專利名稱：基于圖像處理的顯微鏡快速自動(dòng)聚焦方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及顯微鏡自動(dòng)聚焦技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于圖像處理的顯微鏡快速自
動(dòng)聚焦方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的顯微鏡聚焦方法是采用人工手動(dòng)調(diào)節(jié)的方式，這種方法完全依賴于人的肉 眼觀察和手動(dòng)調(diào)節(jié)，聚焦效率非常低。近年來(lái)基于圖像處理技術(shù)的自動(dòng)聚焦方法逐漸應(yīng)用 到顯微鏡聚焦過(guò)程中，但是目前這些方法還存在聚焦速度慢、容易陷入局部極值，聚焦精度 不高的問題。 自動(dòng)聚焦是全自動(dòng)圖像獲取中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，廣泛應(yīng)用于數(shù)碼像機(jī)、顯微照相、 精細(xì)加工、光測(cè)設(shè)備、機(jī)器人視覺導(dǎo)航等領(lǐng)域。自動(dòng)聚焦根據(jù)其聚焦原理可分為主動(dòng)式聚焦 和被動(dòng)式聚焦兩種。主動(dòng)式聚焦大多是基于測(cè)距原理的，由于這種方法需要額外的測(cè)距設(shè) 備，因此采用這種方法的設(shè)備一般體積較大，價(jià)格較高。被動(dòng)式聚焦僅利用已獲取的序列數(shù) 字圖像分析當(dāng)前系統(tǒng)的聚焦?fàn)顟B(tài)，并按照一定的搜索策略控制電機(jī)反復(fù)調(diào)節(jié)鏡頭參數(shù)，直 到獲取最清晰的圖像。這種方式不依賴于任何測(cè)距設(shè)備，完全以數(shù)字圖像處理與分析技術(shù) 為基礎(chǔ)，更利于系統(tǒng)的集成化和微型化，并能大大降低系統(tǒng)成本，因此在數(shù)字相機(jī)和各種儀 器設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。 被動(dòng)式自動(dòng)聚焦主要涉及兩個(gè)關(guān)鍵問題一個(gè)是聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)，一個(gè)是極值搜索 策略，目前對(duì)聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)的研究比較多，而在極值搜索策略方面還有很多問題沒有得到 很好解決。 目前已提出的極值搜索策略很多，其中應(yīng)用最廣泛的是爬山算法(CMS)，其原理如 圖1所示，首先，設(shè)定一個(gè)初始位置P。并計(jì)算該位置的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)值F(P。)，然后任意選 擇一個(gè)方向(比如選擇向右)運(yùn)動(dòng)一定的步長(zhǎng)S到達(dá)位置P工并計(jì)算該位置的聚焦評(píng)價(jià)函 數(shù)值F(P》，比較F(P。)與F(P》的大小，若F(P。) 〈F(P》，則保持方向不變繼續(xù)搜索直至 F(P。) 〉F(P》，接下來(lái)進(jìn)行反向搜索，搜索過(guò)程跟正向搜索過(guò)程一樣，不過(guò)步長(zhǎng)要小于正向
搜索步長(zhǎng)，一般取正向步長(zhǎng)的一半或更小，如此反復(fù)直至在滿足一定精度要求的情況下搜 索到最大值，此位置即為最佳聚焦位置。CMS算法性能比較穩(wěn)定，搜索精度較高，但是存在一
個(gè)很大問題搜索步數(shù)過(guò)多，算法非常耗時(shí)！尤其是當(dāng)搜索"越頂"后返回步長(zhǎng)的確定沒有 一個(gè)確定的數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)，非常隨意，在很多情況下返回步長(zhǎng)的大小對(duì)算法的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性 有很大的影響，步長(zhǎng)太小導(dǎo)致搜索步數(shù)過(guò)多、系統(tǒng)實(shí)時(shí)性將大大下降，步長(zhǎng)太大又會(huì)導(dǎo)致過(guò) 度"越頂"，過(guò)度"越頂"后又必須重新返回，這也會(huì)極大影響系統(tǒng)整體性能。
針對(duì)以上情況，很多學(xué)者提出了改進(jìn)算法，比如基于斜率自適應(yīng)步長(zhǎng)搜索算法、曲 線擬合搜索算法等，但這些算法都存在抗噪性能差、適應(yīng)性不廣、穩(wěn)定性能不高等問題。比 如基于斜率的變步長(zhǎng)搜索算法，由于噪聲影響導(dǎo)致聚焦曲線存在很多局部極值，在這些局 部極值處斜率跟步長(zhǎng)的關(guān)系不復(fù)存在，這樣搜索難免失敗，另外斜率本身是個(gè)相對(duì)概念，僅 僅依靠前后兩個(gè)聚焦函數(shù)測(cè)度值是無(wú)法有效定義斜率的。曲線擬合搜索算法用一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)來(lái)近似聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線，這種算法在某些特殊情況下可以取得比較好的效果，但是通 用性非常差，這是由于聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)跟圖像內(nèi)容是高度相關(guān)的，同一個(gè)聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)不 同的圖像其形態(tài)不是完全一致的，有些情況下甚至相差很大，因此無(wú)法用一個(gè)通用函數(shù)去 擬合。 