【文章內(nèi)容簡介】 83。 45 系統(tǒng)調(diào)試 46 系 統(tǒng)性能分析 49 本章小結(jié) 49 結(jié)論 511 參考文獻(xiàn) 522 致謝 555 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 1 第 1章 緒論 課題背景和意義 自動調(diào)焦，又稱為自動對焦、自動聚焦。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。 早期的自動調(diào)焦系統(tǒng) 使用的 是基于鏡頭與被攝目標(biāo)之間距離測量的測距方法。由于這種方法設(shè)備龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并不能滿足日常需求。因此只在極少數(shù)特定環(huán) 境下（如航空攝影）才能夠使用。 將自動調(diào)焦技術(shù)引入照相機(jī)的嘗試始于 1963 年。當(dāng)時就有人試制過自動調(diào)焦的樣機(jī)，但是限于技術(shù)水平，該樣機(jī)電路復(fù)雜、機(jī)構(gòu)體積龐大，始終不能如愿。自動調(diào)焦技術(shù)真正應(yīng)用在照相機(jī)上，是在上世紀(jì)七十年代以后。特別是微電子技術(shù)工藝突破性的技術(shù)發(fā)展，為自動調(diào)焦技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的條件。自從 1977 年世界上第一臺自動調(diào)焦相機(jī) （ 柯尼卡 C35AF） 問世以來，自動調(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]。 現(xiàn)代的光學(xué)儀器設(shè)備向著功能的復(fù)雜化、智能化、操作的簡便化 發(fā)展，使得操作者經(jīng)過簡單的了解就能夠熟練地操作設(shè)備。自動調(diào)焦系統(tǒng)既可以減輕操作者的勞動強(qiáng)度，減少或避免操作者因反復(fù)調(diào)焦造成視覺疲勞引起的主觀誤差，又省去了復(fù)雜的調(diào)焦動作，大大方便了操作者。同樣，由于調(diào)焦是獲得清晰圖像的必不可少的條件，基于機(jī)器視覺的各種自動化設(shè)備也具有自動調(diào)焦功能，如各種產(chǎn)品的外觀自動檢測系統(tǒng)。 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、低成本地數(shù)字化，這些圖像能方便的被送入計算機(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?；跀?shù)字圖像處理的自動調(diào)焦系統(tǒng)便迅速發(fā)展并成熟起來 。 相對于傳統(tǒng)的自動測距調(diào)焦系統(tǒng)，哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 2 基于數(shù)字圖像處理的自動調(diào)焦系統(tǒng)由于成本低、體積小、速度快的優(yōu)勢，已成為主要的自動調(diào)焦方式。廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中?；跀?shù)字圖像處理的自動調(diào)焦系統(tǒng)的核心是自動調(diào)焦電路和自動調(diào) 焦算法 [2]。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 概述 自動調(diào)焦領(lǐng)域目前的研究方向是通過數(shù)字圖像，經(jīng)軟件判別來實現(xiàn)自動調(diào)焦這一目標(biāo)。相對于其他方式自動調(diào)焦方式，基于數(shù)字圖像處理判定圖像清晰度的自動調(diào)焦方式是當(dāng)前研究的熱點 [3] [4]。 在基于數(shù)字圖像處理自動調(diào)焦系統(tǒng)中，一種方法是離焦深度法，該方法通過獲取兩幅或以上不同離焦位置的圖像，事先對成像系統(tǒng)建立合適的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合成像系統(tǒng)的各種參數(shù)，推算出目標(biāo)物體的離焦深度，從而判斷出焦點位置實現(xiàn)調(diào)焦。這種方式目前還不成熟，主要原因是在實際應(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 ） ，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，即使是同種型號相關(guān)參數(shù)也有一定出入。因此，這種方式目前還處于理論研究和實驗室應(yīng)用 中 [5]。 另一種方法是通過計算機(jī) (或者專用的電路系統(tǒng) )對采集到一系列的數(shù)字圖像，對每一幀圖像進(jìn)行處理，判斷調(diào)焦是否準(zhǔn)確，即成像是否清晰，并給出反饋信號控制鏡頭的運動，直到采集的圖像達(dá)到最清晰，最終完成調(diào)焦，這種方法通常稱為對焦深度法，這種方式己經(jīng)基本成熟，實用的自動調(diào)焦系統(tǒng)都采用了這種方 式 [3]。 本設(shè)計亦采用這種方式。 與 測距 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 的自動調(diào)焦方式 （ 即對焦深度法 ） 充分利用了數(shù)字信號處理的硬件高速度和軟件靈活性 [6]，具有以下優(yōu)點： （ 1）適應(yīng)面廣。