专利名称：一种大变焦比自动聚焦一体化摄像机的制作方法
技术领域：
本发明属于光机电一体化领域，涉及一种用于安防监控领域的一体化摄像机，尤 其是一种具有大变焦比且在变焦范围内能够自动聚焦的一体化摄像机。
背景技术：
随着国内外安防业的发展，人们对安防产品的要求日益严格。通常安防行业内国 内外生产的监控镜头包括变焦镜头和定焦镜头，其中变焦镜头变焦范围大小、焦距调整的 可控性以及镜头光圈控制的自动化程度等都直接影响产品的性能及其技术水平。目前国内 外生产的监控变焦镜头主要有手动变焦和电动变焦两种。手动变焦镜头装在摄像机上使用 时不方便，无法实现焦距调整的可控性，一般其焦距段也较小；电动变焦在一定的程度上能 够实现焦距的可控性，但由于要靠电机驱动，所以其体积较大，同时自动化程度不够高，当 镜头由于某些原因(如机械震动、磨损、变形、松动等)而使成像焦面偏离CCD时，就无法清 晰成像。这就限制了这些产品在诸如高速公路、机场、金融领域、军事、港口等对监控镜头自 动化要求高的重要行业中的使用。应用自动聚焦技术可使相同焦距段的一体机体积大为缩 小，并大大提高一体机的自动化程度。但由于自动聚焦技术复杂、要求高、难度大，一直成为 限制国内一体机发展的瓶颈，为满足使用要求，目前国内高速公路、机场、金融领域、军事、 港口等重要领域主要使用日本制造的自动聚焦一体化摄像机。若能自主研究开发自动聚焦 一体机，则可填补国内在自动聚焦一体化镜头领域的空白，占领一定的市场份额，替代进口
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发明内容
本发明的目的是提供一种具有16倍大变焦比能力的、在整个变焦过程中能够实 现自动聚焦的一体化摄像机。本发明目的是通过如下技术方案实现的一种大变焦比自动聚焦一体化摄像机， 由光学系统、自动聚焦系统、视频驱动系统及其机壳组成。其中自动聚焦系统是基于对比 度检测法实现自动聚焦的，包括(XD102、放大器105、滤波器106、A/D转换芯片107、处理器 108、控制卡109、驱动器110和步进电机111。当光学系统101未能将被摄物体聚焦于(XD 102靶面时，处理器108发出控制信号，控制CCD 102将光学系统传来的图像采集并转化为 模拟信号，由放大器105对其进行放大处理，再经滤波器106滤波并传至A/D转换芯片107 将此模拟信号转换为数字电压信号，最后传至处理器108中。处理器108根据焦距评价函数 对传来的信号进行计算得出一个焦距评价值。然后处理器108发出控制信号至控制卡109， 控制卡109发出电脉冲控制驱动器110，从而控制步进电机111，带动光学系统101的补偿 组G4以确定的步距移动，使像面位置发生改变。再由处理器108发出信号，采集处理图像信 号并计算出第二个焦距评价值，处理器108对前后两个评价值进行比较确定步进电机111 的运动方向。步进电机111再根据确定的方向以确定的步距带动补偿组G4移动，每移动一 个步距就计算一个评价值并与前一个评价值进行比较确定步进电机111的运动方向，通过不停地采集、计算、比较，直到找到焦距评价值的最大值，聚焦结束，此时用显示器112接收 处理器108传来的视频信号，能够看到清晰的成像。光学系统包括正光焦度的前固定组G1、 负光焦度的变倍组G2、正光焦度的后固定组G3以及正光焦度的补偿组G4。使用时，前固定 组G1和后固定组G3固定不动，通过移动变倍组G2实现6-96mm的变焦，再通过移动补偿组 G4来补偿变焦后像面位置的变化，保证在整个变焦范围内像面的位置能够固定不变。视频 驱动系统主要包括驱动电路103和微型电机104，根据CCD 102传来的模拟电信号的大小， 由驱动电路输出一控制电压控制微型电机，调整光圈大小，使摄像机输出的视频信号保持 在视频选定的标准电平范围内。由于本发明采用对比度检测法实现自动聚焦，自动聚焦时不需要辅助光源，不受 目标远近的影响，且整个聚焦过程中处理器108与步进电机111配合紧凑，没有浪费时间， 同时本发明采用视频驱动，能够根据环境自动调节光圈，因此本发明能在允许的亮、暗，远、 近环境范围内准确、快速地自动聚焦，而且图像不失真。
