长焦镜头自动聚焦技术的研究与实现

《工业控制计算机｝２０１３年第２６卷第９期　１９　长焦镜头自动聚焦技术的研究与实现　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｔｅｌｅｐｈｏｔｏ　Ｌｅｎｓ　Ａｕｔｏ—Ｆｏｃｕｓｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　王翠萍　（山东英才学院计算机电子信息工程学院，山东济南２５００１４）　摘　要　针对长焦镜头自动聚焦问题，利用图像处理技术及嵌入式平台开发了一套自动聚焦系统。首先确定长焦镜头可调的聚　焦范围，并在此范围内以大步进值搜索并到达清晰度最大值处，然后采用小步进值到达清晰点位置。其中清晰度值的实时　计算采用硬件ｌＰ核的形式在ＦＰＧＡ上实现，并采用ＳＯＰＣ技术实现对各模块的控制。　关键词：长焦镜头，自动聚焦，ＦＰＧＡ，ＳＯＰＣ　Ａｂｓｔｔａｃｔ　Ｆｏｒ　ｔｅｌｅｐｈｏｔｏ　ｌｅｎｓ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｆｏｃｕｓｉｎｇ　ｐｒｏｂｌｅｍ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｖｅｌｏｐｓ　ａ　ｓｅｔ　ｏｆ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｆｃｕｓｉｏｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｉｍａｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｐｌａｔｆｏｒｍ．Ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ　ｔｈｅ　ｆｏｃｕｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｌｅｐｈｏｔｏ　ｌｅｎｓ　ａｄｊｕｓｔａｂｌｅ　ｒａｎｇｅ，ａｎｄ　ｗｉｔｈｉｎ　ｔｈｉｓ　ｒａｎｇｅ　ｔｏ　ｓｔｅｐ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｖａｌｕｅ　ｔｏ　ｓｅａｒｃｈ　ｆｏｒ　ａｎｄ　ｒｅａｃｈ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｃｌａｒｉｔｙ，ｔｈｅｎ　ａｄｏｐｔｓ　ｓｔｅｐ　ｉｎｔｏ　ｖａｌｕｅ　ｔｏ　ｃｌｅａｒ　ｐｏｉｎｔ　Ｉｏｃａ－　ｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ　ｖａｌｕｅｓ　ｏｆ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆＯｒｍ　ｏｆ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ＩＰ　ｃｏｒｅ　ｉｎ　ＦＰＧＡ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ．ａｎｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｄｕｌｅ　ｉｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＳＯＰＣ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｅｌｅｐｈｏｔｏ　ｌｅｎｓｅｓ，ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｆｏｃｕｓｉｎｇ，ＦＰＧＡ，ＳＯＰＣ　进几年随着激光夜视的飞速发展，长焦镜头更广泛地应用　于民用监控中。该类镜头需要进行手动调焦，由于焦距长其调节　过程也长，调焦精度受人员主观的影响较大。利用数字图像处理　技术解决长焦镜头的调焦问题，从而进一步提高测量精度，测量　速度及自动化程度，减轻操作人员的劳动强度是十分必要的。　根据傅里叶光学理论，图像清晰或聚焦的程度主要由光强　频信号一分为二：一路送监视器显示，一路做图像处理。　２软件实现　．　自动聚焦软件实现主要有两部分组成，聚焦评价函数的计　算及聚焦最大值搜索策略的实现。本系统采用ＳＯＰＣ技术，通　过软硬件协同设计。在Ａｌｔｅｒａ公司单片Ｃｙｃｌｏｎｅ系列ＦＰＧＡ上　使用ＩＰ资源复用技术集成了Ｎｉｏｓ　ｌｌ软核处理器及各种输入输　出接口，完成了对视频图像的采集、Ｓｏｂｅｔ边缘能量计算及能量　最大值的搜索。本系统是Ｎｌｏｓ　ｌｌ的最小系统，程序存储于配置　芯片ＥＰＣＳ４中，运行于片内ＲＡＭ。其中图像采集模块与Ｓｏｂｅｌ　边缘能量计算模块采用硬件编程实现，搜索策略采用Ｃ语音编　程实现。图２为系统ＳＯＰＣ架构。　分布中高频分布的多少决定，高频分量少则图像模糊，高频分量　丰富则图像清晰。传统的自动聚焦为模拟自动聚焦，即通过将图　像传感器套件输出的模拟视频信号进行滤波，提取出反映图像　清晰度的高频分量并输出到单片机等控制器，单片机通过调节　聚焦步进电机的转动，使图像高频分鼓值最大，图像达到清晰状　态，从而实现自动聚焦。此方法的硬件电路复杂，并且容易受到　外界噪声和干扰的影响造成工作不稳定。　１　系统组成　本自动聚焦控制器采用现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）ＥＰ３Ｃ１０　作为主控器。摄像机ＣＣＤ输出的模拟视频信号首先经过复合视　频解码芯片ＴＶＰ５１５０转化为数字视频信号传递给ＦＰＧＡ，由　ＦＰＧＡ对数字视频信号进行Ｓｏｂｅｌ边缘检测，检测值就作为当　前图像帧的清晰度评价值。ＦＰＧＡ通过比较连续多帧的清晰度　评价值，采用改进的爬坡算法，直接对电机驱动电路Ｌ２９３ＤＤ输　出控制信号。电机驱动电路根据ＦＰＧＡ输出的控制信号控制聚　焦电机的旋转，带动长焦镜头上的镜片移动，使当前图像帧的清　晰度评价值达到最大，实现自动聚焦。为了实时检测聚焦结果，　本控制器采用视频分配器ＯＰＡ２３５４将输入的ＰＡＬ制的模拟视　圈２自动聚焦ＳＯＰＣ架构　２．１聚焦评价函数　常用的聚焦评价函数有几种方法：高频分量法、灰度差分　法、拉普拉斯、Ｒｏｂｅ￣、Ｓｏｂｅｌ能量函数等。图３是对一段视频聚　焦过程中计算每帧清晰度值的Ｍａｔｌａｂ仿真曲线图。　从图３可以看出采用Ｓｏｂｅｌ边缘检测值作为清晰度评价　值，其函数曲线单调性好，又具有较大的调焦范围，灵敏度高，并　且不受光照条件的影响，因此适用于多种环境。　图４所示是３ｘ３空间滤波模板与３ｘ３图像区域卷积运算　的原理图。从中可以看出，为了实现卷积运算需要做乘法和加法　运算，之前的文献中大都采用分立的Ｄ触发器和加法器以及乘　法器来完成卷积运算，它的结构复杂。在此采用可编程乘加器　ａｌｔｍｕｌｔａｄｄ模块和可编程多路并行加法器ｐａｒ—ａｌｌｅｌ＿ａｄｄ模块　＿图１硬件原理框图　实现卷积运算，简化了设计。　｝基于ＦＰＧＡ的自动聚焦系统的研究与实现（山东英才学院１２ＹＣＹＢＺＲ０２）