嚴龍軍，熊文卓

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院研究生院，北京 100039）

基于TMS320DM642的攝像機自動調(diào)焦系統(tǒng)的實現(xiàn)

嚴龍軍1，2，熊文卓1

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學院研究生院，北京 100039）

調(diào)焦系統(tǒng)在各種光學測量及偵察設(shè)備中起著十分重要的作用。本文介紹了光學系統(tǒng)自動調(diào)焦的方法和圖像法調(diào)焦的相關(guān)評價函數(shù)，利用TMS320DM642數(shù)字信號處理芯片為平臺設(shè)計了圖像法自動調(diào)焦系統(tǒng)。采用TI公司針對其開發(fā)的DSP芯片設(shè)計了實時多任務(wù)系統(tǒng)DSP/BIOS，完成了軟件設(shè)計。該實時操作系統(tǒng)為實現(xiàn)調(diào)焦過程中任務(wù)的調(diào)度和實時調(diào)焦提供了保障。文中還提出了在實現(xiàn)調(diào)焦系統(tǒng)過程中需要注意的一些問題及解決方案。本文所設(shè)計的系統(tǒng)能在4～5步（大約2s內(nèi)）找到像面，滿足實際應(yīng)用的需要。

數(shù)字信號處理；攝像機；自動調(diào)焦系統(tǒng)

1 引言

成像質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到光學測量及偵察設(shè)備的測量結(jié)果。攝像機在對目標進行拍攝過程中，由于溫度、大氣壓力和攝像距離的變化，會造成離焦現(xiàn)象。在條件允許時可以通過光學玻璃的匹配和機械結(jié)構(gòu)的材料選擇來補償離焦量，但在大變倍比變焦距鏡頭中，受材料、加工工藝、重量體積的限制，很難用以上方法完全補償，為此在鏡頭中常加入微調(diào)裝置，帶動調(diào)焦鏡組沿軸向運動，來保證光學鏡頭總的離焦量在焦深之內(nèi)，以滿足攝像機成像質(zhì)量的要求。

調(diào)焦可以通過手動和自動兩種方法實現(xiàn)。對光學鏡頭進行手動調(diào)焦，其調(diào)節(jié)過程長，調(diào)焦精度受人員主觀因素的影響較大。在觀察目標時經(jīng)常手動調(diào)焦，也容易分散觀察者的注意力，影響對目標的捕獲與觀察。因此，由機器自動完成調(diào)焦工作，讓使用者更專心于目標和景物的搜索和觀察，是近年來攝像機發(fā)展的趨勢。

隨著計算機硬件和數(shù)字圖像技術(shù)的飛速發(fā)展，圖像的實時處理已成為可能，越來越多的調(diào)焦系統(tǒng)采用了基于圖像處理的自動調(diào)焦。這種自動調(diào)焦具有以下兩大優(yōu)點：（1）調(diào)焦更加智能化，聚焦判據(jù)更加靈活多樣；（2）利用DSP芯片可以很方便地對執(zhí)行機構(gòu)的運動進行控制，從而避開復(fù)雜的調(diào)焦電路和機構(gòu)。針對空中對地觀察的需要，本文設(shè)計了以TMS320DM642數(shù)字信號處理芯片為平臺的圖像法自動調(diào)焦系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在4～5步（大約2s內(nèi)）找到像面，滿足實際應(yīng)用的需要。

2 自動調(diào)焦方法

光學鏡頭的自動調(diào)焦一般通過以下3種方法實現(xiàn)：（1）通過紅外光或超聲波對目標進行測距，根據(jù)所得距離驅(qū)動電機調(diào)節(jié)鏡頭至聚焦位置；（2）利用圖像處理方法獲得相應(yīng)信息去控制電機調(diào)節(jié)鏡頭至聚焦位置；（3）通過圖像處理估計點擴散函數(shù)（PSF），并根據(jù)估計得到的PSF通過軟件進行圖像恢復(fù)。目前大部分數(shù)字攝像機采用方法（2），這是因為方法（1）需要紅外光源或超聲波源及相應(yīng)的傳感器，這使得自動對焦系統(tǒng)體積大，而且成本高；方法（3）則只能在比較小的離焦范圍內(nèi)起作用。

