CN109239900A - 一种用于显微数字图像大视野采集的全自动快速聚焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于显微数字图像大视野采集的全自动快速聚焦方法，所述方法包括以下步骤：拍摄载玻片上样本的整体图像，使用图像算法识别出样本轮廓，得到样本区域；从样本区域中选择有样本且非共线的三个位置，分别对这三个位置基于清晰度评价函数进行Z轴的对焦操作，记录各自焦面相对于Z平面零点位置的高度；根据三个位置的焦面高度，得到样本空间平面方程；而后进行显微数字图像大视野采集，根据采集区域的中心位置及样本平面方程，计算得到该位置下聚焦对应的焦面调整高度，从而实现该区域的快速聚焦。本发明相比于每个采集区域都基于清晰度评价函数来调整焦平面的方法，在保证图像采集质量的同时，大大加快了采集的速度。

Description

一种用于显微数字图像大视野采集的全自动快速聚焦方法

技术领域

本发明属于数字图像采集技术及聚焦技术领域，尤其涉及一种用于显微数字图像大视野采集的全自动快速聚焦采集方法。

背景技术

生物样本的显微镜检观察一直存在十分耗时且效率低下的问题。近年来，全自动镜检平台逐渐替代了原有的人工镜检。快速发展的高速网络技术、图像技术和计算机技术为显微数字图像的采集提供了坚实的基础，同时也对其采集的速度和质量提出了要求。

目前，在镜检系统中，由于载玻片上的样本平面与参考平面常常存在着一定的倾斜角度的原因，使得在进行大视野采集时，每更换一个位置都需要重新聚焦，以确保采集到的图像是足够清晰的。当对同一个载玻片上的样本需要采集较多视野的情况下，不断的聚焦操作，使得采集过程十分耗时。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于显微数字图像大视野采集的全自动快速聚焦方法，旨在解决现有技术中样本采集聚焦过程十分耗时的问题。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种用于显微数字图像大视野采集的全自动快速聚焦方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：拍摄载玻片上样本的整体图像，根据图像的梯度和颜色信息识别出载玻片上样本的轮廓，得到样本区域；

步骤2：使用中心扩散法计算出样本轮廓的内接矩形，从样本轮廓的内接矩形中随机选择有样本且非共线的三个位置；

步骤3：分别对得到的三个位置基于清晰度评价函数进行Z轴的对焦操作，若聚焦失败，则返回步骤2；

步骤4：记录三个位置焦平面相对于Z轴零点的高度，根据三个位置的焦平面高度，计算出样本的空间平面方程表达式；

步骤5：对步骤1得到的样本区域进行显微数字图像大视野采集，移动到一个采集区域时，根据显微图像采集的中心点位置及样本平面方程表达式，计算得到该位置聚焦对应的焦面调整高度，从而实现快速聚焦。

所述步骤1具体为：

在低倍物镜下使用摄像头对样本整体进行拍摄，得到样本整体的彩色RGB图像；将RGB图像转化为灰度图，使用Sobel算子进行梯度运算，然后进行阈值操作，滤除梯度值小于阈值的点，得到样本区域1；将RGB图像转化为HSV图像，分离出其S通道，进行自适应阈值删除，保留S值较大的区域，得到样本区域2；取样本区域1和样本区域2的交集，即为实际的样本轮廓区域。计算样本轮廓的最小外接矩形，作为扫描区域。

所述步骤2具体为：

首先从步骤1得到的外接矩形的中心点出发，进行八邻域遍历，应用中心扩散法分别求取内接矩形，以面积最大的内接矩形作为最大内接矩形；从最大内接矩形中随机选择3个非共线的点。

所述步骤3具体为：

分别对以步骤2得到的三个点作为中心位置的各图像区域进行聚焦，垂直移动载物台或物镜，使用清晰度评价函数计算在不同高度下拍摄显微图像的清晰度值，将清晰度值最大的位置记为焦平面位置；垂直移动载物台或物镜过程中，若所有高度的清晰度值均小于预设的最低清晰度值，则认为聚焦失败，此时返回步骤2。

所述步骤4具体为：

记录三个位置聚焦时载物台或物镜从Z轴零点位置到焦平面位置移动的距离，记为焦平面高度；由三个位置聚焦时的区域中心点坐标及其焦平面高度，得到三个三维空间点坐标；根据空间平面方程z = Ax + By + C，计算出样本平面的空间方程表达式。

