专利名称：：一种自动聚焦控制装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一体化数字摄像机和数字照相机的一种自动聚焦控制装置。技术背景聚焦是通过光学镜头的折射作用，将景物光线聚集在正对镜头中央的图像传感器表面的感光区域，使曝光图像更清晰的过程。如果聚焦不良，图像就会显得很模糊。聚焦是通过前后校正镜头的位置决定的，而校正镜头位置是通过控制聚焦电机来实现的。聚焦的方法有两种，一种是手工校正镜头位置，称之为手动聚焦；一种是由成像设备内部的电路或程序进行检测和计算，根据检测结果自动校正镜头位置，称为自动聚焦。随着现代成像系统逐渐向智能化的方向发展，自动聚焦技术已成为成像系统中必不可少的一个部分。判断图像是否聚焦与图像的高频成分有关，当完全聚焦时，图像清晰，包含边缘信息的高频分量最多。传统的自动聚焦为模拟自动聚焦，即通过对图像传感器套件输出的模拟视频信号进行滤波，提取出反映图像清晰度的高频分量并输出到单片机控制器，单片机通过调节聚焦步进电机的转动，使图像高频分量值最大，图像达到清晰状态，从而实现图像的自动聚焦。此聚焦装置硬件电路较复杂。随着数字技术的发展，模拟聚焦方法在数码相机、数字摄像机等产品中的应用受到了一定的限制。
发明内容本发明的目的是提供一种硬件电路简单、使用数字技术进行自动聚焦的控制装置。本发明是基于现场可编程门阵列(FPGA)的图像自动聚焦控制装置，采用FPGA芯片对输入数字视频图像进行二维小波变换分解后，提取水平和垂直方向的高频分量，求出当前场图像的聚焦函数值，判断出相邻两场聚焦函数值的比较结果，经FPGA中搜索策略模块分析后，FPGA芯片直接输出驱动聚焦步进电机转动的脉冲信号，使当前图像的聚焦函数值最大，则当前图像最清晰，从而实现了图像的自动聚焦，为了便于主观评价聚焦效果，FPGA芯片内部加入了VGA显示控制器模块，利用单片SDRAM存储器芯片作为帧缓存，可将输入的CCIR601或CCIR656标准的数字视频信号转换成VGA格式，FPGA芯片输出的数字RGB信号经过D/A转换器芯片转换成模拟RGB信号，并与FPGA输出的行场同步信号输出到VGA信号输出接口，通过VGA信号输出接口可在VGA显示器上实时显示输入的视频图像。同时，通过对一场图像平均亮度值的分析，可实现光学镜头中光圈的自动控制。本发明由数字视频信号输入接口、电源接口、电路板、光学镜头连接接口、光学镜头、VGA信号输出接口和外壳组成。其特征在于外壳上装有CCIR601标准数字视频信号接口、CCIR656标准数字视频信号接口、电源接口、功能按键、镜头连接接口、VGA信号输出接口和光学镜头，外壳内的电路板上安装有FPGA芯片、FPGA配置芯片、SDRAM存储器芯片、D/A转换芯片和信号放大电路。FPGA芯片通过电路板上导线分别连接至CCIR601标准数字视频信号接口、CCIR656标准数字视频信号接口、FPGA配置芯片、SDRAM存储器芯片、D/A转换芯片、信号放大电路和功能按键，D/A转换芯片通过电路板导线连接至VGA信号输出接口，信号放大电路的输出通过电路板上导线连接至镜头连接接口，功能按键通过导线连接至FPGA芯片，通过电源接口外接直流电源。CCIR601标准数字视频信号接口和CCIR656标准数字视频信号接口通过电路板上导线分别连接至FPGA芯片，通过功能按键中的输入信号选择按键选择输入信号的格式，默认为CCIR601标准数字视频信号，FPGA对输入的数字视频信号进行分析后，输出驱动聚焦步进电机的脉冲信号，FPGA芯片输出的脉冲信号需要经过信号放大电路放大后再加载到步进电机上。FPGA芯片同时利用单片SDRAM存储器芯片作为帧缓存，将输入的PAL视频信号转换成VGA格式，经D/A转换器转换成模拟RGB信号，并输出到VGA信号输出接口，则通过外接VGA显示器可实时显示输入的图像，这样便于主观评价聚焦效果。按键中的"自动聚焦"按钮可开始进行图像自动聚焦，"聚焦远"和"聚焦近"按钮可实现图像的手动调焦。如上所述的FPGA芯片可以采用XC2S100E、XC2S150E、XC2S200E、XC2S300E、XC2S400E、XC2S600E、XC3S200、XC3S400、XC3S1000、XC3S1500、XC3S2000、XC3S4000、XC3S5000、XC3S100E、XC3S250EXC3S500E、XC3S1200E或XC3S1600E等。