光顯微成像系統自動對焦技術的研究

商艷芝　江旻珊

摘要：

自動對焦技術是精密光學儀器中的關鍵技術。隨著科學技術的發展和應用要求的提高，對具有精度高、速度快和穩定性好的自動對焦技術的需求越來越迫切。針對以上問題，基于顯微鏡系統簡要介紹自動對焦技術，并提出一種快速離焦深度計算方法，不但減少了估計離焦量的計算量而且不需改變光學系統內部參數，尤其適合顯微對焦系統。同時還提出結合型的對焦新方法，實現高效率、高精度的對焦。

關鍵詞：

顯微鏡； 自動對焦； 離焦量估計

中圖分類號： TG 115.21文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.02.010

Abstract：

Autofocusing is the key technologies of precision optical instrument. With the continuous development of science and technology and improved application demands， it is more and more urgent to develop an autofocusing with high precision， fast speed and good stability. This paper introduces the autofocus techniques based on microscope and proposes a fast depth from defocus （DFD） method which reduces the computation. And the method doesnt need to change the intrinsic parameters of the optical systems， which is especially suitable for microscope systems. And the paper comes up with a new combined method， which can realize autofocusing with high efficiency.

Keywords： microscopes； autofocusing； estimation of defocus distance

引言

顯微鏡是景深很小的一類光學系統，快速準確地實現自動對焦有很大的難度。隨著科學技術的不斷發展和應用要求的不斷提高，進一步研究自動對焦技術，提高精度、效率和穩定性，有著非常重要的現實意義。1993年，Subbarao等發表了Focusing Techniques一文，其在自動對焦領域有著很大的影響，為對焦評價函數研究奠定了理論基礎[1]。目前形成的主要方法有測距法、焦點檢測法、基于圖像處理的自動對焦方法。測距法[2]主要有紅外線測距法和超聲波測距法[34]，焦點檢測法主要運用于單反相機，其中最后一種自動對焦方法包括對焦深度法（depth from focus，DFF）和離焦深度法（depth from defocus，DFD）。山東大學、浙江大學、哈爾濱工業大學等也對自動對焦系統進行了深入的研究[57]，并且開發的自動對焦技術在實際中，如投影系統[8]、紅外成像系統[9]得到了應用。本文主要介紹基于圖像處理的方法，并結合上述兩個方法的優缺點提出一種全新的算法，使自動對焦技術的性能得以優化[10]。

1對焦深度法

對焦深度法主要包括三個核心問題：對焦評價函數的選取，對焦窗口的選擇和搜索算法的布置。

在對焦系統中，對焦程度越高圖像的清晰度越清晰，反之則模糊。空間域上表現為相鄰像素的特征值變化較大，頻率域上表現為圖像頻譜的高頻分量多，數學統計角度上表現為圖像像素的方差較大。理想的對焦評價函數應滿足以下特點：單峰值性、單調性、斜率絕對值較大以及計算量小。常用的評價函數有梯度評價函數、頻譜評價函數和統計學評價函數。梯度函數用來提取圖像的邊緣信息，對焦程度高的圖像更清晰，呈現出更明顯的尖銳邊緣，圖像具有更大的梯度函數值，常用梯度函數有Brenner函數、Tenengrad函數、拉普拉斯算子函數和能量梯度函數；頻譜評價函數中給出了離散余弦變換和傅里葉變換兩種函數，提取出圖像中的高頻分量作為評價函數；統計學評價函數中主要有Masgrn函數、Range函數、Menmay函數以及應用最為廣泛的圖像灰度方差函數。

對焦窗口直接影響對焦算法的計算量、復雜和精確度。對焦窗口過大則計算量大，而且會包含過多的背景信息；若對焦窗口過小，雖然計算量小但容易受到噪聲的影響，并且包含的圖像信息量過少也不能達到評價效果。最合適的窗口應該是使對焦評價函數滿足單峰值性且有一定斜率大小的最小的窗口。當對焦評價函數出現兩個或兩個以上的峰值時，很容易導致對焦失敗，這時可采用多個對焦小窗口。首先把整幅圖像按一定規則分成多個圖像塊，然后從眾多的小窗口中識別出干擾區域，選出最合適的一個或幾個小窗口作為最終對焦窗口。同時考慮到對焦精度，也可選擇多個對焦評價函數值相對較大的小窗口作為對焦窗口。

