基于TMS320DM642的攝像機自動調焦系統的實現

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的攝像機自動調焦系統的實現

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）

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

數字信號處理；攝像機；自動調焦系統

1 引言

成像質量的好壞直接關系到光學測量及偵察設備的測量結果。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，會造成離焦現象。在條件允許時可以通過光學玻璃的匹配和機械結構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裝置，帶動調焦鏡組沿軸向運動，來保證光學鏡頭總的離焦量在焦深之內，以滿足攝像機成像質量的要求。

調焦可以通過手動和自動兩種方法實現。對光學鏡頭進行手動調焦，其調節過程長，調焦精度受人員主觀因素的影響較大。在觀察目標時經常手動調焦，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，是近年來攝像機發展的趨勢。

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

2 自動調焦方法

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

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，但算法復雜耗時。本系統主要應用于空中對地的實時觀察，希望調焦時間盡量短些，因此，不考慮采用耗時較多的頻域法。該自動調焦系統基本原理是利用圖像處理方法獲得圖像的微分幅值，并尋找相應幅值的最大值位置，而該幅值的最大值位置對應圖像的最佳聚焦位置。

3 調焦評價函數

調焦評價函數在這里是指通過圖像處理獲取圖像清晰度信息的數學表達式，其大致可以歸結為灰度梯度函數、頻域函數、信息學函數和統計學函數等幾類。從調焦的復雜度和穩定性來說，灰度梯度函數比其它幾類函數具有更好的實用性。以下是8種常用的灰度梯度函數。

（1）絕對方差函數：

（2）Brenner函數：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：

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

（4）梯度向量模方函數：

（5）梯度向量平方函數：

（6）Variance函數：

它利用圖像灰度的方差作為調焦評價函數，其表達式為：

式中u為評價區域內的像素灰度平均值。

（7）Tenengrad函數：

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：

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果，其表達式為：

4 自動調焦系統設計

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

圖1 自動調焦系統框圖Fig.1 Schematic diagram of automatic focusing system

本系統的DSP選用了TI公司的TMS320DM642。該芯片因其基于TI公司開發的第二代高性能、先進的甚長指令字（VLIW）結構，成為數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，可以提供節省時間的高速DSP編程。DM642有3個可配置的視頻口外設（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公司為其開發的DSP芯片專門設計了一個尺寸可伸縮的實時內核DSP/BIOS。DSP/BIOS是為那些需要實時線程調度與同步、主機與目標DSP間通信或實時監測的應用而設計的。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支持多任務的環境，為實現實時自動調焦提供了保證。在進行視頻圖像采集的間隙，可以通過任務切換實現電機的控制，而在電機的轉動過程中，讓該任務休眠，實現圖像的采集。通過圖像采集和電機控制這兩個任務的協調工作，實現了實時的自動調焦過程。

5 圖像預處理

在成像系統的自動調焦過程中，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具有自動調光功能，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，會導致以灰度值為計算依據的調焦評價函數受到影響，使相對清晰的圖像由于亮度較低，其評價函數值反而低于亮度較高的不清晰圖像，由此調焦評價函數曲線出現局部峰值（即假峰）。因此，必須對圖像灰度進行歸一化。

圖2（a）為同一視場連續采集100frame的圖像，圖2（b）調焦評價函數值。從實驗結果可以看出上述原因導致的波動，同時該波動對調焦過程的穩定性會產生一定影響。為此在調焦過程中需要對計算調焦評價函數的位置進行連續采樣，將所得調焦評價函數取均值，這樣可大大減小所測數值的波動性，從而提高調焦函數輸出值的穩定性。

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

6 調焦評價函數的選取

自動調焦系統中，如何選取一個合適的調焦評價函數非常重要。理想的調焦評價函數應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，評價函數才達到極值；（2）單峰性，即評價函數在調焦范圍內有且只有一個極值；（3）較高的信噪比，即在一定噪聲干擾下，能夠保證系統正確地檢測到離焦信號；（4）計算量小，這是快速自動調焦的一個先決條件；（5）靈敏度高，即能夠正確區分聚焦和輕微離焦，這是精確聚焦的內在要求。

大量實驗表明，Variance函數具有較大的調焦范圍，而且近似為線性變化，但是靈敏度較低，適于大范圍粗調焦。梯度向量平方函數、Laplacian函數和Tenengrad函數調焦范圍小、靈敏度高、穩定性好，適合于小范圍精確調焦。

7 調焦實現

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

一般具有調焦功能的攝像機的光學系統在設計上采用如圖3所示的變倍加補償（機械凸輪或電子凸輪）的結構，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，不需要前調焦。當需要對近距離目標進行觀察時，補償組不足以補償掉所有的離焦量，這時需要用電機帶動前調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焦就能達到調焦的目的。從幾個小范圍調焦的函數來看，梯度向量平方函數在計算量和穩定性上都比較具有優勢，故本文選擇該函數作為調焦的評價函數。圖4為調焦過程中調焦評價函數變化趨勢的示意圖。

根據圖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所示的自動調焦程序流程。圖5選用了經典的爬坡算法，根據上圖進行編程，實現了基于圖像處理的實時自動調焦過程，圖6為調焦實驗結果。

圖4 調焦評價函數值變化趨勢示意圖Fig.4 Variation trend of focusing evaluation function

圖5 自動調焦流程圖Fig.5 Flow diagram of automatic focusing

圖6為同一視場在處于明和暗兩種環境條件下調焦的結果。結果表明，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，而且調焦評價函數具有明顯的單峰性；采用帶有補償機構的光學鏡頭，在小范圍離焦的情況下，可以快速找到調焦評價函數值的峰值點，使CCD靶面進入光學鏡頭的焦深之內。

圖6 明、暗視場調焦結果Fig.6 Focasing results in bright and dark field

8 結論

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

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

YAN Long-jun1，2，XIONGWen-zhuo1
（1.Changchun Institute of Optics，Fine 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，四川內江人，碩士研究生，主要從事偵察攝像機自動調焦系統方面的研究。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