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自动对焦

Release Time:2019-01-26 11:22:30

AF(Auto Focus)自动对焦:自动对焦有两种方式,根据控制原理分为主
动式和被动式两种。主动式自动对焦通过相机发射红外线,根据反射回来的射
线信号确定被摄体的距离,再自动调节镜头,实现自动对焦。被动式对焦有一
点仿生学的味道,是分析物体的成像判断是否已经聚焦,比较精确,但技术复
杂,成本高,而且在低照度条件下难以准确聚焦,多用于高档专业相机。一些
高智能相机还可以锁定运动的被摄体甚至眼控对焦。
有的手机平台上引出的 GPIO 口控制或者是 Sensor 中集成的 AF 算法,不需要 单
独使用 MCU,有的手机平台是靠 MCU 集成 AF 算法,比如 MTK 的 6228 。 Sensor
的 AF 算法是在 ISP(DSP)的 fireware 里面的,就是 MCU.
对于 Sensor 带有 AF 功能的一般通过 I2C 下命令就行了。手机平台如果
是采用 IO 口控制的话,软件必须有 AF 的算法,根据图像的清晰度通过 IO 口控
制马达的驱动 IC 使 VCM 或者 Step(步进电机)动作。
实际上和音圈的原理是一样的,首先对马达供给有低到高的直流电 VCM的
转子由低到高走完全程,在走的过程中使用 IC 读取 SENSOR 固定位置上的亮度数
值并记录实时电流数值,到达顶端后在供给马达在 sensor亮度值最高时的电压,
用 VC 开发会比较快。镜头直接就可以拧进 VCM 马达的镜头槽中的,在你给 VCM
进行控制时可以有两种控制方式一种时 PWm 控制方式,还有的是 IIC 的控制方
式,在控制信号输入到驱动芯片时,驱动信号便发出电流来驱动 VCm 马达,使
VCm 马达机构上下移动,所以就实现了自动对焦的目的。
基于 DSP 的自动对焦系统,自动对焦技术是计算机视觉和各类成像系统
的关键技术之一,在国外 AF 技术已经非常普遍,照相机、摄像机、显微镜、内
窥镜等成像系统中有着广泛的用途。在我们国家这个方面应用比较少。传统的
自动对焦技术较多采用测距法,即通过测出物距,由镜头方程求出系统的像距或
焦距,来调整系统使之处于准确对焦的状态。随着现代计算技术的发展和数字图
像处理理论的日益成熟,自动对焦技术进入一个新的数字时代,越来越多的自动
对焦方法基于图像处理理论对图像有关信息进行分析计算,然后根据控制策略
驱动电机,调节系统使之准确对焦。
本文利用数字式 CMOS 图像传感器作为感像器件,运用 DSP 芯片采集图像信息并计
算系统的对焦评价函数,根据优化的爬山搜索算法控制驱动步进电机,调节系统光学
镜头组的位置,使系统成像清晰,从而实现自动对焦。这是一种数字式的自动对焦方
法,其准确性和实时性使其在视频展示台和显微镜等设备中的应用具有广泛的前景。
1 系统的硬件构成
一个典型的自动对焦系统应具备以下几个单元:成像光学镜头组、成像器件、自动
对焦单元、镜头驱动单元。在本系统中,成像光学镜头组包括光学滤波器、变焦透镜
组和对焦透镜组;成像器件是 CMOS 数字式图像传感器,输出图像信息的数字量;自动
对焦单元由 DSP 芯片作为核心器件,图像信息的采集、计算、控制策略的选择和控制
信号的产生都在这个单元中进行;镜头驱动单元包括步进电机及其驱动电路,该单元
接受自动对焦单元的控制,驱动成像光学镜头组中的变焦透镜组和对焦透镜组进行位
置调节,最终使图像传感器输出准确对焦的图像。系统的硬件结构如图1所示。
图1 自动变焦系统结构图
1.1 数字式 CMOS 图像传感器
图像传感器是把光信号转换成电信号的装置。本系统采用1/3英寸数字式 CMOS
图像传感器 OV7620,总有效像素单元为664(水平方向)×492(垂直方向)像素;内置10
位双通道 A/D 转换器,输出8位图像数据;具有自动增益和自动白平衡控制,能进行亮
度、对比度、饱和度、γ校正等多种调节功能;其视频时序产生电路可产生行同步、
场同步、混合视频同步等多种同步信号和像素时钟等多种时序信号;5V 电源供电,工
作时功耗<120mW,待机时功耗<10μW。
OV7620工作时序图如图2所示。其中,PCLK 是图像传感器的像素时钟,HREF 是
行同步信号,Y 和 UV 是图像数据信号,VSYNC 是帧同步信号,FODD 是奇偶场信号。
图2 OV7620的时序图
1.2 DSP 控制系统
DSP 芯片也称数字信号处理器,是一种特别适合于进行数字信号处理的微处理