由于圖像是一切成像 系統(tǒng)的根本結(jié)果，因此該方法的適應(yīng)面最廣，任何成像系統(tǒng)均可以采用基于圖像清晰度評價的自動調(diào)焦方式。 （ 2）穩(wěn)定性好。該方法的輸入是成像系統(tǒng)生成的圖像，不依賴于其他因素，因此干擾因素少，且可以控制。 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。由于現(xiàn)代微電子技術(shù)的巨大進(jìn)步，這種方式在成本上可以不斷降低，芯片體積上不斷縮小以及性能上 （ 計算速度 ） 不斷提高。 （ 4）可以提供多種算法選擇及配置。不同的算法及參數(shù)具有不同的運算量和靈敏度，這些都可以根據(jù)實際需要來通過軟件配置，具有很好的靈活性。 基于數(shù)字圖像處理判定圖像清晰度的自動調(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價算法有限，且存在各種缺點。 （ 2）實時性有待提高。由于帶有自動調(diào)焦功能的成像系統(tǒng)通常具有很高的實時性，對于許多應(yīng)用，現(xiàn)有自動調(diào)焦技術(shù)的實時性還無法滿足。而且，隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，成像器件 （ 圖像傳感器 ） 的性能飛速發(fā)展，從三十萬像素到千萬像素的商品化應(yīng)用僅用了不到 5 年時間， 40 億像素的圖像傳感器也已經(jīng)研制成功。對大容量圖像的處理要花費較長的時間，往往不能夠滿足需求。 （ 3）圖像清晰度評價算法對焦距變化的敏感程度，這個指標(biāo)直接關(guān)系到調(diào)焦的精度和靈敏 度，且不同的應(yīng)用場合，對靈敏度的要求不同，因此現(xiàn)有自動調(diào)焦系統(tǒng)的遷移性還不夠好。 國外研究現(xiàn)狀 國外對于自動調(diào)焦領(lǐng)域的研究相對國內(nèi)來說起步比較早，更多的關(guān)注面向高精度的直接自動調(diào)焦系統(tǒng)在實際中的應(yīng)用。 德國卡爾斯魯厄大學(xué)研制的微操作系統(tǒng)中的視覺系統(tǒng)包含三個部分：光學(xué)顯微鏡、全局 CCD 攝像機(jī)和局部 CCD 攝像機(jī)。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。局部視覺系統(tǒng)對被測對象的位置定位精度亦為毫米級。它 是采用多次聚焦的辦法解決小焦深的問題 ，即采集連續(xù)的幾幅圖像，把各自精確聚焦的部分合并成一幅圖像，作為識別算法的輸入，最終實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)焦的視覺功能 [7]。 1970 年美國斯坦福大學(xué) J. M. Tenenbaum[8]開展了計算機(jī)視覺系統(tǒng)的自動哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 4 調(diào)焦研究，該系統(tǒng)根據(jù)圖像的邊緣特征提取離焦信號，通過調(diào)制閾值梯度作為自動聚焦評價函數(shù)，實現(xiàn)了比較好的聚焦效果。 1983 年，英國瑞丁大學(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，成為評價圖像品質(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 調(diào)焦中； 1987 年， Ren. C. Luo[9]提出了兩個簡單的快速算法，對漫反射物體在一定程度上實現(xiàn)自動調(diào)焦，這兩個算法后來成功的應(yīng)用到了機(jī)器人視覺系統(tǒng)的自動調(diào)焦系統(tǒng)中； 1988 年， Carnegie Mellon University 的Lawrence Firestone[10]等四人對己有的聚焦評價函數(shù)在處理組織圖像、正弦圖像和隨機(jī)圖像的性能進(jìn)行了對比分析，對并行圖像處理技術(shù)在自動調(diào)焦系統(tǒng)中的應(yīng)用也做了深入研究。 隨著自動調(diào)焦技術(shù)理論研究的日益完善和 CCD 技術(shù)的迅猛發(fā)展，國外也越來越廣泛地將 CCD 和自動調(diào)焦技術(shù) 用于工業(yè)圖像監(jiān)控和調(diào)焦領(lǐng)域。美國90 年代末期開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的零件在線檢測和監(jiān)控系統(tǒng)。日本開發(fā)了一套焊縫在線自動定位檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在機(jī)械手焊接過程中，通過 CCD采集焊縫圖像并通過微機(jī)處理，從而控制機(jī)械手自動定位焊接，定位精度可以達(dá)到 [11]。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 雖然國內(nèi)對自動調(diào)焦系統(tǒng)的研究起步比國外晚，但也取得了豐碩的成果。1985 年，上海光學(xué)儀器研究所采用光學(xué)自準(zhǔn)直法研制出用于集成電路光刻機(jī)的自動調(diào)焦裝置。 1986 年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)光學(xué)儀器教研室研制出激光 CCD零件自動識別檢測系統(tǒng)，并利用 自準(zhǔn)直法研制出衛(wèi)星照相設(shè)備中的自動調(diào)焦系統(tǒng)，精度達(dá)到 10181。m[12]。 