實(shí)際上，無(wú)論是經(jīng)典的爬山算法還是很多改進(jìn)算法都沒有考慮實(shí)際系統(tǒng)中機(jī)械運(yùn) 動(dòng)對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性能的影響。目前大多數(shù)自動(dòng)聚焦系統(tǒng)都是用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏡頭或載物臺(tái) 進(jìn)行最佳焦平面的搜索，而電機(jī)運(yùn)動(dòng)相對(duì)于圖像處理來(lái)說(shuō)是非常耗時(shí)的，比如一副800*600 的圖像一般聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)值的計(jì)算只需幾個(gè)毫秒即可完成，但電機(jī)運(yùn)動(dòng)相對(duì)而言則會(huì)耗大 量的時(shí)間，一般為了減少電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)間就從提高運(yùn)動(dòng)速度入手，但速度提高對(duì)于超短距離 運(yùn)動(dòng)而言意義不大，而且這種情況下電機(jī)的撞擊也將非常嚴(yán)重。因此根本的解決辦法就是 從搜索策略入手，尋找一種能用最少步數(shù)找到極大值的算法。通過(guò)分析爬山算法我們發(fā)現(xiàn) 步數(shù)的多少跟"越頂"后返回步長(zhǎng)的大小密切相關(guān)，如果"越頂"后算法能快速返回到極大 值附近，那么系統(tǒng)的整體性能將得到根本性的提升。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的顯微鏡自動(dòng)聚焦速度慢和聚焦不精確的不足，本發(fā)明提供了一種 基于圖像處理的顯微鏡快速自動(dòng)聚焦方法。 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種基于圖像處理的顯微鏡快速自 動(dòng)聚焦方法，將自動(dòng)聚焦過(guò)程分為粗聚焦和精細(xì)聚焦兩個(gè)階段，在不同的階段采用不同的 聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)和極值搜索策略，在粗聚焦階段采用灰度差分評(píng)價(jià)函數(shù)和快速爬山回溯搜索 算法，并引入決策因子來(lái)防止搜索算法陷入局部極值，在精細(xì)聚焦階段采用基于l即lace 算子的評(píng)價(jià)函數(shù)和小步長(zhǎng)搜索策略。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，進(jìn)一步包括如下步驟 (1)載物臺(tái)初始位置設(shè)定電機(jī)驅(qū)動(dòng)載物臺(tái)沿著Z軸運(yùn)動(dòng)到預(yù)先設(shè)置好的初始位 置，載物臺(tái)上放置待觀察載玻片，所述初始位置位于顯微鏡焦平面附近， 一般位于焦平面上 側(cè)，該初始位置作為自動(dòng)聚焦的起始點(diǎn)； (2)顯微鏡粗聚焦啟動(dòng)攝像頭采集視頻，采用灰度差分評(píng)價(jià)函數(shù)和快速爬山回 溯搜索算法進(jìn)行粗略聚焦； (3)顯微鏡精細(xì)聚焦采用基于l即lace算子的評(píng)價(jià)函數(shù)和小步長(zhǎng)搜索策略進(jìn)行 精細(xì)聚焦。 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，進(jìn)一步包括所述載物臺(tái)初始位置設(shè)定，由光電傳感 器構(gòu)成的限位開關(guān)確定，該位置一般位于顯微鏡物鏡下方，距離顯微鏡物鏡下平面O. lmm， 當(dāng)采用不同的顯微鏡、載物臺(tái)或玻片時(shí)該位置可以有所變化，到達(dá)初始位置后光電傳感器 發(fā)出信號(hào)給控制器，控制器控制電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)。 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，進(jìn)一步包括所述顯微鏡粗聚焦，包括如下步驟
(1)設(shè)定搜索步長(zhǎng)S。和決策因子閾值Th :搜索步長(zhǎng)為顯微鏡載物臺(tái)從開始運(yùn)動(dòng)到 運(yùn)動(dòng)后的第一次停止這期間運(yùn)動(dòng)的距離，決策因子閾值Th典型值可以取0. 02，當(dāng)采用不同 的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)時(shí)可以有所變化；
(2)啟動(dòng)攝像頭采集視頻；
(3)電機(jī)驅(qū)動(dòng)載物臺(tái)沿著Z軸以步長(zhǎng)S。進(jìn)行爬山搜索，搜索過(guò)程中每到一個(gè)觀測(cè) 位置電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，取出內(nèi)存中的一幀圖像并計(jì)算清晰度值，本發(fā)明要求搜索過(guò)程記錄相 鄰的三個(gè)觀測(cè)位置的清晰度值Y。 YM和YK，并計(jì)算決策因子T，所述清晰度值也即聚焦評(píng)價(jià) 函數(shù)測(cè)度值，按如下步驟計(jì)算 步驟一，圖像預(yù)處理對(duì)所述圖像進(jìn)行中值濾波和高斯濾波，以濾除噪聲對(duì)聚焦評(píng) 價(jià)函數(shù)測(cè)度值的影響； 步驟二，計(jì)算預(yù)處理后圖像的清晰度值設(shè)所述預(yù)處理后圖像長(zhǎng)寬為MXN， v(x， y)為像素點(diǎn)(x，y)處的灰度值，則評(píng)價(jià)函數(shù)l表達(dá)式如下(YM和L按照相同的公式計(jì)算)

