【文章內(nèi)容簡介】 度上實現(xiàn)自動調(diào)焦，這兩個算法后來成功的應用到了機器人視覺系統(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、正弦圖像和隨機圖像的性能進行了對比分析，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)能夠在機械手焊接過程中，通過CCD 采集焊縫圖像并通過微機處理，從而控制機械手自動定位焊接，定位精度可以達到 [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，上海光學儀器研究所采用光學自準直法研制出用于集成電路光刻機的自動調(diào)焦裝置。1986 年，哈爾濱工業(yè)大學光學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 [13]。上海激光技術(shù)研究所利用像散法對光哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文5 盤錄放機的顯微系統(tǒng)進行了自動調(diào)焦研究。清華大學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)進行了自動調(diào)焦，實現(xiàn)了士500181。m 調(diào)焦范圍內(nèi)的 的調(diào)焦精度，該水平處于國際先進水平 [9]。天津大學在使用 CCD 攝像技術(shù)對生物進行自動篩選時，采用圖像處理方法對自動調(diào)焦技術(shù)進行了相應的研究 [14]。杭州電子科技大學的陳國全老師在數(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、南京航空航天大學、北京郵電大學等根據(jù)具體的系統(tǒng)對顯微鏡自動調(diào)焦方法也進行了深入研究。 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)進行詳細的分析，給出了系統(tǒng)整體設(shè)計方案，對系統(tǒng)進行模塊劃分，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)理論進行闡述，包括復合視頻圖像信號、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行詳細描述。第 5 章從基于實驗測試的角度對本設(shè)計的結(jié)果進行驗證，并對結(jié)果進行分析。 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文6 第 2 章 自動調(diào)焦系統(tǒng)相關(guān)理論 復合視頻圖像信號復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，復合同步信號和復合消隱信號合在一起形成的。其波形如圖 所示。接收機解調(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]。 復合視頻圖像信號的組成復合視頻圖像信號的典型波形如圖 所示。哈爾濱工程大學本科生畢業(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 典型復合視頻圖像信號波形為了使復合消隱信號、復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行分離，圖像信號在掃描正程期間傳輸，復合消隱和復合同步脈沖在掃描逆程期間傳輸。（1）復合同步脈沖：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)送端的掃描點應有一一對應的幾何位置。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行同步脈沖到達后才開始逆程期；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）復合消隱脈沖：無論是圖像的分解還是重現(xiàn)，都需要進行電子掃描。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擾作用。消除回掃線的方法是在行、場掃描的逆程期間，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。消除行、場逆程回掃線的消隱脈沖分別稱為行消隱脈沖和場消隱脈沖，二者合稱復合消隱脈沖或復合消隱信號。在電視系統(tǒng)中，發(fā)送端在發(fā)送圖像信號的同時，在逆程期間將消隱信號也發(fā)送出去。為了保證消隱期間能截止電子束，使屏幕變黑，消隱電平幅度必須為黑哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文8 色電平；行、場消隱信號的周期應分別與行、場掃描周期相同；行、場消隱脈沖的寬度應分別等于行、場掃描的逆程時間。但在接收端為了確保消除回掃光柵，實際上消隱脈沖寬度稍有加寬。因為同步與消隱都出現(xiàn)在行場掃描的逆程，為了能夠區(qū)分同步脈沖和消隱脈沖，可使同步脈沖電平高于黑色電平。一般規(guī)定同步信號處于電視信號的最高電平。（3）圖像信號：圖像信號就是攜帶景物亮、暗信息的電信號。圖像信號具有平均直流成分，其數(shù)值確定了圖像信號的背景亮度。它的平均值總是在零值以上或零值以下的一定范圍內(nèi)變化，不會同時跨越零值上、下兩個區(qū)域。于是按照景物亮度與圖像信號電平之間的對應關(guān)系，可以將圖像信號分為正極性和負極性兩種。正極性圖像信號中的信號電平與景物的亮暗成正比，景物越亮，信號電平越高；負極性圖像信號中信號電平與景物的亮暗成反比，景物越亮，信號電平越低。圖像信號波形反映著景物內(nèi)容。圖像畫面中最明亮部分的信號電平叫做白電平，對應畫面中最黑暗部分的信號電平叫做黑電平。正極性圖像信號中，黑電平低，白電平高；負極性圖像信號中，黑電平高，白電平低。從黑電平到白電平的范圍是圖像信號的峰－峰電平值，一般規(guī)定為 。