基于图像处理的摄像机自动对焦和自动曝光技术的研究

论文摘要

自动对焦和自动曝光技术是成像系统的关键技术之一,在许多场合都有着重要应用。本文针对“中间包液位测量系统”的实际需求,深入研究基于图像处理的自动对焦和自动曝光技术,实现了系统的自动对焦和自动曝光功能,克服了手动对焦和曝光精度低、效率差等缺点,提高了系统的测量精度和自动化程度。首先,分析了相机对焦和曝光的基本原理以及实现自动对焦和曝光的方法,根据基于图像处理的自动对焦和自动曝光技术,设计了以DSP和FPGA为核心的嵌入式自动对焦和曝光控制电路,利用FPGA实现图像采集、DSP完成图像处理和镜头控制。其次,对基于图像处理的自动对焦和自动曝光方法进行深入研究。在图像清晰度评价方面,提出了基于SSIM的单参考图像清晰度评价算法,克服了传统评价方法有参考、输出无界的缺陷；在对焦搜索算法方面,提出了基于离焦估计的改进爬山法,利用自适应步长提高系统的对焦速度和抗干扰性；在图像曝光量分析方法方面,提出了基于图像亮度的曝光量分析方法,利用加权亮度均值减小背景对拍摄主体的影响。最后,组建摄像机自动对焦和自动曝光系统,从多个方面对系统的性能进行测试分析。测试结果表明该系统对一般环境下的被摄物体都可以实现准确对焦和曝光,较好的完成了自动对焦和自动曝光的任务。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 自动对焦技术研究现状
• 1.3 自动曝光技术研究现状
• 1.4 课题主要研究内容
• 第2章 自动对焦和曝光的基本理论及系统方案设计
• 2.1 相机对焦和曝光的基本原理
• 2.1.1 光学成像模型及对焦原理
• 2.1.2 曝光参数方程及曝光原理
• 2.2 自动对焦和自动曝光方法
• 2.2.1 基于图像处理的自动对焦方法
• 2.2.2 基于图像处理的自动曝光方法
• 2.3 摄像机自动对焦和自动曝光系统方案设计
• 2.3.1 方案分析与选择
• 2.3.2 具体方案设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 自动对焦和曝光控制电路的设计及实现
• 3.1 总体设计
• 3.2 FPGA图像采集模块的设计
• 3.2.1 FPGA概述及选型
• 3.2.2 模拟视频信号的数字化
• 3.2.3 视频解码功能的实现
• 3.2.4 图像预处理
• 3.2.5 图像传输接口设计
• 3.2.6 视频VGA输出接口设计
• 3.3 DSP图像处理控制模块的设计
• 3.3.1 DSP概述及选型
• 3.3.2 DSP最小系统
• 3.3.3 图像处理过程
• 3.3.4 异步串行通讯单元的设计
• 3.4 镜头驱动控制模块的设计
• 3.4.1 镜头电机驱动电路的设计
• 3.4.2 镜头电机控制功能的实现
• 3.5 PCB设计及硬件调试
• 3.5.1 PCB设计要点
• 3.5.2 硬件调试
• 3.6 本章小结
• 第4章 自动对焦和自动曝光算法研究及其在DSP中的实现
• 4.1 图像清晰度评价函数
• 4.1.1 经典的图像清晰度评价函数
• 4.1.2 基于SSIM的单参考图像清晰度评价函数
• 4.1.3 图像清晰度评价函数的实验分析
• 4.1.4 图像清晰度评价函数在DSP中的实现
• 4.2 对焦搜索算法
• 4.2.1 经典的对焦搜索算法
• 4.2.2 基于离焦估计的改进爬山法
• 4.2.3 对焦搜索算法的实验分析
• 4.2.4 改进爬山法在DSP中的实现
• 4.3 基于图像亮度和光圈控制的自动曝光算法
• 4.3.1 基于图像亮度的曝光量分析方法
• 4.3.2 图像曝光量分析方法的实验分析
• 4.3.3 曝光量调整的光圈控制策略
• 4.3.4 自动曝光算法在DSP中的实现
• 4.4 本章小结
• 第5章 系统测试与分析
• 5.1 系统实际构成
• 5.2 系统自动对焦性能的测试与分析
• 5.2.1 自动对焦效果测试与分析
• 5.2.2 自动对焦速度测试与分析
• 5.3 系统自动曝光性能的测试与分析
• 5.3.1 自动曝光效果测试与分析
• 5.3.2 自动曝光速度测试与分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