4 = 77^7 Z Z (i v(x,力_ v(x，少一 "i + i v(x,力一 v(x — i，力i〕 層33
所述決策因子T按照如下公式計(jì)算 (4)搜索過(guò)程決策判斷清晰度值間的大小關(guān)系和決策因子跟閾值的關(guān)系，根據(jù)
這些關(guān)系決定搜索的策略，具體決策如下 若< YM < YK，或者T < Th，則繼續(xù)朝原方向搜索； 若YK < 且T > Th，則停止朝原方向搜索； (5)計(jì)算返回距離利用快速爬山回溯搜索算法確定搜索過(guò)程"越頂"后需返回的 距離值； (6)快速回溯計(jì)算出返回距離Sb后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)載物臺(tái)沿著Z軸按與原方向相反的 方向運(yùn)動(dòng)距離Sb并停止，此時(shí)載物臺(tái)已經(jīng)到達(dá)焦平面附近。 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，進(jìn)一步包括所述顯微鏡精細(xì)聚焦，包括如下步驟
(1)獲取一幀圖像從當(dāng)前內(nèi)存中提取一幀圖像作為待處理圖像； (2)小步長(zhǎng)爬山搜索以小步長(zhǎng)S工進(jìn)行爬山搜索，一般取S ，搜索過(guò)程中每
到一個(gè)觀測(cè)位置電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，取出內(nèi)存中的一幀圖像并計(jì)算清晰度值，本發(fā)明要求搜索 過(guò)程記錄相鄰的兩個(gè)觀測(cè)位置的清晰度值l和YK，其中l(wèi)所對(duì)應(yīng)的圖像序號(hào)位于YK所對(duì) 應(yīng)的圖像序號(hào)之前，所述清晰度值也即聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)測(cè)度值，按如下步驟計(jì)算
步驟一，圖像預(yù)處理對(duì)待處理圖像進(jìn)行中值濾波和高斯濾波，以濾除噪聲對(duì)聚焦 評(píng)價(jià)函數(shù)測(cè)度值的影響； 步驟二，計(jì)算聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)測(cè)度值對(duì)預(yù)處理后的圖像計(jì)算基于Laplace評(píng)價(jià)函 數(shù)的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)測(cè)度值Y"設(shè)所述圖像長(zhǎng)寬為MXN，v(x，y)為像素點(diǎn)(x，y)處的灰度值， 則評(píng)價(jià)函數(shù)^表達(dá)式如下(L按同樣方式計(jì)算)
K-T^ZI^h^^-v"-") —v" +丄,力W2v"，力—V"J —D —V"J + 1)I〉 層t^ (3)搜索過(guò)程決策判斷清晰度值間的大小關(guān)系，根據(jù)這些關(guān)系決定搜索的策略， 具體決策如下 若< YK，則繼續(xù)朝原方向搜索；
6
若> Y^則停止朝原方向搜索，此時(shí)已經(jīng)找到焦平面。 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，進(jìn)一步包括所述的快速爬山回溯算法，是一種顯微 鏡自動(dòng)聚焦過(guò)程中極值的快速搜索算法，該算法用合理假設(shè)和近似建立了評(píng)價(jià)函數(shù)測(cè)度值 跟"越頂"后返回距離間的關(guān)系，使得搜索過(guò)程"越頂"后能用一步即可返回極值點(diǎn)附近。根 據(jù)光學(xué)成像原理，理想的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線應(yīng)該滿足單峰對(duì)稱性，設(shè)爬山搜索過(guò)程先后經(jīng) 過(guò)點(diǎn)P。 Pm和&，三點(diǎn)坐標(biāo)分別為(&， YJ 、 (XM， Ym) 、 (XK， YK)，搜索步長(zhǎng)為S。，待搜索的極大 值點(diǎn)PA坐標(biāo)為(XA， YA)。則返回距離Sb跟清晰度測(cè)度值Y。 YK、 YM及初始步長(zhǎng)S。間的關(guān)系 Sb = f(YL， YM， YK， S0)如下:
「1 r 1
(一組an(f-l)十,o ，若Yl〈Yr〈Ym
(-一arctan(f-1) + ,0 ，若wYm 本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明一方面提高了顯微鏡聚焦的自動(dòng)化程度，另一方面
解決了傳統(tǒng)聚焦方法聚焦速度慢、容易陷入局部極值、聚焦精度不高等問題，具有很高的可
靠性和實(shí)用性，可廣泛應(yīng)用于顯微鏡系統(tǒng)中，同時(shí)該算法還具有很好的普適性，可應(yīng)用于其
他一些需要自動(dòng)聚焦的圖像系統(tǒng)中。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于 (1)將自動(dòng)聚焦過(guò)程分為粗聚焦和精細(xì)聚焦兩個(gè)階段，粗聚焦階段采用灰度差分
聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)和快速爬山回溯算法，這極大的增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，精細(xì)聚焦階段采用基
于Laplace算子的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)和小步長(zhǎng)搜索算法，極大增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性； (2)在粗聚焦過(guò)程中通過(guò)引入決策因子，避免了極值搜索過(guò)程陷入局部極值，極大
的提高了自動(dòng)聚焦算法的可靠性； (3)在粗聚焦過(guò)程中采用快速爬山回溯算法，使得搜索過(guò)程"越頂"后能用一步即 可返回極值點(diǎn)附近，極大的改善了經(jīng)典爬山搜索算法"越頂"后返回步長(zhǎng)難以確定及返回搜 索過(guò)程復(fù)雜耗時(shí)等問題，極大的提高了算法的實(shí)時(shí)性和實(shí)用性。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1是傳統(tǒng)的自動(dòng)聚焦爬山搜索算法示意圖；
圖2是本發(fā)明提出的顯微鏡快速自動(dòng)聚焦算法流程圖； 圖3是理想聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線及快速爬山回溯搜索示意圖(a)為快速爬山回溯
搜索的第一種情況；(b)為快速爬山回溯搜索的第二種情況； 圖4是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例"結(jié)核桿菌自動(dòng)檢測(cè)儀"軟硬件結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在結(jié)合附圖和優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。這些附圖均為簡(jiǎn)化的 示意圖，僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，因此其僅顯示與本發(fā)明有關(guān)的構(gòu)成。
如圖2是本發(fā)明提出的顯微鏡快速自動(dòng)聚焦算法流程圖，一種基于圖像處理的顯
微鏡快速自動(dòng)聚焦方法，將自動(dòng)聚焦過(guò)程分為粗聚焦和精細(xì)聚焦兩個(gè)階段，在不同的階段
采用不同的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)和極值搜索策略，在粗聚焦階段采用灰度差分評(píng)價(jià)函數(shù)和快速爬
山回溯搜索算法，并引入決策因子來(lái)防止搜索算法陷入局部極值，在精細(xì)聚焦階段采用基
于laplace算子的評(píng)價(jià)函數(shù)和小步長(zhǎng)搜索策略，基于laplace算子的評(píng)價(jià)函數(shù)半寬度最小，
靈敏度較高，因此在精細(xì)聚焦階段可以取得較高的精度。 本發(fā)明包括如下步驟 (1)載物臺(tái)初始位置設(shè)定電機(jī)驅(qū)動(dòng)載物臺(tái)沿著Z軸運(yùn)動(dòng)到預(yù)先設(shè)置好的初始位 置，載物臺(tái)上放置待觀察載玻片，所述初始位置位于顯微鏡焦平面附近， 一般位于焦平面上 側(cè)，該初始位置作為自動(dòng)聚焦的起始點(diǎn)； (2)顯微鏡粗聚焦啟動(dòng)攝像頭采集視頻，采用灰度差分評(píng)價(jià)函數(shù)和快速爬山回 溯搜索算法進(jìn)行粗略聚焦； (3)顯微鏡精細(xì)聚焦采用基于laplace算子的評(píng)價(jià)函數(shù)和小步長(zhǎng)搜索策略進(jìn)行 精細(xì)聚焦。 所述載物臺(tái)初始位置設(shè)定，由光電傳感器構(gòu)成的限位開關(guān)確定，該位置一般位于 顯微鏡物鏡下方，距離顯微鏡物鏡下平面O. lmm，當(dāng)采用不同的顯微鏡、載物臺(tái)或玻片時(shí)該 位置可以有所變化，到達(dá)初始位置后光電傳感器發(fā)出信號(hào)給控制器，控制器控制電機(jī)停止 運(yùn)動(dòng)。
所述顯微鏡粗聚焦，包括如下步驟 (1)設(shè)定搜索步長(zhǎng)S。和決策因子閾值Th :搜索步長(zhǎng)為顯微鏡載物臺(tái)從開始運(yùn)動(dòng)到 運(yùn)動(dòng)后的第一次停止這期間運(yùn)動(dòng)的距離，在操作過(guò)程中，該步長(zhǎng)一般用脈沖數(shù)來(lái)表達(dá)，因此 具體數(shù)值跟所采用的控制器、驅(qū)動(dòng)器以及電機(jī)的相關(guān)參數(shù)有關(guān)，同時(shí)該步長(zhǎng)的取值還在一 定程度上決定著算法的實(shí)時(shí)性和魯棒性，因此必須按照實(shí)際系統(tǒng)構(gòu)成通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定，該 步長(zhǎng)對(duì)算法的一般影響是步長(zhǎng)太小，導(dǎo)致算法耗時(shí)嚴(yán)重，同時(shí)在聚焦開始階段容易陷入局 部極值；步長(zhǎng)過(guò)大，導(dǎo)致搜索過(guò)程極易"越頂"，如果"越頂"非常嚴(yán)重，則導(dǎo)致算法無(wú)法收斂， 步長(zhǎng)的典型值可以取300，決策因子閾值Th跟所采用的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)有關(guān)，當(dāng)采用灰度差 分聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)時(shí)決策因子閾值Th可以取值為0. 