一种基于图像清晰度评估的显微镜自动对焦方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于图像清晰度评估的显微镜自动对焦方法与装置，该方法包括：步骤一：将原始图形划分为若干个图像子块；步骤二：利用初始评价函数来确定所述若干个图像子块的初始聚焦评价值，并根据所述初始聚焦评价值来确定初始聚焦窗口的数量以进行聚焦；步骤三：以所述初始聚焦窗口对应的子块作为评价函数评价的依据，通过不断的更换评价函数和不断地减少聚焦窗口的数量来进行聚焦，直到聚焦结束。本发明专利技术提供的方法通过复合清晰度评价方式，动态选择对焦窗口，改进三阶爬山搜索算法之间相结合，可规避各清晰度评价函数的缺点，发挥各自的优点。提高了聚焦精度，减少了聚焦时间。

【技术实现步骤摘要】
一种基于图像清晰度评估的显微镜自动对焦方法与装置
本专利技术涉及图像处理
，尤其涉及一种基于图像清晰度评估的显微镜自动对焦方法与装置。
技术介绍
光学显微镜作为一种精密的光学仪器，在生物、医学、化学等领域发挥着重要的作用。使用依赖于人工聚焦的显微镜对样品进行显微观察和监测，很容易导致一定程度的误差。近年来，随着自动控制理论的不断进步和完善，自动对焦技术已经应用到光学显微镜系统中。自动对焦系统不仅可以减少操作人员的劳动，减少反复调整造成的主观误差，而且可以代替复杂的对焦操作，极大地帮助操作人员提高工作效率。随着CCD、CMOS、计算机控制技术、数字信号处理(DSP)芯片技术等的发展，基于图像处理的自动对焦技术得到了迅速发展。因此，将自动对焦技术应用于光学显微镜聚焦系统是发展的必然趋势。根据对焦原理不同，自动对焦技术主要可分为主动式对焦技术和被动式对焦技术两类。借助激光等辅助元件进行离焦量检测与对焦的方法称为主动式自动对焦；基于数字图像处理，并通过对成像图像进行离对焦评价的对焦方法称为被动式对焦技术。被动式对焦技术又可分为离焦深度法和对焦深度法。离焦深度法是一种从离焦图像中取得深度信息从而完成自动对焦的方法。这种方法需要获得2～3幅的不同成像参数下的图像，要求事先用数学模型描述成像系统，然后根据少量的成像位置获取的图像来计算最佳对焦位置。因为离焦深度法所需图像数量小,所以处理速度较快，但是精度比较低。对焦深度法是一种建立在搜寻过程上的对焦方式，它通过选取一种适当的评价函数来评价不同对焦位置所获得图像的清晰度，清晰度值最大时对应最佳的对焦位置。基于图像处理的被动式自动对焦算法包括三个方面的内容，即清晰度评价函数、对焦窗口和搜索策略。准确的对焦评价函数可以反映系统真实的离焦程度；合理的对焦窗口选取可以降低背景噪声的影响、减少计算量；优化的搜索策略可以快速找到最佳聚焦平面。目前常采用的清晰度评价函数主要有灰度变化评价函数，灰度熵函数，频域类函数。灰度变化评价函数利用清晰的图像拥有更尖锐的边界，其边界处有更大的灰度值变化来检测图像清晰度。灰度变化函数主要包括Tenengrad函数、Brenner函数、图像灰度方差函数及梯度平方函数。灰度熵函数利用香浓信息理论，熵最大时信息量最多。如果图像中所有灰度级出现概率越趋于相等，则包含的信息量就越趋于最大。因此，图像的灰度熵的大小也可以作为图像清晰度的评价值。清晰的图像比模糊图像包含有更多的信息，清晰图像拥有更锋利的边缘，而高频部分又主要集中在图像的边缘。频域类函数利用傅里叶变换提取图像中高频部分的方法也可以用来判断图像的清晰度。然而，上述的几类清晰度评价函数各有特点，灰度变化评价函数调焦范围广、稳定性好但灵敏度不高；灰度熵函数计算时间较长，且灵敏度不高；频域类函数可准确性地判断图像的清晰度，但由于需运行傅里叶变换，所以计算时间长。目前常用的对焦窗口有中心窗口，倒T窗口，非均匀采样取窗法。中心取窗法即选取图像的中心区域做为对焦区域，对焦区域的大小通常为整幅图像的1/4或1/16，先以小窗口模式进行粗调，再以大窗口模式进行精细调焦。倒T窗口利用当人们日常所拍摄景物主体一般位于中下部时，图像会更具有美感的习惯，在图像的中下部和中心处取窗口，呈倒T型。非均匀采样取窗法即保持图像中心区域窗口的原有分辨率保持不变，而对周围区域进行非均匀采样，分辨率随半径的的增加呈指数形式下降。然而，以上几种方法所选取的对焦窗口都是固定的，不具有自适应性，如果目标的分布为随机分布或分布不均匀，则会影响目标对焦的准确性。因为窗口外的信息会完全丢失。此外，对于这些传统方法，必须在应用自动聚焦过程之前确定目标在图像中的位置，这将导致计算时间增加。