【正文】 供快速的、連續(xù)的信號(hào)延時(shí)。表 Cyclone 系列 FPGA 主要性能指標(biāo) [28]特性 EP1C3 EP1C4 EP1C6 EP1C12 EP1C20邏輯單元（LE） 2,910 4,000 5,980 12,060 20,060M4K RAM 塊（ 4Kbit＋奇偶校驗(yàn)） 13 17 20 52 64RAM 總量 59,904 78,336 92,160 239,616 294,912PLLs 1 2 2 2 2最大用戶 I/O 數(shù) 104 301 185 249 301差分通道 34 129 72 103 129Altera公司生產(chǎn)的可編程邏輯器件具有良好的性能、極高的密度和非常大的靈活性。這些業(yè)界最高效架構(gòu)特性的組合使得 FPGA 系列成為 ASIC 最靈活和最經(jīng)濟(jì)的替代方案 [28]。 Cyclone 器件具有雙數(shù)據(jù)速率（DDR ） SDRAM 和 FCRAM 接口的專(zhuān)用電路。Cyclone 系列FPGA 支持各種 單端 I/O 標(biāo)準(zhǔn) 如 LVTTL、LVCMOS、PCI 和 SSTL2/3，通過(guò)LVDS 和 RSDS 標(biāo)準(zhǔn)提供多達(dá) 129 個(gè)通道的 差分 I/O 支持。 FPGA 最小系統(tǒng) 芯片簡(jiǎn)介本設(shè)計(jì)所使用的 FPGA 芯片是 Atlera 公司 Cyclone 系列 EP1C6Q240C8N 芯片。自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的組成如圖 F P G A輸入視頻轉(zhuǎn)換設(shè)備輸出視頻轉(zhuǎn)換設(shè)備攝像頭電機(jī)模擬電視圖 自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)的組成框圖在本設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA 芯片使用 Atlera 公司 Cyclone 系列 EP1C6Q240C8N 芯片；輸入視頻轉(zhuǎn)換設(shè)備使用 Philips 公司的 SAA7111AHZ 視頻輸入處理器；輸出視頻轉(zhuǎn)換設(shè)備使用 Philips 公司的 SAA7120 數(shù)字視頻編碼器；視頻設(shè)備使用普通電視接收機(jī)；電機(jī)使用鏡頭附屬直流電機(jī)。系統(tǒng)由輸入視頻轉(zhuǎn)換電路、FPGA 系統(tǒng)、輸出視頻轉(zhuǎn)換電路組成。進(jìn)一步明確了本設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求，為整個(gè)系統(tǒng)的完成提供了理論基礎(chǔ)。 本章小結(jié)本章各小節(jié)對(duì)本設(shè)計(jì)用到的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行了介紹。表 圖像中像素的相對(duì)位置f(x1,y1) f(x,y1) f(x+1,y1) f(x+2,y1)f(x1,y) f(x,y) f(x+1,y) f(x+2,y)f(x1,y+1) f(x,y+1) f(x+1,y+1) f(x+2,y+1)f(x1,y+2) f(x,y+2) f(x+1,y+2) f(x+2,y+2) 閾值判斷算法 當(dāng)圖像聚焦良好時(shí)，圖像邊緣清晰，灰度熵值較大；當(dāng)圖像聚焦欠佳時(shí)，圖像邊緣模糊，灰度熵值較小。其算法描述如下： 　　　　　　　()　　　　 {|(,)(,1)|(,)(1,)|| | |}xyFffxyfxyfy?????式 中選取了鄰近的四個(gè)像素(左側(cè)、左上側(cè)、上側(cè)及右上側(cè)像素)作比較，增大了焦距評(píng)價(jià)函數(shù)的絕對(duì)值?；叶炔罘址ㄊ抢脠D像的相鄰像素(左側(cè)及上側(cè)像素)差的絕對(duì)值之和作為焦距評(píng)價(jià)函數(shù)，即: 　　　()???????xy yxfyfyxffF ),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。通常，判斷圖像聚焦與否是通過(guò)焦距評(píng)價(jià)函數(shù)衡量的?！』诨叶褥刂捣ǖ淖詣?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)。以上各種自動(dòng)調(diào)焦方法各有其局限性。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。網(wǎng)絡(luò)板在與光軸垂直方向上往復(fù)振動(dòng)。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。（2）相位法。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(guò)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。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。該方法是通過(guò)檢測(cè)圖像的輪廓邊緣實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦的。紅外線式和超聲波式自動(dòng)調(diào)焦是利用主動(dòng)發(fā)射光波或聲波進(jìn)行測(cè)距的，稱(chēng)之為主動(dòng)式自動(dòng)調(diào)焦 [24]。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(huà)面的 10%。（3）超聲波測(cè)距法。（2）紅外線測(cè)距法。右邊的反射鏡在電路控制下轉(zhuǎn)動(dòng)，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(cè)，當(dāng)透射影像和反射影像重合的時(shí)候，可動(dòng)反射鏡的擺動(dòng)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(zhǎng)。其測(cè)距原理如圖 所示。 測(cè)距方法測(cè)距方法的自動(dòng)調(diào)焦主要有三角測(cè)量法、紅外線測(cè)距法和超聲波測(cè)距法。每傳送完一個(gè)字節(jié)，都可以通過(guò)對(duì)時(shí)鐘線的控制，使傳送暫停 [21]。發(fā)送時(shí)，最先發(fā)送的是數(shù)據(jù)的最高位。S C LS D A98應(yīng)答非應(yīng)答　應(yīng)答信號(hào)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）。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 2C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。I 。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。S D AS C LS T A R T S T O P　開(kāi)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(dòng)后或應(yīng)答信號(hào)后的第1～8個(gè)時(shí)鐘脈沖對(duì)應(yīng)于一個(gè)字節(jié)的8位數(shù)據(jù)傳送。