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作者简介： 汪宋良（1982）,男,浙江宁波人,讲师,硕士,主要从事无线低功耗、视频无线传输、嵌入式系统应用及光学聚焦方面的研究.

摘 要 ： 为解决显微图像采集中聚焦的准确性和快速性,设计并实现了一种包括图像采集端、图像处理算法实现模块、OSD菜单实现模块、系统控制模块和HDMI输出模块等硬件采集系统.结合实际应用和现有的图像处理算法,提出了适合数字显微图像的图像预处理自动聚焦算法,在灰度差分绝对值之和函数的基础上增加了对周围点的判断,提高了算法的精确度.实验结果表明,通过对切片图像在显微镜物镜10倍、40倍、100倍下采集到的离、聚焦图像以及聚焦曲线呈现单峰性,无偏性等特点,能实现良好的聚焦能力.

关 键 词 ： 灰度差分； 聚焦算法； 显微镜； 图像采集； 自动聚焦； 评价函数

中图分类号： TP 202文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.1005

引言随着数字图像处理技术的发展,对图像质量的要求也越来越高.高效的自动聚焦算法是获取高质量图像的重要前提之一,也是计算机视觉和视频采集系统的一大关键技术.目前,自动聚焦按其聚焦的原理分为间接和直接聚焦法.间接聚焦法（比如红外测距法、超声波测距法、三角测距法等）主要应用于平视取景相机等聚焦精度要求较低的设备中,因为在算法设计中都需要特定测距模块,而该模块影响了系统的稳定性、可靠性,进而影响聚焦的精度.直接聚焦法包括图像处理法、相位检测法、对比度法等.相位检测法和对比度法因需要光电检测器,导致系统设计复杂,应用不广泛.图像处理聚焦法是利用计算机处理数字信号的高速性和灵活性,实现实时聚焦、高精度等特点.它虽然被广泛应用于数字摄像产品中,但在显微图像聚焦中并不适用.本文通过对图像处理聚焦法[16]深入研究,提出了一种改进型灰度差分聚焦算法,以实现显微图像的聚焦准确性和快速性.1自动聚焦模块系统设计系统采用模块化思想设计,包括硬件设计和软件设计.其中,系统硬件包括图像传感器模块、处理器模块、系统控制模块、TMDS编码模块、电源模块、数据缓存模块,OSD菜单存储等；系统软件根据硬件不同模块功能分为图像预处理、OSD菜单、系统控制三个部分.图像预处理是通过QUARTUSII软件利用verilog硬件描述语言完成自动曝光、自动白平衡、自动聚焦,同时实现图像传感器输出的RAWRGB转换为RGB功能；系统通过KEIL C软件利用C语言实现OSD菜单功能以及对系统中各主要芯片的控制,通过OSD菜单能够直观地调整输出图像的亮度、对比度、饱和度,并且实现分辨率的切换,手动曝光等,从而保证系统输出显示图像的高画质性.系统软件如图1所示.CMOS图像传感器采集的视频信号传递给CPLD,CPLD依据视频格式将采集到的10位RAW图像信号先转化为RGB信号,再转化为24位YCBCR数据格式,在YCBCR格式下实现聚焦评价、自动曝光、自动白平衡功能,然后输出到后端的HDMI信号编码模块.依据CPLD实现的主要功能,将CPLD划分为4个主要模块：色空间转换模块,自动聚焦模块,自动曝光模块,自动白平衡模块.

自动聚焦模块有聚焦评价（CPLD负责）和电机控制两个部分组成.聚焦评价使用改进型聚焦评价函数.CPLD根据改进的聚焦评价函数对亮度信号Y进行计算,获得聚焦评价值,以中断的方式发送给单片机,单片机根据接收到的聚焦评价值,然后通过相应的搜索策略（爬山法）判断出聚焦马达的转动方向,利用驱动电路控制步进电机的转动方向,改变CMOS图像传感器的焦距,最终获得清晰的图像,达到自动聚焦的目的.如图3所示,亮度信号在时钟同步作用下,首先将第一帧图像的第一行第一个像素