基于PXA255的自動(dòng)聚焦及圖像采集模塊設計

引言

目前市場(chǎng)上流行的攝像手機一般都不具備自動(dòng)聚焦功能，這對于傳感器分辨率在30萬(wàn)像素以下的攝像手機來(lái)說(shuō)影響不大，但隨著(zhù)百萬(wàn)像素手機的面世，以及手機錄像功能的采用，人們對攝像頭的自動(dòng)聚焦功能越來(lái)越關(guān)注。本文在xhyper255開(kāi)發(fā)板的基礎上，結合項目開(kāi)發(fā)的需要，在開(kāi)發(fā)板上移植qt/embedded作為嵌入式gui，并設計了自動(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，圖像采集部分利用linux內核提供的video 4 linux接口實(shí)現。最后的采集程序界面采用嵌入式qt設計工具designer進(jìn)行設計。

基于圖像處理的

自動(dòng)聚焦系統算法

與傳統的自動(dòng)聚焦算法相比，基于圖像處理的自動(dòng)聚焦算法的實(shí)現不需要額外的信號源和相應的接收傳感器，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(lèi)算法中，分析處理模塊直接對獲得的視頻圖像進(jìn)行處理，以得到相應的判決函數，驅動(dòng)控制模塊則根據得到的聚焦判決函數信息來(lái)驅動(dòng)步進(jìn)電機，帶動(dòng)鏡頭前后移動(dòng)，直到獲得聚焦清楚的圖像。因此，構造合理的判決函數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應該具有單峰性、無(wú)偏性并能反映離焦的極性，同時(shí)應具有較強的抗干擾能力。

在對目前的自動(dòng)聚焦判決函數做相應的對比后，結合本系統的特點(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。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)聚焦系統的實(shí)現

開(kāi)發(fā)平臺的搭建如圖1所示。

采用xhyper255嵌入式開(kāi)發(fā)板，圖像采集子系統采用如下硬件搭建：30萬(wàn)像素cmos圖像傳感器ov7620、 mcs51單片機、usb控制器ov511+、 步進(jìn)電機和變焦鏡頭。

ov7620的主要特性為：?jiǎn)纹瑪底质讲噬珗D像傳感器;1/3光學(xué)格式；數字視頻輸出格式： 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、對比度、飽和度、伽馬校正等多種調節功能。664×492的圖像陣列掃描出原始的r、g、b彩色圖像信號，經(jīng)模擬處理電路進(jìn)行曝光、校正、白平衡調整等處理后根據輸出要求可以轉換成yuv等多種信號輸出形式。ov511+是為cmos圖像傳感器設計的專(zhuān)用usb接口控制芯片。

dct變換的fpga實(shí)現

2d-dct變換是視頻壓縮中的常用變換。在壓縮過(guò)程中，將一幅圖像分成許多8×8的小塊進(jìn)行變換。8×8的2d-dct變換如式(2)所示：

(2)

這里c(0)=1/，c(u)=c(v)=1 (u,v≠0時(shí))。
變換后去除其中的直流成份，其余的部分相加作為聚焦判決函數。函數最大值處即為焦點(diǎn)所處位置。

1. 塊準備：給定的大小為640×480的彩色圖像矩陣，將其分為三個(gè)矩陣，分別為亮度矩陣(y)，每個(gè)的大小為8×8，共4800個(gè)；剩下的同相矩陣(i)和正交矩陣(q)分化為兩組1200個(gè)矩陣，每個(gè)大小為8×8，使用下列矩陣將rgb分量映射到y，i，q分量上：
y=0.30r+0.59g+0.11b
i=0.60r-0.28g-0.32b
q=0.21r-0.52g+0.31b

