CN113777769A - 一种显微仪器自动调焦方法、装置、智能终端及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种显微仪器自动调焦方法、装置、智能终端及存储介质，其中，上述显微仪器自动调焦方法包括：获取粗调焦目标距离；基于上述粗调焦目标距离控制上述显微仪器的载物台和/或物镜进行粗调焦；采集目标对象的数字图像并基于预设的评价函数以及变步长的爬山搜索算法控制粗调焦后的上述载物台和/或上述物镜进行精调焦，其中，上述目标对象设置于上述载物台上。与现有技术相比，本发明方案可实现显微仪器的自动调焦，不依赖于人眼判断，且先基于粗调焦目标距离进行粗调焦，后基于采集的数字图像和变步长的搜索算法逐步进行精调焦，进一步提升显微仪器对焦的精确度，从而提高显微仪器观测物体或拍摄图像的清晰度。

Description

一种显微仪器自动调焦方法、装置、智能终端及存储介质

技术领域

本发明涉及自动调焦技术领域，尤其涉及的是一种显微仪器自动调焦方法、装置、智能终端及存储介质。

背景技术

传统的显微镜在诸多领域都被用来观察、采集物体的细微结构图像进行分析、处理以获取各种重要信息。例如，冶金工业中的金相分析、医疗卫生中的血液分析、机械工业中的润滑油分析等。随着科学技术的进步，人们对显微仪器对焦的精确度的要求越来越高。

现有技术中，通常基于手动调焦的方法，调节显微镜等显微仪器的物镜与载物台之间的距离进行对焦，以实现对载物台上的待测物体的观察和图像采集，从而完成检测要求。现有技术的问题在于，手动调焦的方式依赖于人眼的判断，受人眼判断能力的限制，影响显微仪器对焦的精确度，从而影响显微仪器观测物体或拍摄图像的清晰度。

因此，现有技术还有待改进。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种显微仪器自动调焦方法、装置、智能终端及存储介质，旨在解决现有技术中基于手动调焦的方法，调焦节显微镜等显微仪器的物镜与载物台之间的距离进行对焦时依赖于人眼的判断，受人眼判断能力的限制，影响显微仪器对焦的精确度的问题。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种显微仪器自动调焦方法，其中，上述方法包括：

获取粗调焦目标距离；

基于上述粗调焦目标距离控制上述显微仪器的载物台和/或物镜进行粗调焦；

采集目标对象的数字图像并基于预设的评价函数以及变步长的爬山搜索算法控制粗调焦后的上述载物台和/或上述物镜进行精调焦，其中，上述目标对象设置于上述载物台上。

可选的，上述获取粗调焦目标距离，包括：

计算上述显微仪器的物镜对应的焦距，作为上述粗调焦目标距离。

可选的，上述基于上述粗调焦目标距离控制上述显微仪器的载物台和/或物镜进行粗调焦，包括：

基于上述粗调焦目标距离控制上述显微仪器的载物台和/或物镜进行移动，将移动完成后的上述载物台和上述物镜之间的距离作为粗调焦完成距离，其中，上述粗调焦完成距离与上述粗调焦目标距离之间的差不超过预设粗调焦范围。

可选的，上述预设的评价函数是灰度差分绝对值和函数。

可选的，上述采集目标对象的数字图像并基于预设的评价函数以及变步长的爬山搜索算法控制粗调焦后的上述载物台和/或上述物镜进行精调焦，包括：

精调焦过程中，在每一次控制上述载物台和/或上述物镜移动之后，采集目标对象的数字图像；

基于变步长的爬山搜索算法、各上述数字图像以及上述灰度差分绝对值和函数对上述载物台和/或上述物镜进行反馈控制，逐步移动上述载物台和/或上述物镜并获得精调焦完成距离，其中，上述精调焦完成距离是上述精调焦完成后上述载物台和上述物镜之间的距离，上述精调焦完成距离与上述灰度差分绝对值和函数的极大值点相对应。

可选的，上述基于变步长的爬山搜索算法、各上述数字图像以及上述灰度差分绝对值和函数对上述载物台和/或上述物镜进行反馈控制，逐步移动上述载物台和/或上述物镜并获得精调焦完成距离，包括：

基于各上述数字图像，通过进退法获取上述灰度差分绝对值和函数的极大值点所在的区间，作为精调焦区间；

在上述精调焦区间内，基于变步长的爬山搜索算法对上述物镜进行反馈控制，逐步控制上述物镜的移动并确定上述灰度差分绝对值和函数的极大值点对应的精调焦完成距离。

可选的，上述在上述精调焦区间内，基于变步长的爬山搜索算法对上述物镜进行反馈控制，逐步控制上述物镜的移动并确定上述灰度差分绝对值和函数的极大值点对应的精调焦完成距离，包括：

