【正文】 ? ?? ? ?????? x y yxfyxfyxfyxfF ),1(),()1,(),( () 式 中， f(x,y)表示第 x 行、第 y 列像索的 灰 度值，像素的相對(duì)位置如表 所示。 基于 灰度熵值 法的自動(dòng)調(diào)焦算法 灰度熵值 提取算法 判斷圖像是否聚焦與圖像的高頻成分有關(guān)。而當(dāng)離焦時(shí)，光束只能先后到達(dá)兩個(gè)受光元件，于是它們的輸出信號(hào)之間有相位差。在感光底片的位置放置一個(gè)由平行線條組成的網(wǎng)格板，線條相繼為透光和不透光。利用這個(gè)原理，將兩個(gè)光電檢測(cè)器放在底片位置的前后相等距離處，被攝影物的像經(jīng)過分光同時(shí)成在這兩個(gè)檢測(cè)器上，分別輸出其成像的 灰度熵值 。該方法是通過檢測(cè)圖像的輪廓邊緣實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦的。照相機(jī)上分別裝有超聲波的發(fā)射和接收裝置，工作時(shí)由超聲振動(dòng)發(fā)生器發(fā)出持續(xù)時(shí)間約 1/1000 秒的超聲波，覆蓋整個(gè)畫面的 10%。 （ 2）紅外線測(cè)距法。其測(cè)距原理如圖 所示。每傳送完一個(gè)字節(jié)，都可以通過對(duì)時(shí)鐘線的控制，使傳送暫停 [21]。 S C LS D A98應(yīng) 答非 應(yīng) 答 圖 應(yīng)答信號(hào)時(shí)序 I2C總線的單主方式下完整數(shù)據(jù)傳送過程如圖 [22]，一次完整的數(shù)據(jù)傳送包括起始條件（ S）、發(fā)送尋址字節(jié)、應(yīng)答、發(fā)送數(shù)據(jù) 、應(yīng)答 并不斷繼續(xù)發(fā)送直到停止條 件（ P）。 I2C線上第 9個(gè)時(shí)鐘脈沖對(duì)應(yīng)于應(yīng)答位，發(fā)送器在這一時(shí)鐘位上釋放數(shù)據(jù)線，使其處于高電平狀態(tài)，接收器須將 SDA線拉為穩(wěn)定的低電平，可確認(rèn)器件。在時(shí)鐘信號(hào) SCL的低電平期間，數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)才允許 改變。所有的操作都必須在停止條件以前結(jié)束。 SCL串行時(shí)鐘線用于傳送或接 收 數(shù)據(jù) 的同步 [21]。 （ 4） Philips公司在推出 I2C總線的同時(shí)，也為 I2C總線制訂了嚴(yán)格的規(guī)范。 （ 3） 在單主系統(tǒng)中，每個(gè) I2C總線接口芯片具有唯一的器件地址，各器件之間互不干擾，相互之間不能進(jìn)行通信?？偩€上擴(kuò)展的 I2C器件的數(shù)量受限于總線電容。在標(biāo)準(zhǔn)模式下， I2C總線數(shù)據(jù)傳輸 速率 可達(dá)到 100kbits/s， 在快速方式下 ， 可以達(dá)到 400kbits/s[21]。 I2C總線上可以同時(shí)掛多個(gè)器件，每個(gè)器件必 須以 “ 線與 ” 的方式連接到總線，當(dāng)哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 10 無器件將總線拉低時(shí)，外接上拉電阻可保證總線為高電平。 在 PAL和 SECAM之間的差別之一是如何再現(xiàn)彩色信息，它們均利用色度信息的 Cr和 Cb分量 ， 但在 PAL和SECAM中用亮度信號(hào)來集成彩色分量的方法是不同的，相比于 NTSC制而言，PAL和 SECAM有更好的彩色 再現(xiàn)能力 [19][20]。s， 525行中只有 485行是有效的，每場(chǎng)有 20行用于回掃消隱。 復(fù)合視頻圖像信號(hào)主要制式 目前 世界各國(guó)使用各種不同 制式 的復(fù)合視頻信號(hào)格式，有 NTSC（ National Television Systems Committee）制式、 PAL（ Phase Alternation Line）制式 、 SECAM（ System Electronique Co1or Avec Memoire）制式，以及非標(biāo)準(zhǔn)制式。為了使重現(xiàn)圖像逼真，必須以保持重現(xiàn)圖像的對(duì)比度與原景物的對(duì)比度接近相等為前提。圖像信號(hào)只在正程期間傳送。圖像信號(hào)波形反映著景物內(nèi)容。圖像信號(hào)具有平均直流成分，其數(shù)值確定了圖像信號(hào)的背景亮度。但在接收端為了確保消除回掃光柵，實(shí)際上 消隱脈沖寬度稍有加寬。消除回掃線的方法是在行、場(chǎng)掃描的逆程期間，在攝像管與顯像管中分別加入能使掃描電子束截止的消隱脈沖。在接收端，行掃描鋸齒波電流只有當(dāng)行同步脈沖到達(dá)后才開始逆程期；而場(chǎng)掃描鋸齒波電流也只有在場(chǎng)同步脈沖到達(dá)時(shí)才開始逆程期。 （ 1） 復(fù)合同步脈沖：在電視系統(tǒng)中，為了能夠正確地重現(xiàn)圖像，要求接收端與發(fā)送端同步掃描。 s后 肩 寬 5 . 7 181。按電子束的運(yùn)動(dòng) 規(guī)律 ，掃描可分 為直線掃描、圓掃描、螺旋掃描。其波形 如圖 所示。 第 4 章敘述本設(shè)計(jì)的軟件部分，闡述整體流程并對(duì)各部分子程序進(jìn)行詳細(xì)描述。