基于FPGA的数字自动对焦算法的研究与实现

论文摘要

自动对焦是一种保证成像系统获取高清晰图像的技术,而传统自动对焦技术已经无法满足人们的要求,随着数字图像技术的飞速发展,数字自动对焦技术取代传统自动对焦技术是一种必然的趋势。本文研究了一种基于FPGA的数字自动对焦系统,用作某海滨的监控系统。本文首先研究了自动对焦评价函数,分别对能量梯度函数、拉普拉斯算子和熵函数这三种对焦评价函数在Matlab中进行仿真并做了比较,最终选择运算量小且效果较好的拉普拉斯算子作为评价函数。然后讨论了对焦窗口对系统的影响,选择三种大小不同的对焦窗口10×10、100×100和200×200在Matlab中进行仿真,经过比较选择100×100大小的对焦窗口。并对传统的自动对焦的反馈控制算法进行了研究,针对本系统所用的直流电机提出了一种新的反馈控制算法即改进式的爬山法来控制直流电机,从而准确的完成自动对焦。最后完成了基于FPGA的自动对焦系统的硬件平台的设计,系统分为三个模块:成像模块,对焦函数评价值计算模块,对焦搜索模块。成像模块用CCD（Charge-Coupled Device）图像传感器采集图像并用SAA7111转为数字信号进行处理,其中SAA7111由FPGA控制I2C总线配置。评价值计算模块和对焦搜索模块都在FPGA内实现,为充分发挥FPGA运算速度优势,采用流水线技术实现拉普拉斯算子。以上硬件程序均在QuartusII平台上用VHDL语言编写,并用Modelsim进行了硬件仿真验证,最终实现了基于FPGA的数字自动对焦系统。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 自动对焦的发展及其现状
• 1.2.1 传统对焦技术
• 1.2.2 视频信号分析法
• 1.2.3 基于数字图像处理的自动对焦
• 1.2.4 基于数字图像处理的自动对焦的研究现状
• 1.3 论文的主要工作及内容安排
• 第2章 自动对焦算法的选择
• 2.1 自动对焦评价函数
• 2.1.1 梯度评价函数
• 2.1.2 频谱评价函数
• 2.1.3 熵函数
• 2.1.4 对焦评价函数的比较
• 2.2 对焦窗口的选择
• 2.3 自动对焦的反馈控制算法
• 2.3.1 爬山法
• 2.3.2 Fibonacci 搜索法
• 2.3.3 函数逼近法
• 2.3.4 改进的爬山法
• 2.4 本章小结
• 第3章 拉普拉斯算子的软硬件仿真
• 3.1 拉普拉斯算子及其软件仿真
• 3.2 拉普拉斯算子的硬件编程及仿真
• 3.2.1 流水线技术
• 3.2.2 用流水线技术实现拉普拉斯算子
• 3.3 本章小结
• 第4章 系统的实现及性能指标分析
• 4.1 系统介绍
• 4.2 器件的选取
• 4.2.1 SAA7111 的介绍
• 2C 总线介绍'>4.2.2 I²C 总线介绍
• 2C 总线'>4.2.3 用 FPGA 的 I/O 口控制 I²C 总线
• 2C 总线配置 SAA7111'>4.2.4 FPGA 控制 I²C 总线配置 SAA7111
• 4.3 FPGA 中用脉宽调制驱动直流电机
• 4.4 对焦实验
• 4.4.1 基于FPGA 的自动对焦实验系统的构成
• 4.4.2 测试实验
• 4.5 系统的特色和指标
• 4.5.1 系统的特色
• 4.5.2 主要技术指标
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