尹宏建，高慧斌

（1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林長春 130033;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100039）

0 引言

光電經(jīng)緯儀是對目標(biāo)進行實時跟蹤測量的光學(xué)設(shè)備，而跟蹤的目標(biāo)往往是動態(tài)的，因此，目標(biāo)與經(jīng)緯儀之間的觀測距離也在不斷變化，目標(biāo)在視場中的大小就會隨之變化，如果目標(biāo)速度不大，運動過程中距離變化不是很明顯，對觀察結(jié)果不會造成太大影響;相反，如果距離變化超出一定范圍，目標(biāo)在視場中成像大小就會有很大差別，這對于觀察目標(biāo)的飛行姿態(tài)、尺寸形狀，觀測目標(biāo)速度都是不利的［1］。

為了使目標(biāo)在視場中成像大小保持不變（或基本不變），需要引入變焦技術(shù)。目前，經(jīng)緯儀采用的方法都是手動變焦。手動變焦主要存在以下不足:1）畫面會存在“跳躍”感，即不能實現(xiàn)穩(wěn)定平滑變焦;2）變焦需要人為控制，實時性不高;3）不能把人從簡單重復(fù)工作中解脫出來，浪費人力資源［2］。

基于以上原因，本文設(shè)計了一種基于傳感器的自動變焦系統(tǒng)，由距離傳感器傳回的距離信息控制整個系統(tǒng)自動變焦，為以后的變焦技術(shù)提供了一種新思路。

1 自動變焦原理

光學(xué)變焦是依靠變焦距鏡頭來實現(xiàn)的，變焦距鏡頭通常是由前固定組、變倍組、補償組、后固定組四光組組合的光學(xué)系統(tǒng)。變焦過程中前固定組和后固定組固定不動，變倍組做線性移動改變目標(biāo)成像大小，補償組做相應(yīng)非線性移動補償像面偏移。

根據(jù)鏡頭透射原理

式中f為變焦距鏡頭焦距，即四光組組合的光學(xué)系統(tǒng)焦距;D為觀測目標(biāo)距離;h為CCD（charge-coupled device）圖像傳感器高度;H為觀測畫面的實際高度。

其中，D可以由距離傳感器測量，h在選用器件后為已知，H根據(jù)工程的實際需要可以設(shè)定。例如:要求對一個移動中的人物進行觀察，并且希望其在視場中成像大小不變，假設(shè)人物高度1.70 m，由常識可知，要想清晰觀察一個人物，人物高度約占畫面高度2/3，由此知，觀測畫面實際高度H為人物高度1.5倍，為2.55 m。這樣，對于指定工程，每次測距傳感器傳回一個距離值，就可以算出焦距值，而對于其他工程，重新設(shè)定H參數(shù)，同樣適用。

由變焦距光學(xué)系統(tǒng)理論公式可知，還要滿足如下關(guān)系

式中f1，f2，f3分別為前固定組、變倍組和補償組的焦距;L1變倍組與補償組的距離;L2固定組與補償組的距離;f為光學(xué)系統(tǒng)焦距［3，4］。

由式（1）～式（3）聯(lián)立可得

由式（4）、式（5）可知，由距離傳感器每傳回一次距離值，就可以知道變倍組與補償組的準(zhǔn)確位置，通過電機驅(qū)動組元到計算出的位置，從而達(dá)到自動變焦的目的［5］。

將系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)代入式中，取H=2.25 m，得到變倍組與補償組的位移曲線，如圖1所示。

圖1 變倍組與補償組位移曲線Fig 1 Displacement curve of magnifier and compensation groups

2 硬件系統(tǒng)

2.1 變焦系統(tǒng)方案

自動變焦控制系統(tǒng)如圖2所示，TMS320LF2407是設(shè)計系統(tǒng)的控制核心，電源提供DSP所需+5 V供電，管理計算機與DSP進行串行接口通信，距離傳感器輸出距離信號，經(jīng)過放大，A/D轉(zhuǎn)換電路作為DSP輸入信號，驅(qū)動各自歩進電機帶動變倍組、補償組移動。電位計把組元位置信息反饋回 DSP，形成閉環(huán)控制［6～8］。

圖2 自動變焦系統(tǒng)原理框圖Fig 2 Principle block diagram of auto-zooming system

2.2 距離傳感器

距離傳感器是利用“飛行時間法”的原理來實現(xiàn)測量距離，以檢測物體距離的一種傳感器。距離傳感器發(fā)射短的光脈沖，通過測量發(fā)射和物體反射回來的光脈沖時間間隔來計算距離。

本文實驗測量用的是深圳思信科技有限公司的SRF200M01A—H激光測距傳感器，其最大量程為1500 m，精度為0.1 m，傳感器采用 RS—232接口，波特率為9600，工作供應(yīng)電壓9.24 V。

2.3 硬件電路設(shè)計

本自動變焦系統(tǒng)采用的主控芯片為TI公司的16位DSP芯片 TMS320LF2407，其內(nèi)部集成外設(shè)有:32 kB的FLASH程序存儲器;能達(dá)到40 MIPS的執(zhí)行速度，指令周期25 ns;2.5 kB的數(shù)據(jù)、程序RAM，可擴展的外部存儲器為192 kB（程序、數(shù)據(jù)、I/O空間各64 kB）;定時器;看門狗;EV管理器;串行通信接口SCI，串行外設(shè)接口SPI，控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)CAN;8或16通道可選的10位A/D轉(zhuǎn)換器［9］。

激光測距傳感器為本系統(tǒng)提供了關(guān)鍵的自動變焦信息，由于選用激光測距傳感器有RS—232串口可以直接和DSP連接。串行通信接口電路如圖3所示［10］。