根據(jù)要求， 本設(shè)計(jì) 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的分析，給出了系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模塊劃分，并明確各模塊所要完成的功能，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件和硬件的設(shè)計(jì)和調(diào)試。天津大學(xué)在使用 CCD攝像技術(shù)對(duì)生物進(jìn)行自動(dòng)篩選時(shí)，采用圖像處理 方法對(duì)自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的研究 [14]。 1992 年，該所又研制完成圖像檢測(cè)式頻帶切割差動(dòng)比較 CCD 自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，使我國(guó)在圖像檢測(cè)自動(dòng)調(diào)焦領(lǐng)域內(nèi)的研究跟國(guó)外80 年代的研究水平相當(dāng) [13]。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 雖然國(guó)內(nèi)對(duì)自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的研究起步比國(guó)外晚，但也取得了豐碩的成果。 1983 年，英國(guó)瑞丁大學(xué)物理系 Grembeby. J. B[9]提出了調(diào)制傳遞函數(shù)作為離焦判據(jù)，這一判據(jù)目前已經(jīng)被光學(xué)界普遍接受，成為評(píng)價(jià)圖像品質(zhì)的一種標(biāo)準(zhǔn)，并應(yīng)用于醫(yī)療內(nèi)診照相系統(tǒng)的自動(dòng) 調(diào)焦中； 1987 年， Ren. C. Luo[9]提出了兩個(gè)簡(jiǎn)單的快速算法，對(duì)漫反射物體在一定程度上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦，這兩個(gè)算法后來成功的應(yīng)用到了機(jī)器人視覺系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)中； 1988 年， Carnegie Mellon University 的Lawrence Firestone[10]等四人對(duì)己有的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)在處理組織圖像、正弦圖像和隨機(jī)圖像的性能進(jìn)行了對(duì)比分析，對(duì)并行圖像處理技術(shù)在自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)中的應(yīng)用也做了深入研究。全局視覺系統(tǒng)用來觀察顯微機(jī)器人的工作空間并判斷機(jī)器人的位置和方向，能夠?qū)C(jī)器人定位在視野中，精度達(dá)到 0. 5 毫米。對(duì)大容量圖像的處理要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，往往不能夠滿足需求。 基于數(shù)字圖像處理判定圖像清晰度的自動(dòng)調(diào)焦法雖然 前景光明，但目前還存在以下問題： （ 1）目前的圖像清晰度評(píng)價(jià)算法有限，且存在各種缺點(diǎn)。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 3 （ 3）有巨大的改進(jìn)潛力。 與 測(cè)距 調(diào)焦 法 和 離焦深度 調(diào)焦 法 相比，基于數(shù)字圖像處理判定圖像清晰度 的自動(dòng)調(diào)焦方式 （ 即對(duì)焦深度法 ） 充分利用了數(shù)字信號(hào)處理的硬件高速度和軟件靈活性 [6]，具有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1）適應(yīng)面廣。這種方式目前還不成熟，主要原因是在實(shí)際應(yīng)用中成像系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型在理論上還不能精確的確定 （ 只能近似的估計(jì) ） ，導(dǎo)致誤差極大 ； 且要求目標(biāo)圖像滿足某種要求，限制了應(yīng)用的范圍 ： 不同的鏡頭相關(guān)數(shù)學(xué)模型不同，即使是同種型號(hào)相關(guān)參數(shù)也有一定出入?；跀?shù)字圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的核心是自動(dòng)調(diào)焦電路和自動(dòng)調(diào) 焦算法 [2]。 近年來，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，許多數(shù)字化成像系統(tǒng)越來越普及，模擬圖像也可以被方便、高速、低成本地?cái)?shù)字化，這些圖像能方便的被送入計(jì)算機(jī) (或者專用的電路系統(tǒng) )中做各種變換、分析、處理，圖像的高速處理己經(jīng)成為可能。