基于MCS51单片机自动聚焦技术的研究及应用文档格式.docx
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Ⅱ方案论证
1、对焦基本原理
光学成像系统示意图如图1一1所示。
图l一1是薄透镜模型，但对于厚透镜模型同样成立。
镜头方程可表述为:
（1-1）
其中，u是物面到透镜主面的距离，v是透镜主面与像面的距离。
图中，ID是图像探测器，D是透镜孔径直径，s是透镜主面与探测器之间距离，这是薄透镜镜像公式的高斯形式。
很直观地可以知道，当u、v、f满足（1-l）式关系时，点光源P成点像
，而当v等于s时，点光源成弥散斑
。
改变三者的值（分别变化或组合变化）使它们满足（1-l）式即可达到对焦效果。
也就是说我们可以直接通过测距法来聚焦。
2、对焦的方法
以上是对焦原理，下面是目前国内外的各种聚焦方法分类比较，分类如表1一1所示：
有源
红外线或超声波测距法
无源
有机
提取图像特征量的自动对焦
无机
全数字式自动对焦
表1-1
A、测距法
测距法常用的有红外和超声两种方法，它们在基本实现上有些不同.红外测距法自动对焦利用红外发射管LED发射一束红外光，经发射透镜汇聚后射到被摄物体表面。
经被摄物体反射后，有一部分光线经接收透镜会聚于位置传感器PSD表面，形成一个光斑，PSD上光斑的位置仅与被摄物体和反射光源的距离有关，而PSD的输出信号能反映光斑的位置，所以PSD的输出信号经分析处理电路的处理后，可计算出被摄物的当前位置，调节镜头到相应的对焦位置。
超声波法是由照相机发出超声波信号，测出该信号从被摄物体反射回接收器所需的时间，计算出物体与相机间的距离，调节镜头到相应的对焦位置。
如波拉公司采用的技术:
在相机上安装有超声波源，可发出四种不同频率的超声波（50、53、57、60千赫）。
用以区别周围其他噪声信号，这是一种定向声频，时间大约为lMS，发声信号为128个，与128个可能的调焦位置相对应，发声开始同时计时器开始工作，当接收到反射声频后，计时结束，通过运算电路得到距离，驱动电机运动至调焦准确位置。
测距法的主要优点:
结构简单，可靠性高（超声）;
对暗物体或玻璃后面的物体都能进行自动对焦（红外）。
缺点是:
不同物体的反射和吸收能力存在差异，从而有随机误差，且对远距被摄物的测量精确度较差。
又由于有反射源和接受装置，使系统显得笨重。
B、提取图像特征量的自动对焦法
反差就是光学上的视觉清晰度，即边缘对比度.当我们观察一个景物的轮廓时，像的亮度变化越大，即其亮度梯度越大，其轮廓越清晰。
如果使一个清晰的像离焦，则其亮度梯度变小，图像也就变得模糊。
在反差检测中，用非线性光敏元件（如CDS），把它放在胶片面的等价位置的前后，用它进行对比度检测。
最早采用该原理的照相机是潘太克斯ME-F相机，使用的系统被称之为TTL-EF.
反差检测的优点有:
与取景器视差无关，能对被摄物体做正确找准;
与被摄物远近无关，可自由交换镜头;
可由眼睛看到对焦位置，可对被摄物体作自由选择:
焦点检测器件被固定在一个小盒子里，可以提高可靠性和稳定性。
缺点是对低反差的被摄物体或暗的被摄物对焦困难。
C、CMOS
本文是对CMOS图像传感器的开发应用系统:
带自动聚焦的实物展台系统的研制。
系统要求快速准确的聚焦。
本文对各种自动聚焦方法的优缺点进行了比较分析;
介绍了CMOS图像传感器的器件特性，并在对视频信号分析的基础上确定选用模拟带通法选取高频分量;
用实验确定带通中心频率，以更好地适合各种目标景物的自动聚焦情况;
论证了基于单片机和CMOS的自动聚焦技术的可行性、可靠性;
在此基础上制作了PC电脑眼、实物展台系统;
对系统实现的关键技术进行了分析讨论并给出了实验结果;
对实验结果进行分析，对系统的性能和误差进行了探讨，提出了提高自动对焦速度和精度的措施.
