一种基于cpld和mcu的自动聚焦高清摄像的制造方法
【专利摘要】本发明适用于摄像机【技术领域】，提供一种基于CPLD和MCU的自动聚焦高清摄像机，包括可输出标准数字视频信号的视频处理芯片以及电动镜头驱动组件，所述摄像机还包括CPLD和MCU，所述CPLD对所述视频处理芯片输出的标准数字视频信号进行亮度提取和聚焦评价函数计算，输出聚焦评价函数值，所述MCU根据所述聚焦函数评价值进行爬山搜索算法计算输出电机控制信号，所述电动镜头驱动组件根据所述电机控制信号控制聚焦马达完成自动聚焦。本发明利用CPLD和MCU各自的特点，有效发挥器件自身优势进行任务分配和资源整合，可以实现稳定可靠、高灵敏度、低时延特性的自动聚焦功能，与现有自动聚焦技术解决方案相比，可以明显降低物料成本。
【专利说明】—种基于CPLD和MCU的自动聚焦高清摄像机
【技术领域】
[0001]本发明属于监控摄像机【技术领域】，尤其涉及一种基于CPLD和MCU的高清摄像机。所述高清摄像机可实现快速自动聚焦功能。
【背景技术】
[0002]2010年深圳安博会，众多安防设备生产厂家纷纷推出了高清视频监控摄像机，从而正式开启了高清视频监控时代。从“看得见”到“看得清”，高清视频监控借助数字化、网络化技术，迅速获得了市场认可及青睐，据统计，如今高清监控设备市场份额达到56%，已经超过传统模拟摄像机市场份额，高清摄像机正被越来越多的应用于机场、道路、运输、港口码头、边检口岸、平安城市等安防监控领域。
[0003]高清摄像机一般来说配用的镜头种类可分为:固定焦距镜头、手动变焦镜头、电动变焦镜头等。其中配用电动变焦镜头时，摄像机需支持电动变焦镜头的变焦控制、聚焦控制及光圈控制。变焦控制及光圈控制相对来说技术成熟，研发难度不高。但聚焦控制，实现起来有不小的技术难度。
[0004]通过FPGA实现自动聚焦是目前的一种常用该方案，首先用模数转换器对视频进行采样，经过模式采样后的数字化视频数据输入给FPGA做视频滤波、亮度提取、自动聚焦评价函数计算机及自动聚焦爬山算法实现，整个自动聚焦都由FPGA来实现，因此该方案对于FPGA性能要求较高，实现硬件成本至少60元人民币。
【发明内容】
[0005]鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种基于CPLD和MCU的自动聚焦高清摄像机，旨在解决现有通过FPGA实现自动聚焦方案的成本较高的技术问题。
[0006]本发明是这样实现的，所述基于CPLD和MCU的自动聚焦高清摄像机，包括可输出标准数字视频信号的视频处理芯片以及电动镜头驱动组件，所述摄像机还包括CPLD和MCU，所述CPLD对所述视频处理芯片输出的标准数字视频信号进行亮度提取和聚焦评价函数计算，输出聚焦评价函数值，所述MCU根据所述聚焦函数评价值进行爬山搜索算法计算输出电机控制信号，所述电动镜头驱动组件根据所述电机控制信号控制聚焦马达完成自动聚焦。
[0007]本发明的有益效果是:本发明采用CPLD和MCU代替FPGA完成自动聚焦功能，CPLD时延小、并行数据处理能力强，可以实现高速视频数据运算处理，本发明中将其用于亮度提取和聚焦评价函数计算，MCU在复杂单线程运算处理方面具有显著优势，本发明中将其用爬山搜索算法计算，得到镜头的最佳聚焦位置，本发明利用CPLD和MCU各自的特点，有效发挥器件自身优势进行任务分配和资源整合，可以实现稳定可靠、高灵敏度、低时延特性的自动聚焦功能，与现有采用FPGA方案相比，可以明显降低物料成本。
【专利附图】
【附图说明】[0008]图1是本发明实施例提供的基于CPLD和MCU的自动聚焦高清摄像机的结构图；
[0009]图2是本发明实施例提供的CPLD结构方框图；
[0010]图3是本发明实施例提供的PAL制式的BT.656图像行输出时序图；
[0011]图4是本发明实施例提供的MCU结构方框图；
[0012]图5是本发明实施例提供的聚焦评价函数值与马达步进关系曲线图；
[0013]图6是本发明实施例提供的爬山搜索算法示意图。
【具体实施方式】
[0014]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0015]为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
[0016]图1示出了本发明实施例提供的基于CPLD和MCU的自动聚焦高清摄像机的结构，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。
[0017]本实施例提供的基于CPLD和MCU的自动聚焦高清摄像机包括可输出标准数字视频信号的视频处理芯片I以及电动镜头驱动组件4，所述摄像机还包括现场可编程逻辑器件2 (CPLD)和微处理器3 (MCU)，所述视频处理芯片1、CPLD, MCU、电动镜头驱动组件4顺次连接，优选的，所述CPLD和MCU通过12C接口连接，所述CPLD对所述视频处理芯片输出的标准数字视频信号进行亮度提取和聚焦评价函数计算，输出聚焦评价函数值，所述MCU根据所述聚焦函数评价值进行爬山搜索算法计算输出电机控制信号，所述电动镜头驱动组件根据所述电机控制信号控制聚焦马达完成自动聚焦。