圖像信號只在正程期間傳送。亮度、對比度和灰度是電視圖像轉(zhuǎn)換中三個十分重要的參量。電視圖像的亮度取決于電視圖像信號的平均直流成分，改變電視圖像信號的直流成分，可以改變其亮度。對比度是客觀景物最大亮度與最小亮度之比。為了使重現(xiàn)圖像逼真，必須以保持重現(xiàn)圖像的對比度與原景物的對比度接近相等為前提?；叶?，即亮度級差或稱亮度層次。它反映電視系統(tǒng)所能重現(xiàn)的原圖像明暗層次的程度。一般達到 6 級灰度，就可收看到明、暗層次較滿意的圖像 [18]。 復合視頻圖像信號主要制式目前世界各國使用各種不同制式的復合視頻信號格式，有NTSC（National Television Systems Committee）制式、PAL（Phase Alternation Line）制式、SECAM（System Electronique Co1or Avec Memoire）制式，以及非標準制式。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文9 （1）NTSC制式NTSC復合視頻標準主要用于北美和日本。NTSC 信號是一種 2：1隔行掃描的視頻信號，（每幀525行），每秒60場，因而水平掃描頻率為52530=，這意味著要掃描每條水平線（行）需要1/15750 秒= ，水平回掃（horizontal retrace）需要10181。s，則每行留給有效視頻信號的時間為，水平同步脈沖位于水平消隱脈沖（horizontal blanking pulse）的頂部，其持續(xù)時間為5181。s，525行中只有485行是有效的，每場有 20行用于回掃消隱。（2）PAL制式和SECAM制式PAL制式主要用于西歐、中國等地，SECAM制式主要用于前蘇聯(lián)和東歐地區(qū)，這兩種制式亦是2：l 隔行掃描。但與NTSC相比，它們具有不同的垂直和瞬時清晰度（vertical and temporal resolution），帶寬略高（8MHz），處理彩色信息亦有所不同。PAL和SECAM均為625行每幀和50場每秒，與NTSC 相比，它們以較少的瞬時清晰度換取了較高的垂直清晰度。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]。 I2C 總線 概述I2C總線是Philips公司推出的芯片間串行數(shù)據(jù)傳輸總線，它只需用兩根線（SDA和SCL）進行控制，使用I 2C總線不但省掉了控制系統(tǒng)中的許多I/O接口、集成電路引出腳、印制板的走線和連線，而且使集成電路各功能塊的增減、替換、調(diào)整變得十分靈活，提高了設(shè)計的主動性和靈活性，簡化了系統(tǒng)，便于生產(chǎn)、測試、調(diào)整和維修，從而大大降低了設(shè)計和生產(chǎn)成本。I2C總線可實現(xiàn)完善的全雙工同步數(shù)據(jù)傳送，能夠十分方便地構(gòu)成單主系統(tǒng)或多主系統(tǒng)和外圍器件擴展系統(tǒng)，不過，多主系統(tǒng)會出現(xiàn)多主競爭的復雜狀態(tài)。I 2C器件是把I 2C的協(xié)議植入器件的I/O接口，使用時器件直接掛到I 2C總線哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文10 上。I 2C總線上可以同時掛多個器件，每個器件必須以“線與”的方式連接到總線，當無器件將總線拉低時，外接上拉電阻可保證總線為高電平。總線上的每個器件地址采用硬件編址方法，通過軟件對其尋址。在任一時刻，I 2C總線只能由一個器件控制，器件產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳送的開始條件和結(jié)束條件，發(fā)出尋址命令，并產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳送所需的時鐘信號，稱為主器件，被其尋址的器件稱從器件。在數(shù)據(jù)傳輸中，主器件和從器件總是以相反方式工作（接收或發(fā)送），即主器件接收、從器件發(fā)送和主器件發(fā)送、從器件接收兩種方式。在標準模式下，I2C總線數(shù)據(jù)傳輸速率可達到100kbits/s，在快速方式下，可以達到 400kbits/s[21]。 I2C 總線的主要特點（1）總線驅(qū)動能力強。I 2C總線的外圍擴展器件都是CMOS型的，功耗極低，因此總線上擴展的節(jié)點數(shù)不是由電流負載能力決定，而是由電容負載確定。通常I 2C總線負載能力為400 pF，據(jù)此可計算出總線長度及所帶器件的數(shù)量?？偩€上擴展的I 2C器件的數(shù)量受限于總線電容。（2）任何一個I 2C總線接口的外圍器件，不論其功能差別多大，都是通過串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時鐘線（SCL ）連接到I 2C總線上。這一特點給用戶在設(shè)計應用系統(tǒng)時帶來了極大的方便。用戶不必理解每個I 2C總線接口器件的功能如何，只要將器件的SDA和SCL 引腳連到I 2C總線上，然后對該器件模塊進行獨立的電路設(shè)計，從而簡化了系統(tǒng)設(shè)計的復雜性，提高了系統(tǒng)抗干擾的能力，符合EMC （Electromagic Compatibility）設(shè)計原則。（3）在單主系統(tǒng)中，每個I 2C總線接口芯片具有唯一的器件地址，各器件之間互不干擾，相互之間不能進行通信。主器件與I 2C器件之間的通信是通過獨一無二的器件地址來實現(xiàn)的。I 2C器件無須片選信號，是否選中是由主器件發(fā)出的I 2C器件地址決定，而I 2C器件從地址是由I 2C總線委員會實行統(tǒng)一編制，器件出廠時就已給定。例如：I 2C總線E 2PROM AT24CXX的器件地址為1010，4位LED 驅(qū)動器SAALO64的器件地址為0111。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文11