02，同樣，該閾值可以根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)配 置和所采用的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)值進(jìn)行改動(dòng)； (2)啟動(dòng)攝像頭采集視頻攝像頭將視頻采集到內(nèi)存中，可以先在計(jì)算機(jī)中開辟 一塊內(nèi)存區(qū)域，根據(jù)不同的要求，可以將所采集的視頻流全部存入內(nèi)存或其他存儲(chǔ)介質(zhì)，比 如硬盤，也可以只存一幀圖像，也即開始當(dāng)前幀圖像采集時(shí)將前一幀圖像覆蓋掉，這樣所消 耗的內(nèi)存最少，一般采用這種方式； (3)開始粗略自動(dòng)聚焦電機(jī)驅(qū)動(dòng)載物臺(tái)沿著Z軸以步長(zhǎng)S。進(jìn)行爬山搜索，搜索過(guò)
程中每到一個(gè)觀測(cè)位置電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，取出內(nèi)存中的一幀圖像并計(jì)算基于灰度差分的聚焦
評(píng)價(jià)函數(shù)測(cè)度值(也稱清晰度值)，本發(fā)明要求搜索過(guò)程記錄相鄰的三個(gè)觀測(cè)位置的清晰
度值Y。 YM和YK，并計(jì)算決策因子T，具體步驟如下 步驟一，啟動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)載物臺(tái)沿著Z軸向下運(yùn)動(dòng)距離S。； 步驟二，等待一段時(shí)間以保證圖像采集過(guò)程曝光完畢，等待時(shí)間跟相機(jī)曝光時(shí)間 有關(guān)系，一般可取50ms ;
步驟三，從內(nèi)存中取出一幀圖像作為待處理圖像； 步驟四，對(duì)待處理圖像進(jìn)行預(yù)處理首先進(jìn)行中值濾波，濾波模板大小取5*5，然 后進(jìn)行高斯濾波，濾波模板大小也取5*5，這樣可以濾除噪聲對(duì)聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)測(cè)度值的影 響； 步驟五，計(jì)算預(yù)處理后圖像的清晰度值設(shè)所述預(yù)處理后圖像長(zhǎng)寬為MXN， v(x， y)為像素點(diǎn)(x， y)處的灰度值，則評(píng)價(jià)函數(shù)^表達(dá)式如下
層t^ 步驟六，電機(jī)驅(qū)動(dòng)載物臺(tái)沿著Z軸向下運(yùn)動(dòng)距離S。，然后重新按照步驟二至步驟五 進(jìn)行處理，不同的是在步驟五計(jì)算的是YM的值，計(jì)算方法跟YK的計(jì)算方法相同；
步驟七，計(jì)算決策因子T，計(jì)算公式如下
y —y <formula>formula see original document page 9</formula> 步驟八，搜索過(guò)程初步?jīng)Q策根據(jù)決策因子值跟決策因子閾值間的關(guān)系決定搜索 的方向及搜索過(guò)程是否停止，具體決策如下
若T < Th，則繼續(xù)朝原方向搜索；
若T > Th，則停止朝原方向搜索； 步驟九，若繼續(xù)朝原方向搜索，則將YM的值賦給l，然后將YK的值賦給YM，也即I 的值被YM覆蓋掉，而YM的值被YK覆蓋掉； 步驟十，若繼續(xù)朝原方向搜索，則重新按照步驟二至步驟九進(jìn)行處理 步驟十一，搜索過(guò)程重新決策判斷清晰度值間的大小關(guān)系和決策因子跟閾值的
關(guān)系，根據(jù)這些關(guān)系決定搜索的策略，具體決策如下 若< YM < YK，或者T < Th，則繼續(xù)朝原方向搜索； 若YK < Y^，且T > Th，則停止朝原方向搜索； 步驟十二，若停止朝原方向搜索，則計(jì)算返回距離，計(jì)算過(guò)程采用快速爬山回溯搜 索算法，所述快速爬山回溯搜索算法，是一種顯微鏡自動(dòng)聚焦過(guò)程中極值的快速搜索算法， 該算法從分析聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線形態(tài)入手，用合理假設(shè)和近似建立了評(píng)價(jià)函數(shù)測(cè)度值跟 "越頂"后返回距離間的關(guān)系，使得搜索過(guò)程"越頂"后能用一步即可返回極值點(diǎn)附近。根據(jù) 光學(xué)成像原理，理想的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線應(yīng)該滿足單峰對(duì)稱性，圖2給出了理想聚焦評(píng)價(jià)
函數(shù)曲線，設(shè)爬山搜索過(guò)程先后經(jīng)過(guò)點(diǎn)P。 Pm和P^，三點(diǎn)坐標(biāo)分別為(X" 、 (XM， YM)
YK)，搜索步長(zhǎng)為S。，待搜索的極大值點(diǎn)PA坐標(biāo)為(XA， YA)。則返回距離Sb跟清晰度領(lǐng)
YL、 YK、 YM及初始步長(zhǎng)S0間的關(guān)系Sb = f (YL， YM， YK， S。)如下: 若YL < YK < YM，則說(shuō)明極大值點(diǎn)PA在點(diǎn)PM的右側(cè)，如圖3 (a)，此時(shí)<formula>formula see original document page 9</formula> 若YK < YL < YM，則說(shuō)明極大值點(diǎn)PA在點(diǎn)PM的左側(cè)，如圖3 (b)，此時(shí)
