摘要：介紹了一種基于DSP芯片TMS320F206進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和實(shí)施控制的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成和軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)不僅充分發(fā)揮了DSP芯片的數(shù)值計(jì)算優(yōu)勢(shì)，而且拓展了其在人機(jī)對(duì)話和電機(jī)控制等輸入輸出方面的應(yīng)用。

現(xiàn)代社會(huì)是一個(gè)高度信息化的社會(huì)，多媒體技術(shù)的發(fā)展使圖像信息的獲取及其傳輸手段倍受矚目。自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)是計(jì)算機(jī)視覺(jué)和各類成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，在照相機(jī)、攝像機(jī)、顯微鏡、內(nèi)窺鏡等成像系統(tǒng)中有著廣泛的用途。傳統(tǒng)的自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)較多采用測(cè)距法，即通過(guò)測(cè)出物距，由鏡頭方程求出系統(tǒng)的像距或焦距，來(lái)調(diào)整系統(tǒng)使之處于準(zhǔn)確對(duì)焦的狀態(tài)。隨著現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和數(shù)字圖像處理理論的日益成熟，自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)進(jìn)入一個(gè)新的數(shù)字時(shí)代，越來(lái)越多的自動(dòng)對(duì)焦方法基于圖像處理理論對(duì)圖像有關(guān)信息進(jìn)行分析計(jì)算，然后根據(jù)控制策略驅(qū)動(dòng)電機(jī)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)使之準(zhǔn)確對(duì)焦。

本文利用數(shù)字式CMOS圖像傳感器作為感像器件，運(yùn)用DSP芯片采集圖像信息并計(jì)算系統(tǒng)的對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)，根據(jù)優(yōu)化的爬山搜索算法控制驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)光學(xué)鏡頭組的位置，使系統(tǒng)成像清晰，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦。這是一種數(shù)字式的自動(dòng)對(duì)焦方法，其準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性使其在視頻展示臺(tái)和顯微鏡等設(shè)備中的應(yīng)用具有廣泛的前景。

1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

一個(gè)典型的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)應(yīng)具備以下幾個(gè)單元：成像光學(xué)鏡頭組、成像器件、自動(dòng)對(duì)焦單元、鏡頭驅(qū)動(dòng)單元。在本系統(tǒng)中，成像光學(xué)鏡頭組包括光學(xué)濾波器、變焦透鏡組和對(duì)焦透鏡組；成像器件是CMOS數(shù)字式圖像傳感器，輸出圖像信息的數(shù)字量；自動(dòng)對(duì)焦單元由DSP芯片作為核心器件，圖像信息的采集、計(jì)算、控制策略的選擇和控制信號(hào)的產(chǎn)生都在這個(gè)單元中進(jìn)行；鏡頭驅(qū)動(dòng)單元包括步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路，該單元接受自動(dòng)對(duì)焦單元的控制，驅(qū)動(dòng)成像光學(xué)鏡頭組中的變焦透鏡組和對(duì)焦透鏡組進(jìn)行位置調(diào)節(jié)，最終使圖像傳感器輸出準(zhǔn)確對(duì)焦的圖像。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．1 數(shù)字式CMOS圖像傳感器

圖像傳感器是把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。本系統(tǒng)采用1／3英寸數(shù)字式CMOS圖像傳感器OV7620，總有效像素單元為664(水平方向)x492(垂直方向)像素；內(nèi)置10位雙通道A／D轉(zhuǎn)換器，輸出8位圖像數(shù)據(jù)；具有自動(dòng)增益和自動(dòng)白平衡控制，能進(jìn)行亮度、對(duì)比度、飽和度、γ校正等多種調(diào)節(jié)功能；其視頻時(shí)序產(chǎn)生電路可產(chǎn)生行同步、場(chǎng)同步、混合視頻同步等多種同步信號(hào)和像素時(shí)鐘等多種時(shí)序信號(hào)；5V電源供電，工作時(shí)功耗<120mW，待機(jī)時(shí)功耗<10μW。

    OV7620工作時(shí)序圖如圖2所示。其中，PCLK是圖像傳感器的像素時(shí)鐘，HREF是行同步信號(hào)，Y和UV是圖像數(shù)據(jù)信號(hào)，VSYNC是幀同步信號(hào)，F(xiàn)ODD是奇偶場(chǎng)信號(hào)。

1．2 DSP控制系統(tǒng)

DSP芯片也稱數(shù)字信號(hào)處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。本系統(tǒng)采用TI公司的DSP芯片TMS320F206進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和實(shí)施控制，采用40MHz有源晶振，經(jīng)過(guò)分頻后獲得50ns的系統(tǒng)時(shí)鐘周期。該芯片支持硬件等待狀態(tài)，當(dāng)BEADY引腳電平為低時(shí)，TMS320F206等待一個(gè)CLOCK1周期并再次檢查READY，在READY被驅(qū)動(dòng)至高電子以前，TMS320F206將不再繼續(xù)執(zhí)行。TMS320F206的工作時(shí)序圖如圖3所示。

