CN105845534A - 电子显微镜的自动聚焦方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电子显微镜的自动聚焦方法，该方法的步骤如下：初始化步进电机，将步进电机设置在初始位置处，采集第一张图像；对第一张图像进行全图处理，得到图像变化最明显的t个区域，输出t个区域的梯度跳变值；每处理完一张图像，计算并输出t个梯度跳变值，步进电机向前移动λ步长，直到走完整个行程；将上述t个区域所有的梯度跳变值和所对应的电机位置分别拟合成t个二次曲线，从二次曲线中找到峰值所对应的电机位置，该位置即为可拍摄到最清晰图像对应的焦距；移动步进电机到上述位置，完成对焦，同时采集图像并显示。本发明可以消除电子显微镜在不同的环境光照下和不同的被摄物体材料表面对自动聚焦效果的影响。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理领域，尤其涉及一种电子显微镜的自动聚焦方法。
背景技术
电子显微镜在现代生活和科学研究中使用越来越广泛，而自动聚焦技术是显微镜系统中的重要技术。现有技术中，自动聚焦技术主要分成两大类：第一类是通过距离信息来实现自动聚焦的主动式，第二类是基于数字图像技术的被动式，其中，被动式的自动聚焦方法通过采集图像序列以分析系统的聚焦状态而不需要额外的设备而被广泛应用。近年来，针对电子显微镜的特性，出现了许多自适应聚焦的方法，但通常设定一定的前提条件，比如环境不变化，被摄物简单无变化。然而其实际应用中，由于电子显微镜的使用环境并不是一成不变的，当被摄物体表面在不同环境光照下或被摄物体表面材料发生变化，被摄物体图像会呈现光照不均匀现象。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种电子显微镜的自动聚焦方法，在被摄物体表面处在不同环境光照下的情况下实现快速自动聚焦，同时提高聚焦精度。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是在被摄物体表面处在不同环境光照下和被摄物体材料表面不同的情况下实现快速自动聚焦，同时提高聚焦精度。
为实现上述目的，本发明提供了一种电子显微镜的自动聚焦方法，该自动聚焦方法基于机器视觉的图像处理，步骤如下：
步骤1、初始化步进电机，将步进电机设置在初始位置处，使用相机采集第一张图像；
步骤2、对第一张图像进行全图图像处理，得到图像变化最明显的t个区域，同时计算并输出t个区域的梯度跳变值；
步骤3、使步进电机向前移动λ步长，并使用相机采集下一张图像；
步骤4、在步骤3采集的图像中，仅处理第一张图像中所标记的图像变化最明显的t个区域对应的位置，计算并输出t个区域的梯度跳变值；
步骤5、重复步骤3和步骤4，直到步进电机走完整个行程；
步骤6、将上述t个区域得到的所有梯度跳变值和所对应的电机位置分别拟合成t个二次曲线，从二次曲线中找到峰值所对应的电机位置，该位置即为可拍摄到最清晰图像对应的焦距；
步骤7、使步进电机移动到上述电机位置，完成对焦，同时采集图像并显示。
进一步地，上述步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1、使用分块法将整幅图均匀分成n*m个区域；
步骤2.2、分别对每个小区域使用灰度直方图分析法进行灰度分析和统计；
步骤2.3、确定n*m个区域的二值化阈值，并对n*m个区域进行blob区域分析；
步骤2.4、根据灰度分析统计结果和blob区域分析结果找出图像变化最明显的t个区域，同时计算并输出t个区域对应的梯度跳变值。
进一步地，上述步骤2.3中采用最大类间方差法获得二值化阈值。
进一步地，上述述步骤2.3中采用迭代法获得二值化阈值。
进一步地，上述述步骤2.3中采用基于均值和方差的动态阈值法获得二值化阈值。
进一步地，λ步长设定为大于等于1。
