一種基于cpld和mcu的自動聚焦高清攝像的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明適用于攝像機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】，提供一種基于CPLD和MCU的自動聚焦高清攝像機(jī)，包括可輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻信號的視頻處理芯片以及電動鏡頭驅(qū)動組件，所述攝像機(jī)還包括CPLD和MCU，所述CPLD對所述視頻處理芯片輸出的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻信號進(jìn)行亮度提取和聚焦評價函數(shù)計(jì)算，輸出聚焦評價函數(shù)值，所述MCU根據(jù)所述聚焦函數(shù)評價值進(jìn)行爬山搜索算法計(jì)算輸出電機(jī)控制信號，所述電動鏡頭驅(qū)動組件根據(jù)所述電機(jī)控制信號控制聚焦馬達(dá)完成自動聚焦。本發(fā)明利用CPLD和MCU各自的特點(diǎn)，有效發(fā)揮器件自身優(yōu)勢進(jìn)行任務(wù)分配和資源整合，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠、高靈敏度、低時延特性的自動聚焦功能，與現(xiàn)有自動聚焦技術(shù)解決方案相比，可以明顯降低物料成本。
【專利說明】—種基于CPLD和MCU的自動聚焦高清攝像機(jī)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于監(jiān)控?cái)z像機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種基于CPLD和MCU的高清攝像機(jī)。所述高清攝像機(jī)可實(shí)現(xiàn)快速自動聚焦功能。
【背景技術(shù)】
[0002]2010年深圳安博會，眾多安防設(shè)備生產(chǎn)廠家紛紛推出了高清視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)，從而正式開啟了高清視頻監(jiān)控時代。從“看得見”到“看得清”，高清視頻監(jiān)控借助數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，迅速獲得了市場認(rèn)可及青睞，據(jù)統(tǒng)計(jì)，如今高清監(jiān)控設(shè)備市場份額達(dá)到56%，已經(jīng)超過傳統(tǒng)模擬攝像機(jī)市場份額，高清攝像機(jī)正被越來越多的應(yīng)用于機(jī)場、道路、運(yùn)輸、港口碼頭、邊檢口岸、平安城市等安防監(jiān)控領(lǐng)域。
[0003]高清攝像機(jī)一般來說配用的鏡頭種類可分為:固定焦距鏡頭、手動變焦鏡頭、電動變焦鏡頭等。其中配用電動變焦鏡頭時，攝像機(jī)需支持電動變焦鏡頭的變焦控制、聚焦控制及光圈控制。變焦控制及光圈控制相對來說技術(shù)成熟，研發(fā)難度不高。但聚焦控制，實(shí)現(xiàn)起來有不小的技術(shù)難度。
[0004]通過FPGA實(shí)現(xiàn)自動聚焦是目前的一種常用該方案，首先用模數(shù)轉(zhuǎn)換器對視頻進(jìn)行采樣，經(jīng)過模式采樣后的數(shù)字化視頻數(shù)據(jù)輸入給FPGA做視頻濾波、亮度提取、自動聚焦評價函數(shù)計(jì)算機(jī)及自動聚焦爬山算法實(shí)現(xiàn)，整個自動聚焦都由FPGA來實(shí)現(xiàn)，因此該方案對于FPGA性能要求較高，實(shí)現(xiàn)硬件成本至少60元人民幣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于CPLD和MCU的自動聚焦高清攝像機(jī)，旨在解決現(xiàn)有通過FPGA實(shí)現(xiàn)自動聚焦方案的成本較高的技術(shù)問題。
[0006]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，所述基于CPLD和MCU的自動聚焦高清攝像機(jī)，包括可輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻信號的視頻處理芯片以及電動鏡頭驅(qū)動組件，所述攝像機(jī)還包括CPLD和MCU，所述CPLD對所述視頻處理芯片輸出的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻信號進(jìn)行亮度提取和聚焦評價函數(shù)計(jì)算，輸出聚焦評價函數(shù)值，所述MCU根據(jù)所述聚焦函數(shù)評價值進(jìn)行爬山搜索算法計(jì)算輸出電機(jī)控制信號，所述電動鏡頭驅(qū)動組件根據(jù)所述電機(jī)控制信號控制聚焦馬達(dá)完成自動聚焦。
[0007]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明采用CPLD和MCU代替FPGA完成自動聚焦功能，CPLD時延小、并行數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)高速視頻數(shù)據(jù)運(yùn)算處理，本發(fā)明中將其用于亮度提取和聚焦評價函數(shù)計(jì)算，MCU在復(fù)雜單線程運(yùn)算處理方面具有顯著優(yōu)勢，本發(fā)明中將其用爬山搜索算法計(jì)算，得到鏡頭的最佳聚焦位置，本發(fā)明利用CPLD和MCU各自的特點(diǎn)，有效發(fā)揮器件自身優(yōu)勢進(jìn)行任務(wù)分配和資源整合，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠、高靈敏度、低時延特性的自動聚焦功能，與現(xiàn)有采用FPGA方案相比，可以明顯降低物料成本。
