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1、太原理工大学硕士研究生学位论文PAL 一体化摄像机关键技术研究摘 要一体化摄像机体积小巧、美观，功能扩展方便，有广泛的应用前景和使用价值。目前，在安防监控领域，PAL 一体化摄像机仍是主流产品。然而，无论技术还是市场国外厂商都占据主流。经调查研究发现，技术和功能上的差异是国内厂商在市场竞争中处于劣势的根本原因。本文针对这种现状，以 PAL 一体化摄像机为研究对象，为进一步提高国产一体机技术含量和产品附加值，研究了一体机的部分关键技术并在给定的硬件平台上实现。论文研究了精确的自动曝光控制方法，该方法采用光圈控制和电子增益补偿相结合的控制方式，充分利用模糊逻辑系统实现图像区域亮度的权值动态分配获得
2、更加精确的图像亮度均值，并且通过对大规模数据进行分类总结得到光圈亮度对应表。实际应用表明，该表中数值可使图像画面亮度均匀，符合人眼视觉要求，有利于快速调节光圈至合适位置；改进了自动聚焦搜索策略，采用变焦曲线与渐进式搜索策略相结合的方式，大大提高了一体机大幅离焦时的聚焦速度，提升了聚焦成功率，即便在高变倍区域也能够较为快速的聚焦；实现多种云台控制协议的解析，包括常见的PELCO-D、PELCO-P、PHLIPS、SAMSUNG 等，能够自动识别协议并映射为中间协议。本论文设计的 PAL 一体化摄像机系统与国内同类摄像机相比，自动曝光快速精确，自动聚焦准确且在大幅离焦时也能够快速聚焦，性能与国外I
3、太原理工大学硕士研究生学位论文同类产品相近。本项目已通过山西省科技厅组织的成果鉴定达到国际先进水平。关键词：一体化摄像机，镜头控制，变焦，自动曝光，自动聚焦II太原理工大学硕士研究生学位论文PAL INTEGRATIVE VIDEO CAMERA KEYTECHNOLOGY RESEARCHABSTRACTIntegrative cameras have a compact size, pleasant appearance ， easyexpansion of functions. Therefore, integrative cameras have a wide applicationp
4、rospect. At present, PAL integrative camera is still the mainstream product inthe field of security monitoring. However, whether technical or market foreignmanufacturers occupied a dominant position. After investigate carefully, wefound that technical and functional differences are the root causes.
5、In view ofthis status quo, this paper studied PAL integrative camera and some of its keytechnologies as to further improve the level of China-made machine.This paper first studied precise automatic exposure control method. Thismethod used aperture control and electron-gain compensation control means
6、,obtained a more precise average brightness by using a fuzzy logic system.Look-up table between PWM and aperture was obtained by summing up a largeamount of experimental data. Practical application shows that the value of thetable screen allows the image brightness in line with the vision requiremen
7、ts ofthe human eye. Then auto-focus search strategy was studied. We used the zoomcurve and gradual zoom search strategy, greatly improved the success rate offocus and focusing speed when focus motor deviate from the right positionIII太原理工大学硕士研究生学位论文seriously. Even at high zoom region this method can
8、focus more quickly.Implementation of PTZ control protocols analysis and automatic identification,including the common PELCO-D, PELCO-P, PHLIPS, SAMSUNG, and so on.Compared with similar cameras, the design of the PAL integrative camerasystem in this paper has a more fast and accurate auto exposure, q