<formula>formula see original document page 10</formula> 步驟十三，快速回溯計(jì)算出返回距離Sb后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)載物臺(tái)沿著Z軸按與原方向 相反的方向運(yùn)動(dòng)距離Sb并停止，此時(shí)載物臺(tái)已經(jīng)到達(dá)焦平面附近，粗略聚焦過(guò)程結(jié)束。
所述顯微鏡精細(xì)聚焦，包括如下步驟 (1)獲取一幀圖像從當(dāng)前內(nèi)存中提取一幀圖像作為待處理圖像； (2)小步長(zhǎng)爬山搜索以小步長(zhǎng)S工進(jìn)行爬山搜索， 一般取S =^S。，搜索過(guò)程中每
到一個(gè)觀測(cè)位置電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，取出內(nèi)存中的一幀圖像并計(jì)算清晰度值，本發(fā)明要求搜索 過(guò)程記錄相鄰的兩個(gè)觀測(cè)位置的清晰度值l和YK，其中l(wèi)所對(duì)應(yīng)的圖像序號(hào)位于YK所對(duì) 應(yīng)的圖像序號(hào)之前，所述清晰度值也即聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)測(cè)度值，按如下步驟計(jì)算
步驟一，圖像預(yù)處理對(duì)待處理圖像進(jìn)行中值濾波和高斯濾波，以濾除噪聲對(duì)聚焦 評(píng)價(jià)函數(shù)測(cè)度值的影響； 步驟二，計(jì)算聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)測(cè)度值對(duì)預(yù)處理后的圖像計(jì)算基于Laplace評(píng)價(jià)函
數(shù)的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)測(cè)度值Y"設(shè)所述圖像長(zhǎng)寬為MXN，v(x，y)為像素點(diǎn)(x，y)處的灰度值，
則評(píng)價(jià)函數(shù)^表達(dá)式如下(L按同樣方式計(jì)算)
<formula>formula see original document page 10</formula> (3)搜索過(guò)程決策判斷清晰度值間的大小關(guān)系，根據(jù)這些關(guān)系決定搜索的策略， 具體決策如下 若< YK，則繼續(xù)朝原方向搜索； 若> Y^則停止朝原方向搜索，此時(shí)已經(jīng)找到焦平面。 所述的快速爬山回溯算法，是一種顯微鏡自動(dòng)聚焦過(guò)程中極值的快速搜索算法， 該算法用合理假設(shè)和近似建立了評(píng)價(jià)函數(shù)測(cè)度值跟"越頂"后返回距離間的關(guān)系，使得搜索 過(guò)程"越頂"后能用一步即可返回極值點(diǎn)附近。根據(jù)光學(xué)成像原理，理想的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲 線應(yīng)該滿足單峰對(duì)稱性，設(shè)爬山搜索過(guò)程先后經(jīng)過(guò)點(diǎn)P。 PM和PK，三點(diǎn)坐標(biāo)分別為(&， 、 (XM， YM) 、 (V YK)，搜索步長(zhǎng)為S。，待搜索的極大值點(diǎn)PA坐標(biāo)為(XA， YA)。則返回距離Sb跟清 晰度測(cè)度值YL、 YK、 YM及初始步長(zhǎng)S0間的關(guān)系Sb = f (YL， YM， YK， S。)如下:
<formula>formula see original document page 10</formula> 本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例為 將此方法應(yīng)用到我們自行研發(fā)的"結(jié)核桿菌自動(dòng)檢測(cè)儀"中，該系統(tǒng)由PC機(jī)、全自 動(dòng)顯微鏡、攝像機(jī)、打印機(jī)和圖文分析軟件組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4。其中攝像機(jī)采用北京大恒 公司的HV3103UC，全自動(dòng)顯微鏡包括光路部分和機(jī)械部分，其中光路部分采用重慶光電儀 器公司的BA3000i，機(jī)械部分由我們根據(jù)全自動(dòng)顯微鏡運(yùn)動(dòng)控制要求自行設(shè)計(jì)，包括控制器、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、可程控載物臺(tái)等，該部分可以完成顯微鏡的自動(dòng)三軸立體運(yùn)動(dòng)控制， 包括控制顯微鏡進(jìn)行自動(dòng)聚焦及根據(jù)預(yù)設(shè)的掃描路徑對(duì)玻片進(jìn)行全自動(dòng)掃描等。
