CN102062929A - 一种显微镜系统的自动聚焦方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种显微镜系统的自动聚焦方法和装置，属于显微镜系统自动聚焦领域。自动聚焦时，以某固定位置为起点，聚焦电机驱动流体机构以固定步长向前移动，在每一步获取一定数量的图像,行程达到一定距离后，聚焦分析器对每个位置的图像进行计算，通过加权求取本次聚焦的最佳焦点位置。为进一步提高聚焦精度，在前一次聚焦分析的基础上，缩短焦点搜索范围，缩短移动步长，再进行两次上述的聚焦操作，最后一次获得的焦点位置作为显微镜系统的最终焦点位置。提供了以计算多维向量为基础，计算出每个位置聚焦值的方法，更好的满足了图像清晰度评价函数的要求，使聚焦判断更加准确。

Description

一种显微镜系统的自动聚焦方法和装置

技术领域

本发明涉及一种显微镜系统的自动聚焦方法和装置。

背景技术

自动聚焦方法可以分为两大类：一类是主动方法；另一类是被动方法。主动方法是基于镜头与被拍摄物体之间距离测量的测距方法，根据被拍摄物体的情况调整光学系统，主动方法的特征是通过接受主动发射电磁波或声波的反射来测量物体的距离和方位，并根据光学成像原理计算最佳聚焦位置，然后通过信息处理器来控制电机以实现自动聚焦。

被动方法指利用光学系统所获取图像本身所自有的信息来实现自动聚焦，经过镜头位置的调节以获取最清晰的聚焦图像，这种方法也称之为基于数字图像处理的自动聚焦方法。该方法可以通过软件实现自动聚集，即通过固定的算法对数字图像内包含的信息进行相应处理，得到相应的控制量，驱动步进电机，带动镜头前后移动，直到获得聚焦清楚的图像。

不管现有的主动方法还是被动方法，其特点都是利用在不同的位置拍摄固定目标图像，而且调整的部位都是光学镜组和图像采集部分，通过对图像进行分析，寻找最佳焦点。这些方法都不能直接应用于像全自动尿沉渣检验这样的设备。因为在这样的设备里，情况正好相反，显微镜是固定不动的，运动的是显微镜所要观察的液体样本，因此无法找到相对“固定”的目标作为聚焦的参照物。

发明内容

 本发明的目的是提供一种显微镜系统自动聚焦方法和装置，以解决现有的利用在不同的位置拍摄固定目标图像、调整的部位都是光学镜组和图像采集部分，通过对图像进行分析，寻找最佳焦点，这些方法不能直接应用于像全自动尿沉渣检验这样的设备的问题。

本发明显微镜系统自动聚焦方法包括下列步骤：

拍摄以层流形式高速通过流体机构的具有一定浓度标准微粒的图像，其特征在于对图像进行分析，寻找最佳的聚焦位置，包括下列步骤：

（1）第一次聚焦，以某固定位置为起点，电机驱动流体机构以固定步长s1向前移动，每移动一步,CCD就拍摄一定数量n1的图像（n1=1,2,3,…）,行程达到一定距离L1后，分析器通过对每个位置的图像进行计算，通过加权求取第一次聚焦的最佳焦点位置F1；

（2）第二次聚焦，以第一次聚焦位置(F1-m1)为起点，进行第二次聚焦，电机驱动流体机构以固定步长s2（s2<s1）向前移动，每移动一步,CCD就拍摄一定数量n2的图像（n2=1,2,3,…）,行程达到一定距离L2(L2<L1)后，分析器通过对每个位置的图像进行计算，通过加权求取第二次聚焦的最佳焦点位置F2；

（3）第三次聚焦，以第二次聚焦位置(F2-m2)为起点，进行第三次聚焦，电机驱动流体机构以固定步长s3（s3<s2）向前移动，每移动一步,CCD就拍摄一定数量n3的图像（n3=1,2,3,…）,行程达到一定距离L3（L3<L2）后，分析器通过对每个位置的图像进行计算，通过加权求取第三次聚焦的最佳焦点位置F3；第三次聚焦位置F3为最佳焦点位置。

本发明步骤（1）、（2）、（3）中分析器对每个位置的图像进行计算的具体步骤如下：

（1）将聚焦行程区域分为                                               

个等分位置，相邻两个位置的距离为,每个位置连续拍摄

幅图像；

（2）依据一定原则选定阈值

向量，然后提取出标准微粒的图像。 

（3）对标准微粒图像进行频域和空域变换提取特征向量C；

（4）计算每个位置的聚焦值评价函数：

，其中

代表第

幅图像聚焦值评价函数

，

代表第

位置的图像数量，

代表第幅评价函数权值，

；这里每幅评价函数权值的选取方法为；

（5）如果第

个位置拍摄的

幅图像内没有聚焦微粒，且左和右位置评价函数大于0，利用插值法确定第个位置的清晰度评价函数；

（6）搜索

个位置的图像清晰度评价函数中最大峰值对应的位置为最佳聚焦位置。

由于聚焦值评价函数可能出现多峰的情况，所以如果采用传统的搜索策略将可能搜索到局部峰值，而全程搜索策略可解决这一问题，其方法为：首先采用较大的步长进行全程搜索，并记录每一步搜索时的聚焦值评价函数值，得到评价函数曲线的变化情况，然后通过步进电机将流体机构移动到最大值的附近范围内，以小步长再进行二次聚焦并精确搜索，直到搜索到聚焦值评价函数准则函数极值点为止，这样可以解决在多个峰值出现的情况下搜索最大值的问题。此时该值所对应位置为最佳聚焦位置。在整个聚焦过程中，通过调整流体机构，摄像部分不需要任何调整。