圖3 串行通信接口模塊原理圖ig 3 Principle diagram of serial communication interface module

本系統(tǒng)采用歩距角為1.8°，型號35BY007步進電機。電機驅(qū)動選擇型號UP—4HB03M，適用四相混合式和兩相六抽頭混合式步進電機，PWM恒流控制，可選擇16細(xì)分或四相八拍2種方式，驅(qū)動電流0.3A。驅(qū)動電路如圖4所示，TMS320LF2407的I/O口輸出脈沖信號，控制UP—4HB03M，UP—4HB03M的CP為步進脈沖輸入端，上升沿有效;FREE端為驅(qū)動器脫機端，當(dāng)FREE=1時，電機處于釋放狀態(tài);U/D為步進電機的運行方向控制端，當(dāng)U/D為高電平時，電機正轉(zhuǎn);否則，電機反轉(zhuǎn)。

3 軟件流程設(shè)計

本系統(tǒng)軟件包括主程序、初始化程序、中斷服務(wù)子程序、步進電機控制子程序。初始化程序主要負(fù)責(zé)初始化串行通信接口、看門狗、定時器等工作;中斷服務(wù)子程序主要負(fù)責(zé)接收串行通信接口傳輸?shù)木嚯x信息;步進電機子程序控制變倍組和補償組的移動。主程序如圖5所示。首先，系統(tǒng)進行初始化，等待串口數(shù)據(jù)到來，檢查距離值和前一采樣距離值是否相等，如果相等，說明目標(biāo)沒有移動，不需要進行變焦處理;否則，計算此距離下目標(biāo)成像大小基本不變要求的系統(tǒng)的焦距，然后向變倍組和補償組步進電機發(fā)出脈沖信號，電位計返回2組元位置信息與理想值比較，若誤差較大，則繼續(xù)移動;若誤差達(dá)到工程允許范圍，則結(jié)束變焦程序。

圖4 步進電機驅(qū)動電路原理圖Fig 4 Principle diagram of drive circuit of step motor

圖5 程序流程圖Fig 5 Flow chart of program

4 實驗與結(jié)果分析

實驗選用變焦鏡頭短焦150mm，長焦1500mm，10倍變焦。由式（1）知，目標(biāo)成像大小能基本恒定的距離為79.6875～796.875 m。CCD 尺寸寬為6.4mm，高為4.8mm，觀察目標(biāo)為速度40～50km/h的汽車，取H為2.25m。將計算所得理論值與實際值進行對比，如表1所示。

由表1知，系統(tǒng)精度在0.02 mm左右，分析原因主要是因為TMS320LF2407自身ADC為10位精度，電位器長度25 mm，供電電壓5 V，ADC的分辨率為0.004 88 V，A/D 轉(zhuǎn)換誤差為0.00488×（5/25）=0.024 4 mm。如果采用精度較高的專用ADC芯片，系統(tǒng)的控制精度將會更高。

對移動中的汽車進行自動變焦觀察，截取觀察過程中的四幀圖像，如圖6所示，系統(tǒng)的實時性令人滿意，目標(biāo)在觀察距離（79.6875～796.875m）中快速移動時，在視場中成像大小基本恒定，滿足設(shè)計和工程要求。

5 結(jié)論

本文采用激光測距傳感器，設(shè)計了以TMS320LF2407為控制核心的自動變焦系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有體積小、可靠性高、功耗低、控制精度能達(dá)到較高要求等特點。提出了一種自動變焦的理論方法，進行了硬件電路和軟件流程的設(shè)計。結(jié)果表明:控制精度達(dá)到0.02 mm，對快速移動中的物體實現(xiàn)自動變焦，維持目標(biāo)在成像面上大小基本不變，驗證了方法的可行性和可靠性，為以后的自動變焦系統(tǒng)設(shè)計提供了一種新的思路。

表1 實驗測試對比Tab 1 Contrast of experimental test

圖6 自動變焦過程中圖像Fig 6 Image in the process of auto-zooming

［1］許兆林，趙育良，劉建東.基于傳感器的自動調(diào)焦系統(tǒng)設(shè)計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（4）:111-113.

［2］Lee Won Oh，Lee Hyeon Chang，Gho Chul Woo，et al.Auto-focusing method for remote gaze tracking camere［J］.Optical Engineering，2012，51（6）:063204—1-063204—15.

［3］李零印，王一凡，薛 育.基于數(shù)字信號處理技術(shù)的連續(xù)變焦鏡頭控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.光子學(xué)報，2011，40（9）:1346-1350.

［4］刑 輝，楊 洪，王嬋娟.基于 TMS320LF2407A的連續(xù)變焦鏡頭控制系統(tǒng)［J］.國外電子測量技術(shù)，2006，25（7）:7-14.

［5］Kuo Tengkai，Huang Chengming，F(xiàn)u Lichen，et al.A robust visual servo based headtracker with auto-zooming in cluttered enviroment［C］//IEEE Proceedings of American Control Conference，2003:3107-3112.

［6］Ptucha Raymond，Rhoda David，Mittelstaedt Brian.Auto zoom crop from face detection and facial features［J］.Proc of SPIE，2013，865（7）:865706—1—865706—9.

［7］Wang Zheng，Ren Jinchang，Wang Yubin，et al.Reliable camera motion estimation from compressed MPEG videos using machine learning approach［J］.Optical Engineering，2013，52（5）:057401—1—057401—7.

［8］陳 斌，季云飛，楊 帆.基于 TMS320F2812的測距機電路系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.激光與紅外，2009，39（7）:739-741.

［9］劉和平，王維俊，江 渝，等.TMS320LF240x DSP C語言開發(fā)應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

［10］郜洪云，熊 濤，楊長城.中波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)［J］.光學(xué)·精密工程，2007，15（7）:1038-1043.