一幅圖像是否對焦準確，反映在空間域上是圖像的邊緣及細節(jié)部分是否清晰，在頻率域上是圖像的高頻分量是否豐富。前者可以通過對圖像進行微分來獲取圖像的邊緣及細節(jié)信息，后者可以對圖像進行傅里葉變換（FFT）來獲取圖像的頻譜信息。圖像微分法能獲得圖像的邊緣及細節(jié)信息，而且算法簡單快速，但不能濾掉圖像中的噪聲。對圖像進行FFT，然后通過帶通濾波器，則能夠在獲取圖像高頻信息的同時濾掉更高頻的噪聲，但算法復(fù)雜耗時。本系統(tǒng)主要應(yīng)用于空中對地的實時觀察，希望調(diào)焦時間盡量短些，因此，不考慮采用耗時較多的頻域法。該自動調(diào)焦系統(tǒng)基本原理是利用圖像處理方法獲得圖像的微分幅值，并尋找相應(yīng)幅值的最大值位置，而該幅值的最大值位置對應(yīng)圖像的最佳聚焦位置。

3 調(diào)焦評價函數(shù)

調(diào)焦評價函數(shù)在這里是指通過圖像處理獲取圖像清晰度信息的數(shù)學表達式，其大致可以歸結(jié)為灰度梯度函數(shù)、頻域函數(shù)、信息學函數(shù)和統(tǒng)計學函數(shù)等幾類。從調(diào)焦的復(fù)雜度和穩(wěn)定性來說，灰度梯度函數(shù)比其它幾類函數(shù)具有更好的實用性。以下是8種常用的灰度梯度函數(shù)。

（1）絕對方差函數(shù)：

（2）Brenner函數(shù)：又稱為梯度濾波器法，它對相鄰近的像元灰度進行平方求和：

式中k為像素之間的間隔，一般取k＝1。

（3）Roberts梯度和函數(shù)：

Roberts梯度和函數(shù)實際上以某一點為中心上的連續(xù)梯度的近似，處理邊緣特性時比絕對方差函數(shù)和Brenner函數(shù)要好。

（4）梯度向量模方函數(shù)：

（5）梯度向量平方函數(shù)：

（6）Variance函數(shù)：

它利用圖像灰度的方差作為調(diào)焦評價函數(shù)，其表達式為：

式中u為評價區(qū)域內(nèi)的像素灰度平均值。

（7）Tenengrad函數(shù)：

它利用Sobel算子來估計圖像在水平方向和垂直方向的梯度，為使圖像邊緣的梯度放大，對梯度進行平方運算，其表達式為：

（8）Laplacian函數(shù)：

它利用Laplacian算子計算圖像的二階微分，其微分平方和作為最后評價結(jié)果，其表達式為：

4 自動調(diào)焦系統(tǒng)設(shè)計

為驗證自動調(diào)焦系統(tǒng)的性能，找出滿足使用要求的自動調(diào)焦算法和控制規(guī)律，搭建了自動調(diào)焦試驗平臺（如圖1）。它由CCD攝像頭、視頻解碼電路、數(shù)字信號處理器（DSP）處理電路、電機驅(qū)動電路、步進電機、調(diào)焦機構(gòu)組成。在DSP的控制下由視頻解碼電路把全電視信號解碼成數(shù)字信號，并通過DSP的視頻口把解碼后的數(shù)據(jù)存放到DSP的顯示緩沖區(qū)中。DSP部分完成各部分的控制工作，并對視頻緩沖區(qū)進行處理，判斷具體的調(diào)焦方向和步距，然后通過步進電機的驅(qū)動電路控制步進電機轉(zhuǎn)到要求的位置，完成調(diào)焦動作。

