摘  要： 基于Xilinx公司的Spartan-IIE系列FPGA XC2S300E-6-PQ208C完成了一種聚焦馬達(dá)驅(qū)動(dòng)及自動(dòng)聚焦" title="自動(dòng)聚焦" target="_blank">自動(dòng)聚焦的完整設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)接收CCD圖像傳感器套件輸出的圖像信號(hào)，采用一種改進(jìn)的灰度差分" title="差分" target="_blank">差分法作為聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)，即將一場(chǎng)圖像的所有像素的亮度值與周圍像素的亮度值差的絕對(duì)值的和作為聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)，根據(jù)相鄰?fù)瑘?chǎng)的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)的比較結(jié)果，配合相應(yīng)的搜索策略來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)圖像的自動(dòng)聚焦。實(shí)際實(shí)現(xiàn)的聚焦效果優(yōu)于改進(jìn)前的聚焦算法。 

    關(guān)鍵詞： FPGA；步進(jìn)電機(jī)；自動(dòng)聚焦；聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)

    自動(dòng)聚焦是現(xiàn)代光學(xué)成像系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵技術(shù)。隨著科技的迅速發(fā)展，數(shù)字成像系統(tǒng)的自動(dòng)聚焦問題受到人們的普遍關(guān)注，已廣泛應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、高分辨率監(jiān)控?cái)z像機(jī)和數(shù)字視頻展臺(tái)等產(chǎn)品，且其產(chǎn)品有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，如教育、銀行、煤礦、交通、醫(yī)療等監(jiān)控領(lǐng)域^[1]。 

    目前自動(dòng)聚焦技術(shù)相對(duì)比較成熟，自動(dòng)聚焦芯片種類也比較多，但其都是基于DSP實(shí)現(xiàn)的，基于FPGA的自動(dòng)聚焦芯片還沒有出現(xiàn)。本文采用一種改進(jìn)的灰度差分法作為焦距評(píng)價(jià)函數(shù)，用FPGA實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聚焦功能。 

    目前市面上聚焦馬達(dá)步進(jìn)電機(jī)的控制多是以單片機(jī)或DSP加步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的方式實(shí)現(xiàn)。本文采用FPGA直接輸出適用于步進(jìn)電機(jī)的角位移信號(hào)驅(qū)動(dòng)聚焦馬達(dá)，這樣可以在一片芯片上完成自動(dòng)聚焦的全部控制。該方案有很強(qiáng)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，且利于系統(tǒng)的功能擴(kuò)展，對(duì)于提高系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性、減小產(chǎn)品的體積和成本很有意義。 

1 聚焦控制系統(tǒng) 

    聚焦控制系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。 

    圖像傳感器輸出像素時(shí)鐘、行場(chǎng)參考信號(hào)和圖像亮度信號(hào)到FPGA，F(xiàn)PGA在輸入像素時(shí)鐘的同步下，通過對(duì)輸入圖像亮度信號(hào)的處理，采用一種改進(jìn)的灰度差分法作為聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)，判斷出相鄰兩場(chǎng)的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)值的比較結(jié)果，然后根據(jù)一定的搜索策略來控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聚焦。 

    系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)原則，按照現(xiàn)代EDA工程常用的“自頂向下”的設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行功能分離并按層次設(shè)計(jì)，用VHDL語言實(shí)現(xiàn)每個(gè)模塊的功能^[2]。該設(shè)計(jì)主要由自動(dòng)聚焦算法模塊、搜索策略模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。 

2 自動(dòng)聚焦算法 

2.1 一種改進(jìn)的自動(dòng)聚焦算法 

    判斷圖像是否聚焦與圖像的高頻成分有關(guān)，當(dāng)完全聚焦時(shí)，圖像清晰，包含邊緣信息的高頻分量最多。通常，判斷圖像聚焦與否是通過焦距評(píng)價(jià)函數(shù)衡量的。常用的焦距評(píng)價(jià)函數(shù)有以下幾種：高頻分量法、平滑法、閾值積分法、灰度差分法、拉普拉斯像能函數(shù)等^[3]。 

    灰度差分法是利用圖像的相鄰像素(左側(cè)及上側(cè)像素)差的絕對(duì)值之和作為焦距評(píng)價(jià)函數(shù)，即： 

其中，f(x，y)表示第x行、第y列像素的亮度值，像素的相對(duì)位置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中對(duì)于亮度比較均勻的圖像，其聚焦效果不理想，為此本文提出一種改進(jìn)的灰度差分法作為焦距評(píng)價(jià)函數(shù)。其算法描述如下： 

    式(2)中選取了鄰近的四個(gè)像素（左側(cè)、左上側(cè)、上側(cè)及右上側(cè)像素）作比較，增大了焦距評(píng)價(jià)函數(shù)的絕對(duì)值，搜索曲線尖銳，容易找到最佳位置。圖3是以簡(jiǎn)單的文本圖像（一張白紙上有幾個(gè)字）為例，在聚焦點(diǎn)附近測(cè)得20組聚焦值繪制的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線。 

    可以看出，改進(jìn)算法后在聚焦點(diǎn)附近曲線尖銳，與相鄰兩個(gè)聚焦位置的亮度差更大。通過實(shí)驗(yàn)，在同樣的搜索策略下，改進(jìn)后的算法比改進(jìn)前更能適用于多種畫面，尤其是亮度比較均勻的圖像，有著更高的精確性。 