搜索算法用于找到質量最好的圖像。常用的是“盲人”爬山算法，即：首先設置一個較大的搜索步長，然后通過比較在兩點的評價函數值確定搜索方向，直至越過曲線最高點；若當前獲取的圖像評價函數值小于前一幅圖像的，則第一輪搜索結束。改變搜索方向，按同樣的程序進行第二輪搜索。如此，進行幾輪搜索過程后便可找到評價函數曲線的最大值。但固定步長搜索易受到局部峰值的影響，也容易降低對焦的精度。新提出的四分搜索算法策略，搜索步長隨著搜索位置靠近評價函數峰值位置而減小，不但縮短了搜索次數，而且可以一定程度上避免局部峰值的影響，也提高了對焦穩定性。

2離焦深度法

離焦深度法是一種從離焦圖像中獲取目標物體在光學系統中深度信息的方法。

在離焦成像系統中，如圖1所示，光學系統的離焦量和圓孔衍射效應以及成像傳感器效應決定了圖像的模糊程度。光學系統的點擴散函數[13]就是綜合這幾點影響因素而形成的，它描述了點光源在成像傳感器平面上的成像函數，比較常用的有圓柱形點擴散函數和二維高斯點擴散函數。

對于僅改變鏡頭成像平面的距離獲得的不同圖像，對應點的模糊參數之間是線性關系的，因此若求得兩幅圖像之間的模糊差異，也可求出物體的深度l。

目前離焦量的計算有好幾種方法。其中馮華君[4]提出了兩種離焦量計算方法：第一種方法是先檢測出離焦圖像的模糊邊緣，根據模糊邊緣的變化求得模糊參數σ，進而利用前面所述原理求得物體深度；第二種方法是通過比較兩幅離焦圖像中對應區域離焦程度的變化，進而求得物體的深度。另外，也可用多項式來近似描述聚焦圖像，求出一幅離焦圖像的模糊參數σ，進而求出物體的深度信息[5]。但此方法涉及對圖像進行微分和高階矩的計算，對噪聲比較敏感，因此魯棒性不高。而且圖像不一定都能用三階多項式來近似，必須先對圖像進行相應的濾波處理，這樣也會降低算法的精確性。

本文提出了一種快速離焦深度計算方法，通過改變物距和像距來實現自動對焦，不涉及復雜運算，減少運算時間的同時提高了運算效率。

3結合對焦深度和離焦深度的自動對焦

由于對焦深度法對評價函數的要求很高，同時離焦深度法的精度較低，故結合這兩種方法的優點，提出一種新的具有高精度高效率的對焦方法，即：利用離焦深度法可先確定對焦范圍，再利用對焦深度法保證最終的對焦精度。整個過程分為兩個階段：粗對焦和細對焦。粗對焦過程中首先利用離焦深度法計算目標物體當前的離焦量，然后把這個離焦量作為參考依據設計搜索步長，搜索過程直至估計的離焦量小于預先設定的閾值為止，粗對焦過程結束。接著采用對焦深度法進入細對焦過程。結合型方法中，首先采用大步長搜索，大大減少搜索次數，提高了對焦效率，而且大步長的搜索策略還可避免評價函數局部峰值的影響；其次，靠近對焦位置區域采用精度高的對焦深度法進行對焦，也保證了該方法的精度。

4結論

本文對顯微系統的自動對焦技術進行了概括和總結，并提出了一種快速離焦深度計算方法和新型自動對焦技術，并對此方法進行了實驗。結果發現，對于不同目標物體，估計值非常接近，說明該法通用性好，可適用不同的目標物體；而且離焦量估計值隨真實值增大而增大，兩者之間近似呈線性關系，說明該方法在定性分析上的正確性，為實現快速自動對焦提供了可能性。

參考文獻：

[1]SUBBARAO M，CHOI T，NIKZAD A.Focusing techniques[J].Journal of Optical Engineering，1993，32（11）：28242836.

[2]王兆遠.照相機：原理、結構、設計基礎[M].北京：機械工業出版社，1991：293313.

[3]馮華君，王兆遠.紅外能量法二點式自動對焦系統[J].現代照相機，1992（4）：17.

[4]馮華君.反射能量法測距聚集系統及其重疊設計法[J].光電工程，1998，25（2）：4853.

[5]劉煜.高分辨率CCD衛星相機自動調焦的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，1993.

[6]馮華君，毛邦福，李奇，等.一種用于數字成像的自動對焦系統[J].光電工程，2004，31（10）：6972.

[7]楊少波，謝鐵邦.曲面成像的自動聚焦方法研究[J].計量技術，2004（9）：1619.

[8]邱勝根，周杰，劉旭，等.陣列像素器件投影顯示系統中自動對焦評價函數研究[J].光學學報，2004，24（4）：460464.

[9]李文恩，陳海清等.紅外導引頭成像光斑圖像處理及自動聚焦[J].量子電子學報，2003，20（3）：364369.

[10]馬鵬川，楊波，唐艦.一種自動對焦算法的優化[J].光學儀器，2013，35（2）：2631.

（編輯：程愛婕）