基于DSP的主动对焦体系

　　当代社会是一个高度信息化的社会,多媒体技能的生长使图像信息的获取及其传输本领倍受瞩目。主动对焦技能是谋略机视觉和种种成像体系的关键技能之一,在照相机、摄像机、显微镜、内窥镜等成像体系中有着遍及的用途。传统的主动对焦技能较多采取测距法,即通过测出物距,由镜头方程求出体系的像距或焦距,来调解体系使之处于正确对焦的状态。随着当代谋略技能的生长和数字图像处理惩罚理论的日益成熟,主动对焦技能进入一个新的数字期间,越来越多的主动对焦要领基于图像处理惩罚理论对图像有关信息举行阐发谋略,然后根据控制战略驱动电机,调理体系使之正确对焦。

　　本文利用数字式CMOS图像传感器作为感像器件,运用DSP芯片征求图像信息并谋略体系的对焦评价函数,根据优化的登山搜刮算法控制驱动步进电机,调理体系光学镜头组的位置,使体系成像清楚,从而实现主动对焦。这是一种数字式的主动对焦要领,其正确性和及时性使其在视频展示台和显微镜等配置中的应用具有遍及的远景。

　　1 体系的硬件构成

　　一个典范的主动对焦体系应具备以下几个单位:成像光学镜头组、成像器件、主动对焦单位、镜头驱动单位。在本体系中,成像光学镜头组包括光学滤波器、变焦透镜组和对焦透镜组;成像器件是CMOS数字式图像传感器,输出图像信息的数字量;主动对焦单位由DSP芯片作为内核器件,图像信息的征求、谋略、控制战略的选择和控制信号的孕育产生都在这个单位中举行;镜头驱动单位包括步进电机及其驱动电路,该单位担当主动对焦单位的控制,驱动成像光学镜头组中的变焦透镜组和对焦透镜组举行位置调理,终极使图像传感器输出正确对焦的图像。体系的硬件布局如图1所示。

                                                 图2 OV7620的时序图

　　1.2 DSP 控制体系

　　DSP芯片也称数字信号处理惩罚器,是一种分外得当于举行数字信号处理惩罚的微处理惩罚器,其重要应用是及时快速地实现种种数字信号处理惩罚算法。本体系采取TI公司的DSP芯片TMS320F206举行数值谋略和实行控制,采取40MHz有源晶振,经太过频后得到50ns的体系时钟周期。该芯片支持硬件等待状态,当READY引脚电平为低时,TMS320F206等待一个CLOCK1周期并再次查抄READY,在READY被驱动至高电平过去,TMS320F206将不再连续实行。TMS320F206的事变时序图如图3所示。

                                          图3 TMS320F206的事变时序图

　　1.3体系的硬件电路

　　体系的硬件电路如图4所示。图像数据Y0～Y7通过74LS245输入到DSP的数据端口D0～D7;行同步信号HREF、帧同步信号VSYNC、时钟信号CLOCK、像素时钟PCLK分别接至相应引脚共同数据征求;键盘输入用来手动控制变焦倍率;DSP通过数据端口送出步进电机运转所需的三相六拍脉冲时序,颠末74S245缓冲和MC1413功率放大后,驱动步进电机事变。

                                             图4 硬件电路表示图

　　2 体系的软件计划

　　体系软件包括数据征求及处理惩罚、优化搜刮算法、步进电机驱动和变焦跟踪等成果模块。体系软件流程图见图5。

                                           图5 体系软件流程图
     2.1 数据征求和谋略
　　体系上电复位后,先对体系初始化,包括对DSP芯片TMS320F206内的RAM区举行成果分别、定义步伐中的变量、驱动聚焦镜头的电机复位、设置DSP芯片TMS320F206的输入输出端口、设置TMS320F206的等待状态等。
　　初始化事变完成后,体系进入数据征求和谋略阶段,根据数字图像传感器提供的场同步、行同步和像素时钟等时序信号,可以方便地选取差别的对焦窗口征求数据。征求完成后,顿时谋略相邻像素的亮度差值的平方和,并生存到TMS320F206的RAM中。由于TMS320F206提供的重复实行指令极大地节省了运算时间,因此一行数据的差值运算根据征求窗口的差别可在一至两行的时间内完成。一帧图像的数据征求都完成后,将每一行像素的亮度差值平方和累加,就得到这一帧图像的调焦评价函数。将调焦评价函数的最大值及此时的步进电机行程记录下来。一帧图像的数据征求和谋略处理惩罚结束后,步进电机以一个较大的步长定向进步,重复数据征求和谋略的进程,直到步进电机走完规定的行程。
    2.2 优化的搜刮算法
　　本体系采取了一种优化的登山搜刮算法。控制战略为:先根据整个行程的调焦评价函数值,得到调焦评价函数与步进电机行程的干系曲线,从曲线上可以果断选择最大的步进电机步长。在果断选择时,既要包管不会错过调焦评价函数的最大值地区,同时又要餍足以最少的步数走完全程。在得到全程最大调焦评价函数地区后,将步进电机步长减小,在最大值地区内进一步搜刮更正确的对焦位置。采取这一战略,既不会产生误判或找不到对内核的环境,又能以较快的速率举行对焦。软件计划为:电机驱动镜头从肇始位置出发,先以等步长走一遍全程,记录下调焦评价函数最大值时的镜头位置,然后镜头回到调焦评价函数最大值位置的前一站,换用小步长,从调焦评价函数最大值位置的前一站走到最大值位置的后一站,记录下这一全程的调焦评价函数最大值时的镜头位置,云云重复搜刮,末了镜头克制在调焦评价函数最大值处,使体系实现精确对焦。采取这一要领,既可以克制电机盲目反转,又能确保体系找到精确的对内核,并且搜刮进程短,有利于快速对焦。
    3 主动对焦实行结果
　　表1是根据实行结果记录的聚焦镜头处在差别的位置时测得的调焦评价函数值。表中给出了在两个差别的变焦倍率下,调焦评价函数值的变革规律。从表中可以看到,在聚焦镜头的移动进程中,调焦评价函数值的变革规律是由小到大再减小,与此同时图像表现经历了从含糊到清楚再到含糊的进程。对付差别的变焦倍率,调焦评价函数的变革规律雷同。在聚焦镜头的整个行程中,可以或许找到一个明显的最大值,这个最大值的位置与图像最清楚的位置是相映射的;在最大值的两端,数值减小得非常快,然后数值趋于稳固。
　　在优化的登山搜刮算法中,选取最大步长要以调焦评价函数的变革趋势为依据。在本体系中选择最大步长为30H,如许总能测到一个最大值或两个次大值中的一个数据,在第二次搜刮时就肯定能找到调焦评价函数的最大值。

                                 表1 聚焦镜头在差别位置时的调焦函数值