圖1 自動調(diào)焦系統(tǒng)框圖Fig.1 Schematic diagram of automatic focusing system

本系統(tǒng)的DSP選用了TI公司的TMS320DM642。該芯片因其基于TI公司開發(fā)的第二代高性能、先進的甚長指令字（VLIW）結(jié)構(gòu)，成為數(shù)字媒體處理的最佳芯片選擇。DM642在600MHz時鐘下運算速度可高達每秒4 800百萬條指令（MIPS），因此，可以提供節(jié)省時間的高速DSP編程。DM642有3個可配置的視頻口外設(shè)（VP0、VP1、VP2），這些視頻口提供對通用視頻編碼器及解碼器的無縫連接接口，可作為視頻采集口、視頻顯示口或者傳輸流（TSI）采集口。

TI公司為其開發(fā)的DSP芯片專門設(shè)計了一個尺寸可伸縮的實時內(nèi)核DSP/BIOS。DSP/BIOS是為那些需要實時線程調(diào)度與同步、主機與目標DSP間通信或?qū)崟r監(jiān)測的應(yīng)用而設(shè)計的。DSP/BIOS提供了搶占式多線程、硬件抽象、實時分析和配置工具。由于DSP/BIOS支持多任務(wù)的環(huán)境，為實現(xiàn)實時自動調(diào)焦提供了保證。在進行視頻圖像采集的間隙，可以通過任務(wù)切換實現(xiàn)電機的控制，而在電機的轉(zhuǎn)動過程中，讓該任務(wù)休眠，實現(xiàn)圖像的采集。通過圖像采集和電機控制這兩個任務(wù)的協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)了實時的自動調(diào)焦過程。

5 圖像預(yù)處理

在成像系統(tǒng)的自動調(diào)焦過程中，隨著鏡頭位置的不斷變化、視軸晃動或者照度波動，所獲得的圖像的平均亮度會有所改變。由于大部分成像系統(tǒng)具有自動調(diào)光功能，即使鏡頭處于同一位置所獲得的兩幀圖像其亮度也有可能不同。亮度不同，即像素的灰度不同，會導(dǎo)致以灰度值為計算依據(jù)的調(diào)焦評價函數(shù)受到影響，使相對清晰的圖像由于亮度較低，其評價函數(shù)值反而低于亮度較高的不清晰圖像，由此調(diào)焦評價函數(shù)曲線出現(xiàn)局部峰值（即假峰）。因此，必須對圖像灰度進行歸一化。

圖2（a）為同一視場連續(xù)采集100frame的圖像，圖2（b）調(diào)焦評價函數(shù)值。從實驗結(jié)果可以看出上述原因?qū)е碌牟▌?，同時該波動對調(diào)焦過程的穩(wěn)定性會產(chǎn)生一定影響。為此在調(diào)焦過程中需要對計算調(diào)焦評價函數(shù)的位置進行連續(xù)采樣，將所得調(diào)焦評價函數(shù)取均值，這樣可大大減小所測數(shù)值的波動性，從而提高調(diào)焦函數(shù)輸出值的穩(wěn)定性。

圖2 采集的圖像及其評價函數(shù)值Fig.2 Image collection and corresponding values of evaluation function

6 調(diào)焦評價函數(shù)的選取

自動調(diào)焦系統(tǒng)中，如何選取一個合適的調(diào)焦評價函數(shù)非常重要。理想的調(diào)焦評價函數(shù)應(yīng)該具有以下幾種特性：（1）無偏性，即只有在物平面與聚焦平面重合時，評價函數(shù)才達到極值；（2）單峰性，即評價函數(shù)在調(diào)焦范圍內(nèi)有且只有一個極值；（3）較高的信噪比，即在一定噪聲干擾下，能夠保證系統(tǒng)正確地檢測到離焦信號；（4）計算量小，這是快速自動調(diào)焦的一個先決條件；（5）靈敏度高，即能夠正確區(qū)分聚焦和輕微離焦，這是精確聚焦的內(nèi)在要求。

大量實驗表明，Variance函數(shù)具有較大的調(diào)焦范圍，而且近似為線性變化，但是靈敏度較低，適于大范圍粗調(diào)焦。梯度向量平方函數(shù)、Laplacian函數(shù)和Tenengrad函數(shù)調(diào)焦范圍小、靈敏度高、穩(wěn)定性好，適合于小范圍精確調(diào)焦。

7 調(diào)焦實現(xiàn)

圖3 帶前調(diào)焦的攝像機光學系統(tǒng)框圖Fig.3 Schematic diagram of optical system in camera with previous focusing

