摘 要： 為了獲得拼接過程所需的高清晰度CCD像元放大圖像，針對CCD拼接儀硬件條件實現了數字自動調焦技術的應用。選取整幅放大圖像的中心區域作為調焦區域，采用改進Laplacian函數作為清晰度評價函數。實驗結果表明,對中心區域進行調焦所耗費的時間僅為針對整幅圖像調焦的20%。改進Laplacian函數進行一次清晰度評價用時2.5 ms，結合搜索過程，能快速準確地定位最佳聚焦平面。在CCD拼接儀上應用數字自動調焦技術，解決了手動調焦操作復雜和精度不足的問題。

關鍵詞： CCD拼接儀；自動調焦；調焦區域；清晰度評價函數

       CCD拼接儀是專門進行CCD拼接的設備，實現將多片CCD連接成一個CCD陣列。CCD像元經拼接儀上的顯微鏡放大成像后由攝像系統接收并顯示在監視器上，監測放大的像元圖像并調整各片CCD位置進行拼接。而對CCD像元放大成像時，經常會出現離焦現象，致使圖像模糊、輪廓擴散。為了得到清晰的放大圖像，必須對拼接儀上的顯微鏡進行調焦。早期的拼接儀是二維結構，顯微鏡位置固定，調焦主要通過調整焦面組件位置和修磨CCD的保持架墊片來改變拼接焦平面與顯微鏡的距離[1]。改進后的拼接儀是三維結構，顯微鏡安裝在升降臺上，通過調整升降臺高度來移動顯微鏡，改變其與拼接焦平面的距離進行調焦[2]。這些調焦方式均為人工控制，需要有經驗的人員操作，并且調焦精度受操作人員主觀因素影響較大。隨著計算機處理能力越來越強，自動調焦代替人工調焦的條件已經成熟。本文在CCD拼接儀上實現了數字自動調焦。移動升降臺改變顯微鏡位置，采集CCD像元放大圖像并計算其清晰度評價函數值，取得最大值的位置即為最佳聚焦平面。數字自動調焦技術不要求拼接儀操作者具有調焦經驗，只要采用客觀評價標準確定聚焦位置，就能使調焦結果精確，提高了整個拼接過程的精度。

       1 數字自動調焦實現條件

　     本文所涉及的CCD拼接儀為三維結構，升降臺安裝了由導軌、步進電機、步進電機驅動器及光柵尺組成的控制系統。實現數字自動調焦時，對輸入的數字圖像計算其清晰度評價函數值，根據值的大小發送控制命令，驅動電機按照指定的方向和距離移動，從而帶動升降臺上的顯微鏡移動。CCD焦面組件的位置不動，它與顯微鏡之間的物距隨顯微鏡的移動而改變，直到取得最大清晰度評價函數值的位置，電機停止運動。應用數字自動調焦技術到拼接儀中不需要額外增加任何硬件設備，而且可以更大程度地發揮了已有硬件的作用。

       2 數字自動調焦算法

       2.1 調焦區域選擇

　     清晰度評價函數的運算量與參加運算的像素數成正比，在數字自動調焦過程中需要多次計算圖像清晰度評價函數值，為了提高調焦實時性，必須減少參加運算的像素數量。圖1(a)為CCD拼接過程中監視器所顯示的畫面，對拼接有用的信息是以十字絲為中心的小部分區域，聚焦程度也以圖中蝴蝶結圖像的清晰程度來確定。因此截取中心區域作為調焦區域，如圖1(b)所示，既可以減少參加計算的像素數量，又可以避免背景信息對清晰度評價的影響。調焦區域的像素數目占整個圖像的23%，清晰度評價函數的計算量能減少大約77%，大大提高了數字自動調焦的實時性。

       2.2圖像清晰度評價

　     清晰度評價函數的選取對調焦效果起著關鍵作用。理想的清晰度評價函數具有靈敏度高、單峰性好、無偏性強和計算量小等特點[3-5]。

　　   當顯微鏡正確聚焦時，圖像清晰，在空域表現為邊緣銳化，具有更大的梯度值。經常使用的灰度梯度函數有:灰度差分絕對值之和函數(SMD)、Brenner 函數、Roberts梯度和函數、Laplacian函數、Tenengrad函數和Variance函數等。

