【文章內(nèi)容簡介】 細(xì)描述。第 5 章從基于實(shí)驗(yàn)測試的角度對本設(shè)計(jì)的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并對結(jié)果進(jìn)行分析。 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(yùn)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。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(diǎn)應(yīng)有一一對應(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，每掃描完一場圖像時(shí)加入一個(gè)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(shí)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(shí)，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(fù)合消隱脈沖或復(fù)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(shí)，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色電平；行、場消隱信號的周期應(yīng)分別與行、場掃描周期相同；行、場消隱脈沖的寬度應(yīng)分別等于行、場掃描的逆程時(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(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電平之間的對應(yīng)關(guān)系，可以將圖像信號分為正極性和負(fù)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(fù)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(yīng)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(fù)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(gè)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。灰度，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(dá)到 6 級灰度，就可收看到明、暗層次較滿意的圖像 [18]。 復(fù)合視頻圖像信號主要制式目前世界各國使用各種不同制式的復(fù)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(biāo)準(zhǔn)制式。（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(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(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(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(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，多主系統(tǒng)會出現(xiàn)多主競爭的復(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)無器件將總線拉低時(shí)，外接上拉電阻可保證總線為高電平。總線上的每個(gè)器件地址采用硬件編址方法，通過軟件對其尋址。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，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，然后對該器件模塊進(jìn)行獨(dú)立的電路設(shè)計(jì)，從而簡化了系統(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獨(dú)一無二的器件地址來實(shí)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(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)動器SAALO64的器件地址為0111。（4）Philips公司在推出I 2C總線的同時(shí)，也為I 2C總線制訂了嚴(yán)格的規(guī)范。如：接口的電氣特性、信號時(shí)序、信號傳輸?shù)亩x等，這就決定了I 2C總線軟件編寫的一致性。I2C總線的兩條串行線是數(shù)據(jù)串行線SDA和時(shí)鐘串行線 SCL。SDA 是一個(gè)雙向傳輸線，用于向器件傳輸?shù)刂泛蛿?shù)據(jù)或從器件讀出數(shù)據(jù)。SCL串行時(shí)鐘線用于傳送或接收數(shù)據(jù)的同步 [21]。 I2C 總線的工作狀態(tài)及時(shí)序（1）開始（START）和停止（STOP ）條件當(dāng)時(shí)鐘線SCL 為高，SDA線由高到低變化時(shí)為開始條件。所有的命令都必須在開始條件以后進(jìn)行。當(dāng)SCL線為高，SDA 線由低到高變化時(shí)為停止條件。所有的操作都必須在停止條件以前結(jié)束?？偩€開始和停止數(shù)據(jù)傳送的時(shí)序如圖。S D AS C LS T A R T S T O P　開始和停止條件時(shí)序（2）數(shù)據(jù)有效條件在I 2C總線啟動后或應(yīng)答信號后的第1～8個(gè)時(shí)鐘脈沖對應(yīng)于一個(gè)字節(jié)的8位數(shù)據(jù)傳送。在開始條件之后，時(shí)鐘線SCL的高電平期間，當(dāng)數(shù)據(jù)線穩(wěn)定時(shí)，數(shù)據(jù)線SDA的狀態(tài)表示數(shù)據(jù)有效，即數(shù)據(jù)可以被傳送或接收，開始進(jìn)行讀寫操作。在時(shí)鐘信號SCL 的低電平期間，數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)才允許改變。每位數(shù)據(jù)需要一個(gè)時(shí)鐘脈沖。I 。S D AS C L數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定數(shù)據(jù)有效允許數(shù)據(jù)變化　數(shù)據(jù)位傳送時(shí)序（3）應(yīng)答信號在每一字節(jié)接收以后，每一接收器件必須產(chǎn)生一位應(yīng)答位（ACK）。I 2C線上第9個(gè)時(shí)鐘脈沖對應(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。若不在接收器輸出的最后一個(gè)字節(jié)中產(chǎn)生應(yīng)答位，發(fā)送器必須發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)束信號給接收器件。這種情況下，接收器必須使SDA線保持為高電平，使發(fā)送器能產(chǎn)生停止條件。I 。S C LS D A98應(yīng)答非應(yīng)答　應(yīng)答信號時(shí)序 [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）。　I 2C的一次完整的數(shù)據(jù)傳輸在I 2C總線中，所有數(shù)據(jù)都是按字節(jié)發(fā)送的，一旦I 2C總線啟動后，傳送的字節(jié)多少沒有限制，只要求每傳送一個(gè)字節(jié)后，對方回應(yīng)一個(gè)應(yīng)答位。發(fā)送時(shí)，最先發(fā)送的是數(shù)據(jù)的最高位。每次傳送開始有起始信號，結(jié)束時(shí)有停止信號。每傳送完一個(gè)字節(jié)，都可以通過對時(shí)鐘線的控制，使傳送暫停 [21]。 自動調(diào)焦的幾種主要方法從基本原理來說自動調(diào)焦可分為兩類：基于鏡頭與被攝目標(biāo)之間距離測量 的測距方法和基于調(diào)焦屏上成像清晰的聚焦檢測方法 [23]。 測距方法測距方法的自動調(diào)焦主要有三角測量法、紅外線測距法和超聲波測距法。(1)三角測量法。其測距原理如圖 所示。左邊的反射鏡是局部鍍膜反射鏡， αDAbα / 2圖 三角測量法原理只用中間一小塊反射右邊來的光線，其余大部分視場透射前方直接進(jìn)入的光線，這樣在調(diào)焦平面上的影像如圖 左下角所示。右邊的反射鏡在電路控制下轉(zhuǎn)動，反射鏡的起始位置和左邊的反射鏡平行，調(diào)焦平面上有光電元件進(jìn)行探測，當(dāng)透射影像和反射影像重合的時(shí)候，可動反射鏡的擺動角 α/2 和物點(diǎn) A 的距離D 之間有如下關(guān)系： D=b/tan (α/22) ()式中，b 為基線長。系統(tǒng)可以計(jì)算出被攝目標(biāo)和鏡頭之間的距離并驅(qū)動鏡頭運(yùn)行到合適的位置，完成調(diào)焦。（2）紅外線測距法。該方法的原理類似于三角測量法，所不同的是由照相機(jī)主動發(fā)射紅外線作為測距光源，并用紅外發(fā)光二極管的轉(zhuǎn)動代替可動反光鏡的轉(zhuǎn)動。（3）超聲波測距法。該方法是根據(jù)超聲波在攝像機(jī)和被攝物之間傳播的時(shí)間進(jìn)行測距的。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%。超聲波到達(dá)被攝體后，立即返回被接收器感知，然后由集成電路根據(jù)超聲波的往返時(shí)間來計(jì)算確定調(diào)焦距離。紅外線式和超聲波式自動調(diào)焦是利用主動發(fā)射光波或聲波進(jìn)行測距的，稱之為主動式自動調(diào)焦 [24]。 聚焦檢測方法（1）灰度熵值法。該方法是通過檢測圖像的輪廓邊緣實(shí)現(xiàn)自動調(diào)焦的。圖像的輪廓邊緣越清晰，則它的亮度梯度就越大，或者說邊緣處景物和背景之間的灰度熵值就越大。反之，離焦的像，輪廓邊緣模糊不清，亮度梯度或灰度熵值下降。離焦越遠(yuǎn)，灰度熵值越低。利用這個(gè)原理，