图像传感器把光学图像转变为电信号，即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息转换为按时序串行输出的电信号—视频信号，从而可进行图像的存贮、传输、处理、显示。
60年代后期，随着半导体集成电路技术的发展，特别是MOS集成电路工艺的成熟，各种固体图像传感器得到迅速发展。
电荷藕合器件简称CCD是70年代发展起来的新型半导体器件。
CCD的概念最初是1970年美国贝尔实验室的。
和提出来的，至今已很成熟。
分辨率为40%x40%、信噪比为80分贝的CCD阵列已出笼115]。
CCD传感器的优点:
光敏区占像素面积比例较大，最高水平的像素尺寸达到光衍射效应限制级别。
但是，在多媒体应用中，CCD有许多缺点，其中主要是为了获得高的电荷转移效率（CET）而采用CCD位移寄存器所引起的。
在640x480的传感器中，一单个电荷包可能被转移上百次，即使CET高达，最终输出时40%的电荷己丢失，，高电能消耗或掺杂技术是减少电荷丢失的办法，但限制了CCD的应用。
CCD阵列驱动脉冲复杂，需要使用相对高的工作电压，不能与深亚微米超大规模集成技术兼容。
近年来吸引人们注意的一种CCD替代技术是CMOS技术。
增强型以0S提高CMOS对光显得敏感的程度。
特定的数字信号处理器被用来过滤以0s中的噪音1161。
CMOS芯片集成了相机需要的几乎全部捕捉技术。
因为高的集成度，极大提高了电荷转移效率，提高了捕捉速度。
CMOS芯片比CCD易制造，降低了制造成本，对获得的图像信息读出及处理变得简单而快捷，能设计出更灵巧的小型成像系统，它还具有单一工作电压、功耗低（仅为普通CCD图像传感器的十分之一）、可与其它的CMOS电路兼容、对部像素图像的编程随机访问等优点。
所以CMOS替代CCD技术将是不可抵挡的趋势。
本文所采用的CMOS图像传感器采用omnivision公司的模拟图像传感器。
主要特性及性能参数:
单片1/3英寸
复合视频输出:
NTSC（PAL）制或射频、全电视信号
视频成分:
RGB或YUV
灵敏度补偿（+18分贝）
自动曝光、自动增益和自动白平衡
外部帧同步能力
曝光（光圈）校正
IZC可编程总线接口
Y校正
低功耗，ZO0mW，单5伏供电
阵列尺寸:
NTSC510X492像素，PAL628x582像素
成像面积:
3.54mm，4.19mm
光照
信噪比:
大于48分贝
暗电流:
<
cm2
动态范围:
大于72分贝
时钟:
，
尸C总线可以程控:
色度、亮度、对比度、白平衡、曝光时间、自动增益、中央曝光、背景光选择等
封装型:
48针LCC
3、方案设计
本章在对CMOS器件特性介绍、视频信号特性介绍的基础上，提出了基于单片机和CMOS图像传感器的自动聚焦系统的方案设计。
基于单片机和CMOS图像传感器的自动聚焦系统技术方案。
系统结构示意图如图下图所示：
A、光学系统设计
采用自行设计的高清晰、低畸变镜头，光学低通滤波器。
CM0S通过相互离散的成像单元，对光像进行采样。
因此虽然落在CMOS成像面上的图像是均匀的，但从CM0S输出信号却是不连续的，或者说是脉冲调幅信号。
根据采样定理，为避免采样后的信号产生频谱混叠，被采样信号的带宽（指上限频率九）必须不高于采样频率fs的1/2。
在这里，采样频率等于成像单元的重复周期L的倒数，即1/L。
因此，必须在光落到成像面上以前，利用光学低通滤波器将输入光学图像的空间频率限制在指定的范围之内。
光学低通滤波器（OLPF）是针对单元像元素为矩形形状阵列的光电成像器
件而设计的，由三片光轴不同空间取向的石英设计按一定夹角胶合而成，使一个点像光束经过LPF后成八个点像光束，分别成像在中心点周围的八个长方矩形像元内。
图像的清晰度在空间上表现为边缘锐度，在空间频率域上表现为高频部分分量。
我们把图像的灰度函数f（x，y）看成由入射光分量和反射光分量两部分组成，f（x，y）=i（x，y）;