如上所述的FPGA配置芯片可以采用XCF01S、XCF02S、XCF04S、M25P20、M25P40、AT45DB011B、AT45DB011D、AT45DB021B、AT45021D、AT45DB041B或AT45041D等。如上所述的SDRAM存储器芯片可以采用HY57V641620、HY57V643220、HY57V281620、HY57V283220、KM416S4020B、KM416S4030B、KM416S4030C或MT48LC4M16A2等。如上所述的D/A转换芯片可以采用ADV7123、ADV7125、CS7123、CS7123L或HI1178等。如上所述的VGA输出接口采用DB15针VGA标准接口。如上所述的按钮键盘采用4个按钮组成按键键盘，4个按键功能分配如下输入选择/自动聚焦/聚焦远/聚焦近。本发明的技术解决方案为连接外部直流电源至电源接口，FPGA芯片从FPGA配置芯片中读取配置代码，接着从输入的数字视频信号中提取亮度信号和行、场同步信号并输出到自动聚焦模块和自动光圈模块，同时将数字视频信号输入到VGA显示控制器模块，自动聚焦模块实现了图像的自动聚焦，自动光圈模块根据当前图像的平均亮度信息实现了镜头的自动光圈控制，显示控制器模块利用外部SDRAM存储器芯片作为帧缓存，将输入的PAL视频信号转换成VGA格式。FPGA芯片中自动聚焦模块对输入的图像进行二维小波变换分解后，提取水平和垂直方向的高频分量，采用一定的自动聚焦算法，求出当前场的聚焦函数值，并求出相邻两场的聚焦函数值的比较结果，若当前场的聚焦函数值大于前场的聚焦函数值，则表明当前场比前一场清晰，反之则相反。FPGA芯片中搜索策略模块根据当前场和前一场的聚焦函数值的比较结果，来控制聚焦步进电机的转动方向，FPGA芯片中步进电机驱动模块产生驱动聚焦步进电机所需的脉冲信号来控制步进电机的转动，直至当前场的聚焦函数值最大，从而可实现图像的自动聚焦，FPGA芯片输出的驱动聚焦步进电机的脉冲信号经信号放大电路进行信号的电流放大后，输出到光学镜头连接接口，FPGA芯片输出的驱动镜头光圈的脉冲信号也经信号放大电路进行信号的电流放大后，输出到光学镜头连接接口。本发明的优点如下l.本发明硬件电路简单，由于FPGA芯片的在系统可编程性，系统便于软件升级。2.本发明集成了VGA显示控制器模块，可将输入的PAL视频信号转换成VGA格式，从而可在VGA显示终端上实时显示输入的视频图像，便于主观评价聚焦效果。3.本发明集成了VGA显示控制器模块和自动光圈模块，可应用于一体化摄像机的设计。4.本发明采用FPGA芯片对输入的图像进行二维小波变换分解后，提取图像的水平和垂直的高频分量，由于对根据整幅图像信息求聚焦函数值，聚焦更准确，适应环境广。5.本发明采用FPGA芯片直接输出驱动聚焦步进电机的脉冲信号，聚焦速度快。图1是本发明的内部结构示意图；图2是本发明的外部结构示意图；图3是本发明的FPGA芯片电路图；图4是本发明的FPGA配置芯片电路图；图5是本发明的SDRAM存储器芯片电路图；图6是本发明的D/A转换芯片电路图；图7是本发明FPGA内部功能模块；图8是本发明的FPGA内部自动聚焦模块的子功能模块；图9是本发明应用的二维小波变换分解图。如图所示，1是CCIR601标准数字视频信号输入接口，2是CCIR656标准数字视频信号输入接口，3是电源接口，4是FPGA芯片，5是FPGA配置芯片，6是SDRAM存储器芯片，7是D/A转换芯片，8是信号放大电路，9是VGA信号输出接口，IO是镜头连接接口，ll是外壳，12是按键，13是光学镜头，c/z表示水平高频系数矩阵，w表示垂直高频系数矩阵，W表示对角高频系数矩阵。具体实施方式实施例1FPGA芯片4采用XC2S100E，FPGA配置芯片5采用XCF01S，SDR認存储器芯片6采用HY57V641620，D/A转换芯片7采用ADV7123，VGA信号输出接口9采用DB15针VGA标准连接器。外壳11上装有CC工R601标准数字视频信号接口1、CC工R656标准数字视频信号接口2、电源接口3、功能按键12、镜头连接接口10、VGA信号输出接口9和光学镜头13，外壳11内的电路板上安装有FPGA芯片4、FPGA配置芯片5、SDRAM存储器芯片6、D/A转换芯片7和信号放大电路8。