器,其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。本系统采用 TI 公司的 DSP
芯片 TMS320F206进行数值计算和实施控制,采用40MHz 有源晶振,经过分频后获得
50ns 的系统时钟周期。该芯片支持硬件等待状态 ,当 READY 引脚电平为低
时,TMS320F206等待一个 CLOCK1周期并再次检查 READY,在 READY 被驱动至高电平以
前,TMS320F206将不再继续执行。TMS320F206的工作时序图如图3所示。
图3 TMS320F206的工作时序图
1.3系统的硬件电路
系统的硬件电路如图4所示。图像数据 Y0~Y7通过74LS245输入到 DSP 的数据
端口 D0~D7;行同步信号 HREF、帧同步信号 VSYNC、时钟信号 CLOCK、像素时钟 PCLK
分别接至相应引脚配合数据采集;键盘输入用来手动控制变焦倍率;DSP通过数据端口
送出步进电机运转所需的三相六拍脉冲时序,经过74S245缓冲和 MC1413功率放大后,
驱动步进电机工作。
图4 硬件电路示意图
2 系统的软件设计
系统软件包括数据采集及处理、优化搜索算法、步进电机驱动和变焦跟踪等
功能模块。系统软件流程图见图5。
图5 系统软件流程图
2.1 数据采集和计算
系统上电复位后,先对系统初始化,包括对 DSP 芯片 TMS320F206内的 RAM 区进
行功能划分、定义程序中的变量、驱动聚焦镜头的电机复位、设置 DSP 芯片 TMS320F206
的输入输出端口、设置 TMS320F206的等待状态等。
初始化工作完成后,系统进入数据采集和计算阶段,根据数字图像传感器提供的场同
步、行同步和像素时钟等时序信号,可以方便地选取不同的对焦窗口采集数据。采集
完成后,马上计算相邻像素的亮度差值的平方和,并保存到 TMS320F206的 RAM 中。由
于 TMS320F206提供的重复执行指令极大地节约了运算时间,因此一行数据的差值运
算根据采集窗口的不同可在一至两行的时间内完成。一帧图像的数据采集都完成后,
将每一行像素的亮度差值平方和累加,就得到这一帧图像的调焦评价函数。将调焦评
价函数的最大值及此时的步进电机行程记录下来。一帧图像的数据采集和计算处理结
束后,步进电机以一个较大的步长定向前进,重复数据采集和计算的过程,直到步进电
机走完规定的行程。
2.2 优化的搜索算法
本系统采用了一种优化的爬山搜索算法。控制策略为:先根据整个行程的调焦评
价函数值,获得调焦评价函数与步进电机行程的关系曲线,从曲线上可以判断选择最
大的步进电机步长。在判断选择时,既要保证不会错过调焦评价函数的最大值区域,
同时又要满足以最少的步数走完全程。在获得全程最大调焦评价函数区域后,将步进
电机步长减小,在最大值区域内进一步搜索更精确的对焦位置。采用这一策略,既不会
发生误判或找不到对焦点的情况,又能以较快的速度进行对焦。软件设计为:电机驱动
镜头从起始位置出发,先以等步长走一遍全程,记录下调焦评价函数最大值时的镜头
位置,然后镜头回到调焦评价函数最大值位置的前一站,换用小步长,从调焦评价函数
最大值位置的前一站走到最大值位置的后一站,记录下这一全程的调焦评价函数最大
值时的镜头位置,如此反复搜索,最后镜头停止在调焦评价函数最大值处,使系统实现
正确对焦。采用这一方法,既可以避免电机盲目反转,又能确保系统找到正确的对焦
点,而且搜索历程短,有利于快速对焦。
3 自动对焦实验结果
表1是根据实验结果记录的聚焦镜头处在不同的位置时测得的调焦评价函数值。表
中给出了在两个不同的变焦倍率下,调焦评价函数值的变化规律。从表中可以看到,
在聚焦镜头的移动过程中,调焦评价函数值的变化规律是由小到大再减小,与此同时
图像显示经历了从模糊到清晰再到模糊的过程。对于不同的变焦倍率,调焦评价函数
的变化规律相同。在聚焦镜头的整个行程中,能够找到一个显著的最大值,这个最大值
的位置与图像最清晰的位置是相对应的;在最大值的两端,数值减小得非常快,然后数
值趋于稳定。
在优化的爬山搜索算法中,选取最大步长要以调焦评价函数的变化趋势为依
据。在本系统中选择最大步长为30H,这样总能测到一个最大值或两个次大值中的一个
数据,在第二次搜索时就一定能找到调焦评价函数的最大值。
表1 聚焦镜头在不同位置时的调焦函数值
0 OV5640 F AF  硬件连接电路图

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