所述步骤5具体为：

对步骤1中得到的样本区域进行显微数字图像大视野采集，移动到一个采集区域时，根据采集区域的中心点位置及步骤4中的样本空间平面方程表达式，计算得到该位置下聚焦对应的焦面调整高度，而后垂直移动载物台或物镜到该高度，实现快速聚焦。

本发明不需要在每个采集区域都基于图像清晰度评价函数来调整图像采集焦平面，而仅仅通过采集区域中心位置与空间平面方程计算得到的相对高度差来进行焦平面调整。本发明相较于传统的仅在初始定位一次焦平面的大视野图像采集方法，大大提高了图像的采集质量；相较于每个采集区域都进行清晰度评价函数来调整焦平面的方法，则大大加快了采集的速度。本发明是两种传统方式的优势结合。

附图说明

图1为本发明实施例的流程示意图；

图2为本发明实施例中提供的镜检系统的结构框图；

图3为本发明实施例中提供的倾斜的样本平面示意图；

图4为本发明实施例步骤101使用图像算法处理得到样本轮廓实例图；

图5为本发明实施例中提供的多点聚焦的流程示意图；

图6为本发明实施例中提供的样本平面的示意图；

图7为本发明实施例中提供的全自动快速聚焦的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图及实施例，对本发明进行详细的说明。

本发明的一种用于显微数字图像大视野采集的全自动快速聚焦方法，该方法包括：拍摄载玻片上样本的整体图像，使用图像算法识别出样本轮廓，得到样本区域；从样本区域中选择有样本且非共线的三个位置，分别对这三个位置基于清晰度评价函数、使用图像算法进行对焦操作，记录各自焦面相对于ZeroZ平面的高度；根据三个位置的焦面高度，得到样本的空间平面方程；而后对样本区域进行显微数字图像大视野采集，移动到一个采集区域时，根据采集区域的中心位置及样本平面方程，计算得到该位置下聚焦对应的焦面调整高度，从而实现快速聚焦。

实施例

本发明中X、Y、Z三轴移动的方式有两种：一种为载物台X、Y、Z三轴均可移动，物镜及摄像头固定；另一种为载物台仅可水平移动，物镜及摄像头垂直移动。

本实施例中显微数字图像大视野采集系统由光源、可X、Y、Z三轴移动的载物台、可切换物镜头的电动旋转台及摄像头组成。系统的结构框图如图2所示，其包括而不限于:201光源、202电动载物台、203可切换物镜的电动旋转台、204摄像头。样本平面与参考平面的关系如图3所示，载玻片上的样本平面与参考平面常常存在着一定的倾斜角度。

本实施例提供的用于显微数字图像采集的全自动快速聚焦方法的流程示意图如图1所示。

S101：首先在低倍物镜下使用摄像头拍摄载玻片整体图像，使用图像分析方法，识别出样本轮廓，并得到样本轮廓的外接矩形，作为扫描区域。

该步骤具体为：

使用摄像头在低倍物镜下对载玻片上的样本整体进行拍摄，得到样本的彩色RGB图像，如图4（a）所示。将RGB图像转化为HSV图像，分离出其S通道，进行自适应阈值删除，保留S值较大的区域，得到样本区域2，如图4（b）所示；将RGB图像转化为灰度图，使用Sobel算子进行梯度运算，然后进行阈值操作，滤除梯度值小于阈值的点，得到样本区域1，如图4（c）所示；取样本区域1和样本区域2的交集，即为实际的样本轮廓区域，如图4（d）所示。

S102：使用中心扩散法计算出样本轮廓的内接矩形，从内接矩形中选择有样本的、非共线的三个位置。

该步骤具体为：

首先从S101得到的外接矩形的中心点出发，进行八邻域遍历，应用中心扩展法分别求取内接矩形，以面积最大的内接矩形作为最大内接矩形。从最大内接矩形中随机选择3个非共线的点，如图5中P1、P2、P3。

S103：分别对以S102得到的三个点作为中心位置的各图像区域进行聚焦操作；若聚焦失败，则返回S102。

该步骤具体为：

首先水平移动载物台到第一个聚焦区域，切换高倍物镜，垂直移动载物台，使用清晰度评价函数计算物镜在不同高度下显微图像的清晰度值，将清晰度值最大的位置记为第一点的焦平面位置；而后保持载物台高度不变，移动到第二个聚焦位置，由于此时已经在焦面附近，上下移动载物台，通过比较清晰度值变大或变小的趋势寻找第二点的焦平面位置；第三个聚焦位置聚焦方式与第二个相同。多点聚焦的具体流程如图5所示。若移物镜过程中，所有焦面高度下的图像的清晰度值均小于预设的最低清晰度值，则认为聚焦失败，此时返回102重新选择新的聚焦位置。

