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(xiàn)了數(shù)字自動調(diào)焦技術(shù)的應(yīng)用,。選取整幅放大圖像的中心區(qū)域作為調(diào)焦區(qū)域,，采用改進(jìn)Laplacian函數(shù)作為清晰度評價函數(shù)。實驗結(jié)果表明,對中心區(qū)域進(jìn)行調(diào)焦所耗費(fèi)的時間僅為針對整幅圖像調(diào)焦的20%,。改進(jìn)Laplacian函數(shù)進(jìn)行一次清晰度評價用時2.5 ms,，結(jié)合搜索過程，能快速準(zhǔn)確地定位最佳聚焦平面,。在CCD拼接儀上應(yīng)用數(shù)字自動調(diào)焦技術(shù),，解決了手動調(diào)焦操作復(fù)雜和精度不足的問題,。

關(guān)鍵詞： CCD拼接儀；自動調(diào)焦,；調(diào)焦區(qū)域；清晰度評價函數(shù)

       CCD拼接儀是專門進(jìn)行CCD拼接的設(shè)備,，實現(xiàn)將多片CCD連接成一個CCD陣列,。CCD像元經(jīng)拼接儀上的顯微鏡放大成像后由攝像系統(tǒng)接收并顯示在監(jiān)視器上，監(jiān)測放大的像元圖像并調(diào)整各片CCD位置進(jìn)行拼接,。而對CCD像元放大成像時,，經(jīng)常會出現(xiàn)離焦現(xiàn)象，致使圖像模糊,、輪廓擴(kuò)散,。為了得到清晰的放大圖像，必須對拼接儀上的顯微鏡進(jìn)行調(diào)焦,。早期的拼接儀是二維結(jié)構(gòu),，顯微鏡位置固定，調(diào)焦主要通過調(diào)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(jìn)后的拼接儀是三維結(jié)構(gòu),，顯微鏡安裝在升降臺上，通過調(diào)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(jìn)行調(diào)焦[2],。這些調(diào)焦方式均為人工控制，需要有經(jīng)驗的人員操作,，并且調(diào)焦精度受操作人員主觀因素影響較大,。隨著計算機(jī)處理能力越來越強(qiáng)，自動調(diào)焦代替人工調(diào)焦的條件已經(jīng)成熟,。本文在CCD拼接儀上實現(xiàn)了數(shù)字自動調(diào)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(shù)值,，取得最大值的位置即為最佳聚焦平面,。數(shù)字自動調(diào)焦技術(shù)不要求拼接儀操作者具有調(diào)焦經(jīng)驗，只要采用客觀評價標(biāo)準(zhǔn)確定聚焦位置,，就能使調(diào)焦結(jié)果精確,，提高了整個拼接過程的精度。

       1 數(shù)字自動調(diào)焦實現(xiàn)條件

　     本文所涉及的CCD拼接儀為三維結(jié)構(gòu),，升降臺安裝了由導(dǎo)軌,、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器及光柵尺組成的控制系統(tǒng),。實現(xiàn)數(shù)字自動調(diào)焦時,，對輸入的數(shù)字圖像計算其清晰度評價函數(shù)值,，根據(jù)值的大小發(fā)送控制命令，驅(qū)動電機(jī)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(shù)值的位置,，電機(jī)停止運(yùn)動。應(yīng)用數(shù)字自動調(diào)焦技術(shù)到拼接儀中不需要額外增加任何硬件設(shè)備,，而且可以更大程度地發(fā)揮了已有硬件的作用,。