进一步地，初始位置为最远焦距处，使得步进电机从远到近移动，相机从远到近采集图像。
进一步地，初始位置为最近焦距处，使得步进电机从近到远移动，相机从近到远采集图像
进一步地，基于机器视觉的图像处理的步骤如下：
步骤11、收集采集到的图像；
步骤12、判断要处理的图像是否是采集到的第一张图像，如果判断是采集到的第一张图像，则对第一张图像进行全图处理，得到图像变化最明显的t个区域，计算并输出所述t个区域的梯度跳变值；如果判断采集到的图片不是第一张图片，仅处理所述第一张图像中所标记的图像变化最明显的t个区域对应的位置，计算并输出所述t个区域的梯度跳变值。
在本发明的较佳实施方式中，一种电子显微镜的自动聚焦方法，步骤如下：
步骤1、初始化步进电机，将步进电机设置在初始位置处，使用相机采集第一张图像；初始位置为最远焦距处，使得步进电机从远到近移动，相机从远到近采集图像；初始位置为最近焦距处，使得步进电机从近到远移动，相机从近到远采集图像。
步骤2、对第一张图像进行全图图像处理，得到图像变化最明显的t个区域，同时计算并输出t个区域的梯度跳变值；
其中，上述步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1、使用分块法将整幅图均匀分成n*m个区域；
步骤2.2、分别对每个小区域使用灰度直方图分析法进行灰度分析和统计；
步骤2.3、采用最大类间方差法或迭代法或采用基于均值和方差的动态阈值法确定n*m个区域的二值化阈值，并对n*m个区域进行blob区域分析；
步骤2.4、根据灰度分析统计结果和blob区域分析结果找出图像变化最明显的t个区域，同时计算并输出t个梯度跳变值。
步骤3、使步进电机向前移动λ步长，λ步长设定为大于等于1，并使用相机采集下一张图像；
步骤4、在步骤3采集的图像中，仅处理第一张图像中所标记的图像变化最明显的t个区域对应的位置，计算并输出t个区域的梯度跳变值；
步骤5、重复步骤3和步骤4，直到步进电机走完整个行程。
步骤6、将上述t个区域得到的所有梯度跳变值和所对应的电机位置分别拟合成t个二次曲线，从二次曲线中找到峰值所对应的电机位置，该位置即为可拍摄到最清晰图像对应的焦距。
步骤7、移动步进电机到上述位置，完成对焦，同时采集图像并显示。
本发明的较佳实施方式的电子显微镜的自动聚焦方法是基于机器视觉的图像处理，基于机器视觉的图像处理的步骤如下：
步骤11、收集采集到的图像；
步骤12、判断要处理的图像是否是采集到的第一张图像，如果判断是采集到的第一张图像，则对第一张图像进行全图处理，得到图像变化最明显的t个区域，计算并输出所述t个区域的梯度跳变值；如果判断采集到的图片不是第一张图片，仅处理所述第一张图像中所标记的图像变化最明显的t个区域对应的位置，计算并输出所述t个区域的梯度跳变值。
本发明的技术效果：
1、本发明的电子显微镜自动聚焦方法基于机器视觉图像处理，操作简单，聚焦精度高；
2、由于图像处理流程中，仅对第一张图像进行全图处理，找到图像变化最明显的t的区域，随后的图像仅对该t个区域进行图像处理，大大简化了图像处理的流程，大大节约了图像处理的时间；
3、图像处理降低了环境光源和被摄物体的材料不同而产生的对成像质量的影响，同时提高了适用范围。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的一种电子显微镜的自动聚焦方法的流程图；
图2是本发明的一个较佳实施例的一种电子显微镜的自动聚焦方法的图像处理算法流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一个较佳实施例提供了一种电子显微镜自动聚焦方法，包括以下步骤：
步骤1、初始化步进电机，将步进电机设置在初始位置处，使用相机采集第一张图像；初始位置为最远焦距处，使得步进电机从远到近移动，相机从远到近采集图像；初始位置也可以为最近焦距处，使得步进电机从近到远移动，相机从近到远采集图像
