基于PXA255的自動(dòng)聚焦及圖像采集模塊設(shè)計(jì)

　　摘   要：本文介紹了一種基于Intel公司 PXA255嵌入式處理器的自動(dòng)聚焦圖像采集系統(tǒng)。其中詳細(xì)介紹了自動(dòng)聚焦在FPGA中的實(shí)現(xiàn)以及圖像采集在嵌入式linux系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)，并給出了該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。

　　關(guān)鍵詞：自動(dòng)聚焦；圖像采集；V4L視頻接口；嵌入式QT；離散余弦變換

引言

    目前市場(chǎng)上流行的攝像手機(jī)一般都不具備自動(dòng)聚焦功能，這對(duì)于傳感器分辨率在30萬(wàn)像素以下的攝像手機(jī)來(lái)說(shuō)影響不大，但隨著百萬(wàn)像素手機(jī)的面世，以及手機(jī)錄像功能的采用，人們對(duì)攝像頭的自動(dòng)聚焦功能越來(lái)越關(guān)注。本文在Xhyper255開(kāi)發(fā)板的基礎(chǔ)上，結(jié)合項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的需要，在開(kāi)發(fā)板上移植QT/embedded作為嵌入式GUI，并設(shè)計(jì)了自動(dòng)聚焦和圖像采集子模塊，其中自動(dòng)聚焦部分通過(guò)verilog HDL在開(kāi)發(fā)板上的FPGA上實(shí)現(xiàn)，圖像采集部分利用linux內(nèi)核提供的video 4 linux接口實(shí)現(xiàn)。最后的采集程序界面采用嵌入式QT設(shè)計(jì)工具designer進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1  硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

圖2  DCT變換模塊

圖3 DCT變換流程圖

圖4  自動(dòng)聚焦流程圖

基于圖像處理的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)算法

    與傳統(tǒng)的自動(dòng)聚焦算法相比，基于圖像處理的自動(dòng)聚焦算法的實(shí)現(xiàn)不需要額外的信號(hào)源和相應(yīng)的接收傳感器，這有利于縮小器件的體積以降低成本，并降低器件的功耗。

    在這類算法中，分析處理模塊直接對(duì)獲得的視頻圖像進(jìn)行處理，以得到相應(yīng)的判決函數(shù)，驅(qū)動(dòng)控制模塊則根據(jù)得到的聚焦判決函數(shù)信息來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)鏡頭前后移動(dòng)，直到獲得聚焦清楚的圖像。因此，構(gòu)造合理的判決函數(shù)就成了基于圖像處理的自動(dòng)聚焦算法的關(guān)鍵所在。理想的聚焦判決函數(shù)應(yīng)該具有單峰性、無(wú)偏性并能反映離焦的極性，同時(shí)應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

    在對(duì)目前的自動(dòng)聚焦判決函數(shù)做相應(yīng)的對(duì)比后，結(jié)合本系統(tǒng)的特點(diǎn)選擇2D-DCT變換去除其中的低頻成分，其余部分相加作為判決函數(shù)。2D-DCT變換的公式如式1所示。

(1)這里C(0)=1/，C(u)=C(v)   (u,v≠0)

自動(dòng)聚焦系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

    開(kāi)發(fā)平臺(tái)的搭建如圖1所示。

    采用Xhyper255嵌入式開(kāi)發(fā)板，圖像采集子系統(tǒng)采用如下硬件搭建：30萬(wàn)像素CMOS圖像傳感器OV7620、 MCS51單片機(jī)、USB控制器OV511+、 步進(jìn)電機(jī)和變焦鏡頭。

    OV7620的主要特性為：?jiǎn)纹瑪?shù)字式彩色圖像傳感器;1/3光學(xué)格式；數(shù)字視頻輸出格式： 1~500倍的自動(dòng)曝光范圍；自動(dòng)增益和自動(dòng)白平衡；能進(jìn)行亮度、對(duì)比度、飽和度、伽馬校正等多種調(diào)節(jié)功能。664