專利名稱：：一種自動聚焦控制裝置的制作方法
技術領域：
：本實用新型涉及一體化數字攝像機和數字照相機的一種自動聚焦控制裝置。
背景技術：
：聚焦是通過光學鏡頭的折射作用，將景物光線聚集在正對鏡頭中央的圖像傳感器表面的感光區(qū)域，使曝光圖像更清晰的過程。如果聚焦不良，圖像就會顯得很模糊。聚焦是通過前后校正鏡頭的位置決定的，而校正鏡頭位置是通過控制聚焦電機來實現(xiàn)的。聚焦的方法有兩種，一種是手工校正鏡頭位置，稱之為手動聚焦；一種是由成像設備內部的電路或程序進行檢測和計算，根據檢測結果自動校正鏡頭位置，稱為自動聚焦。隨著現(xiàn)代成像系統(tǒng)逐漸向智能化的方向發(fā)展，自動聚焦技術己成為成像系統(tǒng)中必不可少的一個部分。判斷圖像是否聚焦與圖像的高頻成分有關，當完全聚焦時，圖像清晰，包含邊緣信息的高頻分量最多。傳統(tǒng)的自動聚焦為模擬自動聚焦，即通過對圖像傳感器套件輸出的模擬視頻信號進行濾波，提取出反映圖像清晰度的高頻分量并輸出到單片機控制器，單片機通過調節(jié)聚焦步進電機的轉動，使圖像高頻分量值最大，圖像達到清晰狀態(tài)，從而實現(xiàn)圖像的自動聚焦。此聚焦裝置硬件電路較復雜。隨著數字技術的發(fā)展，模擬聚焦方法在數碼相機、數字攝像機等產品中的應用受到了一定的限制。
發(fā)明內容本實用新型的目的是提供一種硬件電路簡單、使用數字技術進行自動聚焦的控制裝置。本實用新型是基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的圖像自動聚焦控制裝置，采用FPGA芯片對輸入數字視頻圖像進行二維小波變換分解后，提取水平和垂直方向的高頻分量，求出當前場圖像的聚焦函數值，判斷出相鄰兩場聚焦函數值的比較結果，經FPGA中搜索策略模塊分析后，F(xiàn)PGA芯片直接輸出驅動聚焦步進電機轉動的脈沖信號，使當前圖像的聚焦函數值最大，則當前圖像最清晰，從而實現(xiàn)了圖像的自動聚焦，為了便于主觀評價聚焦效果，F(xiàn)PGA芯片內部加入了VGA顯示控制器模塊，利用單片SDRAM存儲器芯片作為幀緩存，可將輸入的CCIR601或CCIR656標準的數字視頻信號轉換成VGA格式，F(xiàn)PGA芯片輸出的數字RGB信號經過D/A轉換器芯片轉換成模擬RGB信號，并與FPGA輸出的行場同步信號輸出到VGA信號輸出接口，通過VGA信號輸出接口可在VGA顯示器上實時顯示輸入的視頻圖像。同時，通過對一場圖像平均亮度值的分析，可實現(xiàn)光學鏡頭中光圈的自動控制。本實用新型由數字視頻信號輸入接口、電源接口、電路板、光學鏡頭連接接口、光學鏡頭、VGA信號輸出接口和外殼組成。其特征在于外殼上裝有CCIR601標準數字視頻信號接口、CCIR656標準數字視頻信號接口、電源接口、功能按鍵、鏡頭連接接口、VGA信號輸出接口和光學鏡頭，外殼內的電路板上安裝有FPGA芯片、FPGA配置芯片、SDRAM存儲器芯片、D/A轉換芯片和信號放大電路。FPGA芯片通過電路板上導線分別連接至CCIR601標準數字視頻信號接口、CCIR656標準數字視頻信號接口、FPGA配置芯片、SDRAM存儲器芯片、D/A轉換芯片、信號放大電路和功能按鍵，D/A轉換芯片通過電路板導線連接至VGA信號輸出接口，信號放大電路的輸出通過電路板上導線連接至鏡頭連接接口，功能按鍵通過導線連接至FPGA芯片，通過電源接口外接直流電源。CCIR601標準數字視頻信號接口和CC工R656標準數字視頻信號接口通過電路板上導線分別連接至FPGA芯片，通過功能按鍵中的輸入信號選擇按鍵選擇輸入信號的格式，默認為CCIR601標準數字視頻信號，F(xiàn)PGA對輸入的數字視頻信號進行分析后，輸出驅動聚焦歩進電機的脈沖信號，F(xiàn)PGA芯片輸出的脈沖信號需要經過信號放大電路放大后再加載到步進電機上。