一般具有調(diào)焦功能的攝像機的光學系統(tǒng)在設(shè)計上采用如圖3所示的變倍加補償（機械凸輪或電子凸輪）的結(jié)構(gòu)，在對遠處目標進行觀察時，補償組可以配合變倍組的曲線進行離焦補償，不需要前調(diào)焦。當需要對近距離目標進行觀察時，補償組不足以補償?shù)羲械碾x焦量，這時需要用電機帶動前調(diào)焦透鏡移動來進行補償，但這時離焦的范圍比較窄，這樣僅進行小范圍的調(diào)焦就能達到調(diào)焦的目的。從幾個小范圍調(diào)焦的函數(shù)來看，梯度向量平方函數(shù)在計算量和穩(wěn)定性上都比較具有優(yōu)勢，故本文選擇該函數(shù)作為調(diào)焦的評價函數(shù)。圖4為調(diào)焦過程中調(diào)焦評價函數(shù)變化趨勢的示意圖。

根據(jù)圖4可以看出，遠處目標的像面就落在限位位置一（Limit1）處，隨著目標離攝像機距離的由遠及近，像面向限位位置二（Limit 2）移動，于是很容易得到如圖5所示的自動調(diào)焦程序流程。圖5選用了經(jīng)典的爬坡算法，根據(jù)上圖進行編程，實現(xiàn)了基于圖像處理的實時自動調(diào)焦過程，圖6為調(diào)焦實驗結(jié)果。

圖4 調(diào)焦評價函數(shù)值變化趨勢示意圖Fig.4 Variation trend of focusing evaluation function

圖5 自動調(diào)焦流程圖Fig.5 Flow diagram of automatic focusing

圖6為同一視場在處于明和暗兩種環(huán)境條件下調(diào)焦的結(jié)果。結(jié)果表明，當步進電機帶動鏡頭移動到第4個位置的時候就找到了峰值點，而且調(diào)焦評價函數(shù)具有明顯的單峰性；采用帶有補償機構(gòu)的光學鏡頭，在小范圍離焦的情況下，可以快速找到調(diào)焦評價函數(shù)值的峰值點，使CCD靶面進入光學鏡頭的焦深之內(nèi)。

圖6 明、暗視場調(diào)焦結(jié)果Fig.6 Focasing results in bright and dark field

8 結(jié)論

本文介紹了光學系統(tǒng)自動調(diào)焦的方法和圖像法調(diào)焦的相關(guān)評價函數(shù)。介紹了以TMS320DM642數(shù)字信號處理芯片為平臺的圖像法自動調(diào)焦系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。在具體的程序編寫過程中，采用DSP/BIOS實時多任務(wù)系統(tǒng)，為實現(xiàn)實時調(diào)焦提供了很大的方便。文中提出了在實現(xiàn)調(diào)焦系統(tǒng)過程中需要注意的一些問題及解決方案，為實現(xiàn)穩(wěn)定調(diào)焦提供了保證。本文所設(shè)計的自動調(diào)焦系統(tǒng)僅需4～5步（大約2s內(nèi)）就能完成自動調(diào)焦功能，滿足實際應(yīng)用的需要。

［1］岡薩雷斯.數(shù)字圖像處理［M］.2版.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

GONZALEZ R C.Digital Image Processing［M］.2nd ed.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2008.（in Chinese）

［2］鮑歌堂，趙輝，陶衛(wèi).圖像測量技術(shù)中幾種自動調(diào)焦算法的對比分析［J］.上海交通大學學報，2005，39（1）：121-124.

BAO G T，ZHAO H，TAOW.Algorithm′s study on automatic focusing for imagemeasurement technology［J］.J.Shanghai Jiaotong University，2005，39（1）：121-124.（in Chinese）

［3］胡濤，陳世哲，劉國棟.顯微視覺系統(tǒng)中自動調(diào)焦評價函數(shù)的選?。跩］.半導(dǎo)體光電，2006，27（2）：216-220.