對每個(gè)8×8矩陣y，i，q分量計算dct，要計算2d-dct，先對矩陣每行進(jìn)行1d-dct，然后對結果矩陣按列進(jìn)行1d-dct計算。

2. dct模塊設計：dct系數采用case語(yǔ)句用查找表結構實(shí)現，程序源代碼不在此詳述。

dct變換的實(shí)現過(guò)程為：串行數據首先放到輸入緩沖(采用環(huán)形寄存器來(lái)構造)，然后進(jìn)行求積、求和運算，最終以并行數據的形式輸出。這些操作要在控制模塊下完成，以保證時(shí)序的正確。

dct變換模塊的框圖如圖2所示。8×8dct變換實(shí)際上就是64個(gè)像素點(diǎn)的并行運算。對每個(gè)象素點(diǎn)所作的運算為：輸入數據和dct系數相乘，而后相加得到最后結果。流程如圖3所示。

由公式可知，需要計算8×8=64次，每計算一次后，將i,j,u,v做相應變化，并重新在系數表中找到相應的系數，和新的數據相乘，作下一次運算。

自動(dòng)聚焦的實(shí)現

去除每個(gè)8×8矩陣中的低頻成分。然后把相應的高頻成分相加，所得的和做為自動(dòng)聚焦的判決函數，傳輸到cpu。編程實(shí)現一路pwm信號輸出，控制步進(jìn)電機的步長(cháng)和方向。實(shí)現自動(dòng)聚焦。自動(dòng)聚焦的流程如圖4所示。

圖像采集的實(shí)現

圖像采集程序的編寫(xiě)基于linux內核中提供的video4linux 接口。video4linux是2.2.0版本之后linux內核提供給網(wǎng)絡(luò )攝像頭、視頻采集卡、電視卡等設備軟件開(kāi)發(fā)的接口標準。這個(gè)標準為內核、驅動(dòng)、應用程序提供一個(gè)api進(jìn)行交流。目前的最新video4linux版本為v4l2。

使用雙urb輪流通信

對于對時(shí)間敏感而對數據的正確性要求不高的圖像采集應用，usb總線(xiàn)定義了isoc傳輸模式，usb攝像頭應當使用這種傳輸方式。為了盡可能快地得到圖像數據，應當在urb中指定usb_iso_asap標志。
urb->transfer_flags＝usb_iso_asap；

//盡可能快地發(fā)出本urb

linux系統中任何usb傳輸都通過(guò)urb實(shí)現。為提高速度，可以考慮擴大urb的緩沖，也可以建立兩個(gè)urb，在等待一個(gè)urb被回收時(shí)，也就是圖像正在被傳感器采集時(shí)，處理、初始化另一個(gè)urb，并在回收后立刻將其發(fā)出。兩個(gè)urb交替使用，大大減少了額外時(shí)間。

使用內存映射并用

雙幀緩沖提高效率

linux系統通過(guò)read,write等來(lái)實(shí)現對硬件的操作，它們通過(guò)copy_to_user()、copy_from_user()等函數在內核和用戶(hù)內存空間中互相拷貝。但是對于視頻采集這類(lèi)需要大量高速傳輸數據的應用來(lái)說(shuō)，這種方法耗費的硬件資源過(guò)大，通過(guò)內存映射的方法可以使這一問(wèn)題得到有效解決。首先使用vmalloc()申請足夠大的核態(tài)內存，將其作為圖像數據緩沖空間，兩個(gè)urb帶回的圖像數據在這里暫存；然后使用remap_page_range()函數將其逐頁(yè)映射到用戶(hù)空間中。戶(hù)態(tài)的圖像采集處理程序使用mmap()函數，直接讀寫(xiě)內核圖像緩沖內存，大大減少額外開(kāi)銷(xiāo)。另外，為了進(jìn)一步提高幀速率，本文采用雙幀緩沖方式進(jìn)行圖像采集。

結語(yǔ)

本系統只需在dct算法的實(shí)現和圖像采集接口實(shí)現上根據具體的硬件條件作些修改，就可應用于大多數智能產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)(如基于嵌入式linux的智能手機的開(kāi)發(fā))，因此具有較好的市場(chǎng)應用前景。