FPGA芯片4通过电路板上导线分别连接至CCIR601标准数字视频信号接口1、CCIR656标准数字视频信号接口2、FPGA配置芯片5、SDRAM存储器芯片6、D/A转换芯片7、信号放大电路8和功能按键12，D/A转换芯片7通过电路板导线连接至VGA信号输出接口9，放大电路8的输出通过电路板上导线连接至镜头连接接口10，光学镜头13的信号线连接在镜头连接接口10，并固定在外壳上，功能按键12通过导线连接至FPGA芯片4，通过电源接口3外接直流电源。视频信号输入接口1输入CCIR601标准数字视频信号，包括行同步信号、场同步信号、像素时钟信号和16位YUV(4:2:2)格式数据信号。视频信号输入接口2输入CCIR656标准数字视频信号，包括像素时钟信号和8位数据信号。FPGA芯片4对输入的数字视频信号首先进行格式识别，当对视频数据输入接口2输入的CCIR656标准数字视频信号处理时，FPGA芯片4首先从8位数据信号中提取行场同歩信号，并通过串并转换模块将其转换成16位数字YUV(4:2:2)格式信号，后续的处理方式与输入为CCIR601标准数字视频信号处理方式相同，亮度信号和行、场同步信号输出到FPGA芯片中的自动聚焦模块和自动光圈模块，数字视频信号与行场同步信号输出到VGA显示控制模块。FPGA芯片4内部自动聚焦功能模块分为聚焦算法、搜索策略和步进电机驱动模块。聚焦算法模块首先对输入的图像进行二维小波变换分解，提取出水平和垂直方向的高频分量，聚焦评价函数描述为其中，A、cv分别表示水平高频系数矩阵和垂直高频系数矩阵。当图像清晰时，图像的聚焦评价函数值最大。聚焦算法模块计算出当前场图像的聚焦函数值并与前一场聚焦函数值比较，若当前场聚焦函数值大于前一场聚焦函数值，则输出高电平q'到搜索策略模块，表明当前场比前一场清晰；若当前场聚焦函数值小于前一场聚焦函数值，则输出低电平'0'到搜索策略模块，表明当前场比前一场模糊，本发明所用的聚焦算法对应的聚焦函数值曲线如图IO所示，其中横坐标对应步进电机的相对位置，纵坐标对应图像的聚焦函数值。搜索策略模块接收聚焦算法模块输出的聚焦函数值比较结果，若接收信号为'r，则表明当前场比前一场清晰，驱动步进电机朝同一方向继续转动；若接收信号为'0'，则表明当前场比前一场模糊，驱动步进电机朝反方向转动。本发明使用光学镜头的聚焦步进电机为两相双极性步进电机，此电机采用两相励磁方式，其状态变化如下表<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>其中，A和-A分别代表A相绕组正端和负端功率桥控制信号；B和-B分别代表B相绕组正端和负端功率桥控制信号。上述任意一个相邻状态间的变化，步进电机转动一个步距角，即移动一步。所以可通过控制状态间变化的个数来精确地控制步进电机移动的步数，从而可精确地控制步进电机的转动。FPGA中的自动光圏模块根据接收的数字亮度信号和行、场同步信号求出一场图像的平均亮度，若平均亮度大于某一设定范围，则产生驱动镜头光圈直流电机的PWM信号，使镜头中的光圈孔径縮小，直至当前场的平均亮度在预定范围内；若平均亮度小于某一范围，则产生驱动镜头光圈直流电机的PWM信号，使镜头中的光圈孔径扩张，直至当前场的平均亮度在预定范围内，从而可实现镜头的自动光圈控制。驱动光学镜头中聚焦步进电机的驱动信号和驱动光学镜头中光圈直流电机的驱动信号经过信号放大电路8放大后输出至光学镜头连接接口10，光学镜头13的信号线与光学镜头接口IO相连。FPGA中VGA显示控制器模块接收图像格式识别模块输出的数字视频信号，利用外部SDRAM存储器芯片6作为帧缓存实现图像由隔行到逐行的转换，将帧率提升到60HZ，并将图像放大到1024*768标准XGA分辨率视频格式，D/A转换器芯片7将FPGA芯片4输出的数字RGB信号转换成模拟信号并与FPGA芯片4输出的行场同步信号输出到VGA信号输出接口9，则可在VGA终端显示设备上实时显示该系统输入的视频图像，便于主观评测聚焦效果。只有以下与实施例l不同，FPGA芯片5采用XC2S300E，FPGA配置芯片6采用XCF02S，SDRAM存储器芯片7采用HY57V643220，D/A转换芯片8采用ADV7125。其它同实施例1。实施例3只有以下与实施例l不同，FPGA芯片5采用XC3S250E，FPGA配置芯片6采用XCF02S，SDRAM存储器芯片7采用HY57V643220，D/A转换芯片8采用ADV7125。其它同实施例l。实施例4只有以下与实施例3不同，FPGA配置芯片6采用M25P20,SDRAM存储器芯片7采用HY57V281620，D/A转换芯片8采用CS7123。