該系統(tǒng)中的自動(dòng)聚焦部分應(yīng)用了我們上述發(fā)明"基于圖像處理的顯微鏡快速自動(dòng) 聚焦方法"，系統(tǒng)啟動(dòng)后，顯微鏡載物臺(tái)在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)到初始位置，該初始位置緊鄰 顯微鏡物鏡下方，距離顯微鏡物鏡下平面0. lmm，當(dāng)啟動(dòng)自動(dòng)聚焦功能后，顯微鏡載物臺(tái)在 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下沿著Z軸以步長(zhǎng)300開始粗略聚焦，聚焦過(guò)程在2秒鐘內(nèi)可以完成，粗略聚焦 完成后系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)精細(xì)聚焦過(guò)程，精細(xì)聚焦過(guò)程在l秒鐘內(nèi)即可完成，因此整個(gè)聚焦過(guò) 程在3秒鐘內(nèi)即可完成，而且聚焦精度非常高。需要說(shuō)明的是，初始位置的設(shè)置非常關(guān)鍵， 如果初始位置設(shè)置不當(dāng)，則聚集過(guò)程需要耗費(fèi)比較長(zhǎng)的時(shí)間，但是聚焦過(guò)程仍然能夠順利 完成，聚焦精度也不受影響。 我們以上述系統(tǒng)為依托進(jìn)行了大量試驗(yàn)，結(jié)果表明，我們提出的顯微鏡快速自動(dòng) 聚焦方法很好的解決了傳統(tǒng)算法聚焦速度慢、容易陷入局部極值，聚焦精度不高的問題，具 有很高的可靠性、實(shí)用性和可采納性。 以上述依據(jù)本發(fā)明的理想實(shí)施例為啟示，通過(guò)上述的說(shuō)明內(nèi)容，相關(guān)工作人員完 全可以在不偏離本項(xiàng)發(fā)明技術(shù)思想的范圍內(nèi)，進(jìn)行多樣的變更以及修改。本項(xiàng)發(fā)明的技術(shù) 性范圍并不局限于說(shuō)明書上的內(nèi)容，必須要根據(jù)權(quán)利要求范圍來(lái)確定其技術(shù)性范圍。
權(quán)利要求
一種基于圖像處理的顯微鏡快速自動(dòng)聚焦方法，其特征是，將自動(dòng)聚焦過(guò)程分為粗聚焦和精細(xì)聚焦兩個(gè)階段，在不同的階段采用不同的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)和極值搜索策略，在粗聚焦階段采用灰度差分評(píng)價(jià)函數(shù)和快速爬山回溯搜索算法，并引入決策因子來(lái)防止搜索算法陷入局部極值，在精細(xì)聚焦階段采用基于laplace算子的評(píng)價(jià)函數(shù)和小步長(zhǎng)搜索策略。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于圖像處理的顯微鏡快速自動(dòng)聚焦方法，其特征是，包括 如下步驟(1) 載物臺(tái)初始位置設(shè)定電機(jī)驅(qū)動(dòng)載物臺(tái)沿著Z軸運(yùn)動(dòng)到預(yù)先設(shè)置好的初始位置，載 物臺(tái)上放置待觀察載玻片，所述初始位置位于顯微鏡焦平面附近， 一般位于焦平面上側(cè)，該 初始位置作為自動(dòng)聚焦的起始點(diǎn)；(2) 顯微鏡粗聚焦啟動(dòng)攝像頭采集視頻，采用灰度差分評(píng)價(jià)函數(shù)和快速爬山回溯搜 索算法進(jìn)行粗略聚焦；(3) 顯微鏡精細(xì)聚焦采用基于l即lace算子的評(píng)價(jià)函數(shù)和小步長(zhǎng)搜索策略進(jìn)行精細(xì) 聚焦。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于圖像處理的顯微鏡快速自動(dòng)聚焦方法，其特征是，所述載物臺(tái)初始位置設(shè)定，由光電傳感器構(gòu)成的限位開關(guān)確定，該位置一般位于顯微鏡物鏡下 方，距離顯微鏡物鏡下平面O. lmm，當(dāng)采用不同的顯微鏡、載物臺(tái)或玻片時(shí)該位置可以有所 變化，到達(dá)初始位置后光電傳感器發(fā)出信號(hào)給控制器，控制器控制電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于圖像處理的顯微鏡快速自動(dòng)聚焦方法，其特征是，所述 顯微鏡粗聚焦，包括如下步驟(1) 設(shè)定搜索步長(zhǎng)S。和決策因子閾值Th :搜索步長(zhǎng)為顯微鏡載物臺(tái)從開始運(yùn)動(dòng)到運(yùn)動(dòng) 后的第一次停止這期間運(yùn)動(dòng)的距離，決策因子閾值Th典型值可以取O. 02，當(dāng)采用不同的聚 焦評(píng)價(jià)函數(shù)時(shí)可以有所變化；(2) 啟動(dòng)攝像頭采集視頻；(3) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)載物臺(tái)沿著Z軸以步長(zhǎng)S。進(jìn)行爬山搜索，搜索過(guò)程中每到一個(gè)觀測(cè)位置 電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，取出內(nèi)存中的一幀圖像并計(jì)算清晰度值，本發(fā)明要求搜索過(guò)程記錄相鄰的 三個(gè)觀測(cè)位置的清晰度值Y。 Ym和、，并計(jì)算決策因子T，所述清晰度值也即聚焦評(píng)價(jià)函數(shù) 測(cè)度值，按如下步驟計(jì)算步驟一，圖像預(yù)處理對(duì)所述圖像進(jìn)行中值濾波和高斯濾波，以濾除噪聲對(duì)聚焦評(píng)價(jià)函 數(shù)測(cè)度值的影響；步驟二，計(jì)算預(yù)處理后圖像的清晰度值設(shè)所述預(yù)處理后圖像長(zhǎng)寬為MXN， v(x， y)為 像素點(diǎn)(x，y)處的灰度值，則評(píng)價(jià)函數(shù)^表達(dá)式如下(YM和L按照相同的公式計(jì)算)<formula>formula see original document page 2</formula>所述決策因子T按照如下公式計(jì)算<formula>formula see original document page 2</formula>(4) 搜索過(guò)程決策判斷清晰度值間的大小關(guān)系和決策因子跟閾值的關(guān)系，根據(jù)這些 關(guān)系決定搜索的策略，具體決策如下若< YM < YK，或者T < Th，則繼續(xù)朝原方向搜索；若YK < 且T > Th，則停止朝原方向搜索；(5) 計(jì)算返回距離利用快速爬山回溯搜索算法確定搜索過(guò)程"越頂"后需返回的距離值；(6) 快速回溯計(jì)算出返回距離Sb后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)載物臺(tái)沿著Z軸按與原方向相反的方向 運(yùn)動(dòng)距離Sb并停止，此時(shí)載物臺(tái)已經(jīng)到達(dá)焦平面附近。