2.2 搜索策略算法 

    聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)F與鏡頭位置關(guān)系曲線如圖4所示。當(dāng)聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)值F最大時(shí)，圖像最清晰，所以通過相鄰兩場(chǎng)的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)值的比較，即可判斷聚焦馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)方向^[4]。

    系統(tǒng)的搜索策略算法設(shè)計(jì)中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏡頭從初始位置出發(fā)先正轉(zhuǎn)一步，并根據(jù)聚焦算法模塊的輸出OUT進(jìn)行判決。當(dāng)OUT=1，表示后一場(chǎng)圖像比前一場(chǎng)清楚，搜索策略模塊則驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)鏡頭向前走一步，繼續(xù)比較下一個(gè)位置前后兩場(chǎng)圖像的清晰度；若OUT輸出仍為1，則繼續(xù)向前移動(dòng)，直到OUT輸出為0，則搜索策略模塊驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)向反方向倒退一步，此時(shí)鏡頭所處的位置為圖像最清楚的地方，即完成自動(dòng)聚焦。 

3 自動(dòng)聚焦算法的硬件實(shí)現(xiàn) 

3.1 改進(jìn)的聚焦算法的FPGA設(shè)計(jì) 

　　該模塊的FPGA設(shè)計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    RAM的大小為1 024×8bit，可以存放一行800個(gè)數(shù)據(jù)。讀寫選擇模塊將一幀圖像的第一行數(shù)據(jù)寫入RAM1，第二行數(shù)據(jù)寫入RAM2，第三行數(shù)據(jù)寫入RAM3，第四行數(shù)據(jù)寫入RAM4，同時(shí)將RAM1、RAM2、RAM3的數(shù)據(jù)讀出到聚焦算法計(jì)算模塊中；第五行數(shù)據(jù)則寫入RAM1，同時(shí)將RAM2、RAM3、RAM4的數(shù)據(jù)讀出。依此循環(huán)。聚焦算法計(jì)算模塊將每次接收的數(shù)據(jù)根據(jù)聚焦算法進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)前這幀計(jì)算的結(jié)果與前一幀的計(jì)算值相比較，將比較結(jié)果輸出到搜索策略模塊。若當(dāng)前圖像的聚焦函數(shù)值大于前相同場(chǎng)的聚焦函數(shù)值，可表明當(dāng)前圖像比前面相同場(chǎng)清楚，則輸出結(jié)果OUT為1，反之相反。 

3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn) 

    系統(tǒng)選用兩相雙極性步進(jìn)電機(jī)，其勵(lì)磁" title="勵(lì)磁" target="_blank">勵(lì)磁方式有全部勵(lì)磁和半步勵(lì)磁兩種方式。其中全步勵(lì)磁又分為一相勵(lì)磁和二相勵(lì)磁。半步勵(lì)磁又稱為一二相勵(lì)磁。本文中變焦電機(jī)采用的是二相勵(lì)磁方式，步距角18°，步長0.02mm。其勵(lì)磁方式如表1所示，其中A、-A分別代表A相繞組正端和負(fù)端功率橋控制信號(hào)，B、-B分別代表B相繞組正端和負(fù)端功率橋控制信號(hào)^[5]。 

    表1中任意一個(gè)狀態(tài)間的變化，步進(jìn)電機(jī)都會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角，即移動(dòng)一步。所以可以通過發(fā)狀態(tài)間變化的個(gè)數(shù)來精確地控制步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)的步數(shù)。而且按照如表1所示的脈沖順序從左向右變化實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)，反之實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)。 

    據(jù)此可以在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)四個(gè)一步模塊，分別實(shí)現(xiàn)1-2、2-3、3-4、4-1四個(gè)狀態(tài)間的變化，即實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)最基本的四步。通過使能模塊對(duì)四個(gè)一步模塊順序進(jìn)行使能，即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。該模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。 

    此外由于FPGA輸出脈沖信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電平和電流與步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求不匹配，因此FPGA輸出的脈沖信號(hào)需要先經(jīng)過放大再加載到步進(jìn)電機(jī)上。 

    具體的放大電路設(shè)計(jì)如圖7所示。由NPN、PNP三極管組成推挽電路實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)電流的放大。其中小寫字母為FPGA的輸出信號(hào)，大寫字母為經(jīng)過放大后輸出到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

    本文所述功能采用VHDL描述，并在Xilinx公司Spartan2E系列FPGA XC2S300E上實(shí)現(xiàn)。另外，通過示波器測(cè)得步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)波形如圖8所示。由上至下輸出的四路信號(hào)分別對(duì)應(yīng)表1中的A+、A-、B+、B-，其輸出勵(lì)磁方式也與表1相吻合。 

    本文實(shí)現(xiàn)的各功能模塊既可應(yīng)用于本系統(tǒng)中，也可作為獨(dú)立的、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的IP Core應(yīng)用于其他系統(tǒng)中。 

參考文獻(xiàn) 

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[3] 李奇，馮華君．?dāng)?shù)字圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)研究[J]．光子學(xué)報(bào)，2002，31（6）：736-738． 

[4] 劉義鵬．顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用.杭州：浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005． 

[5] 劉寶廷，程樹康.步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2003. 

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