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(shí)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(jià)函數(shù)。實(shí)驗(yàn)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(jià)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(jià)函數(shù)

       CCD拼接儀是專門進(jìn)行CCD拼接的設(shè)備，實(shí)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(yàn)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(jì)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(shí)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(jì)算其清晰度評價(jià)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(yàn)，只要采用客觀評價(jià)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(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)字自動調(diào)焦時，對輸入的數(shù)字圖像計(jì)算其清晰度評價(jià)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(jià)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(jià)函數(shù)的運(yùn)算量與參加運(yùn)算的像素?cái)?shù)成正比，在數(shù)字自動調(diào)焦過程中需要多次計(jì)算圖像清晰度評價(jià)函數(shù)值，為了提高調(diào)焦實(shí)時性，必須減少參加運(yùn)算的像素?cái)?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(jì)算的像素?cái)?shù)量，又可以避免背景信息對清晰度評價(jià)的影響。調(diào)焦區(qū)域的像素?cái)?shù)目占整個圖像的23%，清晰度評價(jià)函數(shù)的計(jì)算量能減少大約77%，大大提高了數(shù)字自動調(diào)焦的實(shí)時性。

       2.2圖像清晰度評價(jià)

　     清晰度評價(jià)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(jià)函數(shù)具有靈敏度高、單峰性好、無偏性強(qiáng)和計(jì)算量小等特點(diǎn)[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(jià)函數(shù)分別計(jì)算清晰度評價(jià)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(jì)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(jì)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(jià)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(shí)時性，要求清晰度評價(jià)函數(shù)計(jì)算量較小。而Laplacian函數(shù)的計(jì)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(diǎn)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(jì)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(jì)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(jià)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)算清晰度評價(jià)函數(shù)，取得最大清晰度評價(jià)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(jià)函數(shù),完成一次清晰度評價(jià)值計(jì)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(shí)時性，同時采用固定的標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)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(xiàn)

[1] 李朝輝，王肇勛，吳克用. 空間相機(jī)CCD焦平面的光學(xué)拼接[J]. 光學(xué)精密工程，2000，8 (3) : 213-216.

[2] 孟慶華. 面陣CCD拼接儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 光機(jī)電信息，2010，27(11):32-35.

[3] 梁敏華，吳志勇，陳濤. 采用最大灰度梯度法實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯儀自動調(diào)焦控制[J].光學(xué)精密工程，2009，17(12):3016-3021.

[4] 李郁峰，陳念年，張佳成. 一種快速高靈敏度聚焦評價(jià)函數(shù)[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2010，27(4):1534-1536.

[5] 劉國棟，范九倫. 一種改進(jìn)的Canny邊緣檢測算法[J]. 微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32(22)：32-34,37.

(收稿日期：2014-01-23)