所有的操作都必須在停止條件以前結(jié)束。所有的命令都必須在開(kāi)始條件以后進(jìn)行。SCL串行時(shí)鐘線用于傳送或接收數(shù)據(jù)的同步 [21]。I2C總線的兩條串行線是數(shù)據(jù)串行線SDA和時(shí)鐘串行線 SCL。（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。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。（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。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。總線上擴(kuò)展的I 2C器件的數(shù)量受限于總線電容。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。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]。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(chēng)為主器件，被其尋址的器件稱(chēng)從器件。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。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)。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]。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。s，525行中只有485行是有效的，每場(chǎng)有 20行用于回掃消隱。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。 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。它反映電視系統(tǒng)所能重現(xiàn)的原圖像明暗層次的程度。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。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。圖像信號(hào)只在正程期間傳送。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。圖像信號(hào)波形反映著景物內(nèi)容。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。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。一般規(guī)定同步信號(hào)處于電視信號(hào)的最高電平。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。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。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。（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。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。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。（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。 s4 . 7 181。 s后肩寬 5 . 7 181。 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。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。 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。其波形如圖 所示。 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(chēng)為全電視信號(hào)。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 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。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。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。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]。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。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]。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。 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。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)。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(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。它是采用多次聚焦的辦法解決小焦深的問(wèn)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(shí)別算法的輸入，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)焦的視覺(jué)功能 [7]。全局視覺(jué)系統(tǒng)用來(lái)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。 國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)于自動(dòng)調(diào)焦領(lǐng)域的研究相對(duì)國(guó)內(nèi)來(lái)說(shuō)起步比較早，更多的關(guān)注面向高精度的直接自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)在實(shí)際中的應(yīng)用。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。由于帶有自動(dòng)調(diào)焦功能的成像系統(tǒng)通常具有很高的實(shí)時(shí)性，對(duì)于許多應(yīng)用，現(xiàn)有自動(dòng)調(diào)焦技術(shù)的實(shí)時(shí)性還無(wú)法滿足?；跀?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(wèn)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)。（4）可以提供多種算法選擇及配置。（3）有巨大的改進(jìn)潛力。（2）穩(wěn)定性好。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