【專利附圖】

【附圖說明】[0008]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于CPLD和MCU的自動聚焦高清攝像機(jī)的結(jié)構(gòu)圖；
[0009]圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的CPLD結(jié)構(gòu)方框圖；
[0010]圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的PAL制式的BT.656圖像行輸出時序圖；
[0011]圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的MCU結(jié)構(gòu)方框圖；
[0012]圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的聚焦評價函數(shù)值與馬達(dá)步進(jìn)關(guān)系曲線圖；
[0013]圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的爬山搜索算法示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0015]為了說明本發(fā)明所述的技術(shù)方案，下面通過具體實(shí)施例來進(jìn)行說明。
[0016]圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的基于CPLD和MCU的自動聚焦高清攝像機(jī)的結(jié)構(gòu)，為了便于說明僅示出了與本發(fā)明實(shí)施例相關(guān)的部分。
[0017]本實(shí)施例提供的基于CPLD和MCU的自動聚焦高清攝像機(jī)包括可輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻信號的視頻處理芯片I以及電動鏡頭驅(qū)動組件4，所述攝像機(jī)還包括現(xiàn)場可編程邏輯器件2 (CPLD)和微處理器3 (MCU)，所述視頻處理芯片1、CPLD, MCU、電動鏡頭驅(qū)動組件4順次連接，優(yōu)選的，所述CPLD和MCU通過12C接口連接，所述CPLD對所述視頻處理芯片輸出的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻信號進(jìn)行亮度提取和聚焦評價函數(shù)計(jì)算，輸出聚焦評價函數(shù)值，所述MCU根據(jù)所述聚焦函數(shù)評價值進(jìn)行爬山搜索算法計(jì)算輸出電機(jī)控制信號，所述電動鏡頭驅(qū)動組件根據(jù)所述電機(jī)控制信號控制聚焦馬達(dá)完成自動聚焦。
[0018]本實(shí)施例采用低成本的CPLD和MCU配合，進(jìn)行任務(wù)分配，實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化高時效性的自動聚焦功能，是一種低成本的高清攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)自動聚焦的設(shè)計(jì)方案。具體的，高清攝像機(jī)中所述視頻處理芯片I預(yù)留有8bit數(shù)字視頻信號輸出接口，配置該接口輸出標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻信號，比如BT.656信號，采用此信號作為聚焦算法視頻源信號。視頻處理芯片I的Sbit數(shù)字視頻信號輸出接口輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻信號，CPLD對所述標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻信號進(jìn)行亮度提取和聚焦評價函數(shù)計(jì)算，通過I2C接口輸出聚焦評價函數(shù)值至MCU，MCU根據(jù)聚焦評價函數(shù)值進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，運(yùn)用爬山搜索算法計(jì)算輸出電機(jī)控制信號，所述電動鏡頭驅(qū)動組件4根據(jù)所述電機(jī)控制信號控制聚焦馬達(dá)完成自動聚焦。優(yōu)選的，所述電機(jī)控制信號為PWM信號，所述電動鏡頭驅(qū)動組件4包括H橋芯片、聚焦馬達(dá)。具體的，MCU通過爬山算法計(jì)算后，輸出2路PWM信號到H橋芯片(ROHM公司的電機(jī)驅(qū)動芯片BD6220)，通過改變PWM占空比來改變驅(qū)動電流大小及方向，從而驅(qū)動聚焦馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)自動聚焦功能。
[0019]作為一種具體實(shí)現(xiàn)方式，如圖2所示，所述CPLD包括:
[0020]亮度提取單元21，用于根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻信號中的引導(dǎo)碼識別出有效視頻數(shù)據(jù)，并從所述有效視頻數(shù)據(jù)中提取出亮度分量；
[0021]聚焦評價單元22，用于根據(jù)所述亮度分量以及聚焦評價函數(shù)計(jì)算聚焦評價函數(shù)值。