       采集從離焦到聚焦再到離焦的41幅不同清晰度的圖像，使用上述6種評價函數分別計算清晰度評價值，繪成圖2所示的曲線。它們均具有單值性和無偏性，Variance函數、Robert梯度和函數、SMD函數靈敏度不高；Tenengrad函數計算量太大;Brenner函數只考慮了圖像單一方向梯度值，穩定性不高;Laplacian函數的計算量較小，具有極高的靈敏度。

       拼接儀調焦是微調過程，以小步長搜索最佳聚焦位置，要求清晰度評價函數靈敏度高，在聚焦位置附近變化較大；同時為了保證調焦的實時性，要求清晰度評價函數計算量較小。而Laplacian函數的計算量較小，具有極高的靈敏度，最適合拼接儀調焦使用，其表達式如式(1)所示，其中M為圖像的行數，N為圖像的列數，f(i,j)表示像素點灰度值。

D=4f(i,j)-f(i,j-1)-f(i,j+1)-f(i-1,j)-f(i+1,j)  (1)

　     Laplacian函數計算水平和垂直方向的梯度變化，其值在偏離聚焦位置稍遠時變化不大，不利于搜索過程使用。對于一般圖像，斜方向的梯度變化所占比例更大。因此對Laplacian函數進行改進，計算圖像45°和135°方向的梯度變化，如式(2)所示。改進后的評價函數與Laplacian函數的對比如圖3所示。二者具有同樣小的計算量，但改進的Laplacian函數具有尖銳的峰值，能敏銳感知最佳聚焦平面位置；同時在偏離聚焦平面時，函數值的變化也較為明顯，利于搜索最佳聚焦平面。

       D=4f(i,j)-f(i-1,j-1)-f(i-1,j+1)-f(i+1,j-1)-f(i+1,j+1)2)

       3 實驗結果

　     截取圖像采集卡原始數據流，取中央區域的300像素×300像素大小子圖像作為調焦區域，使用本文提出的改進Laplacian函數計算圖像清晰度值。移動顯微鏡到第一片CCD處，以當前位置為中心，在中心前后10 μm的距離內搜索最佳聚焦平面。以第一片CCD的聚焦平面位置為其他各片調焦的基準，為了提高搜索精度，以2步(即1 μm)為步長采集圖像并計算清晰度評價函數，取得最大清晰度評價值的位置即為此片CCD的最佳聚焦平面位置。以這個位置為中心，其余各片CCD在前后3 μm的距離內，以2步(即1 μm)為步長,經過4次圖像采集即可定位到最佳聚焦平面位置，移動顯微鏡到各片CCD的最佳聚焦位置開始CCD拼接。整個調焦過程如圖4所示。圖5為調焦效果圖，其中圖5(a)為初始狀態的模糊圖像，圖5(b)為自動調焦結束后的清晰圖像。

       本文采用的方法，調焦時間可縮短為對整幅圖像調焦時間的20%。采用改進Laplacian函數作為清晰度評價函數,完成一次清晰度評價值計算只需2.5 ms，其在最佳聚焦位置具有尖銳的峰值，靈敏度非常高，適合拼接儀調焦過程使用；同時在偏離聚焦位置時函數值也具有較大的變化率，能明顯感知圖像的清晰度變化，比Laplacian函數利于搜索算法使用，能快速準確地定位到最佳聚焦平面。與人工調焦相比，數字自動調焦增加了對焦面組件離焦偏差量定量獲取的功能，大大提高了調焦的實時性，同時采用固定的標準評價聚焦程度，提高了聚焦精度，最終提高了CCD拼接的精度。

參考文獻

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[3] 梁敏華，吳志勇，陳濤. 采用最大灰度梯度法實現經緯儀自動調焦控制[J].光學精密工程，2009，17(12):3016-3021.

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[5] 劉國棟，范九倫. 一種改進的Canny邊緣檢測算法[J]. 微型機與應用，2013，32(22)：32-34,37.

(收稿日期：2014-01-23)