自动聚焦在光学成像系统中有着广泛的应用,随着电子技术和数字信号处理技术的发展,基于图像信号分析的自动聚焦技术已广泛应用于摄像系统,其聚焦方式主要分为模拟自动聚焦和数字自动聚焦。模拟自动聚焦是通过分析从图像模拟视频信号中提取的反映图像清晰度的高频分量,控制聚焦电机的转动,从而实现图像的自动聚焦;数字自动聚焦则是从图像的数字信号中提取高频分量,通过对其分析来实现图像的自动聚焦。数字自动聚焦比模拟自动聚焦有着聚焦精确、硬件电路简单等优点,已广泛应用于数字成像系统中。本论文详细研究并设计了一种基于CCD图像传感器和FPGA的自动聚焦和变焦系统。所做的主要工作有:(1)分析了灰度差分聚焦算法并进行了改进,进而在实际中得到验证。采用一种改进的灰度差分法作为聚焦评价函数,即将一场图像的所有像素的亮度值与周围像素的亮度值差的绝对值的和作为聚焦评价函数,根据相邻同场的聚焦评价函数的比较结果,配合相应的搜索策略来控制步进电机的转动方向,从而实现图像的自动聚焦。(2)分析了变焦的跟踪算法并加以验证通过系统中提供的键盘按钮并设置相应的变焦查找表来改变变焦位置。最终去控制步进电机的转动,从而改变镜头中的透镜至聚焦清楚、倍率适当的位置。(3)完成了系统硬件结构设计硬件方面主要包括图像传感器、FPGA系统和可变焦镜头及步进电机的驱动系统等。完成了图像信号采集、信号处理及输出和控制部分的硬件电路设计。(4)完成了系统软件描述软件方面主要包括数据采集处理、一种改进的自动聚焦算法、搜索策略算法、变焦跟踪算法、键盘控制程序和步进电机的驱动程序等。本设计避开了复杂的数学计算,系统具有实现简单、功耗低、聚焦快等优点,适用于各类需要自动聚焦功能的设备,如视频展台,摄像机等。