【正文】 l Video Encoder 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 目 錄 第 1 章 緒論 1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 國外研究現(xiàn)狀 3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 4 主要研究內(nèi)容 5 第 2 章 自動調(diào)焦系統(tǒng)相關(guān)理論 8 I2C 總線 9 I2C 總線的主要特點 11 自動調(diào)焦的幾種主要方法 13 測距方法 13 聚焦檢測方法 14 基于灰度熵值法的自動調(diào)焦算法 17 總體方案 17 FPGA 最小系統(tǒng) 18 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 芯片簡介 18 FPGA 的配置 22 SAA7111AHZ 的應(yīng)用電路 23 視 頻輸出處理器及系統(tǒng) 25 SAA7120 芯片簡介 25 SAA7120 的應(yīng)用電路 29 電路系統(tǒng)的 PCB 設(shè)計 29 本章小結(jié) 30 第 4 章 自動調(diào)焦系統(tǒng)程序設(shè)計 33 編譯環(huán)境 QuartusII 的設(shè)計特點 522 致謝 555 哈爾濱工程大學本科生畢業(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。 早期的自動調(diào)焦系統(tǒng) 使用的 是基于鏡頭與被攝目標之間距離測量的測距方法。因此只在極少數(shù)特定環(huán) 境下（如航空攝影）才能夠使用。當時就有人試制過自動調(diào)焦的樣機，但是限于技術(shù)水平，該樣機電路復雜、機構(gòu)體積龐大，始終不能如愿。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。 現(xiàn)代的光學儀器設(shè)備向著功能的復雜化、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。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)?；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 。廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中。 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。 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)學模型，結(jié)合成像系統(tǒng)的各種參數(shù)，推算出目標物體的離焦深度，從而判斷出焦點位置實現(xiàn)調(diào)焦。因此，這種方式目前還處于理論研究和實驗室應(yīng)用 中 [5]。 本設(shè)計亦采用這種方式。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。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。由于現(xiàn)代微電子技術(shù)的巨大進步，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。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。 （ 2）實時性有待提高。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。 （ 3）圖像清晰度評價算法對焦距變化的敏感程度，這個指標直接關(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。 德國卡爾斯魯厄大學研制的微操作系統(tǒng)中的視覺系統(tǒng)包含三個部分：光學顯微鏡、全局 CCD 攝像機和局部 CCD 攝像機。局部視覺系統(tǒng)對被測對象的位置定位精度亦為毫米級。 1970 年美國斯坦福大學 J. M. Tenenbaum[8]開展了計算機視覺系統(tǒng)的自動哈爾濱工程大學本科生畢業(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。 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。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]。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。m[12]。上海激光技術(shù)研究所利用像散法對光盤錄放機的顯微系統(tǒng)進行了自動調(diào)焦研究。m 調(diào)焦范圍哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 5 內(nèi)的 的調(diào)焦精度，該水平處于國際先進水平 [9]。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。 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。 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 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 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。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。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]。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。 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]。 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。 s1 2 181。 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。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。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。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]。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。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、場消隱脈哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 8 沖的寬度應(yīng)分別等于行、場掃描的逆程時間。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。 （ 3） 圖像信號：圖像信號就是攜帶景物亮、暗信息的電信號。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。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。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 。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。對比度是 客觀景物最大亮度與最小亮度之比?；叶?，即亮度級差或稱亮度層次。一般達到 6 級灰度，就可收看到明、暗層次較滿意的圖像 [18]。 （ 1） NTSC制式 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 9 NTSC復合視頻標準主要用于北美和日本。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。 （ 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 。 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 。 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 I2C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器件是把 I2C的協(xié)議植入器件的 I/O接口，使用時器件直接掛到 I2C總線上?？偩€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。 I2C 總線的主要特點 （ 1） 總線驅(qū)動能力強。通常 I2C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。 （ 2） 任何一個 I2C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 I2C總線上。用戶不必理解每個 I2C總線接口器件的功能如何，只要將器件的 SDA和 SCL引腳連到 I2C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。主器件與 I2C器件之間的通信是通過獨一無二的器件地址來實現(xiàn)的。例如： I2C總線 E