[0022]下面以BT.656標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號為例，說明CPLD的具體工作方式。
[0023]BT.656數(shù)字信號(又稱CCIR656，格式為YCbCr4:2:2)內(nèi)包含了視頻同步信號、亮度(Y)信號及色度(C)信號，其中能有效反映視頻聚焦清晰度值的為亮度信號中的高頻分量，因此亮度提取單元21需先對BT.656數(shù)字視頻進(jìn)行亮度信號提取，過濾掉無用的色度及同步信號。根據(jù)輸出制式的不同，BT.656的數(shù)字格式也會稍有不同，對于NTSC制式是525/60，即一幀圖像為525行，場頻為60Hz ;而對于PAL制式則為625/50，即一幀圖像為625行，場頻為50Hz，且它們都是隔行輸出。對于PAL制式的BT.656圖像，輸出的數(shù)字圖像有效像素大小為720X576。
[0024]PAL制式的BT.656圖像行輸出時序如圖3所示，對于BT.656的行數(shù)據(jù)來說，它主要包括同步信號和亮度、色度信號。其中，同步信號為有效視頻開始標(biāo)記(SAV)和有效視頻結(jié)束標(biāo)記(EAV)，利用這些引導(dǎo)碼，可以完成行同步、場同步和亮度及色度有效數(shù)據(jù)等狀態(tài)的判斷，同時同步信號為CPLD軟同步提供了有效的依據(jù)。行有效數(shù)據(jù)的輸出順序依次為:Cb、Y、Cr、Y、Cb、Y、Cr、Y、…，相鄰的兩個灰度分量Y共用一個色差信號Cb或Cr，共有720個Y信號，即可生成720個行像素點(diǎn)。由于圖像是隔行輸出的，即一幀圖像有奇場和偶場，所以在625行的數(shù)字圖像中，除去相關(guān)的消隱行之外，剩下288行的奇場數(shù)據(jù)，，288行的偶場數(shù)據(jù)，共構(gòu)成576行有效視頻數(shù)據(jù)。因此通過BT.656數(shù)字信號中的引導(dǎo)碼，可以識別出有效視頻數(shù)據(jù)。
[0025]亮度提取單元21提取出亮度分量Y (8bit)后，聚焦評價單元22根據(jù)所述亮度分量以及聚焦評價函數(shù)計(jì)算聚焦評價函數(shù)值。本實(shí)施例中，采用一種改進(jìn)的灰度差分法作為聚焦評價函數(shù)，這是一種優(yōu)化后的聚焦評價函數(shù)，所述聚焦評價函數(shù)為一幀圖像的所有像素與其周圍像素亮度差的平方的累加，作為一種聚焦評價函數(shù)F的表達(dá)方式，如下:
【權(quán)利要求】
1.一種基于CPLD和MCU的自動聚焦高清攝像機(jī)，包括可輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻信號的視頻處理芯片以及電動鏡頭驅(qū)動組件，其特征在于，所述攝像機(jī)還包括CPLD和MCU，所述CPLD對所述視頻處理芯片輸出的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻信號進(jìn)行亮度提取和聚焦評價函數(shù)計(jì)算，輸出聚焦評價函數(shù)值，所述MCU根據(jù)所述聚焦函數(shù)評價值進(jìn)行爬山搜索算法計(jì)算輸出電機(jī)控制信號，所述電動鏡頭驅(qū)動組件根據(jù)所述電機(jī)控制信號控制聚焦馬達(dá)完成自動聚焦。
2.如權(quán)利要求1所述基于CPLD和MCU的自動聚焦高清攝像機(jī)，其特征在于，所述CPLD包括: 亮度提取單元，用于根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻信號中的引導(dǎo)碼識別出有效視頻數(shù)據(jù)，并從所述有效視頻數(shù)據(jù)中提取出亮度分量； 聚焦評價單元，用于根據(jù)所述亮度分量以及聚焦評價函數(shù)計(jì)算聚焦評價函數(shù)值。
3.如權(quán)利要求2所述基于CPLD和MCU的自動聚焦高清攝像機(jī)，其特征在于，所述聚焦評價函數(shù)為一幀圖像的所有像素與其周圍像素亮度差的平方的累加。
4.如權(quán)利要求3所述基于CPLD和MCU的自動聚焦高清攝像機(jī)，其特征在于，所述MCU包括: 爬山搜索單元，不斷微調(diào)聚焦鏡頭的位置，根據(jù)最新記錄的三個聚焦函數(shù)評價值計(jì)算出聚焦位置，輸出對應(yīng)的電機(jī)控制信號。
5.如權(quán)利要4所述基于CPLD和MCU的自動聚焦高清攝像機(jī)，其特征在于，所述MCU還包括: 聚焦過濾單元，用于統(tǒng)計(jì)相鄰兩個聚焦函數(shù)評價值的數(shù)值差，過濾掉所述數(shù)值差在預(yù)設(shè)閾值范圍之外的聚焦函數(shù)評價值。
6.如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述基于CPLD和MCU的自動聚焦高清攝像機(jī)，其特征在于，所述CPLD與MCU通過12C接口連接。
7.如權(quán)利要求6所述基于CPLD和MCU的自動聚焦高清攝像機(jī)，其特征在于，所述電機(jī)控制信號為脈沖寬度調(diào)制信號。
8.如權(quán)利要求7所述基于CPLD和MCU的自動聚焦高清攝像機(jī)，其特征在于，所述標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字視頻信號是BT.656YCbCr4:2:2數(shù)字視頻信號。
【文檔編號】H04N5/232GK103561203SQ201310558097
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月12日
【發(fā)明者】李君橋 申請人:武漢微創(chuàng)光電股份有限公司