1992 年，該所又研制完成圖像檢測式頻帶切割差動比較 CCD 自動調(diào)焦系統(tǒng)，使我國在圖像檢測自動調(diào)焦領(lǐng)域內(nèi)的研究跟國外80 年代的研究水平相當(dāng) [13]。上海激光技術(shù)研究所利用像散法對光盤錄放機(jī)的顯微系統(tǒng)進(jìn)行了自動調(diào)焦研究。清華大學(xué)李慶祥教授等人利用內(nèi)光路偏心光束法對線寬測量儀器的顯微系統(tǒng)進(jìn)行了自動調(diào)焦，實現(xiàn)了士 500181。m 調(diào)焦范圍哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 5 內(nèi)的 的調(diào)焦精度，該水平處于國際先進(jìn)水平 [9]。天津大學(xué)在使用 CCD攝像技術(shù)對生物進(jìn)行自動篩選時，采用圖像處理 方法對自動調(diào)焦技術(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的研究 [14]。杭州電子科技大學(xué)的陳國全老師在數(shù)字圖像自動調(diào)焦系統(tǒng)的研究上取得了一定的成果。此外，浙江大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、北京郵電大學(xué)等根據(jù)具體的系統(tǒng)對顯微鏡自動調(diào)焦方法也進(jìn)行了深入研究。 主要研究內(nèi)容 本設(shè)計從圖像處理角度提出自動調(diào)焦，并利用 FPGA 系統(tǒng)實現(xiàn)自動調(diào)焦。根據(jù)要求， 本設(shè)計 對系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的分析，給出了系統(tǒng)整體設(shè)計方案，對系統(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)計和調(diào)試。 本 設(shè)計 主要包括以下幾個 章節(jié) ： 第 1 章介紹本設(shè)計的背景和 意義以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。 第 2 章對本設(shè)計使用的相關(guān)理論進(jìn)行闡述，包括復(fù)合視頻圖像信號、 I2C總線和自動調(diào)焦算法的相關(guān)理論。 第 3 章描述本設(shè)計的硬件部分，對芯片資料進(jìn)行總結(jié)，設(shè)計硬件電路并繪制 PCB 電路圖。 第 4 章敘述本設(shè)計的軟件部分，闡述整體流程并對各部分子程序進(jìn)行詳細(xì)描述。 第 5 章從基于實驗測試的角度對本設(shè)計的結(jié)果進(jìn)行驗證，并對結(jié)果進(jìn)行分析。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 6 第 2章 自動調(diào)焦系統(tǒng)相關(guān)理論 復(fù)合視頻圖像信號 復(fù)合視頻圖像信號又稱為全電視信號。它是電視系統(tǒng)中的視頻信號，復(fù)合同步信號和復(fù)合消隱信號合在一起形成的。其波形 如圖 所示。接收機(jī)解調(diào)出全電視信號后，便可用限幅的方法分離出同步信號 ； 然后，分別用微分和積分電路獲得行同步信號和場同步信號， 控制產(chǎn)生掃描 電流 [15]。 電視掃描原理 電視圖像的 產(chǎn)生 與重現(xiàn)，即光和電的互相轉(zhuǎn)換是由攝像管和顯像管來完成的。而把光像信 號 變換成電信 號 ，以及把電信 號 再轉(zhuǎn)換成一幅平面 圖 像，則是 圖 復(fù)合視頻圖像信號波形 通過電子束掃描來完成的。按電子束的運動 規(guī)律 ，掃描可分 為直線掃描、圓掃描、螺旋掃描。 在電視中，為了充分利用矩形屏幕，并使掃描設(shè)備簡單、可靠，采用了勻速單向直線掃描方式，且掃描 又分為逐行掃描、隔行掃描 [16]。 復(fù)合視頻圖像信號的組成 復(fù)合視頻圖像信號的典型波形如圖 所示。 哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文 7 行 消 隱場 同 步 脈 沖行 同 步 脈 沖前 肩 寬 1 . 6 181。 s后 肩 寬 5 . 7 181。 s1 2 181。 s4 . 7 181。 s2 . 5 H2 5 H01 0 0 %7 5 %1 2 . 5 % 圖 典型 復(fù)合視頻圖像信號波形 為了使復(fù)合消隱信號、復(fù)合同步信號和圖像信號互不干擾，并且在接收端能夠方便可靠地進(jìn)行分離，圖像信號在掃描正程期間傳輸，復(fù)合消隱和復(fù)合同步脈沖在掃描逆程期間傳輸。 （ 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。同步 就 是指接收端與發(fā)送端的掃描點應(yīng)有一一對應(yīng)的幾何位置。實際上只 要掃描頻率相同、起始位置相同，接收端就可以重現(xiàn)發(fā)送端的 圖像，所以必須在圖像信號中加入同步脈沖。在發(fā)送端， 每掃 描 完一行圖像時，加入一個行同步脈沖，每掃 描 完一場圖像時加入一個場同步脈沖 ， 它們與圖像信號一起被發(fā)送出去。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；而場掃描鋸齒波電流也只有在場同步脈沖到達(dá)時才開始逆程期。這樣就能保證收、發(fā) 兩 端掃描電流的頻率、相位相同，即保證了同步 [17]。 （ 2） 復(fù)合消隱脈沖：無論是圖像的分解還是重現(xiàn)，都需要 進(jìn)行 電子掃描。電子束在回掃時，若不采取措施， 就會 出現(xiàn)回掃線 ，這 會 對正程傳送的圖像起干