【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 度上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦，這兩個(gè)算法后來(lái)成功的應(yīng)用到了機(jī)器人視覺(jué)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。 隨著自動(dòng)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(guó)外也越來(lái)越廣泛地將 CCD 和自動(dòng)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(guó) 90 年代末期開(kāi)發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的零件在線檢測(cè)和監(jiān)控系統(tǒng)。日本開(kāi)發(fā)了一套焊縫在線自動(dòng)定位檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在機(jī)械手焊接過(guò)程中，通過(guò)CCD 采集焊縫圖像并通過(guò)微機(jī)處理，從而控制機(jī)械手自動(dòng)定位焊接，定位精度可以達(dá)到 [11]。 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。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(dòng)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(dòng)識(shí)別檢測(cè)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(dòng)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(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]。上海激光技術(shù)研究所利用像散法對(duì)光哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文5 盤(pán)錄放機(jī)的顯微系統(tǒng)進(jìn)行了自動(dòng)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(duì)線寬測(cè)量?jī)x器的顯微系統(tǒng)進(jìn)行了自動(dòng)調(diào)焦，實(shí)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(guó)際先進(jìn)水平 [9]。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]。杭州電子科技大學(xué)的陳國(guó)全老師在數(shù)字圖像自動(dòng)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(duì)顯微鏡自動(dòng)調(diào)焦方法也進(jìn)行了深入研究。 主要研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)從圖像處理角度提出自動(dòng)調(diào)焦，并利用 FPGA 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦。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。本設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)章節(jié)：第 1 章介紹本設(shè)計(jì)的背景和意義以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。第 2 章對(duì)本設(shè)計(jì)使用的相關(guān)理論進(jìn)行闡述，包括復(fù)合視頻圖像信號(hào)、I2C 總線和自動(dòng)調(diào)焦算法的相關(guān)理論。第 3 章描述本設(shè)計(jì)的硬件部分，對(duì)芯片資料進(jìn)行總結(jié)，設(shè)計(jì)硬件電路并繪制 PCB 電路圖。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。第 5 章從基于實(shí)驗(yàn)測(cè)試的角度對(duì)本設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)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(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)相關(guān)理論 復(fù)合視頻圖像信號(hào)復(fù)合視頻圖像信號(hào)又稱為全電視信號(hào)。它是電視系統(tǒng)中的視頻信號(hào)，復(fù)合同步信號(hào)和復(fù)合消隱信號(hào)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(hào)后，便可用限幅的方法分離出同步信號(hào)；然后，分別用微分和積分電路獲得行同步信號(hào)和場(chǎng)同步信號(hào)，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(lái)完成的。而把光像信號(hào)變換成電信號(hào)，以及把電信號(hào)再轉(zhuǎn)換成一幅平面圖像，則是圖 復(fù)合視頻圖像信號(hào)波形通過(guò)電子束掃描來(lái)完成的。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。在電視中，為了充分利用矩形屏幕，并使掃描設(shè)備簡(jiǎn)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(hào)的組成復(fù)合視頻圖像信號(hào)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(chǎng)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(hào)波形為了使復(fù)合消隱信號(hào)、復(fù)合同步信號(hào)和圖像信號(hào)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(hào)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(diǎn)應(yīng)有一一對(duì)應(yīng)的幾何位置。實(shí)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(hào)中加入同步脈沖。在發(fā)送端，每掃描完一行圖像時(shí)，加入一個(gè)行同步脈沖，每掃描完一場(chǎng)圖像時(shí)加入一個(gè)場(chǎng)同步脈沖，它們與圖像信號(hào)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(kāi)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(kāi)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(wú)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(shí)，若不采取措施，就會(huì)出現(xiàn)回掃線，這會(huì)對(duì)正程傳送的圖像起干擾作用。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。消除行、場(chǎng)逆程回掃線的消隱脈沖分別稱為行消隱脈沖和場(chǎng)消隱脈沖，二者合稱復(fù)合消隱脈沖或復(fù)合消隱信號(hào)。