（x，力，其中i（x，y）取决于光源，而r（x，y）取决于物体的反射性质，即景物的亮度特征主要取决于反射光。
另一方面，入射光较均匀，随空间位置变化小，而反射光由于物体性质和结构特点不同（边界、轮廓、不同颜色、迎光、背光等）而反射强弱很不相同的光，随空间位置变化较剧烈，所以，在空间频率域，入射光占据低频段，反射光占据相对高频段。
f（x，y）的傅立叶变换F（u，v）的低频段幅值高，而表征物体信息的高频段幅值低。
所以我们要用高通抑制低频部分。
B、单片机选择
我们选用的PIC1673A，主要功能特点有:
1、高性能RISC结构CPU
2、带8位A/D输入
3、高驱动电流（I/O脚可直接驱动LED显示）
4、双向可独立编程设置I/0引脚
5、I2C/SPI总线
6、多种硬件中断
7、八级硬件堆栈
8、执行速度4MHz（1us）、20M（200ns）
C、步进电机
它一种用电脉冲信号进行驱动控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的控制电机125]。
它的直线位移量或角位移量与电脉冲数成正比，所以电机的线速度或转速与脉冲频率成正比，改变脉冲频率可调节电机的转速，但要考虑步进电机的频率特性，即随着电机转速的提高起动力矩下降，转速太高会产生失步。
在实际使用中，我们总希望步进电机转速越高越好，系统就越有实时性。
结合电机的参数做实验，确定电机所需电流，保证电机不失步。
Ⅲ系统设计
基于单片机的自动聚焦系统可广泛应用于许多信息家电、智能化摄像系统。
带自动聚焦功能的电脑眼、带自动聚焦功能的实物展台系统是CMOS的两个开发应用项目。
目前，国内外已有多种实物展台系统，也有带自动聚焦功能的，如三星的SVP-soo0N系列。
我们设计开发的系统是基于CMOS和单片机的低成本高性能实物展台系统，由以下部分组成:
光学系统、CMOS图像传感器、PIC单片机、MCS51单片机、马达及驱动、照明灯及供电等。
光学系统内聚/变焦结构示意图
光学系统内聚/变焦系统范围为1~21档，内聚/变焦镜头的聚焦镜片和变焦镜片是分别移动的，不像传统变焦镜头有两个变焦镜相互锁定调整后聚焦，保证在变焦过程中聚焦准确，所以在变焦后必须进行变焦跟踪，使聚焦镜受控于变焦镜的位置变化。
在变焦过程中，如果聚焦镜的位置不作相应的移动，则在整个变焦过程中只有A、B两点聚焦准确，为了使变焦过程中聚焦都准确，聚焦镜片必须按照跟踪曲线移动。
当变焦镜片从W-T，聚焦镜片从O们S一边到远离CMOS然后又靠近CMOS运动。
系统中设置由两个光藕，分别作为聚焦镜片和变焦镜片的起始位置，单片机计数马达转数，获得镜片相对位置，控制马达使镜片位置满足变焦跟踪曲线。
不同的物距有不同的跟踪曲线，本文实验测得实物展台通常需要的380cm曲线.当没有变焦（ZOOM）时，改换展台上的实物，系统会进行自动聚焦;
当变焦（ZOOM）时，系统既可根据判据量及算法自动聚焦也可根据变焦跟踪曲线实现聚焦;
这里由于展台距离确定，马达失步小，使用跟踪曲线，既简捷方便，也够准确。
PIC单片机与51单片机之间采用串行通讯传递信息，由51单片机送控制命令给PIC单片机;
Plc单片机通过1Zc总线送控制信号给CM0S图像传感器，使其完成白平衡、镜像、亮度调节等等各种功能。
1、系统硬件设计
系统硬件包括：
光学系统、CMOS芯片、电机及驱动、PIC单片机组装在一个盒子中形成一模块只需电源线、串行通讯线以及视频输出线在外围接口，控制命令可通过通讯线进入。
模块化设计有利于系统小型化，使用户界面友好，同时对光学系统设计机械结构加工和印刷电路的布线提出了更高的要求。
2、系统软件设计
系统软件包括:
A心采样，马达控制，与CMOS通信，与51通信四大部分。
完成数据采样、算法实现、通信和控制等功能。
可分为主程序、中断处理子程序、1Zc通信子程序、串行通信子程序、A心采样子程序、算法子程序、命令判断子程序、马达控制子程序、延时子程序等等。