这些常规方法的另一个缺点是清晰度得分很大程度上取决于目标是否在所选的聚焦窗口中。一旦实际成像目标不在窗口或所选窗口的中心位置，清晰度评价值与实际情况之间的差异就会更大。目前常采用的搜索算法为爬山搜索法，理想情况下的图像清晰度评价函数曲线具有单峰性和对称性，可以近似的表示为抛物线形状，达到极值时对应于最佳成像位置，即正焦位置。通常情况下，在靠近最清晰图像的过程中，评价函数值单调递增；在越过最佳成像位置之后，评价函数值单调递减。根据这一特性，可知爬山搜索法的原理是：在对焦搜索开始时，按照搜索步长以任意方向运动到下一位置，通过比较两个位置所获取图像的函数评价值来确定搜索方向并判断最佳成像位置，其示意图如1所示。爬山搜索法的步骤为:在搜索开始时，先假设一个搜索方向和设置一个较大的搜索步长，然后以等步长的方式驱动镜头运动，每运动一步就采集一幅该位置的图像并进行图像清晰度评价值的计算，然后将前后两个位置的图像的评价值进行比较，当最新获得的图像的评价函数值小于前一幅图像的评价函数值时，就改变搜索方向，并相应的减小搜索步长，以小步距方式再次重复搜索，搜索完毕再进行相应补偿，不断的改变方向及搜索步长，最终确定最佳成像位置，即正焦位置。然而，爬山搜索法的缺点为：一是容易受局部极值影响，可能因“伪峰”而产生误判，导致对焦错误。二是选择步长不当引起的搜索时间过长问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种对焦速度快、精度高的基于图像清晰度评估的显微镜自动对焦方法与装置。一种基于图像清晰度评估的显微镜自动对焦方法，包括以下步骤：步骤一：将原始图形划分为若干个图像子块；步骤二：利用初始评价函数来确定所述若干个图像子块的初始聚焦评价值，并根据所述初始聚焦评价值来确定初始聚焦窗口的数量以进行聚焦；步骤三：以所述初始聚焦窗口对应的子块作为评价函数评价的依据，通过不断的更换评价函数和不断地减少聚焦窗口的数量来进行聚焦，直到聚焦结束。进一步地，如上所述的基于图像清晰度评估的显微镜自动对焦方法，所述步骤二包括以下步骤：步骤21：利用初始评价函数来确定所述若干个图像子块的聚焦评价值，根据所述聚焦评价值选取评价值大于第一预设阀值的图像子块作为初始聚焦窗口；步骤22：确定一个搜索步长，并控制电机运行一步，计算上述初始聚焦子块的前后聚焦评价值之和，确定其递增的方向为电机的搜索方向；步骤23：控制电机沿着搜索方向运行，并比较各初始聚焦子块前后两个状态的聚焦评价值大小关系；步骤24：当各初始聚焦子块聚焦评价值之和递减时，进入步骤25；当各初始聚焦子块聚焦评价值之和没有递减时，返回步骤23；步骤25：计算当前步长是否等于或者小于第二预设阀值，如果等于或者小于第二预设阀值，则聚焦结束；如果大于所述预设阀值时，进入步骤三。进一步地，如上所述的基于图像清晰度评估的显微镜自动对焦方法，所述初始评价函数为图像灰度方差函数。进一步地，如上所述的基于图像清晰度评估的显微镜自动对焦方法，所述步骤三包括：步骤31：更换初始评价函数为第二评价函数，按当前步长沿当前搜索方向继续前进一步；步骤32：利用第二评价函数对所述初始聚焦窗口对应的图像子块再次进行评价本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于图像清晰度评估的显微镜自动对焦方法,其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一：将原始图形划分为若干个图像子块；/n步骤二：利用初始评价函数来确定所述若干个图像子块的初始聚焦评价值，并根据所述初始聚焦评价值来确定初始聚焦窗口的数量以进行聚焦；/n步骤三：以所述初始聚焦窗口对应的子块作为评价函数评价的依据，通过不断的更换评价函数和不断地减少聚焦窗口的数量来进行聚焦，直到聚焦结束。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于图像清晰度评估的显微镜自动对焦方法,其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将原始图形划分为若干个图像子块；
步骤二：利用初始评价函数来确定所述若干个图像子块的初始聚焦评价值，并根据所述初始聚焦评价值来确定初始聚焦窗口的数量以进行聚焦；
步骤三：以所述初始聚焦窗口对应的子块作为评价函数评价的依据，通过不断的更换评价函数和不断地减少聚焦窗口的数量来进行聚焦，直到聚焦结束。


