基于DSP的自動對焦系統(tǒng)

摘要：介紹了一種基于DSP芯片TMS320F206進行數值計算和實施控制的自動對焦系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)的硬件構成和軟件設計。該系統(tǒng)不僅充分發(fā)揮了DSP芯片的數值計算優(yōu)勢，而且拓展了其在人機對話和電機控制等輸入輸出方面的應用。

現代社會是一個高度信息化的社會，多媒體技術的發(fā)展使圖像信息的獲取及其傳輸手段倍受矚目。自動對焦技術是計算機視覺和各類成像系統(tǒng)的關鍵技術之一，在照相機、攝像機、顯微鏡、內窺鏡等成像系統(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，來調整系統(tǒng)使之處于準確對焦的狀態(tài)。隨著現代計算技術的發(fā)展和數字圖像處理理論的日益成熟，自動對焦技術進入一個新的數字時代，越來越多的自動對焦方法基于圖像處理理論對圖像有關信息進行分析計算，然后根據控制策略驅動電機，調節(jié)系統(tǒng)使之準確對焦。

本文利用數字式CMOS圖像傳感器作為感像器件，運用DSP芯片采集圖像信息并計算系統(tǒng)的對焦評價函數，根據優(yōu)化的爬山搜索算法控制驅動步進電機，調節(jié)系統(tǒng)光學鏡頭組的位置，使系統(tǒng)成像清晰，從而實現自動對焦。這是一種數字式的自動對焦方法，其準確性和實時性使其在視頻展示臺和顯微鏡等設備中的應用具有廣泛的前景。

1 系統(tǒng)的硬件構成

一個典型的自動對焦系統(tǒng)應具備以下幾個單元：成像光學鏡頭組、成像器件、自動對焦單元、鏡頭驅動單元。在本系統(tǒng)中，成像光學鏡頭組包括光學濾波器、變焦透鏡組和對焦透鏡組；成像器件是CMOS數字式圖像傳感器，輸出圖像信息的數字量；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生都在這個單元中進行；鏡頭驅動單元包括步進電機及其驅動電路，該單元接受自動對焦單元的控制，驅動成像光學鏡頭組中的變焦透鏡組和對焦透鏡組進行位置調節(jié)，最終使圖像傳感器輸出準確對焦的圖像。系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示。

1．1 數字式CMOS圖像傳感器

圖像傳感器是把光信號轉換成電信號的裝置。本系統(tǒng)采用1／3英寸數字式CMOS圖像傳感器OV7620，總有效像素單元為664(水平方向)x492(垂直方向)像素；內置10位雙通道A／D轉換器，輸出8位圖像數據；具有自動增益和自動白平衡控制，能進行亮度、對比度、飽和度、γ校正等多種調節(jié)功能；其視頻時序產生電路可產生行同步、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是圖像數據信號，VSYNC是幀同步信號，FODD是奇偶場信號。

1．2 DSP控制系統(tǒng)

DSP芯片也稱數字信號處理器，是一種特別適合于進行數字信號處理的微處理器，其主要應用是實時快速地實現各種數字信號處理算法。本系統(tǒng)采用TI公司的DSP芯片TMS320F206進行數值計算和實施控制，采用40MHz有源晶振，經過分頻后獲得50ns的系統(tǒng)時鐘周期。該芯片支持硬件等待狀態(tài)，當BEADY引腳電平為低時，TMS320F206等待一個CLOCK1周期并再次檢查READY，在READY被驅動至高電子以前，TMS320F206將不再繼續(xù)執(zhí)行。TMS320F206的工作時序圖如圖3所示。

1．3 系統(tǒng)的硬件電路

系統(tǒng)的硬件電路如圖4所示。圖像數據Y0~Y7通過74LS245輸入到DSP的數據端口D0~D7；行同步信號HREF、幀同步信號VSYNC、時鐘信號CLOCK、像素時鐘PCLK分別接至相應引腳配合數據采集；鍵盤輸入用來手動控制變焦倍率；DSP通過數據端口送出步進電機運轉所需的三相六拍脈沖時序，經過74S245緩沖和MC1413功率放大后，驅動步進電機工作。

圖3和圖4

2 系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)軟件包括數據采集及處理、優(yōu)化搜索算法、步進電機驅動和變焦跟蹤等功能模塊。系統(tǒng)軟件流程圖見圖5。

2．1 數據采集和計算

系統(tǒng)上電復位后，先對系統(tǒng)初始化，包括對DSP芯片TMS320F206內的RAM區(qū)進行功能劃分、定義程序中的變量、驅動聚焦鏡頭的電機復位、設置DSP芯片TMS320F206的輸入輸出端口、設置TMS320F206的等待狀態(tài)等。

初始化工作完成后，系統(tǒng)進入數據采集和計算階段，根據數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據。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提供的重復執(zhí)行指令極大地節(jié)約了運算時間，因此一行數據的差值運算根據采集窗口的不同可在一至兩行的時間內完成。一幀圖像的數據采集都完成后，將每一行像素的亮度差值平方和累加，就得到這一楨圖像的調焦評價函數。將調焦評價函數的最大值及此時的步進電機行程記錄下來。一幀圖像的數據采集和計算處理結束后，步進電機以一個較大的步長定向前進，重復數據采集和計算的過程，直到步進電機走完規(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?？刂撇呗詾椋合雀鶕麄€行程的調焦評價函數值，獲得調焦評價函數與步進電機行程的關系曲線，從曲線上可以判斷選擇最大的步進電機步長。在判斷選擇時，既要保證不會錯過調焦評價函數的最大值區(qū)域，同時又要滿足以最少的步數走完全程。在獲得全程最大調焦評價函數區(qū)域后，將步進電機步長減小，在最大值區(qū)域內進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的情況，又能以較快的速度進行對焦。軟件設計為：電機驅動鏡頭從起始位置出發(fā)，先以等步長走一遍全程，記錄下調焦評價函數最大值時的鏡頭位置，然后鏡頭回到調焦評價函數最大值位置的前一站，換用小步長，從調焦評價函數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焦評價函數最大值時的鏡頭位置，如此反復搜索，最后鏡頭停止在調焦評價函數最大值處，使系統(tǒng)實現正確對焦。采用這一方法，既可以避免電機盲目反轉，又能確保系統(tǒng)找到正確的對焦點，而且搜索歷程短，有利于快速對焦。

3 自動對焦實驗結果

在優(yōu)化的爬山搜索算法中，選取最大步長要以調焦評價函數的變化趨勢為依據。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據，在第二次搜索時就一定能找到調焦評價函數的最大值。