下面将列出主程序和中断子程序的流程。
程序流程图
PIC单片机与51单片机采用串行中断方式通信：
通信设置为:
对于51单片机，采用串行通信方式，即10位异步接收/发送方式。
一帧数据包括1位起始位（仍，8位数据位和1位停止位（l），串行接口电路在发送时能自动插入起始位和停止位:
传送波特率可变，可以通过改变内部定时器的定时值来改变波特率。
异步接受方式需做到:
1.将SPBRG==19H置入SPBRG
=0及SPEN=1
3.置RCIE（PIEI<
5>
）=l
4.置CREN=1激活接受器
5.当一个字节接受完成后，硬件发中断请求（RCIF二l）
6.读RCRTA以判断是否发生接受错误
7.读RCREG
8.如果发生任何接受错误置CREN=O清除错误
Plc单片机与CMOS通过I2C通信方式交换信息：
ov7910图像传感器的许多功能和配置寄存器是通过高速I2C串行接口进行操作的，把引脚34（IZCEN）通过10K的电阻拉高，图像传感器将作为从设备支持7位地址的高速串行传输协议。
在I2C总线操作中，主机产生开始/结束状态位，在SCL线上提供串行时钟，在SDA线上传输7位从机地址、R人v位以及8位从机子地址。
接受方在应答位拉低SDA线，在写周期时，Ov7910返回应答信号，而在读周期时，主机返回应答信号（除非读到最后一个字节）。
标准的IZC通信只需两个引脚:
SCL和SDA，s以是双向传输线。
开始状态是当SCL为高电平时，SDA由高电平跳变到低电平;
结束状态是当SCL为高电平时SDA由低电平跳变到高电平。
除了上述两种跳变，其他情况当时钟SCL线为高电平时，SDA需维持不变:
只有在SCL线为低电平时，数据位才可以变化。
步进电机每运行一拍就执行一次步进，要使电机连续转动，RC口应输出下列信息串:
04H->
延时->
06H->
02H->
03H->
01H->
05H->
O4H。
我们采用查表子程序和延时子程序来完成上述信息串的输出.实验中我们记录的步数是相对的。
每一拍记作一步，实验精度是马达的步距角，但易造成失步;
每六拍一步，实验精度是马达的齿距角，精度降低但造成的马达失步较小。
两种方式的源代码如下:
延时子程序通过改变延时来改变马达力矩，从而改变马达转速，如上述源程序中，改变RDZ、RD4、RD6的值即可。
当延时较小时，马达转速加快，从而加快了系统反应时间，但容易造成马达失步，影响系统精度;
当延时太大时，系统反应迟钝。
提高单片机工作频率可以提高程序运行速度，但马达的转速还得考虑延时长短是否会引起失步。
Ⅳ系统结论
1、误差分析
下面讨论误差来源:
a、光学系统分辨率，系统不可能是理想系统，有几何畸变、球差、色差等，影响数据稳定，从而影响聚焦判断;
b、机构装配引起的误差，如元器件不可能安装成完全垂直于光轴的面上，特别是图像传感器的感光面的位置，直接影响光电转换从而影响数据的采集。
c、光电子噪声是由光的统计本质和图像传感器中光电转换过程引起的，而CMOS图像传感器有要工作在光电转换特性的接近饱和区又没进入饱和区的线性工作区，由于噪声的影响很可能进入饱和区，像素响应不成线性，影响成像质量，严重时将淹没图像信号。
d、带通滤波器放大电路引入随机电噪声。
放大电路产生噪声的原因有两大类即元器件性能不理想以及工作条件不理想，影响采集数据的稳定性。
e、采样量化误差。
单片机采样光电转换后的图像信号，由于采样点数不多，有可能只采到一些特殊的点，不能代表图像的清晰度:
单片机A/D转换中的量化误差也是一个因素。
f、我们采用的聚焦算法是通过拟合曲线推导出来的，实际聚焦曲线并不对称，根据算法求得的聚焦位置与理论位置有误差。
g、马达步长限制。
我们采用的马达每小步的间隔为，所以精度上限为，且马达的多次反复运动将产生累积误差。
马达的步长由马达的步距角MS、单片机的自动聚焦系统实验和马达转动杆上的螺纹间距决定.