其它同实施例3。实施例5只有以下与实施例3不同，FPGA芯片5采用XC3S500E，FPGA配置芯片6采用M25P40，SDRAM存储器芯片7采用HY57V281620，D/A转换芯片8采用CS7123。其它同实施例3。实施例6只有以下与实施例4不同，FPGA芯片5采用XC3S500E，FPGA配置芯片6采用XCF04S，SDRAM存储器芯片7采用HY57V283220，D/A转换芯片8采用CS7123L。其它同实施例4。权利要求1、一种自动聚焦控制装置是由数字视频信号输入接口、电源输入接口(3)、电路板、VGA信号输出接口(9)、光学镜头连接接口(10)、外壳(11)和光学镜头(13)组成，其特征在于外壳(11)上装有CCIR601标准的数字视频信号接口(1)、CCIR656标准的数字视频信号接口(2)、电源接口(3)、功能按键(12)、镜头连接接口(10)VGA信号输出接口(9)和光学镜头(13)，外壳(11)内的电路板上安装有FPGA芯片(4)、FPGA配置芯片(5)、SDRAM存储器芯片(6)、D/A转换芯片(7)和信号放大电路(8)。2、如权利要求1所述的一种自动聚焦控制装置，其特征在于FPGA芯片(4)通过电路板上导线分别连接至CC工R601标准数字视频信号接口(1)、CCIR656标准数字视频信号接口(2)、FPGA配置芯片(5)、SDRAM存储器芯片(6)、D/A转换芯片(7)、信号放大电路(8)和功能按键(12)，D/A转换芯片(7)通过电路板导线连接至VGA信号输出接口(9)，信号放大电路(8)的输出通过电路板上导线连接至镜头连接接口(10)，光学镜头(13)的信号线连接在镜头连接接口(10)，并固定在外壳上，功能按键(12)通过导线连接至FPGA芯片(4)，通过电源接口(3)外接直流电源。3、如权利要求1所述的一种一种自动聚焦控制装置，其特征在于所述的按键(12)采用4个按钮组成按键键盘，4个按键功能分配为输入选择、自动聚焦、聚焦远和聚焦近。4、如权利要求卜3任一项所述的一种自动聚焦控制装置，其特征在于所述的FPGA芯片(4)采用XC2S100E、XC2S150E、XC2S200E、XC2S300E、XC2S400E、XC2S600E、XC3S200、XC3S400、XC3S1000、XC3S1500、XC3S2000、XC3S4000、XC3S5000、XC3S100E、XC3S250EXC3S500E、XC3S1200E或XC3S1600E。5、如权利要求1-3任一项所述的一种自动聚焦控制装置，其特征在于所述的FPGA配置芯片(5)采用XCF01S、XCF02S、XCF04S、M25P20、M25P40、AT45DB011B、AT45DB011D、AT45DB021B、AT45021D、AT45DB041B或AT45041D。6、如权利要求1-3任一项所述的一种自动聚焦控制装置，其特征在于所述的SDRAM存储器芯片(6)采用HY57V641620、HY57V643220、HY57V281620、HY57V283220、KM416S4020B、KM416S4030B、KM416S4030C或MT48LC4M16A2。7、如权利要求1-3任一项所述的一种自动聚焦控制装置，其特征在于所述的D/A转换芯片(7)采用ADV7123、ADV7125、CS7123、CS7123L或HI1178。8、如权利要求1-3任一项所述的一种自动聚焦控制装置，其特征在于所述的VGA信号输出接口(9)采用DB15针VGA标准接口。全文摘要一种自动聚焦控制装置由数字视频信号输入接口、电源接口(3)、电路板、光学镜头连接接口(10)、光学镜头(13)、VGA输出接口(9)和外壳(11)组成。其特征在于外壳上装有符合CCIR601标准的数字视频信号接口(1)、符合CCIR656标准的数字视频信号接口(2)、电源接口(3)、功能按键(12)、光学镜头连接接口(10)和VGA信号输出接口(9)，外壳内的电路板上安装有FP6A芯片(4)、FPGA配置芯片(5)、SDRAM存储器芯片(6)、D/A转换芯片(7)和信号放大电路(8)。本发明具有硬件电路简单，有着聚焦速度快、聚焦精确等优点。文档编号H04N5/232GK101266389SQ200810054828公开日2008年9月17日申请日期2008年4月15日优先权日2008年4月15日发明者何小刚,博张,张起贵,程永强申请人:太原理工天成电子信息技术有限公司