步骤2、对第一张图像进行全图处理，得到图像变化最明显的t个区域，同时计算并输出t个区域的梯度跳变值；优选地，对第一张图片全图处理时，选择图像变化最明显的t个不相邻的区域，同时计算并输出t个不相邻的区域的梯度跳变值。
步骤3、使步进电机设置为向前移动λ步长，并使用相机采集下一张图像；其中λ步长根据精度要求自行设定，通常设定为大于等于1；
步骤4、在步骤3采集的图像中，仅处理第一张图像中所标记图像变化最明显的的t个区域对应的位置，计算并输出t个区域的梯度跳变值；
步骤5、重复步骤3和步骤4，直到步进电机走完整个行程。
步骤6、将上述t个区域得到的所有梯度跳变值和所对应的电机位置分别拟合成t个二次曲线，从二次曲线中找到峰值所对应的电机位置，将该位置标记为该可拍摄到最清晰图像对应的焦距。
步骤7、使步进电机移动到上述电机位置，完成对焦，同时采集图像并显示。
本实施例提供的电子显微镜自动聚焦方法中，仅对相机采集的第一张图像进行全图处理，而之后的图像仅根据第一张图像分析出来的t个图像变化最明显的固定区域进行图像处理，从而大大节约图像的处理时间。
其中，上述步骤2，对第一张图像进行全图处理，为了尽可能地降低环境光源和被摄物体的材料不同而造成对成像质量的影响，本发明的一个较佳实施例采用分块法和灰度直方图分析法对第一张图进行处理，其具体步骤如下：
步骤2.1、使用分块法将整幅图均匀分成n*m个区域；
步骤2.2、分别对每个小区域使用灰度直方图分析法进行灰度分析和统计；
步骤2.3、确定n*m个区域的二值化阈值，并对n*m个区域进行blob区域分析；
步骤2.4、根据灰度分析统计结果和blob区域分析结果找出图像边缘信息最多的t个区域，同时计算并输出t个区域的梯度跳变值，其中图像边缘信息最多的区域通常被判定为图像复杂度最高的区域，即是图像变化明显的区域。
上述步骤2.3中，在本发明的一个较佳实施例中，二值化阈值选用最大类间方差法(Otsu)，Otsu算法的基本思想是用某一假定的灰度值t将图像的灰度分成两组，当两组的类间方差最大时，此灰度值t就是图像二值化的最佳阈值，阈值t将整幅图像分成前景和背景两个部分，当两类的类间方差最大时，此时前景和背景的差别最大，二值化效果最好。由于方差是灰度分布均匀性的一种度量，方差较大说明构成图像的两部分差别越大，最大类间方差的最大阈值意味着错分概率最小。
在本发明的另一个较佳实施例中，上述步骤2.3中二值化阈值选用迭代法。迭代法是基于逼近的思想，迭代阈值的获取步骤可以大致归纳如下：
(1)、选择一个初始阈值T(j)，通常可以选择整体图像的平均灰度值作为初始阈值，j为迭代次数，初始时j＝0；
(2)、计算两区域的平均灰度值；
(3)、再计算新的门限值；
(4)、使j＝j+1，重复(2)～(4),直到T(j+1)与T(j)的差小于规定值或j达到最大的迭代次数。
在本发明的另一个较佳实施例中，上述步骤2.3中二值化阈值选用基于均值和方差的动态阈值法。基于均值和方差的动态阈值法的基本思想是统计图像内像素点的均值m和方差s，然后分别加权相加得到阈值T：T＝w1*m+w2*s；其中w1和w2是权值，可根据均值和方差的值进行相应调整，以避免过度分割。
如图2所示，本发明一个较佳实施例提供了一种电子显微镜自动聚焦方法，其图像处理部分包括以下步骤：
步骤11、收集采集到的图像；
步骤12、判断要处理的图像是否是采集到的第一张图像，如果判断是采集到的第一张图像，则对第一张图像进行全图处理，得到图像变化最明显的t个区域，计算并输出所述t个区域的梯度跳变值；如果判断采集到的图片不是第一张图片，仅处理所述第一张图像中所标记的图像变化最明显的t个区域对应的位置，计算并输出所述t个区域的梯度跳变值。对第一张图片进行全图处理的具体步骤为：
步骤12.1、使用分块法将整幅图均匀分成n*m个区域；
步骤12.2、分别对每个小区域使用灰度直方图分析法进行灰度分析和统计；
步骤12.3、确定n*m个区域的二值化阈值，并对n*m个区域进行blob区域分析；
