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一体化摄像机变焦控制系统的设计

2010-10-15 10:57| 发布者: 浪涛| 查看: 7306| 评论: 1|原作者: 视觉印象

作者:太原理工大学信息工程学院张博,张刚,程永强
摘要:研究了一体化摄像机光学镜头中变倍电机和聚焦电机的控制原理,实现了步进电机初始位置检测、图像变倍时变倍电机与聚焦电机的配合驱动。为了适应不同物距的变倍跟踪,提出了一种改进的灰度差分自动聚焦算法,计算当前图像的聚焦函数值并采用爬山搜索策略实现了图像的自动聚焦。整个系统采用VHDL实现,并在Xilinx Virtex-5 FPGA开发板上验证。
关键词:变焦控制;一体化摄像机;自动聚焦;步进电机;FPGA


1  引言
    一体化摄像机内置光学镜头,具有变倍、自动聚焦功能,其结构小巧、使用方便、监控范围广,已广泛应用于教学视频展台、视频监控等领域。变焦控制可实现图像的变倍跟踪、自动聚焦,是一体化摄像机设计中的关键技术之一。步进电机可将电脉冲信号转换成角位移 [1-2],每接收一个脉冲信号就可驱动步进电机转动一个固定角度,实现物体的准确定位,通过控制脉冲的频率可控制电机转动的速度,步进电机已广泛应用于高精度控制系统中。一体化摄像机光学镜头中包含变倍步进电机与聚焦步进电机,变倍电机转动时,为使图像聚焦清晰,聚焦电机也应随之转动,具体转动步数与物距有关,具体参数可由镜头生产厂家提供的变焦跟踪曲线获得。为了适应不同物距的清晰成像,变倍跟踪结束后,还应进行自动聚焦,以显示清晰的图像。
    图像聚焦程度与其高频分量有关,图像聚焦时,其包含的高频分量最大,图像最清晰,通常采用聚焦评价函数来描述图像的清晰程度。常用的聚焦评价函数主要有高频分量法、平滑法、阈值积分法、灰度差分法、拉普拉斯像能函数等 [3-5]。为了提高聚焦速度,本文采用改进的灰度差分法实时计算每场图像的聚焦函数值,判断当前图像清晰与否,采用爬山搜索策略,实现图像的快速自动聚焦。快速自动聚焦的实现与变倍跟踪曲线的精度、自动聚焦算法的优劣、搜索策略、电机驱动速度等因素有关。由于FPGA器件的可并行处理能力及其在系统编程中的灵活性,其应用越来越广泛,同时随着微处理器、专用逻辑器件以及DSP 算法以IPCore的形式嵌入到FPGA中 [6],FPGA实现的功能越来越强。笔者设计的变焦控制系统采用VHDL语言描述,在Xilinx Virtex-5FPGA开发板上验证。
2  步进电机工作原理
    本文选用的光学镜头具有变倍和聚焦两个步进电机,光学变焦22倍,步距角18°,每步位移量0.02mm,脉冲输入速度(即转速)为600~800 pulse/s(脉冲/秒),采用2-2相驱动励磁方式,驱动脉冲变化如表1所示。
    若驱动脉冲按1→2→3→4的方向循环发出,则步进电机带动的镜片朝靠近图像传感器方向移动,反之朝远离图像传感器方向移动,从而可通过产生不同的驱动脉冲控制电机的转动步数及转动方向。
    由于每次系统掉电时,步进电机的停止位置不固定,所以每次系统工作时,首先要进行步进电机位置的判断并驱动步进电机转到某一固定位置,如一倍放大位置。步进电机中用电机位置检测器来判断电机的位置,位置检测器电路如图1 所示。其工作原理为:当电机驱动的检测器运动到发光二极管与光敏三极管之间时,阻挡二极管发出的光线,则三极管处于截止状态,输出信号为高电平;当检测器离开中间位置时,发光二极管使三极管导通,则输出信号为低电平。由于二极管和三极管位置固定,所以输出信号电平跳变位置是固定的。
    变倍电机向靠近传感器方向转动时,图像放大,同时聚焦电机也应转动一定步数以得到清晰图像,变倍电机与聚焦电机对应的步数坐标称为变倍跟踪曲线,不同物距对应不同的变倍跟踪曲线。由于机械误差,同一型号的电机的变倍跟踪曲线稍有差异,为了适应不同电机需求,变倍放大后,聚焦电机根据变倍跟踪曲线对应转动一定步数后,再进行一次自动聚焦,便可得到清晰图像,同时也可适应不同物距需求。

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最新评论

引用  wangqiong45    2012-7-28 18:22
老师有点高级了,我看不懂呀,但几个月后我会再来研究的!!!

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