FPGA芯片同時利用單片SDRAM存儲器芯片作為幀緩存，將輸入的PAL視頻信號轉換成VGA格式，經D/A轉換器轉換成模擬RGB信號，并輸出到VGA信號輸出接口，則通過外接VGA顯示器可實時顯示輸入的圖像，這樣便于主觀評價聚焦效果。按鍵中的"自動聚焦"按鈕可開始進行圖像自動聚焦，"聚焦遠"和"聚焦近"按鈕可實現(xiàn)圖像的手動調焦。如上所述的FPGA芯片可以采用XC2S100E、XC2S150E、XC2S200E、XC2S300E、XC2S400E、XC2S600E、XC3S200、XC3S400、XC3S1000、XC3S1500、XC3S2000、XC3S4000、XC3S5000、XC3S100E、XC3S250EXC3S500E、XC3S1200E或XC3S1600E等。如上所述的FPGA配置芯片可以采用XCF01S、XCF02S、XCF04S、M25P20、M25P40、AT45DB011B、AT45DB011D、AT45DB021B、AT45021D、AT45DB041B或AT45041D等。如上所述的SDRAM存儲器芯片可以采用HY57V641620、HY57V643220、HY57V281620、HY57V283220、KM416S4020B、KM416S4030B、KM416S4030C或MT48LC4M16A2等。如上所述的D/A轉換芯片可以采用ADV7123、ADV7125、CS7123、CS7123L或HI1178等。如上所述的VGA輸出接口采用DB15針VGA標準接口。如上所述的按鈕鍵盤采用4個按鈕組成按鍵鍵盤，4個按鍵功能分配如下輸入選擇/自動聚焦/聚焦遠/聚焦近。本實用新型的技術解決方案為連接外部直流電源至電源接口，F(xiàn)PGA芯片從FPGA配置芯片中讀取配置代碼，接著從輸入的數字視頻信號中提取亮度信號和行、場同步信號并輸出到自動聚焦模塊和自動光圈模塊，同時將數字視頻信號輸入到VGA顯示控制器模塊，自動聚焦模塊實現(xiàn)了圖像的自動聚焦，自動光圈模塊根據當前圖像的平均亮度信息實現(xiàn)了鏡頭的自動光圈控制，顯示控制器模塊利用外部SDRAM存儲器芯片作為幀緩存，將輸入的PAL視頻信號轉換成VGA格式。FPGA芯片中自動聚焦模塊對輸入的圖像進行二維小波變換分解后，提取水平和垂直方向的高頻分量，采用一定的自動聚焦算法，求出當前場的聚焦函數值，并求出相鄰兩場的聚焦函數值的比較結果，若當前場的聚焦函數值大于前場的聚焦函數值，則表明當前場比前一場清晰，反之則相反。FPGA芯片中搜索策略模塊根據當前場和前一場的聚焦函數值的比較結果，來控制聚焦步進電機的轉動方向，F(xiàn)PGA芯片中步進電機驅動模塊產生驅動聚焦步進電機所需的脈沖信號來控制步進電機的轉動，直至當前場的聚焦函數值最大，從而可實現(xiàn)圖像的自動聚焦，F(xiàn)PGA芯片輸出的驅動聚焦步進電機的脈沖信號經信號放大電路進行信號的電流放大后，輸出到光學鏡頭連接接口，F(xiàn)PGA芯片輸出的驅動鏡頭光圈的脈沖信號也經信號放大電路進行信號的電流放大后，輸出到光學鏡頭連接接口。本實用新型的優(yōu)點如下1.本實用新型硬件電路簡單，由于FPGA芯片的在系統(tǒng)可編程性，系統(tǒng)便于軟件升級。2.本實用新型集成了VGA顯示控制器模塊，可將輸入的PAL視頻信號轉換成VGA格式，從而可在VGA顯示終端上實時顯示輸入的視頻圖像，便于主觀評價聚焦效果。3.本實用新型集成了VGA顯示控制器模塊和自動光圈模塊，可應用于一體化攝像機的設計。4.