       2 數(shù)字自動調(diào)焦算法

       2.1 調(diào)焦區(qū)域選擇

　     清晰度評價函數(shù)的運(yùn)算量與參加運(yùn)算的像素數(shù)成正比，在數(shù)字自動調(diào)焦過程中需要多次計算圖像清晰度評價函數(shù)值,，為了提高調(diào)焦實時性,，必須減少參加運(yùn)算的像素數(shù)量。圖1(a)為CCD拼接過程中監(jiān)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(qū)域,，聚焦程度也以圖中蝴蝶結(jié)圖像的清晰程度來確定。因此截取中心區(qū)域作為調(diào)焦區(qū)域,，如圖1(b)所示,，既可以減少參加計算的像素數(shù)量，又可以避免背景信息對清晰度評價的影響,。調(diào)焦區(qū)域的像素數(shù)目占整個圖像的23%,，清晰度評價函數(shù)的計算量能減少大約77%，大大提高了數(shù)字自動調(diào)焦的實時性,。

       2.2圖像清晰度評價

　     清晰度評價函數(shù)的選取對調(diào)焦效果起著關(guān)鍵作用,。理想的清晰度評價函數(shù)具有靈敏度高、單峰性好,、無偏性強(qiáng)和計算量小等特點[3-5],。

　　   當(dāng)顯微鏡正確聚焦時，圖像清晰,，在空域表現(xiàn)為邊緣銳化,，具有更大的梯度值。經(jīng)常使用的灰度梯度函數(shù)有:灰度差分絕對值之和函數(shù)(SMD),、Brenner 函數(shù),、Roberts梯度和函數(shù)、Laplacian函數(shù),、Tenengrad函數(shù)和Variance函數(shù)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(shù)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(shù)、Robert梯度和函數(shù),、SMD函數(shù)靈敏度不高,；Tenengrad函數(shù)計算量太大;Brenner函數(shù)只考慮了圖像單一方向梯度值，穩(wěn)定性不高;Laplacian函數(shù)的計算量較小,，具有極高的靈敏度,。

       拼接儀調(diào)焦是微調(diào)過程，以小步長搜索最佳聚焦位置,，要求清晰度評價函數(shù)靈敏度高，在聚焦位置附近變化較大,；同時為了保證調(diào)焦的實時性,，要求清晰度評價函數(shù)計算量較小。而Laplacian函數(shù)的計算量較小,，具有極高的靈敏度,，最適合拼接儀調(diào)焦使用，其表達(dá)式如式(1)所示,，其中M為圖像的行數(shù),，N為圖像的列數(shù)，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(shù)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(yuǎn)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(shù)進(jìn)行改進(jìn),，計算圖像45°和135°方向的梯度變化,，如式(2)所示。改進(jìn)后的評價函數(shù)與Laplacian函數(shù)的對比如圖3所示,。二者具有同樣小的計算量,，但改進(jìn)的Laplacian函數(shù)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(shù)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(jié)果

　     截取圖像采集卡原始數(shù)據(jù)流,，取中央?yún)^(qū)域的300像素×300像素大小子圖像作為調(diào)焦區(qū)域，使用本文提出的改進(jìn)Laplacian函數(shù)計算圖像清晰度值,。移動顯微鏡到第一片CCD處,，以當(dāng)前位置為中心,，在中心前后10 μm的距離內(nèi)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(diào)焦的基準(zhǔn),，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(shù)，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(nèi)，以2步(即1 μm)為步長,經(jīng)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(diào)焦過程如圖4所示。圖5為調(diào)焦效果圖,，其中圖5(a)為初始狀態(tài)的模糊圖像,，圖5(b)為自動調(diào)焦結(jié)束后的清晰圖像。

       本文采用的方法,，調(diào)焦時間可縮短為對整幅圖像調(diào)焦時間的20%,。采用改進(jìn)Laplacian函數(shù)作為清晰度評價函數(shù),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(diào)焦過程使用；同時在偏離聚焦位置時函數(shù)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(shù)利于搜索算法使用，能快速準(zhǔn)確地定位到最佳聚焦平面,。與人工調(diào)焦相比,，數(shù)字自動調(diào)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(diào)焦的實時性,，同時采用固定的標(biāo)準(zhǔn)評價聚焦程度,，提高了聚焦精度，最終提高了CCD拼接的精度,。

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(收稿日期：2014-01-23)