CN1003972B - 一种新的电视摄象机自动聚焦装置 - Google Patents

Abstract

一种新的电视摄象机自动聚焦装置。本发明属于电视摄象机光学镜头自动聚焦技术领域。这种新的光学镜头自动聚焦装置可以解决现有自动聚焦技术中存在的动态跟踪差、惰性大、要求摄象环境条件高等问题。该装置是通过闭合自动控制系统对摄象状态的特征量实时处理，加工以实现自动调焦。其优点是在摄象中各种情况下都能实现最佳聚焦，提高重现图象质量和艺术效果。本发明适用于广播电视和工业电视摄象机自动聚焦。

Description

一种新的电视摄象机自动聚焦装置

本发明属于电视摄象机光学镜头自动聚焦技术领域，应用于广播电视和工业电视摄象机。

传统的摄象机是用手转动发电机转子未驱动微电动机，做正、反转动实现聚焦。这种聚焦方式仅对摄象镜头处于小光圈（长镜深），慢速运动物体的全景拍摄是可以的，但对拍特写镜头及暗景大光圈下的中近景，特别是对高速运动的景物，由于操作者的体能状态的限制，人眼的视觉误差等原因，必然使聚焦状态的实时跟随性差，在摄象过程中不能保证在各种情况下都实现最佳聚焦，使重现图象质量受到影响。

近年来发展的红外线、超声波、三角测量等自动聚焦方法以及用TTI电路检测图象对比度自动聚焦方法，都存在精度低，运态跟踪差，惰性大，摄象环境条件要求高，需要探测源等缺点，如专利US-432 0947。

本发明目的在于：寻求一种新的技术途径，消除已有技术的上述缺点，在摄象过程中各种情况下都能实现最佳聚焦，提高重现图象的质量。

达到所提出目的方法是：寻求实时的，可靠的聚焦、散焦状态的特征量，以实现良好的动态跟踪聚焦状态。摄象机在聚焦与散焦两种情况下得到的视频信号是不同的。就拍摄同一画面来说，场间信号的低频成分仍存在很强的相关性，但其高频成分的幅度具有明显差别。具体地说聚焦状态下的信号高频分量的幅度将大于散焦状态下的高频幅度。如图一中的A、B分别表示在聚焦、散焦两种情况下所得到的视频信号波形。A中信号波形前后沿是陡的，近似矩形波，B中信号近似正弦波。矩形波的频谱含有丰富的高次谐波，即高频分量大，而接近正弦波仅以基波分量为主，高次谐波分量小。

由上述可见，摄象机在拍摄静止画面或一般活动画面时，由于相邻两场图象存在着相关性，即相邻两场视频信号是极其相近的。只有摄象机由散焦逐渐过渡到聚焦或由聚焦逐渐过渡到散焦时，相邻两场视频信号才发生高频分量明显的增加或减小的变化。如图二所示。因此，可以根据相邻两场视频信号的高频分量的增量或减量做为判据，判断摄象机是处在聚焦状态还是处在散焦状态。通过闭合控制系统进行取样，加工、处理，反馈等环节实现自动调焦。具体做法是对高频分量进行平均峰值检波，取其直流。经A/D变换送进微处理机，在场同步脉冲控制下，由微机进行相邻两场或每隔10场，进行比较取其差值，存入其中较大信号。这一工作是由予先编制好的程序固化在EPROM2716内来完成。整体方框图如图三。具体完成的实例如下：

1、取样窗口，脉冲形成电路。

为了提高摄象图象的艺术效果，特别是解决用短镜深来拍摄长景深或快速动作的局部画面聚焦的问题。把一幅图象分成五个取样窗口。五个窗口的选用是由五个开关（K₁、K₂、K₃、K₄、K₅）完成的。如图五所示。取样脉冲的结构根据不同窗口是不同的。无论取样窗口数量多少，其设计原理都是相同的。都是利用摄象机的同步脉冲信号做为触发脉冲经过一定的延时触发单稳态器件工作。下面以1/4画面窗口（如图四所示）为例说明形成电路的设计。如这里利用单稳态触发器的单稳特性，构成级联两次延时电路。在行，场正程中间的1/2区间有输出脉冲。如图六所示。

当行同步脉冲上升沿到来时，延时10.7μS+13μS＝23.7μS后。单稳态有输出，输出脉宽为26μS，之后自行恢复到原状态即无输出。直到下一个行同步脉冲到来又重复上述过程。

场同步脉冲如图七所示，其上升沿到来时，延时1.452mS+4.6mS＝6.052mS后有9.2mS时间输出，然后自行还原状态。

行、场二路同步脉冲信号相“与”，后做为视频信号选通开关控制信号，如图八所示。视频信号选通开关是由开关三极管或二极管做成的，其控制信号来到时，视频信号通过开关管被选通。形成电路可用74LS123双单稳触发器构成如图九所示。

2、滤波器设计

为了提取视频信号高频分量，需要设计高通滤波器。同一幅画面在散焦与聚焦两种情况下的幅频特性分别如图十所示。高通滤波器下截止频率选多少为好。这关系到自聚系统的灵敏度和聚焦动态跟随能力。一般情况在调聚焦时是以图象急剧变化边缘区为准。而这个区域所对应信号频率是在高频端。所以高通滤波下截止频率选高些。但是频率又不能选得太高。频率太高了，在拍摄大块平坦灰度图象时，就失控。又考虑到人眼最敏感的频率区域是2MH_Z左右，因此选2MH_Z为高通滤波器下截止频率。使用2或3节T型高通滤波器，用常规元件即可。

