基于FPGA的一体化摄像机变焦控制系统的设计

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基于FPGA的一体化摄像机变焦控制系统的设计

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摘要：自动聚焦是一体化摄像机研究的关键技术之一，本文介绍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、变焦曲线的跟踪，为了适应不同物距变倍跟踪，本文实现了灰度差分自动聚焦算法，根据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。整个控制系统采用VHDL描述，自制了图像采集板，在Xilinx XUPV5-LX110T FPGA开发板上验证。

1 引言
一体化摄像机指内置光学镜头，具有变倍、自动聚焦功能的摄像机，其结构小巧、使用方便、监控范围广，已广泛应用在教学视频展台、视频监控等领域。变焦控制可实现图像的变倍、自动聚焦，是一体化摄像机中的关键技术之一。步进电机可将电脉冲信号转换成角位移，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。

2 步进电机工作原理
; c0 H+ T1 _/ G1 F7 C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，转速600~800pps，采用2-2相驱动励磁方式，驱动脉冲变化如表1所示。

表1 步进电机驱动脉冲

若驱动脉冲按1—>2—>3—>4—>1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。

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变倍电机向靠近传感器方向转动时，则图像放大，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。

3 系统设计
7 m8 S5 l0 a$ O3 y. ~5 e! s3.1 系统设计及工作原理
, Q$ a( F2 U' P2 v" D3 [6 @系统结构如图2所示，图像传感器将采集的视频图像输入到FPGA， FPGA输出变倍电机和聚焦电机驱动信号，并经H桥放大后输出到光学镜头，同时，光学镜头将变倍电机和聚焦电机的位置检测信号反馈输出到FPGA中，用以检测当前电机位置。

系统上电后，FPGA判断光学镜头返回的变倍电机位置检测信号和聚焦电机返回的检测信号，若检测信号为低电平则驱动电机向靠近图像传感器方向转动，直至检测信号为高电平，在电平跳变处停止，同理，若检测信号为高电平，则驱动电机向远离传感器方向转动，直至检测信号为低电平，在电平跳变处停止，以上则完成对电机的初始化。初始化结束后，则驱动电机转动到一固定放大倍数位置。电机变倍时，变倍电机转动一定步数，同时驱动聚焦电机转动对应步数，具体步数可根据变倍跟踪曲线获得，变倍结束后，FPGA计算当前场图像的高频分量，判断当前图像的清晰度，并采用爬山搜索策略驱动聚焦电机，以实现图像的自动聚焦，从而可保证每次变倍结束后得到清晰的图像。

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helendcany

研究研究，谢谢楼主分享。

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