一種改進(jìn)型灰度差分聚焦算法研究與實(shí)現(xiàn)

第第頁(yè)一種改進(jìn)型灰度差分聚焦算法研究與實(shí)現(xiàn)作者簡(jiǎn)介：汪宋良（1982），男，浙江寧波人，講師，碩士，主要從事無(wú)線低功耗、視頻無(wú)線傳輸、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用及光學(xué)聚焦方面的研究。

摘要：為解決顯微圖像采集中聚焦的準(zhǔn)確性和快速性，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種包括圖像采集端、圖像處理算法實(shí)現(xiàn)模塊、OSD菜單實(shí)現(xiàn)模塊、系統(tǒng)控制模塊和HDMI輸出模塊等硬件采集系統(tǒng)。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用和現(xiàn)有的圖像處理算法，提出了適合數(shù)字顯微圖像的圖像預(yù)處理自動(dòng)聚焦算法，在灰度差分絕對(duì)值之和函數(shù)的基礎(chǔ)上增加了對(duì)周?chē)c(diǎn)的判斷，提高了算法的精確度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)切片圖像在顯微鏡物鏡10倍、40倍、100倍下采集到的離、聚焦圖像以及聚焦曲線呈現(xiàn)單峰性，無(wú)偏性等特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)良好的聚焦能力。

關(guān)鍵詞：灰度差分；聚焦算法；顯微鏡；圖像采集；自動(dòng)聚焦；評(píng)價(jià)函數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP202文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.3969/j.issn.1005

引言隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，對(duì)圖像質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。高效的自動(dòng)聚焦算法是獲取高質(zhì)量圖像的重要前提之一，也是計(jì)算機(jī)視覺(jué)和視頻采集系統(tǒng)的一大關(guān)鍵技術(shù)。目前，自動(dòng)聚焦按其聚焦的原理分為間接和直接聚焦法。間接聚焦法（比如紅外測(cè)距法、超聲波測(cè)距法、三角測(cè)距法等）主要應(yīng)用于平視取景相機(jī)等聚焦精度要求較低的設(shè)備中，因?yàn)樵谒惴ㄔO(shè)計(jì)中都需要特定測(cè)距模塊，而該模塊影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，進(jìn)而影響聚焦的精度。直接聚焦法包括圖像處理法、相位檢測(cè)法、對(duì)比度法等。相位檢測(cè)法和對(duì)比度法因需要光電檢測(cè)器，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜，應(yīng)用不廣泛。圖像處理聚焦法是利用計(jì)算機(jī)處理數(shù)字信號(hào)的高速性和靈活性，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)聚焦、高精度等特點(diǎn)。它雖然被廣泛應(yīng)用于數(shù)字?jǐn)z像產(chǎn)品中，但在顯微圖像聚焦中并不適用。本文通過(guò)對(duì)圖像處理聚焦法[16]深入研究，提出了一種改進(jìn)型灰度差分聚焦算法，以實(shí)現(xiàn)顯微圖像的聚焦準(zhǔn)確性和快速性。1自動(dòng)聚焦模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用模塊化思想設(shè)計(jì)，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。其中，系統(tǒng)硬件包括圖像傳感器模塊、處理器模塊、系統(tǒng)控制模塊、TMDS編碼模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊，OSD菜單存儲(chǔ)等；系統(tǒng)軟件根據(jù)硬件不同模塊功能分為圖像預(yù)處理、OSD菜單、系統(tǒng)控制三個(gè)部分。圖像預(yù)處理是通過(guò)QUARTUSII軟件利用verilog硬件描述語(yǔ)言完成自動(dòng)曝光、自動(dòng)白平衡、自動(dòng)聚焦，同時(shí)實(shí)現(xiàn)圖像傳感器輸出的RAWRGB轉(zhuǎn)換為RGB功能；系統(tǒng)通過(guò)KEILC軟件利用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)OSD菜單功能以及對(duì)系統(tǒng)中各主要芯片的控制，通過(guò)OSD菜單能夠直觀地調(diào)整輸出圖像的亮度、對(duì)比度、飽和度，并且實(shí)現(xiàn)分辨率的切換，手動(dòng)曝光等，從而保證系統(tǒng)輸出顯示圖像的高畫(huà)質(zhì)性。系統(tǒng)軟件如圖1所示。CMOS圖像傳感器采集的視頻信號(hào)傳遞給CPLD，CPLD依據(jù)視頻格式將采集到的10位RAW圖像信號(hào)先轉(zhuǎn)化為RGB信號(hào)，再轉(zhuǎn)化為24位YCBCR數(shù)據(jù)格式，在YCBCR格式下實(shí)現(xiàn)聚焦評(píng)價(jià)、自動(dòng)曝光、自動(dòng)白平衡功能，然后輸出到后端的HDMI信號(hào)編碼模塊。依據(jù)CPLD實(shí)現(xiàn)的主要功能，將CPLD劃分為4個(gè)主要模塊：色空間轉(zhuǎn)換模塊，自動(dòng)聚焦模塊，自動(dòng)曝光模塊，自動(dòng)白平衡模塊。