S104：记录三个位置的焦平面高度，计算出样本的空间平面方程表达式。

该步骤具体为：

如图6所示，载玻片的空间平面方程为：Z=A*X+B*Y+C。记录S103中三个位置聚焦时载物台从Z轴零点位置到焦平面位置移动的距离，将该距离记为焦平面高度。根据三维空间平面方程表达式，三个非共线的空间点确定一个空间平面，根据三个位置聚焦时的区域中心点坐标及其焦平面高度计算出样本平面的空间方程表达式。

S105：进行显微数字图像大视野采集，实现快速聚焦。

该步骤具体为：

对S101中得到的样本区域进行显微数字图像大视野采集，移动到一个采集区域时，根据采集区域的中心点位置及S104中的样本空间平面方程表达式，计算得到该位置下聚焦对应的焦面调整高度，而后垂直移动载物台到该高度，实现快速聚焦；显微数字图像大视野采集的流程如图7所示。

Claims (6)

1.一种用于显微数字图像大视野采集的全自动快速聚焦方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：拍摄载玻片上样本的整体图像，根据图像的梯度和颜色信息识别出载玻片上样本的轮廓，得到样本区域；

步骤2：使用中心扩散法计算出样本轮廓的内接矩形，从样本轮廓的内接矩形中随机选择有样本且非共线的三个位置；

步骤3：分别对得到的三个位置基于清晰度评价函数进行Z轴的对焦操作，若聚焦失败，则返回步骤2；

步骤4：记录三个位置焦平面相对于Z轴零点的高度，根据三个位置的焦平面高度，计算出样本的空间平面方程表达式；

步骤5：对步骤1得到的样本区域进行显微数字图像大视野采集，移动到一个采集区域时，根据显微图像采集的中心点位置及样本平面方程表达式，计算得到该位置聚焦对应的焦面调整高度，从而实现快速聚焦。

2.根据权利要求1所述的用于显微数字图像大视野采集的全自动快速聚焦方法，其特征在于，所述步骤1具体为：

在低倍物镜下使用摄像头对样本整体进行拍摄，得到样本整体的彩色RGB图像；将RGB图像转化为灰度图，使用Sobel算子进行梯度运算，然后进行阈值操作，滤除梯度值小于阈值的点，得到样本区域1；将RGB图像转化为HSV图像，分离出其S通道，进行自适应阈值删除，保留S值较大的区域，得到样本区域2；取样本区域1和样本区域2的交集，即为实际的样本轮廓区域，计算样本轮廓的最小外接矩形，作为扫描区域。

3.根据权利要求1所述的用于显微数字图像大视野采集的全自动快速聚焦方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

从步骤1得到的外接矩形的中心点出发，进行八邻域遍历，应用中心扩散法分别求取内接矩形，以面积最大的内接矩形作为最大内接矩形；从最大内接矩形中随机选择3个非共线的点。

4.根据权利要求1所述的用于显微数字图像大视野采集的全自动快速聚焦方法，其特征在于，所述步骤3具体为：

分别对以步骤2得到的三个点作为中心位置的各图像区域进行聚焦，垂直移动载物台或物镜，使用清晰度评价函数计算在不同高度下拍摄显微图像的清晰度值，将清晰度值最大的位置记为焦平面位置；垂直移动载物台或物镜过程中，若所有高度的清晰度值均小于预设的最低清晰度值，则认为聚焦失败，此时返回步骤2。

5.根据权利要求1所述的用于显微数字图像大视野采集的全自动快速聚焦方法，其特征在于，所述步骤4具体为：

记录三个位置聚焦时载物台或物镜从Z轴零点位置到焦平面位置移动的距离，记为焦平面高度；由三个位置聚焦时的区域中心点坐标及其焦平面高度，得到三个三维空间点坐标；根据空间平面方程z = Ax + By + C，计算出样本平面的空间方程表达式。

6.根据权利要求1所述的用于显微数字图像大视野采集的全自动快速聚焦方法，其特征在于，所述步骤5具体为：

对步骤1中得到的样本区域进行显微数字图像大视野采集，移动到一个采集区域时，根据采集区域的中心点位置及步骤4中的样本空间平面方程表达式，计算得到该位置下聚焦对应的焦面调整高度，而后垂直移动载物台或物镜到该高度，实现快速聚焦。