Hi3515平台上自动聚焦技术的研究与应用

郭建军，刘彦隆，赵福梅

(太原理工大学通信与嵌入式实验室，山西 太原 030024)

责任编辑:时 雯

1 自动聚焦技术概述

近年来，伴随着电子元器件和数字图像处理技术的快速发展，自动聚焦技术日趋成熟并广泛地应用于各个领域。自动聚焦系统主要是由图像信息采集模块、图像清晰度分析模块和焦距调整模块3大部分组成。相比于人工调焦来说，自动聚焦具有比较高的精度和效率。目前，自动聚焦技术已经广泛应用于显微镜、摄像机、照相机、视频展示台、卫星侦察等精密光学测量领域［1］。

截止到目前，国内外很多学者已经对自动聚焦的问题做了大量的研究。自动聚焦主要分为两种方式:基于测距的主动式聚焦(比如利用红外或超声波测距);基于数字图像处理的被动式聚焦。主动聚焦是通过测出的物与镜头之间的距离，然后根据这个实际距离计算出聚焦透镜所在位置。被动聚焦是根据图像信息的处理结果来确定聚焦方向，然后反复调节获取最清晰的图像［2］。本文是在Hi3515平台上采用被动方式实现了自动聚焦。

Hi3515处理器系统基于高性能的ARM926处理器搭建，ARM926 CPU处理频率达到400 MHz，能够提供灵活和丰富的应用业务，以及高性能的音视频业务。在此高性能的硬件平台上实现了自动聚焦，从而取代了以往数字视频展台自动聚焦功能的实现方式，即80C51单片机配合DSP处理器或者80C51单片机配合FPGA的实现方式，不仅降低了功耗，更进一步降低了成本，提高了产品的市场竞争力。

2 嵌入式核心平台的搭建

此平台以Hi3515音视频处理芯片为主，1片内存为1 Gbyte的 DDR SDRAM 和1片256 Mbyte的 Nor Flash。DDR在系统运行时作为内存使用。Nor Flash上用于存放uboot、裁剪过的linux操作系统和根文件系统。推动步进电机是通过Hi3515芯片的SPI接口向μPD16835芯片发送控制字，然后μPD16835输出脉冲驱动电机［3］。图像采集部分使用的CMOS数字图像传感器，硬件平台如图1所示。

图1 平台的结构示意图

3 基于改进型DCT变换的评价函数

由数字图像处理的相关知识可知，图像的聚焦程度主要是由光强分布中高频分量的多少决定的。即高频分量多则图像清晰、图像的细节越多，反之亦然。所以可以利用图像高频分量的多少作为图像清晰与否的判断依据［4］。经常用的有傅里叶变换(FFT)和离散余弦变换(DCT)。其中FFT变换是对复数进行处理的，其计算程度较为复杂，计算所需的时间长，而且此硬件平台的CPU的运行速度最高也只有400 MHz，因此FFT的运算会占用很多CPU的时间，再加上驱动电机的时间，这样会造成聚焦的时间很长。所以最终采用了变换简单的且较为快速的4×4整数DCT变换。

二维的DCT正变换如式(1)所示

如果按照上式(1)编写程序，将包含1个4重循环，这对于嵌入式平台来说计算量就太大了。为了能找到适合此平台的DCT算法，本文采用了4×4整数DCT变换，既达到了评价函数单峰性、无偏性的要求，又节约了大量的计算时间，使其能够应用到实际的嵌入式平台上。4×4整数DCT的变换如式(2)所示

式中:Y为4×4整数DCT变换的结果;X为一个4×4的矩阵，矩阵中的数值是采集到的1幅图像中的亮度值，并且这些亮度值均为整数;A是1个4×4的常数矩阵;AT为A的转置矩阵。矩阵A为

由于直流分量在一定程度上反映了图像的整体亮度和总体信息，因而用高频分量和直流分量的比值作为图像清晰与否的判别依据，即比值G的最大值所对应的图像为样本图像中最清晰的画面，此位置就是所要找的聚焦清晰的位置。最终实际应用的基于改进型DCT变换的评价函数如式(4)所示

4 聚焦策略

简单传统的盲人爬山法不仅容易受到局部极值的影响，而且很耗费时间。对于一款嵌入式产品，客户对其功能实现的时间和精度是有一定要求的。相比而言，单调性法可以比较好地节约自动聚焦的时间，但其对评价函数的单调性要求较高。为了能进一步缩短聚焦时间并且精确地聚焦，本文采用了单调性法和盲人爬山法相结合的聚焦策略。因为评价函数具有比较好的单调性，所以可以先通过评价函数的单调性来粗略地找到评价函数峰值的大概位置，即图像比较清晰的点。然后以此位置为原点，驱动电机在此原点附近左右各转动4步，每转动一步计算一下评价函数的值，其值最大的点即为图像聚焦好的位置。最后驱动电机将聚焦镜头推到此位置，这样就完成了自动聚焦。

5 实验探究

在实际测试中，如果对整幅1280×1024的图像做4×4整数DCT变换，那么它依然会占用比较多的时间，不能很好地满足用户对聚焦时间的要求。虽然能满足评价函数的单调性、无偏性，但在此硬件平台上仍然要继续减少评价函数占用的时间。因此，在综合考虑后只对整幅图像的部分区域做整数DCT变换［5］，变换区域的选取有如下3种方式。

1)如图2所示在1280×1024的一幅图像中截取了5个100×100的像素块，对其进行了4×4整数DCT的变换。

图2 截取5个100×100的像素块

2)如图3所示在图像的正中心截取了一个300×200的像素块进行4×4整数DCT的变换。

3)如图4所示在图像的正中心截取了一个300×200的像素块，但只对其中的6个200×20的像素(即灰色区域的6个白条区域)进行4×4整数DCT变换。

经过反复的测试证明以上3种选择变换区域的方法都能保证评价函数的单调性、无偏性，所以为了能更多的节约评价函数所耗费的时间，在实际应用中选择了图4中所示的变换区域。聚焦前后效果的对比如图5、图6所示，图5是聚焦前的效果，图6是自动聚焦后的清晰画面。

6 结束语

本文所研究的基于Hi3515平台的自动聚焦已成功应用于视频展示台，通过多方面的实验和测试，其聚焦的速度和精度能够满足实际应用需求。尽管如此，在实际开发过程中发现周围灯光的强弱程度会影响自动聚焦的效果。灯光太强或太弱都会影响聚焦的精度。所以基于此平台的自动聚焦的实现还有待进一步提高，这样才能满足客户更高的要求。

［1］张文爱，李逢磊，程永强.基于FPGA的步进电机驱动及自动聚焦的实现［J］. 电子技术应用，2008(5):31－31.

［2］谢攀，张利，康宗明，等.一种基于尺度变化的DCT自动聚焦算法［J］. 清华大学学报，2003(1):55－55.

［3］杨守建，邬杨波.基于LPC2103的摄像头自动聚焦系统［J］.电脑与信息技术，2011(4):16－17.

［4］杨涛，左勇，陈晓梅.基于图像处理的自动聚焦技术及应用［J］.计算机仿真，2009(7):256－258.

［5］孙明磊，宗光华，余志伟，等.基于图像分析的显微视觉自动聚焦系统［J］.北京航空航天大学学报，2005(20):195－196.