本发明实现显微镜系统的自动聚焦方法的装置是：控制器与聚焦电机驱动单元连接，该聚焦电机驱动单元与流体机构连接，该流体机构与拾取器连接，该拾取器与信号处理器连接，该信号处理器与分析器连接，分析器与控制器连接。

本发明涉及一种新的显微镜系统的自动聚焦方法和装置，提出了一种通过移动流体机构，被拍摄物质在流体机构内腔处于流动状态，而拍摄部分静止不动就能够进行聚焦的方法和装置。本发明提供了以计算多维向量为基础，计算出每个位置聚焦值的方法，更好的满足了图像清晰度评价函数的要求，使聚焦判断更加准确。

附图说明

图1 是本发明自动聚焦方法装置的原理框图；

图2 是聚焦运动过程中聚焦值随位置移动的变化图，其中X轴代表流体机构运动位移，Y轴代表聚焦值。

图3是聚焦评价函数的图像。

具体实施方式

拍摄以层流形式高速通过流体机构的具有一定浓度标准微粒的图像，其特征在于对图像进行分析，寻找最佳的聚焦位置，包括下列步骤：

（1）第一次聚焦，以某固定位置为起点，电机驱动流体机构以固定步长s1向前移动，每移动一步,CCD就拍摄一定数量n1的图像（n1=1,2,3,…）,行程达到一定距离L1后，分析器通过对每个位置的图像进行计算，通过加权求取第一次聚焦的最佳焦点位置F1；

（2）第二次聚焦，以第一次聚焦位置(F1-m1)为起点，进行第二次聚焦，电机驱动流体机构以固定步长s2（s2<s1）向前移动，每移动一步,CCD就拍摄一定数量n2的图像（n2=1,2,3,…）,行程达到一定距离L2(L2<L1)后，分析器通过对每个位置的图像进行计算，通过加权求取第二次聚焦的最佳焦点位置F2；

（3）第三次聚焦，以第二次聚焦位置(F2-m2)为起点，进行第三次聚焦，电机驱动流体机构以固定步长s3（s3<s2）向前移动，每移动一步,CCD就拍摄一定数量n3的图像（n3=1,2,3,…）,行程达到一定距离L3（L3<L2）后，分析器通过对每个位置的图像进行计算，通过加权求取第三次聚焦的最佳焦点位置F3；第三次聚焦位置F3为最佳焦点位置。

本发明步骤（1）、（2）、（3）中分析器对每个位置的图像进行计算的具体步骤如下：

（1）将聚焦行程区域分为

个等分位置，相邻两个位置的距离为

,每个位置连续拍摄幅图像；

（2）依据一定原则选定阈值

向量，然后提取出标准微粒的图像。 

（3）对标准微粒图像进行频域和空域变换提取特征向量C；

（4）计算每个位置的聚焦值评价函数：

，其中

代表第

幅图像聚焦值评价函数

，

代表第

位置的图像数量，

代表第

幅评价函数权值，

；这里每幅评价函数权值的选取方法为

；

（5）如果第

个位置拍摄的

幅图像内没有聚焦微粒，且左和右位置评价函数大于0，利用插值法确定第个位置的清晰度评价函数；

（6）搜索

个位置的图像清晰度评价函数中最大峰值对应的位置为最佳聚焦位置。

由于聚焦值评价函数可能出现多峰的情况，所以如果采用传统的搜索策略将可能搜索到局部峰值，而全程搜索策略可解决这一问题，其方法为：首先采用较大的步长进行全程搜索，并记录每一步搜索时的聚焦值评价函数值，得到评价函数曲线的变化情况，然后通过步进电机将流体机构移动到最大值的附近范围内，以小步长再进行二次聚焦并精确搜索，直到搜索到聚焦值评价函数准则函数极值点为止，这样可以解决在多个峰值出现的情况下搜索最大值的问题。此时该值所对应位置为最佳聚焦位置。在整个聚焦过程中，通过调整流体机构，摄像部分不需要任何调整。

显微镜系统自动聚焦方法和装置实施例：

（1）将聚焦区间分为N=500个等分位置，相邻两个位置距离

微米，每个位置连续拍摄

幅图像；

（2）设定阈值T，将采集的图像二值化，采用区域生长算法提取图像中标准粒子图像；

（3）对标准粒子图像进行频域和空域变换，提取特征向量C；

（4）计算每个标准粒子图像的频域向量作为该微粒的清晰度评价函数，公式如下： 

                     