自動(dòng)聚焦模塊有聚焦評(píng)價(jià)（CPLD負(fù)責(zé)）和電機(jī)控制兩個(gè)部分組成。聚焦評(píng)價(jià)使用改進(jìn)型聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)。CPLD根據(jù)改進(jìn)的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)亮度信號(hào)Y進(jìn)行計(jì)算，獲得聚焦評(píng)價(jià)值，以中斷的方式發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)接收到的聚焦評(píng)價(jià)值，然后通過(guò)相應(yīng)的搜索策略（爬山法）判斷出聚焦馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，利用驅(qū)動(dòng)電路控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，改變CMOS圖像傳感器的焦距，最終獲得清晰的圖像，達(dá)到自動(dòng)聚焦的目的。如圖3所示，亮度信號(hào)在時(shí)鐘同步作用下，首先將第一幀圖像的第一行第一個(gè)像素的亮度分量存入到RAM1中，第二個(gè)像素點(diǎn)的亮度分量存入到第二個(gè)RAM2中，第三個(gè)像素點(diǎn)的亮度分量存入到第三個(gè)RAM3中。在存入第三個(gè)像素點(diǎn)的亮度分量時(shí)，從RAM1，RAM2中分別讀取存入的第一個(gè)像素點(diǎn)和第二個(gè)像素點(diǎn)的亮度分量到聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)模塊進(jìn)行聚焦評(píng)價(jià)的計(jì)算。當(dāng)?shù)谒膫€(gè)像素點(diǎn)的亮度分量到達(dá)時(shí)，就存入到第一個(gè)RAM1中并覆蓋第一個(gè)像素點(diǎn)的亮度分量，同時(shí)讀取RAM2，RAM3中亮度分量到聚焦評(píng)價(jià)模塊進(jìn)行聚焦評(píng)價(jià)值的計(jì)算，并比較前一個(gè)聚焦評(píng)價(jià)值和當(dāng)前聚焦評(píng)價(jià)值，且把較大聚焦評(píng)價(jià)值送往單片機(jī)。第五個(gè)像素的亮度分量存入到RAM2中，同時(shí)讀取RAM3，RAM1中的亮度分量進(jìn)行聚焦評(píng)價(jià)值的計(jì)算，把前一個(gè)比較結(jié)果和當(dāng)前聚焦評(píng)價(jià)值進(jìn)行比較，并把比較結(jié)果送往單片機(jī)。如此循環(huán)進(jìn)行，單片機(jī)根據(jù)接收到的結(jié)果對(duì)步進(jìn)電機(jī)和攝像頭進(jìn)行控制，實(shí)施聚焦。圖4理想聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線

Fig.4Theidealfocusingevaluationfunctioncurve2現(xiàn)有聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)圖像處理聚焦法的關(guān)鍵是聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)的選取，以保證定位聚焦的最佳位置，理想聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線如圖4所示。聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)主要分為兩類(lèi)：空域類(lèi)函數(shù)和頻域類(lèi)函數(shù)[67]?？沼蝾?lèi)函數(shù)主要有灰度差分絕對(duì)值之和評(píng)價(jià)函數(shù)，拉普拉斯算子函數(shù)[8]，Roberts算子函數(shù)等；頻域類(lèi)函數(shù)主要有基于DCT變換法[9]，小波變換算子法等。

4.1測(cè)試方法自動(dòng)聚焦的實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)的測(cè)試和聚焦時(shí)間的測(cè)試，聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)的測(cè)試是采集顯微鏡在10倍、40倍、100倍物鏡下的離、聚焦切片圖像，繪制不同聚集評(píng)價(jià)函數(shù)的曲線，評(píng)估聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)性能的優(yōu)劣，其中聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)為灰度差分絕對(duì)值之和函數(shù)法、拉普拉斯算子法、Roberts算子法、離散余弦變換法（DCT）。聚焦時(shí)間的測(cè)試是通過(guò)預(yù)先設(shè)置系統(tǒng)的聚焦時(shí)間和聚焦的期望時(shí)間進(jìn)行的。

4.2聚焦算法性能測(cè)試對(duì)切片圖像在顯微鏡物鏡10倍、40倍、100倍下采集到得離、聚焦圖像以及聚焦歸一化曲線見(jiàn)圖5～圖7。由聚焦評(píng)價(jià)曲線可以看出，改進(jìn)聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)與其它傳統(tǒng)聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)相比，在10倍、40倍、100倍物鏡下均呈現(xiàn)單峰性，無(wú)偏性等特點(diǎn)。

4.3聚焦時(shí)間的測(cè)試聚焦時(shí)間在視頻采集顯示系統(tǒng)中越短越好，但是由于聚焦時(shí)間的長(zhǎng)短和離焦程度的大小有關(guān)，如果離焦較遠(yuǎn)或者電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)的方向出現(xiàn)錯(cuò)誤的話，都會(huì)相應(yīng)的增加聚焦的時(shí)間。

從表中可以看出，系統(tǒng)在物鏡不同放大倍數(shù)時(shí)，其聚焦時(shí)間也是不相同的，當(dāng)物鏡放大倍數(shù)小時(shí)聚焦時(shí)間短，當(dāng)物鏡放大倍數(shù)較大時(shí)聚焦時(shí)間長(zhǎng)。5結(jié)論經(jīng)過(guò)測(cè)試，在攝像頭的視頻轉(zhuǎn)換芯片WSC2810工作在165MHz頻率時(shí)，攝像頭能夠高效地完成1920×1080分辨率、每秒60幀左右視頻數(shù)據(jù)的采集，OSD菜單顯示正常且各項(xiàng)功能夠切換正常，圖像畫(huà)面質(zhì)量良好。在外接+5V直流電源下，系統(tǒng)消耗的電流在630mA左右，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定地工作且系統(tǒng)中的圖像處理算法基本達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，視頻圖像顯示效果理想。

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