本實用新型采用FPGA芯片對輸入的圖像進行二維小波變換分解后，提取圖像的水平和垂直的高頻分量，由于對根據整幅圖像信息求聚焦函數值，聚焦更準確，適應環(huán)境廣。5.本實用新型采用FPGA芯片直接輸出驅動聚焦步進電機的脈沖信號，聚焦速度快。圖1是本實用新型的內部結構示意圖2是本實用新型的外部結構示意圖3是本實用新型的FPGA芯片電路圖4是本實用新型的FPGA配置芯片電路圖5是本實用新型的SDRAM存儲器芯片電路圖6是本實用新型的D/A轉換芯片電路圖7是本實用新型FPGA內部功能模塊；圖8是本實用新型的FPGA內部自動聚焦模塊的子功能模塊；圖9是本實用新型應用的二維小波變換分解圖。如圖所示，1是CCIR601標準數字視頻信號輸入接口，2是CCIR656標準數字視頻信號輸入接口，3是電源接口，4是FPGA芯片，5是FPGA配置芯片，6是SDRAM存儲器芯片，7是D/A轉換芯片，8是信號放大電路，9是VGA信號輸出接口，IO是鏡頭連接接口，11是外殼，12是按鍵，13是光學鏡頭，A表示水平高頻系數矩陣，"表示垂直高頻系數矩陣，W表示對角高頻系數矩陣。具體實施方式實施例1FPGA芯片4采用XC2S100E，F(xiàn)PGA配置芯片5采用XCF01S，SDRAM存儲器芯片6采用HY57V641620，D/A轉換芯片7采用ADV7123，VGA信號輸出接口9采用DB15針VGA標準連接器。外殼11上裝有CCIR601標準數字視頻信號接口1、CCIR656標準數字視頻信號接口2、電源接口3、功能按鍵12、鏡頭連接接口10、VGA信號輸出接口9和光學鏡頭13，外殼11內的電路板上安裝有FPGA芯片4、FPGA配置芯片5、SDRAM存儲器芯片6、D/A轉換芯片7和信號放大電路8。FPGA芯片4通過電路板上導線分別連接至CCIR601標準數字視頻信號接口1、CCIR656標準數字視頻信號接口2、FPGA配置芯片5、SDRAM存儲器芯片6、D/A轉換芯片7、信號放大電路8和功能按鍵12，D/A轉換芯片7通過電路板導線連接至VGA信號輸出接口9，放大電路8的輸出通過電路板上導線連接至鏡頭連接接口10，光學鏡頭13的信號線連接在鏡頭連接接口10，并固定在外殼上，功能按鍵12通過導線連接至FPGA芯片4，通過電源接口3外接直流電源。視頻信號輸入接口1輸入CCIR601標準數字視頻信號，包括行同步信號、場同步信號、像素時鐘信號和16位YUV(4:2:2)格式數據信號。視頻信號輸入接口2輸入CCIR656標準數字視頻信號，包括像素時鐘信號和8位數據信號。FPGA芯片4對輸入的數字視頻信號首先進行格式識別，當對視頻數據輸入接口2輸入的CCIR656標準數字視頻信號處理時，F(xiàn)PGA芯片4首先從8位數據信號中提取行場同步信號，并通過串并轉換模塊將其轉換成16位數字YUV(4:2:2)格式信號，后續(xù)的處理方式與輸入為CCIR601標準數字視頻信號處理方式相同，亮度信號和行、場同步信號輸出到FPGA芯片中的自動聚焦模塊和自動光圈模塊，數字視頻信號與行場同步信號輸出到VGA顯示控制模塊。FPGA芯片4內部自動聚焦功能模塊分為聚焦算法、搜索策略和步進電機驅動模塊。聚焦算法模塊首先對輸入的圖像進行二維小波變換分解，提取出水平和垂直方向的高頻分量，聚焦評價函數描述為F=(j,+|cv|)3其中，c"cv分別表示水平高頻系數矩陣和垂直高頻系數矩陣。當圖像清晰時，圖像的聚焦評價函數值最大。聚焦算法模塊計算出當前場圖像的聚焦函數值并與前一場聚焦函數值比較，若當前場聚焦函數值大于前一場聚焦函數值，則輸出高電平到搜索策略模塊，表明當前場比前一場清晰；若當前場聚焦函數值小于前一場聚焦函數值，則輸出低電平'0'到搜索策略模塊，表明當前場比前一場模糊，本發(fā)明所用的聚焦算法對應的聚焦函數值曲線如圖io所示，其中橫坐標對應步進電機的相對位置，縱坐標對應圖像的聚焦函數值。