基于FPGA的实时视频信号处理平台的设计，包括电路图及源代码

法、系统控制、电机驱动等，如图3所示，下面将详细介绍各模块的实现方法。

1. 格式转换

该模块功能是将输入的8位视频信号转换成16位YC_bC_r（4:2:2）格式视频信号。实现方法如下：在输入视频信号的行同步信号有效时，在第一个像素时钟同步下，将第一个8位数据写入8位寄存器1，第二个像素时钟同步下，将第二个8位数据写入8位寄存器3，同时将寄存器1的数据输出到8位寄存器2，第三个像素时钟同步下，将第三个8位输入数据写入寄存器1，同时，将寄存器2、寄存器3的数据写入到16位寄存器4，一直按此规则进行写入，则寄存器4输出16位YC_bC_r（4:2:2）格式数据，输出速率为原像素时钟的2分频。其内部寄存器格式如图4所示。

（2） 步进电机初始化

该模块功能是实现电机初始位置的判断，并驱动电机转动到某一固定位置。

由于每次系统掉电时，步进电机的停止位置不固定，所以每次系统工作时，首先要进行步进电机位置的判断并驱动步进电机转到某一固定位置，如一倍放大位置。步进电机中用电机位置检测器来判断电机的位置，位置检测器电路如图5所示。其工作原理为，当电机驱动的检测器运动到发光二极管与光敏三极管之间时，阻挡二极管发出的光线，则三极管处于截止状态，输出信号为高电平；当检测器离开中间位置时，发光二极管使三极管导通，则输出信号为低电平。由于二极管和三极管位置固定，所以输出信号电平跳变位置是固定的。

图5 电机位置检测电路

系统上电后，根据电机位置检测器返回的状态信号判断当前电机的运动位置，若返回低电平则驱动电机向图像传感器方向移动，直至检测信号为高电平，在检测信号跳变时，停止电机转动；若检测信号为高电平，则驱动电机向远离传感器方向移动，直至检测信号为低电平，在检测信号跳变时，停止电机转动，由于检测信号跳变位置是固定的，所以系统上电后可驱动电机转动到预设置的固定位置。

（3） 变倍跟踪

（4） 自动聚焦算法

通常采用聚焦评价函数来描述图像的清晰程度，常用的聚焦评价函数有：高频分量法、平滑法、阈值积分法、灰度差分法、拉普拉斯像能函数等。灰度差分法利用图像的相邻像素灰度值差的绝对值之和作为聚焦评价函数，灰度差分算法实现简单，由于没有复杂的运算，易于在FPGA上实现，算法公式描述为:

该算法实现时，缓存四行数据，实现内部功能模块如图6所示。

图6 自动聚焦算法实现内部模块

读写控制模块控制四个行缓存中数据的读写，每场图像第一行数据写入到行缓存1，第二行数据写入到行缓存2，第三行数据写入到行缓存3，第四行数据写入到行缓存4，同时，将行缓存1、2、3中数据读出到算法实现模块，第五行数据写入到行缓存1，同时，将行缓存2、3、4中数据读出到算法实现模块，按此读写规律进行直至一场图像结束。算法实现模块接收从行缓存中读出的数据，并将每个行缓存读出的数据赋值给内部相连的三个寄存器，则第二行中间寄存器对应算法中的像素，根据聚焦评价函数值公式即可求出当前场的聚焦函数值，并将当前场图像的聚焦函数值与前一场图像的聚焦函数值相比较，如当前场图像的聚焦函数值大于前一场图像聚焦函数值，则输出比较信号为高电平，表示当前场比前一场图像清晰，反之输出低电平，表示当前场图像比前一场图像模糊。

（5） 搜索

该模块根据自动聚焦算法模块输出的相邻两场图像聚焦函数值的比较结果，来控制聚焦电机的转动方向，当输出图像的聚焦函数值最大时停止转动，则实现图像的自动聚焦。

该模块具体实现过程为，变倍结束后，在图像场同步信号的消隐期间，使聚焦电机朝预定义的固定方向转动一步，在下一场图像场同步的下降沿采集自动聚焦算法模块输出的聚焦函数值比较结果信号，若该信号为高电平，则表示当前图像比前一场图像清晰，则电机转动方向正确，继续向该方向转动一步，同理，在下一场图像的场同步下降沿采集聚焦函数值比较结果信号，若为高电平，则继续向该方向转动，若为低电平，则向相反方向转动一步后停止电机转动，则自动聚焦结束；若第一次采集的聚焦函数值比较结果信号为低电平，则表明首次设定的转动方向错误，则向相反方向转动两步后，在下一场图像的场同步下降沿判断聚焦函数值比较结果信号，若为高电平，则继续沿该方向转动，若为低电平，则向相反方向转动一步后停止电机转动，则自动聚焦结束。

（6） 系统控制

该模块主要对初始化模块、变倍跟踪模块、搜索模块输出的变倍电机和聚焦电机的驱动信号（包括转动方向、步数）进行选择输出，系统上电后，首先是初始化模块产生的驱动信号有效，初始化结束后，其它模块才可正