9、uick focus.This design has been identified as having reached the international advancedlevel by Shanxi Science and Technology Agency.KEY WORDS: Integrative Camera, Lens Control, Zoom Control, Auto-focus,Auto-exposureIV太原理工大学硕士研究生学位论文第一章 绪 论1.1 论文研究背景及意义一体化摄像机一般指可自动聚焦、镜头内建的摄像机。与传统摄像机相比，一体化摄像机最大的优点就是具
10、有自动聚焦功能，并且它体积小巧、美观，安装方便，密闭性较好质量容易控制。随着世界经济水平和科学技术的飞速发展，人们对安全防范要求也越来越高。为了对付各种各样的经济刑事犯罪，保护国家和人民群众的生命财产的安全，保证各行各业和国家重点部门的正常运转，采用高科技手段预防和制止犯罪已成为保安领域里的共识。社会公共安全防范工作中，图像信息是最能准确说明和反映现场情况的，视频监控系统恰好满足这一需要，是安全防范系统的重要组成部分。渐渐地视频监控以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于几乎我们需要的各种场合。近年来，随着计算机、网络以及图像处理、传输技术的迅猛发展，视频监控制技术及其应用也有长足的发展1。一
11、体化摄像机的关键技术比较集中，世界上第一台实用性摄像机是由美国安培公司于 40 多年前推出的。当时的摄像机采用摄像组件，寿命低、性能不稳定而且不能对强光进行摄影。上个世纪 70 年代末期，JVC 推出了第一台家用型摄像机，JVC 的最大的功劳在于将摄像机的操作简化，大幅降低价格。从此，摄像机开始从专业领域向普通家庭进军。如今，随着数码技术的发展，家用摄像机已经被数码产品一统天下。而在视频监控领域一体化摄像机也逐步走向主流，并且向着智能化和网络化发展。一体化摄像机的发展同时也得益于自动聚焦技术的发展。一开始的自动聚焦方法基本属于测距法，即利用红外线或者超声波测量出被摄物体与摄像机之间的距离从而调
12、整焦距实现自动聚焦的。随着现代计算技术的发展和数字图像处理理论的日益成熟，自动聚焦技术进入一个新的数字时代，越来越多的自动聚焦算法是基于图像处理的理论，改变以往通过测量相机与被摄主体之间的距离来进行聚焦的方法，老的方法不仅使系统庞大笨重，而且有时还不准确(因为红外射线必须准确地射向被摄体)。数字图像处理理论认为，信号或图像的能量大部分集中在幅度谱的低频和中频段，但图像轮廓的锐度和细节的丰富度取决于图像的高频成份。因此各种检测图像的边缘信息或计算图像高频分量1太原理工大学硕士研究生学位论文的自动聚焦方法应运而生。其中，通过对图像有关信息进行分析计算从而驱动电机使系统正确聚焦的方法我们可以称之为半
13、数字式的自动聚焦方法；另一种方法完全建立在图像信息的分析计算的基础上，用图像处理的方法对离焦的图像进行复原变换，使输出的数字图像清晰，而不是调整聚焦镜头的位置，使系统处于准焦状态，我们可以称这种方法为全数字式的自动聚焦方法2。随着技术的不断发展，出现了各种新型的一体化摄像机，如具有夜视功能的摄像机。夜视技术是指在夜间无可见光或只有很微弱可见光环境下的可视监视技术，因而它可归纳为应用电视技术的一个分支。多年来，在直视夜视技术的基础上，借助高灵敏摄像机进行夜间监视的电视夜视技术已得到迅速发展，并开始应用于现代电视监控系统中。还有，为了适合在大气雾气环境中的电视监控应用，英国一家公司专门生产了一种具
14、有破雾功能的摄像机。从结构上说，该摄像机其实是在 CCD 传感器的前面加装了两片并列的、可受微型电机控制而左右滑动并单独对 CCD 传感器进行遮挡的滤光片，其中一片是在普通彩色摄像机中常用的红外切割滤光片，另一片则是暗红近乎黑色的红外滤光片，前者相当于光频高通滤波器，而后者相当于光频低通滤波器。两片滤色片可以自动或手动受控切换3。与普通摄像机一样，一体化摄像机在数字化及网络功能上也有新的进展，主要是数字化处理技术，在一体机内部嵌入网络处理模块，具备网络功能;另外就是目标锁定、自动跟踪功能。理论上来说自动跟踪功能可以很好地实现，可是实际应用中在多目标跟踪时一体机只能自动选择最大的目标进行锁定。网
15、络功能与自动跟踪功能也是未来摄像机(包括一体化摄像机和普通摄像机)发展的方向4。1998 年，一体化摄像机正式出现在国内市场。目前，国内一体机市场上主流依然由SONY、HITACHI、SAMSUNG、CNB、LG 等外国品牌所统领，国内厂商仅有少数低端产品，无论技术还是市场都不占据优势。正是基于国内一体化摄像机市场的现状和一体机广阔的应用前景，本文将这种类型的摄像机作为我们的研究对象，为进一步提高国产一体机技术含量和产品附加值，研究了一体机的关键技术、对控制系统进行了设计，并在给定的硬件平台上实现。1.2 论文完成的工作本文以 PAL 一体化摄像机为主要研究对象，研究了一体机的关键技术并对控制
16、系2太原理工大学硕士研究生学位论文统进行了设计实现。为了满足对一体化摄像机光学系统、视频系统以及通信系统的要求，我 们 采 用 了 PHILIPS 公 司 生 产 的 LPC2132 单 片 机 作 为 主 控 制 器 ， Xilinx 公 司FPGA-X3S250E 实现 OSD、聚焦分析以及冻结负片等特色功能。在控制程序设计中，成功的驱动了步进电机对光学系统进行控制，并对摄像机自动曝光和自动聚焦搜索进行了快速精准的控制。具体工作如下：对一体化摄像机控制系统的关键性技术进行了研究，提出了基于一种基于多区域的快速自动曝光方法并对自动聚焦搜索方法进行了改进，大大提高了大幅离焦时的聚焦速度，实现了全区域的自动聚焦。研究一体化摄像机控制系统的整体结构，完成了整系统控制程序设计。实现了对光学系统的精确控制，并充分利用光学变焦曲线实现了对变焦过程的精确控制做到了整个变焦过程不出现大幅离焦，对多种云台控制协议进行了解析。对DSP进行了深入研究调试，实现了图像色彩的良好还原，实现单片机与DSP通信，实现负片、镜像等多种功能。1.3 论文的组织和结构论文具体分为五个章节，安排如下：第
