基于FPGA的自动聚焦系统设计

【摘要】随着社会的发展以及经济的进步，我国的科学技术有着很大的突破，在近些年来，我国的微电子技术得到了迅猛的发展，其中自动聚焦技术即是这一方面的一个重要的发展领域，它在当前人们的生活中有着重要的应用，例如在我们常用的数码相机以及显微镜等等方面，都对自动聚焦有着广泛的应用。本文主要就基于现场可编程门阵列（FPGA）的自动聚焦系统设计进行分析探究，希望能够对此领域的发展起到一定的促进作用。

【关键词】FPGA;自动聚焦;聚焦评价函数;步进电机;系统设计

0.引言

在新的历史发展阶段，随着微电子技术的迅猛发展，人们对于数字图像在质量上的要求已经愈来愈高，在这一过程中聚焦是保证图像质量的一个重要环节，当偏离聚焦点的时候对成像的质量就会有所降低，随着分辨率的增高成像系统的相对孔径也就会随之增大，在离焦表现上也就愈是明显，故此，焦距的确定对成像的质量有着关键的影响。

1.现场可编程门阵列（FPGA）的基本概述

在传统的手工聚焦方面已经不能满足现代社会的发展需要，在大规模的集成电路以及多样化的处理器的出现，自动控制也逐渐的应用到了聚焦的领域，它和以往的手动聚焦相比较有着精确度高以及速度快的优势，这一系统也被称为是自动聚焦系统[1]。

而FPGA（Field-Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列是一种专用的集成电路，在这一基础上的自动聚焦系统的设计更对当今的这一领域的发展有着其现实意义，它在当前的数字图像处理中的应用也是愈来愈广泛，这一器件在逻辑资源以及内存储器和专用的数字信号处理模块方面都提供了很好的功能，这也为图像在自动聚焦的实现上提供了很好的有利条件。

2.关于自动聚焦的原理分析

首先就是对于被测的物体在光学图像方面经过个人计算机来对其进行采集以及数字图像的处理是为聚焦的检测方法，要把个人计算机的高速运算的能力得以充分的体现，通过利用这种数字处理的方式来进行自动聚焦的过程把电荷耦合元件（Charge-coupled Device）所采集到的数字图像存储到个人计算机当中，然后再通过编辑图像的处理算法进行对其处理，对聚焦的准确性进行分析，然后再给出控制信号控制镜头的移动方向[2]。在自动聚焦方面是根据图像的清晰度来进行调解判断的，在聚焦的过程中对于一些灰度的图像用F来表示其锋利性的测度，当K超出了门限值的时候，那么图像就是清晰的，以此能够对照相机的聚焦的准确性加以分析，同时，对于锋利性的测度根据不同的算法它所呈现的图像序列也会有所不同，在实际的操作过程中不能把门限值事先确定，故此，采用寻优搜索这一方法的自动聚焦较为合理[3]。

3.通过自动聚焦的算法FPGA来实现其系统设计探究

在个人计算机来对图像的聚焦以及其清晰度的判定上是用函数评价来实现的，首先是亮度滤液，对于图像通过传感器进行获得的高频信息的多少是对自动聚焦优劣的一个重要的体现，故此，对于自动聚焦的评价函数模块在图像的高频信息上的获取可以通过亮度滤波器来进行滤波，在其操作过后的图像就含有了比较丰富的高频细节，在所表达的加权系数的对称性通过FPGA来进行实现的时候，把这一系数可以存放到逻辑资源生成分布式RAM当中，如此便能够把运算的速度得以有效的提高[3，4]。在聚焦评价函数方面为了能够把图像的噪音得以有效的降低，可以对灰度差分法当做是聚集评价函数的改进后的模式进行适用，也就是把其中一个图片的总体像素以及和周围的像素的亮度差的绝对值的累加和与其相邻的做一比对，并把其结果当做是聚焦评价函数的输出值，在这一实现的结构图方面如下显示：

自动聚焦的评价函数算法的实现结构图

通过这一评价函数算法自身的一些特点，图像会经过一个由模糊到清晰这样一个过程，当所呈现的图像为最清晰的时候，那么自动聚焦的评价函数算法的值也就愈大，例如在对爬山搜索算法来对图像聚焦的位置进行确定的时候，在自动聚焦得以确定开启之后，触发聚焦步进电机要先从刚开始的位置来进行正转八步，然后反转八步，而后再进行反转八步以及正转八步，随后就回到原始的地方，当每转一步的时候要对自动聚焦的评价函数算法模块的输出标志的值进行检测，并把电机经过4次转动八步中所检测到的“一”的个数进行保存并分析，从而对自动聚焦的方向进行确定。还有就是通过步进电机驱动来对自动聚焦系统设计得以实现，首先就要对所用的镜头中的聚焦步进电机进行设计，把其设计成两相双极性的进步电机，并对其采用一、二相励磁方式，由于其具有转矩大一级惯性小和响应频率高这些优点，故此，在瞬间启动和急速停止方面都表现的比较突出;系统采用查表法能够对当前的光学自动聚焦的聚焦精确度得以很好的提高，在基于FPGA的数字图像处理技术的实现自动聚焦的设计方法上运用以上的几种计算方法能够起到一个很好的指导作用[5]。

4.结语

随着我国的科学技术的进一步的发展，在自动聚焦系统的设计方面定能够取得更加好的成绩，由于对于其系统采用的是FPGA来进行设计的，所以在其扩展性方面比较的强大，在硬件系统不作改动的情况下对其进行算法改进，对其系统的灵活性得到了有效的加强，从而更好的完成自动聚焦的功能展示。

参考文献

[1]郑浩，隋成华，王河林，魏高尧，姚铖.角膜地形图仪中调焦函数的选取及搜索方法[J].光学仪器，2013（03）.

[2]E-Ho Lee，Kum，Byung-Deok Nam et al.Implementation of Passive Automatic Focusing Algorithm For Digital Still Camera[J].IEEE Transactions On Consumer Electronics，2004，13（6）：256-259.

[3]张博，李诚，刘剑，刘鑫.实时视频信号处理平台的设计[J].OpenHW09太原理工大学参赛项目，太原理工大学，2010.

[4]郑绍华，陈健，潘林，余轮.面向无参考的眼底成像清晰度实时评价方法[J].电子测量与仪器学报，2013（03）.

[5]史红伟，石要武，杨爽.光学显微镜自动调焦指导函数的评价与选择[J].计算机辅助设计与图形学学报，2013（02）.