基于PXA255的自動(dòng)聚焦及圖像采集模塊設(shè)計(jì)

摘   要：本文介紹了一種基于Intel公司 PXA255嵌入式處理器的自動(dòng)聚焦圖像采集系統(tǒng)。其中詳細(xì)介紹了自動(dòng)聚焦在FPGA中的實(shí)現(xiàn)以及圖像采集在嵌入式linux系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)，并給出了該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)聚焦；圖像采集；V4L視頻接口；嵌入式QT；離散余弦變換

引言
    目前市場(chǎng)上流行的攝像手機(jī)一般都不具備自動(dòng)聚焦功能，這對(duì)于傳感器分辨率在30萬(wàn)像素以下的攝像手機(jī)來(lái)說(shuō)影響不大，但隨著百萬(wàn)像素手機(jī)的面世，以及手機(jī)錄像功能的采用，人們對(duì)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(chǔ)上，結(jié)合項(xiàng)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(shè)計(jì)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(xiàn)，圖像采集部分利用linux內(nèi)核提供的video 4 linux接口實(shí)現(xiàn)。最后的采集程序界面采用嵌入式QT設(shè)計(jì)工具designer進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1  硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

圖2  DCT變換模塊

圖3 DCT變換流程圖

圖4  自動(dòng)聚焦流程圖

基于圖像處理的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)算法
    與傳統(tǒng)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(xiàn)不需要額外的信號(hào)源和相應(yīng)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。

    在這類算法中，分析處理模塊直接對(duì)獲得的視頻圖像進(jìn)行處理，以得到相應(yīng)的判決函數(shù)，驅(qū)動(dòng)控制模塊則根據(jù)得到的聚焦判決函數(shù)信息來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)鏡頭前后移動(dòng)，直到獲得聚焦清楚的圖像。因此，構(gòu)造合理的判決函數(shù)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(shù)應(yīng)該具有單峰性、無(wú)偏性并能反映離焦的極性，同時(shí)應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

    在對(duì)目前的自動(dòng)聚焦判決函數(shù)做相應(yīng)的對(duì)比后，結(jié)合本系統(tǒng)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(shù)。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(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
    開(kāi)發(fā)平臺(tái)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(tǒng)采用如下硬件搭建：30萬(wàn)像素CMOS圖像傳感器OV7620、 MCS51單片機(jī)、USB控制器OV511+、 步進(jìn)電機(jī)和變焦鏡頭。

    OV7620的主要特性為：?jiǎn)纹瑪?shù)字式彩色圖像傳感器;1/3光學(xué)格式；數(shù)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(duì)比度、飽和度、伽馬校正等多種調(diào)節(jié)功能。664×492的圖像陣列掃描出原始的R、G、B彩色圖像信號(hào)，經(jīng)模擬處理電路進(jìn)行曝光、校正、白平衡調(diào)整等處理后根據(jù)輸出要求可以轉(zhuǎn)換成YUV等多種信號(hào)輸出形式。OV511+是為CMOS圖像傳感器設(shè)計(jì)的專用USB接口控制芯片。

DCT變換的FPGA實(shí)現(xiàn)
     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(shù)。函數(shù)最大值處即為焦點(diǎn)所處位置。

1. 塊準(zhǔn)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(jié)，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(duì)每個(gè)8×8矩陣Y，I，Q分量計(jì)算DCT，要計(jì)算2D-DCT，先對(duì)矩陣每行進(jìn)行1D-DCT，然后對(duì)結(jié)果矩陣按列進(jìn)行1D-DCT計(jì)算。

2. DCT模塊設(shè)計(jì)：DCT系數(shù)采用case語(yǔ)句用查找表結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，程序源代碼不在此詳述。

    DCT變換的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：串行數(shù)據(jù)首先放到輸入緩沖(采用環(huán)形寄存器來(lái)構(gòu)造)，然后進(jìn)行求積、求和運(yùn)算，最終以并行數(shù)據(jù)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(yùn)算。對(duì)每個(gè)象素點(diǎn)所作的運(yùn)算為：輸入數(shù)據(jù)和DCT系數(shù)相乘，而后相加得到最后結(jié)果。流程如圖3所示。

     由公式可知，需要計(jì)算8×8=64次，每計(jì)算一次后，將i,j,u,v做相應(yīng)變化，并重新在系數(shù)表中找到相應(yīng)的系數(shù)，和新的數(shù)據(jù)相乘，作下一次運(yùn)算。

自動(dòng)聚焦的實(shí)現(xiàn)
     去除每個(gè)8×8矩陣中的低頻成分。然后把相應(yīng)的高頻成分相加，所得的和做為自動(dòng)聚焦的判決函數(shù)，傳輸?shù)紺PU。編程實(shí)現(xiàn)一路PWM信號(hào)輸出，控制步進(jìn)電機(jī)的步長(zhǎng)和方向。實(shí)現(xiàn)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(xiàn)
     圖像采集程序的編寫(xiě)基于linux內(nèi)核中提供的Video4Linux 接口。Video4Linux是2.2.0版本之后linux內(nèi)核提供給網(wǎng)絡(luò)攝像頭、視頻采集卡、電視卡等設(shè)備軟件開(kāi)發(fā)的接口標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)為內(nèi)核、驅(qū)動(dòng)、應(yīng)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(duì)于對(duì)時(shí)間敏感而對(duì)數(shù)據(jù)的正確性要求不高的圖像采集應(yīng)用，USB總線定義了ISOC傳輸模式，USB攝像頭應(yīng)當(dāng)使用這種傳輸方式。為了盡可能快地得到圖像數(shù)據(jù)，應(yīng)當(dāng)在URB中指定USB_ISO_ASAP標(biāo)志。
urb->transfer_flags＝USB_ISO_ASAP；
//盡可能快地發(fā)出本URB

     Linux系統(tǒng)中任何USB傳輸都通過(guò)URB實(shí)現(xiàn)。為提高速度，可以考慮擴(kuò)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(nèi)存映射并用雙幀緩沖提高效率
　　Linux系統(tǒng)通過(guò)read,write等來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的操作，它們通過(guò)copy_to_user()、copy_from_user()等函數(shù)在內(nèi)核和用戶內(nèi)存空間中互相拷貝。但是對(duì)于視頻采集這類需要大量高速傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這種方法耗費(fèi)的硬件資源過(guò)大，通過(guò)內(nèi)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(qǐng)足夠大的核態(tài)內(nèi)存，將其作為圖像數(shù)據(jù)緩沖空間，兩個(gè)URB帶回的圖像數(shù)據(jù)在這里暫存；然后使用remap_page_range()函數(shù)將其逐頁(yè)映射到用戶空間中。戶態(tài)的圖像采集處理程序使用mmap()函數(shù)，直接讀寫(xiě)內(nèi)核圖像緩沖內(nèi)存，大大減少額外開(kāi)銷。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(jié)語(yǔ)
　　　本系統(tǒng)只需在DCT算法的實(shí)現(xiàn)和圖像采集接口實(shí)現(xiàn)上根據(jù)具體的硬件條件作些修改，就可應(yīng)用于大多數(shù)智能產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)(如基于嵌入式linux的智能手機(jī)的開(kāi)發(fā))，因此具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。