復(fù)數(shù)據(jù)采集和計算的過程,直到步進(jìn)電機(jī)走完規(guī)定的行程。 2.2 優(yōu)化的搜索算法 本系統(tǒng)采用了一種優(yōu)化的爬山搜索算法。控制策略為:先根據(jù)整個行程的調(diào)焦評價函數(shù)值,獲得調(diào)焦評價函數(shù)與步進(jìn)電機(jī)行程的關(guān)系曲線,從曲線上可以判斷選擇最大的步進(jìn)電機(jī)步長。在判斷選擇時,既要保證不會錯過調(diào)焦評價函數(shù)的最大值區(qū)域,同時又要滿足以最少的步數(shù)走完全程。在獲得全程最大調(diào)焦評價函數(shù)區(qū)域后,將步進(jìn)電機(jī)步長減小,在最大值區(qū)域內(nèi)進(jìn)一步搜索更精確的對焦位置。采用這一策略,既不會發(fā)生誤判或找不到對焦點(diǎn)的情況,又能以較快的速度進(jìn)行對焦。軟件設(shè)計為:電機(jī)驅(qū)動鏡頭從起始位置出發(fā),先以等步長走一遍全程,記錄下調(diào)焦評價函數(shù)最大值時的鏡頭位置,然后鏡頭回到調(diào)焦評價函數(shù)最大值位置的前一站,換用小步長,從調(diào)焦評價函數(shù)最大值位置的前一站走到最大值位置的后一站,記錄下這一全程的調(diào)焦評價函數(shù)最大值時的鏡頭位置,如此反復(fù)搜索,最后鏡頭停止在調(diào)焦評價函數(shù)最大值處,使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)正確對焦。采用這一方法,既可以避免電機(jī)盲目反轉(zhuǎn),又能確保系統(tǒng)找到正確的對焦點(diǎn),而且搜索歷程短,有利于快速對焦。 3 自動對焦實(shí)驗(yàn)結(jié)果 在聚焦鏡頭的移動過程中,調(diào)焦評價函數(shù)值的變化規(guī)律是由小到大再減小,與此同時圖像顯示經(jīng)歷了從模糊到清晰再到模糊的過程。對于不同的變焦倍率,調(diào)焦評價函數(shù)的變化規(guī)律相同。在聚焦鏡頭的整個行程中,能夠找到一個顯著的最大值,這個最大值的位置與圖像最清晰的位置是相對應(yīng)的;在最大值的兩端,數(shù)值減小得非常快,然后數(shù)值趨于穩(wěn)定。 在優(yōu)化的爬山搜索算法中,選取最大步長要以調(diào)焦評價函數(shù)的變化趨勢為依據(jù)。在本系統(tǒng)中選擇最大步長為30H,這樣總能測到一個最大值或兩個次大值中的一個數(shù)據(jù),在第二次搜索時就一定能找到調(diào)焦評價函數(shù)的最大值。 |
