一種改進型灰度差分聚焦算法研究與實現(xiàn)

第第頁一種改進型灰度差分聚焦算法研究與實現(xiàn)作者簡介：汪宋良（1982），男，浙江寧波人，講師，碩士，主要從事無線低功耗、視頻無線傳輸、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確性和快速性，設(shè)計并實現(xiàn)了一種包括圖像采集端、圖像處理算法實現(xiàn)模塊、OSD菜單實現(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)處理自動聚焦算法，在灰度差分絕對值之和函數(shù)的基礎(chǔ)上增加了對周圍點的判斷，提高了算法的精確度。實驗結(jié)果表明，通過對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，無偏性等特點，能實現(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；自動聚焦；評價函數(shù)

中圖分類號：TP202文獻標識碼：Adoi：10.3969/j.issn.1005

引言隨著數(shù)字圖像處理技術(shù)的發(fā)展，對圖像質(zhì)量的要求也越來越高。高效的自動聚焦算法是獲取高質(zhì)量圖像的重要前提之一，也是計算機視覺和視頻采集系統(tǒng)的一大關(guān)鍵技術(shù)。目前，自動聚焦按其聚焦的原理分為間接和直接聚焦法。間接聚焦法（比如紅外測距法、超聲波測距法、三角測距法等）主要應(yīng)用于平視取景相機等聚焦精度要求較低的設(shè)備中，因為在算法設(shè)計中都需要特定測距模塊，而該模塊影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，進而影響聚焦的精度。直接聚焦法包括圖像處理法、相位檢測法、對比度法等。相位檢測法和對比度法因需要光電檢測器，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，應(yīng)用不廣泛。圖像處理聚焦法是利用計算機處理數(shù)字信號的高速性和靈活性，實現(xiàn)實時聚焦、高精度等特點。它雖然被廣泛應(yīng)用于數(shù)字攝像產(chǎn)品中，但在顯微圖像聚焦中并不適用。本文通過對圖像處理聚焦法[16]深入研究，提出了一種改進型灰度差分聚焦算法，以實現(xiàn)顯微圖像的聚焦準確性和快速性。1自動聚焦模塊系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)采用模塊化思想設(shè)計，包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。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)控制三個部分。圖像預(yù)處理是通過QUARTUSII軟件利用verilog硬件描述語言完成自動曝光、自動白平衡、自動聚焦，同時實現(xiàn)圖像傳感器輸出的RAWRGB轉(zhuǎn)換為RGB功能；系統(tǒng)通過KEILC軟件利用C語言實現(xiàn)OSD菜單功能以及對系統(tǒng)中各主要芯片的控制，通過OSD菜單能夠直觀地調(diào)整輸出圖像的亮度、對比度、飽和度，并且實現(xiàn)分辨率的切換，手動曝光等，從而保證系統(tǒng)輸出顯示圖像的高畫質(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傳遞給CPLD，CPLD依據(jù)視頻格式將采集到的10位RAW圖像信號先轉(zhuǎn)化為RGB信號，再轉(zhuǎn)化為24位YCBCR數(shù)據(jù)格式，在YCBCR格式下實現(xiàn)聚焦評價、自動曝光、自動白平衡功能，然后輸出到后端的HDMI信號編碼模塊。依據(jù)CPLD實現(xiàn)的主要功能，將CPLD劃分為4個主要模塊：色空間轉(zhuǎn)換模塊，自動聚焦模塊，自動曝光模塊，自動白平衡模塊。

自動聚焦模塊有聚焦評價（CPLD負責(zé)）和電機控制兩個部分組成。聚焦評價使用改進型聚焦評價函數(shù)。CPLD根據(jù)改進的聚焦評價函數(shù)對亮度信號Y進行計算，獲得聚焦評價值，以中斷的方式發(fā)送給單片機，單片機根據(jù)接收到的聚焦評價值，然后通過相應(yīng)的搜索策略（爬山法）判斷出聚焦馬達的轉(zhuǎn)動方向，利用驅(qū)動電路控制步進電機的轉(zhuǎn)動方向，改變CMOS圖像傳感器的焦距，最終獲得清晰的圖像，達到自動聚焦的目的。如圖3所示，亮度信號在時鐘同步作用下，首先將第一幀圖像的第一行第一個像素的亮度分量存入到RAM1中，第二個像素點的亮度分量存入到第二個RAM2中，第三個像素點的亮度分量存入到第三個RAM3中。在存入第三個像素點的亮度分量時，從RAM1，RAM2中分別讀取存入的第一個像素點和第二個像素點的亮度分量到聚焦評價函數(shù)模塊進行聚焦評價的計算。當(dāng)?shù)谒膫€像素點的亮度分量到達時，就存入到第一個RAM1中并覆蓋第一個像素點的亮度分量，同時讀取RAM2，RAM3中亮度分量到聚焦評價模塊進行聚焦評價值的計算，并比較前一個聚焦評價值和當(dāng)前聚焦評價值，且把較大聚焦評價值送往單片機。第五個像素的亮度分量存入到RAM2中，同時讀取RAM3，RAM1中的亮度分量進行聚焦評價值的計算，把前一個比較結(jié)果和當(dāng)前聚焦評價值進行比較，并把比較結(jié)果送往單片機。如此循環(huán)進行，單片機根據(jù)接收到的結(jié)果對步進電機和攝像頭進行控制，實施聚焦。圖4理想聚焦評價函數(shù)曲線

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

4.1測試方法自動聚焦的實驗主要是對聚焦評價函數(shù)的測試和聚焦時間的測試，聚焦評價函數(shù)的測試是采集顯微鏡在10倍、40倍、100倍物鏡下的離、聚焦切片圖像，繪制不同聚集評價函數(shù)的曲線，評估聚焦評價函數(shù)性能的優(yōu)劣，其中聚焦評價函數(shù)為灰度差分絕對值之和函數(shù)法、拉普拉斯算子法、Roberts算子法、離散余弦變換法（DCT）。聚焦時間的測試是通過預(yù)先設(shè)置系統(tǒng)的聚焦時間和聚焦的期望時間進行的。

4.2聚焦算法性能測試對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圖5～圖7。由聚焦評價曲線可以看出，改進聚焦評價函數(shù)與其它傳統(tǒng)聚焦評價函數(shù)相比，在10倍、40倍、100倍物鏡下均呈現(xiàn)單峰性，無偏性等特點。

4.3聚焦時間的測試聚焦時間在視頻采集顯示系統(tǒng)中越短越好，但是由于聚焦時間的長短和離焦程度的大小有關(guān)，如果離焦較遠或者電機開始轉(zhuǎn)動的方向出現(xiàn)錯誤的話，都會相應(yīng)的增加聚焦的時間。

從表中可以看出，系統(tǒng)在物鏡不同放大倍數(shù)時，其聚焦時間也是不相同的，當(dāng)物鏡放大倍數(shù)小時聚焦時間短，當(dāng)物鏡放大倍數(shù)較大時聚焦時間長。5結(jié)論經(jīng)過測試，在攝像頭的視頻轉(zhuǎn)換芯片WSC2810工作在165MHz頻率時，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功能夠切換正常，圖像畫面質(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)運行穩(wěn)定。通過實驗說明系統(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到了預(yù)期的目標，視頻圖像顯示效果理想。

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