搜索策略模塊接收聚焦算法模塊輸出的聚焦函數值比較結果，若接收信號為'r，則表明當前場比前一場清晰，驅動步進電機朝同一方向繼續(xù)轉動；若接收信號為'0，，則表明當前場比前一場模糊，驅動步進電機朝反方向轉動。本發(fā)明使用光學鏡頭的聚焦步進電機為兩相雙極性步進電機，此電機采用兩相勵磁方式，其狀態(tài)變化如下表<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>其中，A和-A分別代表A相繞組正端和負端功率橋控制信號；B和-B分別代表B相繞組正端和負端功率橋控制信號。上述任意一個相鄰狀態(tài)間的變化，步進電機轉動一個步距角，即移動一步。所以可通過控制狀態(tài)間變化的個數來精確地控制步進電機移動的步數，從而可精確地控制步進電機的轉動。FPGA中的自動光圈模塊根據接收的數字亮度信號和行、場同步信號求出一場圖像的平均亮度，若平均亮度大于某一設定范圍，則產生驅動鏡頭光圈直流電機的PWM信號，使鏡頭中的光圈孔徑縮小，直至當前場的平均亮度在預定范圍內；若平均亮度小于某一范圍，則產生驅動鏡頭光圈直流電機的PWM信號，使鏡頭中的光圈孔徑擴張，直至當前場的平均亮度在預定范圍內，從而可實現(xiàn)鏡頭的自動光圈控制。驅動光學鏡頭中聚焦步進電機的驅動信號和驅動光學鏡頭中光圈直流電機的驅動信號經過信號放大電路8放大后輸出至光學鏡頭連接接口10，光學鏡頭13的信號線與光學鏡頭接口IO相連。FPGA中VGA顯示控制器模塊接收圖像格式識別模塊輸出的數字視頻信號，利用外部SDRAM存儲器芯片6作為幀緩存實現(xiàn)圖像由隔行到逐行的轉換，將幀率提升到60HZ，并將圖像放大到1024*768標準XGA分辨率視頻格式，D/A轉換器芯片7將FPGA芯片4輸出的數字RGB信號轉換成模擬信號并與FPGA芯片4輸出的行場同步信號輸出到VGA信號輸出接口9，則可在VGA終端顯示設備上實時顯示該系統(tǒng)輸入的視頻圖像，便于主觀評測聚焦效果。實施例2只有以下與實施例1不同，F(xiàn)PGA芯片5采用XC2S300E，F(xiàn)PGA配置芯片6采用XCF02S，SDRAM存儲器芯片7采用HY57V643220，D/A轉換芯片8采用ADV7125。其它同實施例l。^只有以下與實施例1不同，F(xiàn)PGA芯片5釆用XC3S250E，F(xiàn)PGA配置芯片6采用XCF02S，SDRAM存儲器芯片7采用HY57V643220，D/A轉換芯片8采用ADV7125。其它同實施例l。實施例4只有以下與實施例3不同，F(xiàn)PGA配置芯片6采用M25P20，SDRAM存儲器芯片7采用HY57V281620，D/A轉換芯片8采用CS7123。其它同實施例3。實施例5只有以下與實施例3不同，F(xiàn)PGA芯片5采用XC3S500E，F(xiàn)PGA配置芯片6采用M25P40，SDRAM存儲器芯片7采用HY57V281620，D/A轉換芯片8采用CS7123。其它同實施例3。實施例6只有以下與實施例4不同，F(xiàn)PGA芯片5采用XC3S500E，F(xiàn)PGA配置芯片6采用XCF04S，SDRAM存儲器芯片7采用HY57V283220,D/A轉換芯片8采用CS7123L。其它同實施例4。