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于圖像處理的顯微鏡快速自動(dòng)聚焦方法，其特征是，所述顯微鏡精細(xì)聚焦，包括如下步驟(1) 獲取一幀圖像從當(dāng)前內(nèi)存中提取一幀圖像作為待處理圖像；(2) 小步長(zhǎng)爬山搜索以小步長(zhǎng)S工進(jìn)行爬山搜索，一般取S =^S。，搜索過(guò)程中每到一 個(gè)觀測(cè)位置電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，取出內(nèi)存中的一幀圖像并計(jì)算清晰度值，本發(fā)明要求搜索過(guò)程記錄相鄰的兩個(gè)觀測(cè)位置的清晰度值和YK，其中所對(duì)應(yīng)的圖像序號(hào)位于YK所對(duì)應(yīng)的 圖像序號(hào)之前，所述清晰度值也即聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)測(cè)度值，按如下步驟計(jì)算步驟一，圖像預(yù)處理對(duì)待處理圖像進(jìn)行中值濾波和高斯濾波，以濾除噪聲對(duì)聚焦評(píng)價(jià) 函數(shù)測(cè)度值的影響；步驟二，計(jì)算聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)測(cè)度值對(duì)預(yù)處理后的圖像計(jì)算基于Laplace評(píng)價(jià)函數(shù)的 聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)測(cè)度值Y"設(shè)所述圖像長(zhǎng)寬為MXN， v(x， y)為像素點(diǎn)(x， y)處的灰度值，則 評(píng)價(jià)函數(shù)^表達(dá)式如下(L按同樣方式計(jì)算)(3) 搜索過(guò)程決策判斷清晰度值間的大小關(guān)系，根據(jù)這些關(guān)系決定搜索的策略，具體 決策如下若I < YK，則繼續(xù)朝原方向搜索；若I > L，則停止朝原方向搜索，此時(shí)已經(jīng)找到焦平面。
6. 按照權(quán)利要求1、2或4所述的基于圖像處理的顯微鏡快速自動(dòng)聚焦方法，其特征是，所述的快速爬山回溯算法，是一種顯微鏡自動(dòng)聚焦過(guò)程中極值的快速搜索算法，該算法用 合理假設(shè)和近似建立了評(píng)價(jià)函數(shù)測(cè)度值跟"越頂"后返回距離間的關(guān)系，使得搜索過(guò)程"越頂"后能用一步即可返回極值點(diǎn)附近；根據(jù)光學(xué)成像原理，理想的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)曲線應(yīng)該滿 足單峰對(duì)稱性，設(shè)爬山搜索過(guò)程先后經(jīng)過(guò)點(diǎn)P。 PM和PK，三點(diǎn)坐標(biāo)分別為(&， 、 (XM， YM)、 (VY》，搜索步長(zhǎng)為S。，待搜索的極大值點(diǎn)PA坐標(biāo)為(XA，YA);則返回距離Sb跟清晰度測(cè)度 值YL、 YK、 YM及初始步長(zhǎng)S0間的關(guān)系Sb = f (YL， YM， YK， S。)如下:若YL < Yr < YM若Yr < Yl < Ym<formula>formula see original document page 3</formula>
全文摘要
本發(fā)明涉及顯微鏡自動(dòng)聚焦技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種基于圖像處理的顯微鏡快速自動(dòng)聚焦方法。該方法將自動(dòng)聚焦過(guò)程分為粗聚焦和精細(xì)聚焦兩個(gè)階段，在不同的階段采用不同的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)和極值搜索策略，在粗聚焦階段采用灰度差分評(píng)價(jià)函數(shù)和快速爬山回溯搜索算法，并引入決策因子來(lái)防止搜索算法陷入局部極值；在精細(xì)聚焦階段采用基于laplace算子的評(píng)價(jià)函數(shù)和小步長(zhǎng)搜索策略。本發(fā)明提出的顯微鏡快速自動(dòng)聚焦方法很好的解決了傳統(tǒng)算法聚焦速度慢、容易陷入局部極值、聚焦精度不高等問題，具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，很高的可靠性和實(shí)用性。
文檔編號(hào)G02B21/24GK101706609SQ200910234988
公開日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月23日
發(fā)明者劉云輝, 劉順, 周東翔, 翟永平, 蔡宣平 申請(qǐng)人:常州達(dá)奇信息科技有限公司