图1是本发明的结构框图，包括光学系统、自动聚焦系统、视频驱动系统；图2是本发明的结构示意图；图3是自动聚焦流程图；图4是光学系统镜片组件结构图，包括前固定组G1、变倍组G2、后固定组G3以及 补偿组G4;图5是光学系统装配图。
具体实施例方式如图2所示，本发明主要包括光学系统201、自动聚焦系统、视频驱动系统203及其 机壳207。自动聚焦系统包括放大器、滤波器、A/D转换芯片、处理器、控制卡、驱动器、步进 电机204和(XD 205，其中放大器、滤波器、A/D转换芯片、处理器、控制卡、驱动器集成在光 学系统四周的电路板202上。另外本发明装有电路板206，可将处理器传来的图像信号进行 处理，最终以视屏信号的方式通过视频线208传到显示器上。将本机装在监控点上，接通电 源后，可进行固定方向的监控工作；也可将本机机芯装在高速球上，并配以红外灯，可实现 全方位、全天候监控工作，满足高速公路、机场、金融、军事、港口等重要领域的使用要求。如图1所示，当所述的一体化摄像机开始变焦时，处理器108发出控制信号控制光 学系统101的变倍组G2根据所需的焦距移动至对应的位置，同时像面的位置也因变倍组G2 的移动而移动，使得原本清晰的成像变模糊。紧接着自动聚焦功能启动，由处理器108发出 信号至(XD 102，(XD 102对图像信号进行采集并将其转换为模拟信号，然后将此信号传至 放大器105放大处理，再经滤波器106进行滤波处理，以减小采样、量化、传输及图像采集过 程中环境的扰动在图像中产生的噪声的影响。随后将信号传至A/D转换芯片107，将模拟 信号转换为数字电压信号并传至处理器108中。处理器108将传来的信号代入焦距评价函 数计算得到一个焦距评价值，再发出控制信号至控制卡109，控制卡109发出电脉冲至驱动 器110，控制步进电机111运动，带动光学镜头101的补偿组G4向前移动一个步距，再由处 理器108发出信号，采集第二个图像并计算相应的焦距评价值。处理器108将得到的两个
4焦距评价值进行比较、分析，确定步进电机111的运动方向，然后发出控制信号，驱动步进 电机111以确定的步距按确定的方向运行。补偿组G4每移动一个步距处理器108就控制 (XD 102采集图像，并对图像信号进行处理、计算，通过当前焦距评价值与前一个值比较、分 析，确定下一步步进电机的移动方向，并判断当前评价值是否为最大值。通过不停地采集、 比较，直到找到使焦距评价值达到最大值的位置，说明被摄物体已经聚焦在CCD靶面上，此 时显示器112将重新出现清晰的画面，处理器108会发出信号，停止聚焦动作，聚焦结束。当所述的一体化摄像机所处环境的亮度发生变化时，(XD 102采集并转化的图像 模拟信号将发生变化，驱动电路103将变化后的模拟信号与标准值进行比较，根据比较结 果输出一个控制电压控制微型电机104运动，从而调整光圈大小，使摄像机输出的视频信 号保持在视频选定的标准电平范围内，保证输出在显示器上的图像不失真。如图3所示，本发明采用对比度检测法实现自动聚焦。通过步骤301以及步骤 302对图像信号的采集、放大、滤波、A/D转换处理，最终图像信号转化为数字电压信号输 入处理器208中。在步骤303中，处理器108对传来的数字电压信号进行解读、统计，确 定CCD 102上每个像素亮度信号大小，再根据焦距评价函数F(i) =E {|fi(x, y)-fi(x, y-1) +|fi(x, y)-fi(x-l, y) }计算出焦距评价值F(i)。此焦距评价函数表示CCD上相 邻像素亮度信号差的绝对值之和，其中i = 0，1，2，3…，表示自动聚焦时处理器计算的第i 个焦距评价值，F(0)表示光学系统的补偿组G4未移动时处理器计算的焦距评价值，fi(x, y)表示在(XD 102上第x行、第y列像素亮度信号值。在步骤304中，处理器108将当前 计算的焦距评价值F(i)与前一个评价值F(i-l)作比较，如果F(i) >F(i-l)，处理器发出 控制信号，控制补偿组按原来的方向运动，并采集新的图像信号，计算新的评价值。当F(l)