HU T，CHEN SH ZH，LIU G D.Selection of auto-focus function inmicro visual system［J］.Semiconductor Optoelectronics，2006，27（2）：216-220.（in Chinese）

［4］劉煥雨，萬秋華.圖像法自動調(diào)焦原理及系統(tǒng)實現(xiàn)［J］.微機電信息，2008，24（5-1）：39-40.

LIU H Y，WAN Q H.Elements of automatic focusing based on image processingmethod and development of system［J］.Micromechanical Electronics Information，2008，24（5-1）：39-40.（in Chinese）

［5］李奇，馮華君，徐之海.面向自動對焦的圖像預(yù)處理技術(shù)［J］.光電工程，2004，31（9）：66-68.

LIQ，F(xiàn)ENG H J，XU ZH H.Image pre-processing techniques for auto-focusing［J］.Opto-Electronic Eng.，2004，31（9）：66-68.（in Chinese）

［6］任四剛，李見為，謝利利.基于灰度差分法的自動調(diào)焦技術(shù)［J］.光電工程，2003，30（2）：53-55.

REN SG，LI JW，XIE L L.Automatic focusing technique based on gray scale difference method［J］.Opto-Electronic Eng.，2003，30（2）：53-55.（in Chinese）

［7］王立強，林斌，徐向東，等.基于USB Video Camera的自動對焦系統(tǒng)［J］.光電工程，2001，28（5）：32-34.

WANG L Q，LIN B，XU X D，et al..An automatic focusing system based on USB video camera［J］.Opto-Electronic Eng.，2001，28（5）：32-34.（in Chinese）

［8］季昱，林俊超，余本喜.DSP嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型實例［M］.北京：中國電力出版社，2007.

JIY，LIN JCH，YU B X.Development of DSP Embedded Application System and Typical Example［M］.Beijing：China E-lectric Power Press，2007.（in Chinese）

［9］王軍寧，何迪，馬娟，等.TIDSP/BIOS用戶手冊與驅(qū)動開發(fā)［M］.北京：清華大學出版社，2007.

WANG JN，HE D，MA J，et al..TIDSP/BIOS User Guid and Driver Development［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2007.

［10］王智，張立平，李朝輝，等.傳輸型立體測繪相機的調(diào)焦機構(gòu)設(shè)計［J］.光學精密工程，2009，5（17）：1051-1056.

WANG ZH，ZHANG L P，LIZH H，et al..Design of focusingmechanism of space tridimensionalmapping camera［J］.Opt.Precision Eng.，2009，5（17）：1051-1056.

［11］安源，齊迎春.空間相機直線調(diào)焦機構(gòu)的設(shè)計［J］.光學精密工程，2009，3（17）：609-614.

AN Y，QIY CH.Design of straight-line focusingmechanism for space camera［J］.Opt.Precision Eng.，2009，3（17）：609-614.

Realization of auto-focusing system for video cameras based on TMS320DM 642 DSP

YAN Long-jun1，2，XIONGWen-zhuo1
（1.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China；2.Graduate School of the Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China）

Focusing systems play an important role in a variety of opticalmeasurements and detection instruments.In this paper，several kinds of auto-focusingmethodswere described and the relevant focusing evaluation functionswere introduced based on image processing methods.An auto-focusing system based on image processing was designed by using the TMS320DM642 digital signal processing chip as a platform，and its programming was implemented by a real-timemulti-tasking operating system DSP/BIOS developed by TI company.The real-timemulti-tasking operating system provides a guarantee for the realization of task scheduling and real-time focusing.Moreover，some problems and solutionswhich are needed to pay attention in the realization of auto-focusing system were demonstrated.The system designed in this paper can find the image plane in 4-5 steps（about2 s），which meets the requirements of practical applications.

digital signal processing；video camera；auto-focusing system

2010-02-12；

2010-03-16

1674-2915（2010）03-0268-06

V447.3；TH703

A

book=273,ebook=75

嚴龍軍（1982—），男，四川內(nèi)江人，碩士研究生，主要從事偵察攝像機自動調(diào)焦系統(tǒng)方面的研究。E-mail：xunmeng0707@126.com

熊文卓（1967—），男，吉林長春人，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事光電位移傳感器和光電儀器方面的研究。E-mail：carlx@163.com