     

其中， 

代表标准微粒图像中第

 个位置的聚焦向量，

代表聚焦微粒图像内像素数量；计算每幅图像的清晰度评价函数，公式如下：

         

其中，

代表第

个聚焦微粒的清晰度评价函数，

代表第

幅聚焦图像内的聚焦微粒数量； 计算每个位置的清晰度评价函数，公式如下：

    

其中，代表第

幅图像清晰度评价函数

，

代表第

位置的图像数量，

代表第

幅评价函数权值，

；这里每幅图像评价函数权值的选取方法为 ：

； 

（5）如果第

个位置拍摄的图像内没有聚焦微粒，且左和右位置评价函数大于0，利用插值求第个位置的清晰度评价函数，这里采用简单的二次插值，即 ：

；

（6）搜索500个位置图像清晰度评价函数中最大峰值对应的位置为最佳聚焦位置，如图所示X轴代表位置，

代表评价函数，如图3所示。

为了应对可能出现的多峰问题，采用全程搜索策略：首先采用较大的步长,按(1)～(6)步骤进行聚焦搜索，其中N=500,d=2微米,M=1，记录每一步搜索时的评价函数值，得到评价函数曲线的变化情况，然后通过步进电机将流动池移动到最大值的附近范围内，进行小步长按(1)～(6)步骤再进行二次聚焦搜索，其中（N=125,d=1微米,M=4； 和N=75,d=0.5微米,M=10），最终搜索到清晰度准则函数极值点。

本发明实现显微镜系统的自动聚焦方法的装置是：控制器与聚焦电机驱动单元连接，该聚焦电机驱动单元与流体机构连接，该流体机构与拾取器连接，该拾取器与信号处理器连接，该信号处理器与分析器连接，分析器与控制器连接。

控制器接受来自分析部的指令，控制聚焦电机驱动单元，移动流体机构；拾取器和信号处理器将模拟信号转变为数字信号，并将其传送给分析部；分析部为计算机，对采集的数字图像进行分析，形成控制指令。

Claims (3)

1.一种显微镜系统的自动聚焦方法，拍摄以层流形式高速通过流体机构的具有一定浓度标准微粒的图像，其特征在于对图像进行分析，寻找最佳的聚焦位置，包括下列步骤：

（1）第一次聚焦，以某固定位置为起点，电机驱动流体机构以固定步长s1向前移动，每移动一步,CCD就拍摄一定数量n1的图像（n1=1,2,3,…）,行程达到一定距离L1后，分析器通过对每个位置的图像进行计算，通过加权求取第一次聚焦的最佳焦点位置F1；

（2）第二次聚焦，以第一次聚焦位置(F1-m1)为起点，进行第二次聚焦，电机驱动流体机构以固定步长s2（s2<s1）向前移动，每移动一步,CCD就拍摄一定数量n2的图像（n2=1,2,3,…）,行程达到一定距离L2(L2<L1)后，分析器通过对每个位置的图像进行计算，通过加权求取第二次聚焦的最佳焦点位置F2；

（3）第三次聚焦，以第二次聚焦位置(F2-m2)为起点，进行第三次聚焦，电机驱动流体机构以固定步长s3（s3<s2）向前移动，每移动一步,CCD就拍摄一定数量n3的图像（n3=1,2,3,…）,行程达到一定距离L3（L3<L2）后，分析器通过对每个位置的图像进行计算，通过加权求取第三次聚焦的最佳焦点位置F3；第三次聚焦位置F3为最佳焦点位置。

2.根据权利要求1所述的显微镜系统的自动聚焦方法，其特征在于：步骤（1）、（2）、（3）中分析器对每个位置的图像进行计算的具体步骤如下：

（1）将聚焦行程区域分为                                                

个等分位置，相邻两个位置的距离为,每个位置连续拍摄

幅图像；

（2）依据一定原则选定阈值

向量，然后提取出标准微粒的图像；

（3）对标准微粒图像进行频域和空域变换提取特征向量C；

（4）计算每个位置的聚焦值评价函数：，其中

代表第

幅图像聚焦值评价函数，

代表第

位置的图像数量，

代表第幅评价函数权值，

；这里每幅评价函数权值的选取方法为；

（5）如果第

个位置拍摄的

幅图像内没有聚焦微粒，且左和右位置评价函数大于0，利用插值法确定第

个位置的清晰度评价函数；

（6）搜索个位置的图像清晰度评价函数中最大峰值对应的位置为最佳聚焦位置。

3.一种显微镜系统的自动聚焦装置，其特征在于：控制器与聚焦电机驱动单元连接，该聚焦电机驱动单元与流体机构连接，该流体机构与拾取器连接，该拾取器与信号处理器连接，该信号处理器与分析器连接，分析器与控制器连接。

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