<F(0)时，处理器108发出控制信号，控制补偿组G4按相反的方向运动，并采集下一个的 图像信号，计算新的评价值。当补偿组G4移动到某个位置，使得F(i) >F(i-l)且F(i+1)
<F(i)，处理器108发出控制信号，控制补偿组G4继续按原来的方向前进一个步距，并计 算出F(i+2)，如果F(i+2) > F(i+1)，说明处理器108发出控制信号使补偿组G4继续向前 运动并计算新的评价值进行分析比较；如果F(i+2) <F(i+l)，说明F(i)达到最大值，处理 器108发出控制信号，将补偿组移动到刚才F(i)的位置，并停止聚焦动作，光学系统完成聚 焦o如图4所示，所述的光学系统包括正光焦度的前固定组G1、负光焦度的变倍组G2、 正光焦度的后固定组G3以及正光焦度的补偿组G4。如图5所示，在固定镜片时，将镜片按 顺序夹在相应的模具中，然后通过塑料压铸机将固定镜片的组件压铸出来，使镜片固定在 相应的组件上。其中，前固定组G1和后固定组G3固定在前组镜筒501上，变倍组G2固定 在变倍移动座502上，补偿组G4固定在补偿移动座505上，而变倍移动座502和补偿移动 座505都装在两根与光轴平行的导杆503上，它们可以沿导杆503前后滑动。使用时，通过 步进电机带动变倍移动座502移动，从而带动变倍组G2在前组镜筒501移动，实现6-96mm 的变焦；通过步进电机带动补偿移动座505移动，从而带动补偿组G4在后组镜筒506移动 来补偿变焦后像面位置的变化，保证在整个变焦范围内像面的位置能够固定不变。
权利要求
一种大变焦比自动聚焦一体化摄像机，包括光学系统、自动聚焦系统、视屏驱动系统及其机壳，其特征在于摄像机的CCD 102将光学系统101传来的图像采集并转化为模拟信号，由自动聚焦系统将转化的模拟信号进行放大、滤波、A/D转换、计算、比较，再给出反馈信号控制步进电机111带动光学系统补偿组G4做相应的移动，使一体化摄像机自动聚焦；由视频驱动系统将模拟信号与标准值进行比较，根据比较结果输出一个控制电压控制微型电机104，调整光圈大小，使摄像机输出的视频信号保持在视频选定的标准电平范围内。
2.根据权利要求1所述的一种大变焦比自动聚焦一体化摄像机，其特征在于所述的自 动聚焦系统包括CXD 102、放大器105、滤波器106、A/D转换芯片107、处理器108、控制卡 109、驱动器110和步进电机111，由处理器108发出控制信号控制CXD 102采集图像信号 并将其转化为模拟信号，再由放大器105和滤波器106对模拟信号进行放大滤波处理，经过 A/D转换芯片107转换为数字电压信号后，传至处理器108，由处理器108对传来的数字电 压信号进行计算，得出焦距评价值并与前一个评价值进行比较，确定步进电机111的运动 方向，再发出控制信号控制光学系统101的补偿组G4运动，采集新的图像信号，通过不停地 采集、计算、比较图像信号，给出反馈信号控制补偿组G4移动，直到找到焦距评价值的最大 值，光学系统完成聚焦，处理器108发出控制信号，停止聚焦动作。
全文摘要
一种大变焦比自动聚焦一体化摄像机，属于光机电一体化领域，包括光学系统、自动聚焦系统、视屏驱动系统及其机壳。本发明采用对比度检测法实现自动聚焦，通过自动聚焦系统的处理器108发出控制信号对图像信号进行采集、处理、计算、比较，发出处理信号控制步进电机111，带动光学系统101补偿组G4移动到聚焦位置，使本机自动聚焦。本机自动聚焦时不需要辅助光源，不受目标远近的影响，聚焦过程应用微处理器控制，时间紧凑，还具有视频驱动，能够根据环境自动调节光圈，因此能在亮、暗，远、近各种环境下准确、快速地自动聚焦，而且图像不失真，可广泛应用于高速公路、机场、金融领域、军事、港口等领域。
文档编号H04N5/225GK101867705SQ20101013632
公开日2010年10月20日 申请日期2010年3月31日 优先权日2010年3月31日
发明者周明东, 郑志明, 陈金发 申请人:福州开发区鸿发光电子技术有限公司