一種攝像頭自動聚焦方法及硬件實現

其中：f(x，y)表示為第x行、第y列像素的亮度值。本算法選取了鄰近的兩個像素作比較(像素分別是f(x，y)像素的左側和上側），與灰度差分法相比，有著更好的單峰、單調和對稱性。

2 自動聚焦系統的組成和原理

本系統主要由CCD攝像機、帶步進電機的光學鏡頭、FPGA和單片機控制電路組成。CCD攝像機采用SONY公司推出的 SONY47W CCD 套件，該套件支持的最高分辨率為752×582并支持ITU-REC656 YUV數字信號輸出。系統整體框圖如圖1所示。

系統上電復位后，DSP接收CCD圖像傳感器輸出的模擬視頻信號，并對該信號進行A/D轉換、白平衡和亮度/色度等處理后，轉換成YUV數字信號輸出。在行、場及像素時鐘信號的控制下,把亮度信號（Y）輸入到FPGA中，FPGA統計相鄰兩場圖像的亮度信號，并按照本系統提出的圖像清晰度評價函數對圖像進行分析、比較，并把比較結果輸入到單片機中。單片機根據比較結果，通過步進電機的轉動方向和步數來控制光學鏡頭，從而實現自動聚焦。

在自動聚焦系統中，搜索策略通常采用盲人爬山比較法[4]。首先取得起始位置的圖像，并計算出此時的評價函數值；然后，讓步進電機驅動鏡頭從起始位置向上移動一步，將此時的圖像與前者比較。若比前者的聚集評價函數值大，就繼續向上移動調焦鏡頭；如此循環，直至圖像的聚焦評價函數值小于前一位置，則前一位置就是圖像最清晰的位置，聚焦結束。該算法簡單，但在實際應用中，由于圖像采樣、量化及傳輸過程中各種干擾引起的圖像噪音影響，經常會出現誤判。因此，本文采用了一種改進的盲人爬山比較法，稱為“三點”比較法。該方法在確定鏡頭位置時，不是僅根據前后2 次聚焦評價值的大小來確定,而是用3 個點大小的變化確定曲線的方向，最終確定鏡頭位置。為了敘述清楚，用f1、f2、f3分別表示鏡頭在不同位置時的聚焦評價函數的值，這里只分析f1>f2時可能出現的情況（當f1f2時，先不進行判斷，而是把結果保存起來，讓步進電機繼續驅動鏡頭向原方向移動到位置f3；如果f2>f3，則可以確定聚焦曲線是下降方向，此時，讓步進電機驅動鏡頭到f1位置；如果f2f3，則認為出現“錯誤”點，不做判斷，讓鏡頭再向前運動到f4，再對f2、f3、f4進行三點判別，得到正確的聚焦位置；如果f2

3 實驗數據分析

為證實所提出的評價函數的有效性，對該系統進行了大量實驗，并與灰度差分法所獲得圖像進行比較。圖2、圖3是以簡單的文本圖像為例，在聚焦點附近算法改進前后各測得的20組聚焦值并據此繪制的聚焦評價函數曲線。圖4、圖5分別是算法改進前后，采用本系統所拍攝的聚焦圖像。