[0018]本实施例采用低成本的CPLD和MCU配合，进行任务分配，实现全数字化高时效性的自动聚焦功能，是一种低成本的高清摄像机实现自动聚焦的设计方案。具体的，高清摄像机中所述视频处理芯片I预留有8bit数字视频信号输出接口，配置该接口输出标准的数字视频信号，比如BT.656信号，采用此信号作为聚焦算法视频源信号。视频处理芯片I的Sbit数字视频信号输出接口输出标准数字视频信号，CPLD对所述标准数字视频信号进行亮度提取和聚焦评价函数计算，通过I2C接口输出聚焦评价函数值至MCU，MCU根据聚焦评价函数值进行数据统计，运用爬山搜索算法计算输出电机控制信号，所述电动镜头驱动组件4根据所述电机控制信号控制聚焦马达完成自动聚焦。优选的，所述电机控制信号为PWM信号，所述电动镜头驱动组件4包括H桥芯片、聚焦马达。具体的，MCU通过爬山算法计算后，输出2路PWM信号到H桥芯片(ROHM公司的电机驱动芯片BD6220)，通过改变PWM占空比来改变驱动电流大小及方向，从而驱动聚焦马达运转实现自动聚焦功能。
[0019]作为一种具体实现方式，如图2所示，所述CPLD包括:
[0020]亮度提取单元21，用于根据标准数字视频信号中的引导码识别出有效视频数据，并从所述有效视频数据中提取出亮度分量；
[0021]聚焦评价单元22，用于根据所述亮度分量以及聚焦评价函数计算聚焦评价函数值。
[0022]下面以BT.656标准数字信号为例，说明CPLD的具体工作方式。
[0023]BT.656数字信号(又称CCIR656，格式为YCbCr4:2:2)内包含了视频同步信号、亮度(Y)信号及色度(C)信号，其中能有效反映视频聚焦清晰度值的为亮度信号中的高频分量，因此亮度提取单元21需先对BT.656数字视频进行亮度信号提取，过滤掉无用的色度及同步信号。根据输出制式的不同，BT.656的数字格式也会稍有不同，对于NTSC制式是525/60，即一帧图像为525行，场频为60Hz ;而对于PAL制式则为625/50，即一帧图像为625行，场频为50Hz，且它们都是隔行输出。对于PAL制式的BT.656图像，输出的数字图像有效像素大小为720X576。
[0024]PAL制式的BT.656图像行输出时序如图3所示，对于BT.656的行数据来说，它主要包括同步信号和亮度、色度信号。其中，同步信号为有效视频开始标记(SAV)和有效视频结束标记(EAV)，利用这些引导码，可以完成行同步、场同步和亮度及色度有效数据等状态的判断，同时同步信号为CPLD软同步提供了有效的依据。行有效数据的输出顺序依次为:Cb、Y、Cr、Y、Cb、Y、Cr、Y、…，相邻的两个灰度分量Y共用一个色差信号Cb或Cr，共有720个Y信号，即可生成720个行像素点。由于图像是隔行输出的，即一帧图像有奇场和偶场，所以在625行的数字图像中，除去相关的消隐行之外，剩下288行的奇场数据，，288行的偶场数据，共构成576行有效视频数据。因此通过BT.656数字信号中的引导码，可以识别出有效视频数据。
[0025]亮度提取单元21提取出亮度分量Y (8bit)后，聚焦评价单元22根据所述亮度分量以及聚焦评价函数计算聚焦评价函数值。本实施例中，采用一种改进的灰度差分法作为聚焦评价函数，这是一种优化后的聚焦评价函数，所述聚焦评价函数为一帧图像的所有像素与其周围像素亮度差的平方的累加，作为一种聚焦评价函数F的表达方式，如下:
【权利要求】
1.一种基于CPLD和MCU的自动聚焦高清摄像机，包括可输出标准数字视频信号的视频处理芯片以及电动镜头驱动组件，其特征在于，所述摄像机还包括CPLD和MCU，所述CPLD对所述视频处理芯片输出的标准数字视频信号进行亮度提取和聚焦评价函数计算，输出聚焦评价函数值，所述MCU根据所述聚焦函数评价值进行爬山搜索算法计算输出电机控制信号，所述电动镜头驱动组件根据所述电机控制信号控制聚焦马达完成自动聚焦。
2.如权利要求1所述基于CPLD和MCU的自动聚焦高清摄像机，其特征在于，所述CPLD包括: 亮度提取单元，用于根据标准数字视频信号中的引导码识别出有效视频数据，并从所述有效视频数据中提取出亮度分量； 聚焦评价单元，用于根据所述亮度分量以及聚焦评价函数计算聚焦评价函数值。
3.如权利要求2所述基于CPLD和MCU的自动聚焦高清摄像机，其特征在于，所述聚焦评价函数为一帧图像的所有像素与其周围像素亮度差的平方的累加。
4.如权利要求3所述基于CPLD和MCU的自动聚焦高清摄像机，其特征在于，所述MCU包括: 爬山搜索单元，不断微调聚焦镜头的位置，根据最新记录的三个聚焦函数评价值计算出聚焦位置，输出对应的电机控制信号。
5.如权利要4所述基于CPLD和MCU的自动聚焦高清摄像机，其特征在于，所述MCU还包括: 聚焦过滤单元，用于统计相邻两个聚焦函数评价值的数值差，过滤掉所述数值差在预设阈值范围之外的聚焦函数评价值。
6.如权利要求1-5任一项所述基于CPLD和MCU的自动聚焦高清摄像机，其特征在于，所述CPLD与MCU通过12C接口连接。
7.如权利要求6所述基于CPLD和MCU的自动聚焦高清摄像机，其特征在于，所述电机控制信号为脉冲宽度调制信号。
8.如权利要求7所述基于CPLD和MCU的自动聚焦高清摄像机，其特征在于，所述标准数字视频信号是BT.656YCbCr4:2:2数字视频信号。
【文档编号】H04N5/232GK103561203SQ201310558097
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年11月12日 优先权日:2013年11月12日
【发明者】李君桥 申请人:武汉微创光电股份有限公司