自從 1977 年世界上第一臺(tái)自動(dòng)調(diào)焦相機(jī) （ 柯尼卡 C35AF） 問世以來，自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，己經(jīng)在各類相機(jī)上得以應(yīng)用，并且日益更新和完善 [1]。 將自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)引入照相機(jī)的嘗試始于 1963 年。其技術(shù)在照相器材 (數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和數(shù)碼照相機(jī) )、醫(yī)學(xué)儀器 (顯微鏡、內(nèi)窺鏡 )、軍用觀測(cè)設(shè)備 (彈跡跟蹤設(shè)備，高空偵察機(jī) )以及各種基于機(jī)器視覺的智能系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。 49 結(jié)論 49 本章小結(jié) 45 系統(tǒng)仿真結(jié)果 36 視頻轉(zhuǎn)換芯片的初始化 35 軟件設(shè)計(jì)總體流程 32 VHDL 的設(shè)計(jì)流程 32 VHDL 硬件描述語言特點(diǎn) 32 編程環(huán)境 28 LED 指示燈電路 28 串口電路 28 外置 RAM 電路 27 電源電路 22 SAA7111AHZ 芯片簡(jiǎn)介 15 閾值判斷算法 15 灰度熵值提取算法 10 I2C 總線的工作狀態(tài)及時(shí)序 6 復(fù)合視頻圖像信號(hào)主要制式 6 復(fù)合視頻圖像信號(hào) 1 課題背景和意義 at the same time, the automatic focusing is realized by the motor controled by FPGA. In the hardware part of the system,FPGA is used as the key ponent,with accessory circuit such as video input processor, digital video encoder and so the software part, the video input processor and digital video encoder is initialized throgh the I2C bus in order to realize the interconversion of PAL standard analog TV signals and YUV digital TV signals ,which are the output of monitor. According to the theory of posite video signal,the system selects the center part of the input video and calculates its gray region entropy , then control the motor rotation to realize automatic focusing using the thresholding method. In this design, the relevant software and hardware are pleted, and can bring automatic focusing into effect well after testing . Key words: FPGA。根據(jù)復(fù)合視頻圖像信號(hào)的相關(guān)原理，對(duì)輸入視頻的中心區(qū)域進(jìn)行灰度熵值的運(yùn)算，并控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向以 閾值 法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦。 本設(shè)計(jì)使用 FPGA 作為數(shù)字信號(hào)處理與系統(tǒng)控制的核心器件。數(shù)字信號(hào)處理理論的成熟與 發(fā)展使得基于數(shù)字信號(hào)處理方式的自動(dòng)調(diào)焦成為可能。系統(tǒng)軟件部分使用 I2C 總線實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入視頻處理器和數(shù)字視頻編碼器的初始化，實(shí)現(xiàn) PAL 制式模擬電視信號(hào) YUV數(shù)字電視信號(hào) PAL 制 式模擬電視信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并使用電視機(jī)將其輸出。 and then the digtal TV signal is processed by FPGA and finally it is transformed to an analog TV signal output。 Digital Video Encoder 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 目 錄 第 1 章 緒論 8 I2C 總線 11 自動(dòng)調(diào)焦的幾種主要方法 13 測(cè)距方法 13 聚焦檢測(cè)方法 17 總體方案 17 FPGA 最小系統(tǒng) 18 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文