h、我们把物距无穷远时清晰成像的马达位置（或像面位置）定为光祸位置。
固定这个参考位置时就存在误差。
以上这些误差产生原因，随着系统硬件的改进和系统方法的改善将有所消除，即达到减小误差的效果。
A、实物展台系统速度
与自动聚焦系统一样，模拟带通滤波法计算量小，系统速度主要受步进马达的影响，展台系统有变焦马达和聚焦马达，单片机只能分时控制它们的转动。
按键命令编码简单，反应块，变焦跟踪曲线较平滑，跟踪速度快。
除系统初始化时马达找光藕位置的操作耗时较长，约2秒，其他操作迅速完成，能满足实物展台实际操作需求。
B、系统精度
由于实物展台自带固定照明系统，目标物上的光强就比较稳定，单片机采样到的数据较稳定，有利于系统更准确地聚焦。
特别是当ZOOM到较大时，目标画面集中，细节清晰，对焦曲线峰值更尖，聚焦精度更高，能很好地观察印刷电路板的细节。
C、存在问题
由于此系统是光、机、电一体化系统，机械精密加工非常关键，实验中可观察到随着电机转动，变焦、聚焦镜片的来回移动，显示图像的清晰区域会从左上角移动到右下角，且当视野放大（Zoom一）时，显示有镜头架的边沿遮挡图像四角的现象，影响实验数据，从而影响对焦精度。
2、总结
信息社会，网络世界，人们越来越需要各种图像摄取设备，自动聚焦是智能化、自动化摄像仪器必不可少的特性，人们在不断研制各种固体图像传感器并不断探索自动聚焦的方法。
一方面提高自动聚焦的精度和速度，另一方面继续扩大其开发应用范围.本文对基于单片机信号处理和CMOS图像传感器的自动聚焦系统进行研制，对基于模拟滤波提取高频分量作为判据的方法进行探讨.对系统实现中的关键技术进行了详尽的分析讨论并给出相应的实验结果。
根据实际需要选取滤波频点和带宽，实验地确定适于单片机运算和控制的判据算法。
并设计了应用系统。
实验中我们发现数据受光强影响较大，当光强增大时，对焦判据量增大，当光强减小时对焦判据量减小;
系统的对焦精度、速度能满足许多特定用户的实际使用需要，但由于单片机的数据处理能力较小，单通道滤波难能覆盖所有目标物的聚焦判据量所在的频点，控制系统受步进马达齿距角和转速的限制等等原因，在更高精度和速度要求的许多领域就需要使用不同的方法或技术。
我们对这些问题进行初步分析，作了一些改进，如用三个频点通道作实验，通过软件设计抑制光强的部分影响，效果不错。
对实物展台系统，不同的物距有不同的变焦聚焦跟踪曲线，本文给出使用最多的380cm的实验曲线，其他曲线可同样获得。
光学技术、电子技术、微机技术、精密机械技术的结合，是本系统的关键。
随着光学图像传感器件的进一步发展，高分辨率、高效率、高动态范围、低功耗、低暗电流器件的出现，随着微机性能的加强（如快速A心、高精度量化、更高的运算能力），随着低功耗、高精度、高转速的步进马达的研制出台，配合以精密机械机构的设计、高清晰、低畸变光学透镜的制作，配以精密放大电路，基于单片机和CMOS的自动聚焦技术将日臻完善。
可见，基于单片机信号处理的小型、轻便、高精度、高速度的自动聚焦技术有宽广的技术支持舞台。
采取更有效的手段提高精度、速度，降低成本是进一步工作的重点。
据Omnivision预测，全球影像产品的市场将从1998年的亿美元上升到2002年的16亿美元，整整翻了一翻。
另据市场调研公司CahnersIn一StatGrouP预测1351，到2002年，基于CMOS图像传感器的影像产品将达到50%以上。
CMOS技术日新月异，采用腼CMOS工艺开发出2048X2048阵列的CMOS图像传感器已见报道，估计在2002年，将进入腼技术时代，采用ASlC技术的薄膜图像传感器允许增强局部像元对比度，可使动态范围达到120dB。
中国由4千万个中产阶层家庭，利用CMOS图像传感器可以设计出可视电话、摄像机、PC机电脑眼、PDA及其手持设备、可视门铃、汽车尾视机防盗、机器视觉及其他许多消费水平在千元以下的信息家电产品，而这些产品大多需要配备自动聚焦功能，以便自动获取清晰的图像。
展望未来，基于单片机和CMOS图像传感器的自动聚焦技术将有广阔的应用前景。
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