1．3 系統(tǒng)的硬件電路

系統(tǒng)的硬件電路如圖4所示。圖像數(shù)據(jù)Y0~Y7通過(guò)74LS245輸入到DSP的數(shù)據(jù)端口D0~D7；行同步信號(hào)HREF、幀同步信號(hào)VSYNC、時(shí)鐘信號(hào)CLOCK、像素時(shí)鐘PCLK分別接至相應(yīng)引腳配合數(shù)據(jù)采集；鍵盤輸入用來(lái)手動(dòng)控制變焦倍率；DSP通過(guò)數(shù)據(jù)端口送出步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所需的三相六拍脈沖時(shí)序，經(jīng)過(guò)74S245緩沖和MC1413功率放大后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。

圖3和圖4

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括數(shù)據(jù)采集及處理、優(yōu)化搜索算法、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和變焦跟蹤等功能模塊。系統(tǒng)軟件流程圖見(jiàn)圖5。

2．1 數(shù)據(jù)采集和計(jì)算

系統(tǒng)上電復(fù)位后，先對(duì)系統(tǒng)初始化，包括對(duì)DSP芯片TMS320F206內(nèi)的RAM區(qū)進(jìn)行功能劃分、定義程序中的變量、驅(qū)動(dòng)聚焦鏡頭的電機(jī)復(fù)位、設(shè)置DSP芯片TMS320F206的輸入輸出端口、設(shè)置TMS320F206的等待狀態(tài)等。

初始化工作完成后，系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集和計(jì)算階段，根據(jù)數(shù)字圖像傳感器提供的場(chǎng)同步、行同步和像素時(shí)鐘等時(shí)序信號(hào)，可以方便地選取不同的對(duì)焦窗口采集數(shù)據(jù)。采集完成后，馬上計(jì)算相鄰像素的亮度差值的平方和，并保存到TMS320F206的RAM中。由于TMS320F206提供的重復(fù)執(zhí)行指令極大地節(jié)約了運(yùn)算時(shí)間，因此一行數(shù)據(jù)的差值運(yùn)算根據(jù)采集窗口的不同可在一至兩行的時(shí)間內(nèi)完成。一幀圖像的數(shù)據(jù)采集都完成后，將每一行像素的亮度差值平方和累加，就得到這一楨圖像的調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)。將調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)的最大值及此時(shí)的步進(jìn)電機(jī)行程記錄下來(lái)。一幀圖像的數(shù)據(jù)采集和計(jì)算處理結(jié)束后，步進(jìn)電機(jī)以一個(gè)較大的步長(zhǎng)定向前進(jìn)，重復(fù)數(shù)據(jù)采集和計(jì)算的過(guò)程，直到步進(jìn)電機(jī)走完規(guī)定的行程。

    2．2 優(yōu)化的搜索算法

本系統(tǒng)采用了一種優(yōu)化的爬山搜索算法。控制策略為：先根據(jù)整個(gè)行程的調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)值，獲得調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)與步進(jìn)電機(jī)行程的關(guān)系曲線，從曲線上可以判斷選擇最大的步進(jìn)電機(jī)步長(zhǎng)。在判斷選擇時(shí)，既要保證不會(huì)錯(cuò)過(guò)調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)的最大值區(qū)域，同時(shí)又要滿足以最少的步數(shù)走完全程。在獲得全程最大調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)區(qū)域后，將步進(jìn)電機(jī)步長(zhǎng)減小，在最大值區(qū)域內(nèi)進(jìn)一步搜索更精確的對(duì)焦位置。采用這一策略，既不會(huì)發(fā)生誤判或找不到對(duì)焦點(diǎn)的情況，又能以較快的速度進(jìn)行對(duì)焦。軟件設(shè)計(jì)為：電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏡頭從起始位置出發(fā)，先以等步長(zhǎng)走一遍全程，記錄下調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)最大值時(shí)的鏡頭位置，然后鏡頭回到調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)最大值位置的前一站，換用小步長(zhǎng)，從調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)最大值位置的前一站走到最大值位置的后一站，記錄下這一全程的調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)最大值時(shí)的鏡頭位置，如此反復(fù)搜索，最后鏡頭停止在調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)最大值處，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)正確對(duì)焦。采用這一方法，既可以避免電機(jī)盲目反轉(zhuǎn)，又能確保系統(tǒng)找到正確的對(duì)焦點(diǎn)，而且搜索歷程短，有利于快速對(duì)焦。

3 自動(dòng)對(duì)焦實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在優(yōu)化的爬山搜索算法中，選取最大步長(zhǎng)要以調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)的變化趨勢(shì)為依據(jù)。在本系統(tǒng)中選擇最大步長(zhǎng)為30H，這樣總能測(cè)到一個(gè)最大值或兩個(gè)次大值中的一個(gè)數(shù)據(jù)，在第二次搜索時(shí)就一定能找到調(diào)焦評(píng)價(jià)函數(shù)的最大值。