步骤12.4、根据灰度分析统计结果和blob区域分析结果找出图像边缘信息最多的t个区域，图像边缘信息最多的区域通常被判定为图像复杂度最高的区域，即是图像变化明显的区域。
本发明的较佳实施例中的电子显微镜的自动聚焦方法是基于机器视觉的电子显微镜自动聚焦方法，电子显微镜根据图像处理的结果找到图像梯度变化的峰值，该峰值就是为可拍摄到最清晰的图像对应的焦距，通过图像处理，降低了环境光源和被摄物体的材料不同对成像质量和自动聚焦效果的影响，大大提高了适用范围。在图像处理的过程中，仅对第一张图像进行全图处理，找出图像变化最明显的t个区域，随后的图像仅仅对该t个固定区域对图像进行区域图像处理，这样的处理方法大大节约了图像处理时间，使得电子显微镜能快速清晰地对焦。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种电子显微镜的自动聚焦方法，其特征在于，所述自动聚焦方法基于机器视觉的图像处理，所述自动聚焦方法的步骤如下：
步骤1、初始化步进电机，将所述步进电机设置在初始位置处，使用相机采集第一张图像；
步骤2、对所述第一张图像进行全图图像处理，得到图像变化最明显的t个区域，同时计算并输出所述t个区域的梯度跳变值；
步骤3、使所述步进电机向前移动λ步长，并使用所述相机采集下一张图像；
步骤4、在步骤3采集的图像中，仅处理所述第一张图像中所标记的图像变化最明显的t个区域对应的位置，计算并输出所述t个区域的梯度跳变值；
步骤5、重复步骤3和步骤4，直到所述步进电机走完整个行程；
步骤6、将上述t个区域得到的所有梯度跳变值和所对应的电机位置分别拟合成t个二次曲线，从所述二次曲线中找到峰值所对应的电机位置，所述电机位置即为可拍摄到最清晰图像对应的焦距；
步骤7、使所述步进电机移动到所述电机位置，完成对焦，同时采集图像并显示。
2.如权利要求1所述的一种电子显微镜的自动聚焦方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1、使用分块法将整幅图均匀分成n*m个区域；
步骤2.2、分别对每个小区域使用灰度直方图分析法进行灰度分析和统计；
步骤2.3、确定所述n*m个区域的二值化阈值，并对所述n*m个区域进行blob区域分析；
步骤2.4、根据灰度分析统计结果和blob区域分析结果找出图像变化最明显的t个区域，同时计算并输出t个梯度跳变值。
3.如权利要求2所述的一种电子显微镜的自动聚焦方法，其特征在于，所述步骤2.3中采用最大类间方差法获得二值化阈值。
4.如权利要求2所述的一种电子显微镜的自动聚焦方法，其特征在于，所述步骤2.3中采用迭代法获得二值化阈值。
5.如权利要求2所述的一种电子显微镜的自动聚焦方法，其特征在于，所述步骤2.3中采用基于均值和方差的动态阈值法获得二值化阈值。
6.如权利要求1所述的一种电子显微镜的自动聚焦方法，其特征在于，所述λ步长设定为大于等于1。
7.如权利要求1所述的一种电子显微镜的自动聚焦方法，其特征在于，所述基于机器视觉的图像处理的步骤如下：
步骤11、收集采集到的图像；
步骤12、判断要处理的图像是否是采集到的第一张图像，如果判断是采集到的第一张图像，则对第一张图像进行全图处理，得到图像变化最明显的t个区域，计算并输出所述t个区域的梯度跳变值；如果判断采集到的图片不是第一张图片，仅处理所述第一张图像中所标记的图像变化最明显的t个区域对应的位置，计算并输出所述t个区域的梯度跳变值。
8.如权利要求1所述的一种电子显微镜的自动聚焦方法，其特征在于，所述初始位置为最远焦距处，使得步进电机从远到近移动，相机从远到近采集图像。
9.如权利要求1所述的一种电子显微镜的自动聚焦方法，其特征在于，所述初始位置为最近焦距处，使得步进电机从近到远移动，相机从近到远采集图像。
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