3、平均峰值检波

用二极管做平均峰值检波器。如图十一。

4、直流放大器

采用低功耗运算放大器F013A，如图十二所示。R_p＝R₁∥R_i保证同相输入端与反相输入端的外接直流电阻相等，以此清除放大器输入级静态偏置电阻可能造成的运算误差。

5、ADO电路及微机接口电路

这里选用ADO804数据变换芯片，它可直接接到微处理机上而不需另接口芯片。其线路如图十三所示。

Z80-PIO可编程并行输入/输出接口电路，是一种通用I/O芯片，可利用程序改变它的工作方式，使其能与多种外部设备连接，而不必修改硬件电路。用它作为微机与外部设备的接口电路，十分方便，灵活。这里利用程序控制PIO工作方式，来完成对视频信号的高频分量进行检测，比较、控制输出的功能。输出采用脉冲方式，可将程序固化在EPROM2116片内，再由PIOZ80 CPU三片子组成单片机，就可完成这一自控功能。

6、摄象状态指示电路

单片机PIO输出端通过三极管BG驱动发光二极管LED。表示摄象状态，如图十四。

电源电压采用TTL经一电压直流5V。设输入“1”电平时为3.6V，U_B＝3.6V-0.6V＝3V，取I₀＝10mA，则R＝3/10＝300Ω。

电源采用摄象机本身的电源，不另设置。

7、过程控制

利用程序控制PIO工作方式，来完成对视频信号的高频分量进行检测、比较，回控输出的功能。

信号读入应在每场中间区域完成，这就需在场同步脉冲之后，延时10ms左右取值。10ms左右的延时是将2CCH送入BC，利用2MH_Z钟脉冲通过循环程序，延迟26个脉冲得到的。输出应采用脉冲串的方式，这样可设PIO的A口为输入方式（禁止中断），B口为位控中断方式。

附图说明

图一、A是聚焦情况下的视频信号，A（a）是黑白格信号波形，A（b）是彩色信号波形。B是散焦情况下的视频信号波形，B（a）是黑白格信号波形，B（b）是彩色信号波形。

图二、μ为聚焦电压，m为聚焦长度，A为聚焦点。

图三、整体方框图。1、选通电路，2、高通滤波，3、检波器，4，直流放大器，5、A/D转换，6、选通脉冲形成电路，7、PIO，8、CPU ROM，9、自动/手动开关，10、电子开关，11、指示电路。

图四，取样窗口在屏幕中的位置（阴影部分）。

图五、（A）为五个取样窗口脉冲形成电路及视频选通电路。其中1、场脉冲形成电路，2、行脉冲形成电路，3、选通电路，U_A为视频信号输入，接到摄象机的视频输出端。U_B为视频信号输出，接到高通滤波器。K₁，K₂，K₃，K₄，K₅为选择窗口开关，（B）为五个取样窗口分布位置，K₁选择窗口1，K₂为选择窗口2，以下类推。

图六、图七分别是行、场同步脉冲波形。

图八、是选择脉冲形成电路，其中A、B分别为行同步，场同步脉冲信号输入。1.2.3.4.分别是单稳态74LS123构成的脉冲形成电路。

图九、74LS123外部接线图。

图十、（a）为散焦情况下的视频信号幅频特性。（b）为同一画面聚焦情况下视频信号的幅频特性。（c）为高通滤波器幅频特性。

图十一、是平均峰值检波电路，R为10KΩ，C＝10pF左右。

图十二、为直流放大器。

图十三、a、ADO 804芯片连线。

b、接口连线。

图十四、指示电路。

该项发明可以使现有的手动聚焦电视摄象机改成为自动聚焦摄象机。还可以制造出具有自动聚焦功能的，性能良好的新型电视摄象机。

本发明使摄象技术提高一步。用此技术可以提高摄象艺术效果。减轻操作员、摄象员劳动强度。

Claims (3)

1、一种用于电视摄像机自动聚焦装置由对视频信号检测出高频成分和由主透镜调整的二种信号一起控制操作机构，其特征在于摄像聚焦过程中对帧间、场间的视频信号进行比较得出正、负变化的差值信号作为调焦特征量的装置，由形成控制信号（b）的输出接到取样电路（1）构成取样窗口，被取样的信号通过高通沪波（2），峰值检波（3），放大（4）后进行A/D转换接到微处理机（7）、（8），对帧间或场间信号比较得出差值信号接到驱动电路（9），通过电子开关（10）驱动调焦机构，同时在聚焦指示电路（11）中产生聚焦指示信号。

2、根据权利要求1所述的自动调焦装置，其特征还在于所说的信号取样窗口（1）、（6）制作时在一幅画面中，采用至多不超过五个不同部位的窗口，在摄像过程中，为达到所要求的和更好的艺术效果，可通过窗口选择开关，任选一个或两个以上不同窗口的组合。

3、根据权利要求1所述的自动聚焦装置，其特征在于具有三极管驱动发光二极管的聚焦指示电路。

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