在電視系統(tǒng)中，發(fā)送端在發(fā)送圖像信號(hào)的同時(shí)，在逆程期間將消隱信號(hào)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(xué)本科生畢業(yè)論文8 色電平；行、場(chǎng)消隱信號(hào)的周期應(yīng)分別與行、場(chǎng)掃描周期相同；行、場(chǎng)消隱脈沖的寬度應(yīng)分別等于行、場(chǎng)掃描的逆程時(shí)間。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。因?yàn)橥脚c消隱都出現(xiàn)在行場(chǎng)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(hào)處于電視信號(hào)的最高電平。（3）圖像信號(hào)：圖像信號(hào)就是攜帶景物亮、暗信息的電信號(hào)。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。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(huì)同時(shí)跨越零值上、下兩個(gè)區(qū)域。于是按照景物亮度與圖像信號(hào)電平之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以將圖像信號(hào)分為正極性和負(fù)極性兩種。正極性圖像信號(hào)中的信號(hào)電平與景物的亮暗成正比，景物越亮，信號(hào)電平越高；負(fù)極性圖像信號(hào)中信號(hào)電平與景物的亮暗成反比，景物越亮，信號(hào)電平越低。圖像信號(hào)波形反映著景物內(nèi)容。圖像畫(huà)面中最明亮部分的信號(hào)電平叫做白電平，對(duì)應(yīng)畫(huà)面中最黑暗部分的信號(hào)電平叫做黑電平。正極性圖像信號(hào)中，黑電平低，白電平高；負(fù)極性圖像信號(hào)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(hào)的峰－峰電平值，一般規(guī)定為 。圖像信號(hào)只在正程期間傳送。亮度、對(duì)比度和灰度是電視圖像轉(zhuǎn)換中三個(gè)十分重要的參量。電視圖像的亮度取決于電視圖像信號(hào)的平均直流成分，改變電視圖像信號(hào)的直流成分，可以改變其亮度。對(duì)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(duì)比度與原景物的對(duì)比度接近相等為前提?；叶龋戳炼燃?jí)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(dá)到 6 級(jí)灰度，就可收看到明、暗層次較滿意的圖像 [18]。 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。哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文9 （1）NTSC制式NTSC復(fù)合視頻標(biāo)準(zhǔn)主要用于北美和日本。NTSC 信號(hào)是一種 2：1隔行掃描的視頻信號(hào)，（每幀525行），每秒60場(chǎng)，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(hào)的時(shí)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(shí)間為5181。s，525行中只有485行是有效的，每場(chǎng)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(guó)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(shí)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(chǎng)每秒，與NTSC 相比，它們以較少的瞬時(shí)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(hào)來(lái)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(jìn)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(jì)的主動(dòng)性和靈活性，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)，便于生產(chǎn)、測(cè)試、調(diào)整和維修，從而大大降低了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本。I2C總線可實(shí)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(kuò)展系統(tǒng)，不過(guò)，多主系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)多主競(jìng)爭(zhēng)的復(fù)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(shí)器件直接掛到I 2C總線哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文10 上。I 2C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)無(wú)器件將總線拉低時(shí)，外接上拉電阻可保證總線為高電平?？偩€上的每個(gè)器件地址采用硬件編址方法，通過(guò)軟件對(duì)其尋址。在任一時(shí)刻，I 2C總線只能由一個(gè)器件控制，器件產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳送的開(kāi)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(shí)鐘信號(hào)，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(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 總線的主要特點(diǎn)（1）總線驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。I 2C總線的外圍擴(kuò)展器件都是CMOS型的，功耗極低，因此總線上擴(kuò)展的節(jié)點(diǎn)數(shù)不是由電流負(fù)載能力決定，而是由電容負(fù)載確定。通常I 2C總線負(fù)載能力為400 pF，據(jù)此可計(jì)算出總線長(zhǎng)度及所帶器件的數(shù)量?？偩€上擴(kuò)展的I 2C器件的數(shù)量受限于總線電容。（2）任何一個(gè)I 2C總線接口的外圍器件，不論其功能差別多大，都是通過(guò)串行數(shù)據(jù)線（SDA）和串行時(shí)鐘線（SCL ）連接到I 2C總線上。這一特點(diǎn)給用戶在設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)帶來(lái)了極大的方便。用戶不必理解每個(gè)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(duì)該器件模塊進(jìn)行獨(dú)立的電路設(shè)計(jì)，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)抗干擾的能力，符合EMC （Electromagic Compatibility）設(shè)計(jì)原則。（3）在單主系統(tǒng)中，每個(gè)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(jìn)行通信。主器件與I 2C器件之間的通信是通過(guò)獨(dú)一無(wú)二的器件地址來(lái)實(shí)現(xiàn)的。I 2C器件無(wú)須片選信號(hào)，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(huì)實(shí)行統(tǒng)一編制，器件出廠時(shí)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(dòng)器SAALO64的器件地址為0111。哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文11