2.根据权利要求1所述的基于图像清晰度评估的显微镜自动对焦方法,其特征在于，所述步骤二包括以下步骤：
步骤21：利用初始评价函数来确定所述若干个图像子块的聚焦评价值，根据所述聚焦评价值选取评价值大于第一预设阀值的图像子块作为初始聚焦窗口；
步骤22：确定一个搜索步长，并控制电机运行一步，计算上述初始聚焦子块的前后聚焦评价值之和，确定其递增的方向为电机的搜索方向；
步骤23：控制电机沿着搜索方向运行，并比较各初始聚焦子块前后两个状态的聚焦评价值大小关系；
步骤24：当各初始聚焦子块聚焦评价值之和递减时，进入步骤25；当各初始聚焦子块聚焦评价值之和没有递减时，返回步骤23；
步骤25：计算当前步长是否等于或者小于第二预设阀值，如果等于或者小于第二预设阀值，则聚焦结束；如果大于所述预设阀值时，进入步骤三。


3.根据权利要求2所述的基于图像清晰度评估的显微镜自动对焦方法,其特征在于，所述初始评价函数为图像灰度方差函数。


4.根据权利要求2所述的基于图像清晰度评估的显微镜自动对焦方法,其特征在于，所述步骤三包括：
步骤31：更换初始评价函数为第二评价函数，按当前步长沿当前搜索方向继续前进一步；
步骤32：利用第二评价函数对所述初始聚焦窗口对应的图像子块再次进行评价，来获取当前各初始聚焦子块的聚焦评价值；
步骤33：比较各初始聚焦子块前后两个状态的聚焦评价值大小关系；
步骤34：若聚焦评价值增多的初始聚焦子块多于聚焦评价值减小的初始聚焦子块，则更换评价函数为初始评价函数，返回步骤23；若聚焦评价值增多的初始聚焦子块少于聚焦评价值减小的初始聚焦子块，则进入步骤35；
步骤35：舍弃在步骤32中聚焦评价值小于第三预设阀值的聚焦子块，减小搜索步长，反转搜索方向；
步骤36：控制电机沿着当前方向继续搜索，直到当前各聚焦子块聚焦评价值之和递减；
步骤37：更换第二评价函数为第三评价函数，按当前步长沿当前搜索方向继续前进一步；
步骤38：利用第三评价函数对当前聚焦窗口对应的图像子块再次进行评价，来获取当前各聚焦子块的聚焦评价值；
步骤39：比较各聚焦子块前后两个状态的聚焦评价值大小关系；
步骤40：若聚焦评价值增多的聚焦子块多于聚焦评价值减小的聚焦子块，则更换评价函数为第二评价函数，返回步骤36；若聚焦评价值增多的初始聚焦子块少于聚焦评价值减小的初始聚焦子块，则进入步骤41；
步骤41：进一步减小搜索步长，使其等于或者小于第二预设阀值，并再次减少当前聚焦子块的数量，再次反转搜索反向；
步骤42：控制电机沿当前方向继续进行搜索，并利用第三评价函数对当前聚焦窗口对应的图像子块进行评价，来获取当前各聚焦子块的聚焦评价值，当前各聚焦子块聚焦评价值之和递减时，因搜索步长等于或者小于第二预设阀值，聚焦结束。


5.根据权利要求4所述的基于图像清晰度评估的显微镜自动对焦方法,其特征在于，所述第二评价函数为Tenengrad函数；所述第三评价函数为频域类函数。


6.一种基于图像清晰度评估的显微镜自动对焦装置,其特征在于，包括：
划分模块，用于将原始图...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁海波，冯选璋，杨海，李忠兵，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川;51