權利要求1、一種自動聚焦控制裝置是由數字視頻信號輸入接口、電源輸入接口(3)、電路板、VGA信號輸出接口(9)、光學鏡頭連接接口(10)、外殼(11)和光學鏡頭(13)組成，其特征在于外殼(11)上裝有CCIR601標準的數字視頻信號接口(1)、CCIR656標準的數字視頻信號接口(2)、電源接口(3)、功能按鍵(12)、鏡頭連接接口(10)VGA信號輸出接口(9)和光學鏡頭(13)，外殼(11)內的電路板上安裝有FPGA芯片(4)、FPGA配置芯片(5)、SDRAM存儲器芯片(6)、D/A轉換芯片(7)和信號放大電路(8)。2、如權利要求1所述的一種自動聚焦控制裝置，其特征在于FPGA芯片(4)通過電路板上導線分別連接至CCIR601標準數字視頻信號接口(1)、CCIR656標準數字視頻信號接口(2)、FPGA配置芯片(5)、SDRAM存儲器芯片(6)、D/A轉換芯片(7)、信號放大電路(8)和功能按鍵(12)，D/A轉換芯片(7)通過電路板導線連接至VGA信號輸出接口(9)，信號放大電路(8)的輸出通過電路板上導線連接至鏡頭連接接口(10)，光學鏡頭(13)的信號線連接在鏡頭連接接口(10),并固定在外殼上，功能按鍵(12)通過導線連接至FPGA芯片(4)，通過電源接口(3)外接直流電源。3、如權利要求1所述的一種一種自動聚焦控制裝置，其特征在于所述的按鍵(12)采用4個按鈕組成按鍵鍵盤，4個按鍵功能分配為輸入選擇、自動聚焦、聚焦遠和聚焦近。4、如權利要求1-3任一項所述的一種自動聚焦控制裝置，其特征在于所述的FPGA芯片(4)采用XC2S100E、XC2S150E、XC2S200E、XC2S300E、XC2S400E、XC2S600E、XC3S200、XC3S400、XC3S1000、XC3S1500、XC3S2000、XC3S4000、XC3S5000、XC3S100E、XC3S250EXC3S500E、XC3S1200E或XC3S1600E。5、如權利要求1-3任一項所述的一種自動聚焦控制裝置，其特征在于所述的FPGA配置芯片(5)采用XCF01S、XCF02S、XCF04S、M25P20、M25P40、AT45DB011B、AT45DB011D、AT45DB021B、AT45021D、AT45DB041B或AT45041D。6、如權利要求1-3任一項所述的一種自動聚焦控制裝置，其特征在于所述的SDRAM存儲器芯片(6)采用HY57V641620、HY57V643220、HY57V281620、HY57V283220、KM416S4020B、KM416S4030B、KM416S4030C或MT48LC4M16A2。7、如權利要求1-3任一項所述的一種自動聚焦控制裝置，其特征在于所述的D/A轉換芯片(7)采用ADV7123、ADV7125、CS7123、CS7123L或HI1178。8、如權利要求1-3任一項所述的一種自動聚焦控制裝置，其特征在于所述的VGA信號輸出接口(9)采用DB15針VGA標準接口。專利摘要一種自動聚焦控制裝置由數字視頻信號輸入接口、電源接口(3)、電路板、光學鏡頭連接接口(10)、光學鏡頭(13)、VGA輸出接口(9)和外殼(11)組成。其特征在于外殼上裝有符合CCIR601標準的數字視頻信號接口(1)、符合CCIR656標準的數字視頻信號接口(2)、電源接口(3)、功能按鍵(12)、光學鏡頭連接接口(10)和VGA信號輸出接口(9)，外殼內的電路板上安裝有FPGA芯片(4)、FPGA配置芯片(5)、SDRAM存儲器芯片(6)、D/A轉換芯片(7)和信號放大電路(8)。本實用新型具有硬件電路簡單，有著聚焦速度快、聚焦精確等優(yōu)點。文檔編號G03B13/36GK201184945SQ200820077008公開日2009年1月21日申請日期2008年4月15日優(yōu)先權日2008年4月15日發(fā)明者何小剛,博張,張起貴,程永強申請人:太原理工天成電子信息技術有限公司