将上述精调焦区间作为目标精调焦区间；

获取预设的精调焦步长；

当上述精调焦步长不小于预设的步长最小值时，循环执行以下步骤：在上述目标精调焦区间内，基于上述精调焦步长控制上述物镜在上述目标精调焦区间内进行一次全程移动，记录图像清晰度评价值最大时对应的目标物镜位置，将上述目标精调焦区间更新为以上述目标物镜位置为中心的前一精调焦步长与后一精调焦步长区域构成的区间，减小上述精调焦步长，其中，上述图像清晰度评价值是与上述目标物镜位置对应的灰度差分绝对值和函数的值；

当上述精调焦步长小于预设的步长最小值时，将上述物镜固定在上述目标物镜位置处，其中，上述目标物镜位置与上述载物台之间的距离是上述精调焦完成距离。

本发明第二方面提供一种显微仪器自动调焦装置，其中，上述装置包括：

粗调焦目标距离获取模块，用于获取粗调焦目标距离；

粗调焦模块，用于基于上述粗调焦目标距离控制上述显微仪器的载物台和/或物镜进行粗调焦；

精调焦模块，用于采集目标对象的数字图像并基于预设的评价函数以及变步长的爬山搜索算法控制粗调焦后的上述载物台和/或上述物镜进行精调焦，其中，上述目标对象设置于上述载物台上。

本发明第三方面提供一种智能终端，上述智能终端包括存储器、处理器以及存储在上述存储器上并可在上述处理器上运行的显微仪器自动调焦程序，上述显微仪器自动调焦程序被上述处理器执行时实现任意一项上述显微仪器自动调焦方法的步骤。

本发明第四方面提供一种计算机可读存储介质，上述计算机可读存储介质上存储有显微仪器自动调焦程序，上述显微仪器自动调焦程序被处理器执行时实现任意一项上述显微仪器自动调焦方法的步骤。

由上可见，本发明方案中，获取粗调焦目标距离；基于上述粗调焦目标距离控制上述显微仪器的载物台和/或物镜进行粗调焦；采集目标对象的数字图像并基于预设的评价函数以及变步长的爬山搜索算法控制粗调焦后的上述载物台和/或上述物镜进行精调焦，其中，上述目标对象设置于上述载物台上。与现有技术中基于手动调焦的方法，调焦节显微镜等显微仪器的物镜与载物台之间的距离进行对焦的方法相比，本发明方案可实现显微仪器的自动调焦，不依赖于人眼判断，且先基于粗调焦目标距离进行粗调焦，后基于采集的数字图像和变步长的搜索算法逐步进行精调焦，进一步提升显微仪器对焦的精确度，从而提高显微仪器观测物体或拍摄图像的清晰度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例提供的一种显微仪器自动调焦方法的流程示意图；

图2是本发明实施图1中步骤S300的具体流程示意图；

图3是本发明实施图2中步骤S302的具体流程示意图；

图4是本发明实施例提供的一种通过进退法确定精调焦区间的示意图；

图5是本发明实施例提供的一种进退法确定的精调焦区间的示意图；

图6是本发明实施例提供的一种两相邻采集点评价函数值相等的情况示意图；

图7是本发明实施例提供的一种通过线性插值算法计算峰值位置的示意图；

图8是本发明实施例提供的A、B、C三点的两种分布情况示意图；

图9是本发明实施例提供的一种极值点所在区间辨别示意图；

图10是本发明实施例提供的一种优化的变步长的爬山搜索算法示意图；

图11是本发明实施例提供的一种优化的变步长的爬山搜索算法的具体流程示意图；

图12是本发明实施例提供的一种显微仪器自动调焦装置的结构示意图；

图13是本发明实施例提供的一种显微仪器自动调焦系统的原理框图；

图14是本发明实施例提供的一种智能终端的内部结构原理框图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况下，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当…时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似的，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述的条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

下面结合本发明实施例的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

传统的显微镜在诸多领域都被用来观察、采集物体的细微结构图像进行分析、处理以获取各种重要信息。例如，冶金工业中的金相分析、医疗卫生中的血液分析、机械工业中的润滑油分析等。随着科学技术的进步和处理样品的增多，人们对显微仪器的对焦精确度和调焦速度的要求越来越高。

现有技术中，通常基于手动调焦的方法，调节显微镜等显微仪器的物镜与载物台之间的距离进行对焦，以实现对载物台上的待测物体的观察和图像采集，从而完成检测要求。其聚焦效果受到不同操作人员的影响，因此，现有技术的问题在于，手动调焦的方式依赖于人眼的判断，受人眼判断能力的限制，影响显微仪器对焦的精确度，从而影响显微仪器观测物体或拍摄图像的清晰度。同时，手动调焦过程中，要得到清晰的图像需要反复手动操作，影响调焦速度，不利于应用在实时系统、在线检测系统等实时性要求高的场景下。

目前常用的调焦方法包括测距法和图像法。测距法可以分为三角测量法和时间测距法，前者的原理就是手动调焦的三角测量法，后者是通过声纳技术实现测量距离的。在基于图像法进行调焦时，一种方法是离焦深度法(DFD，Depth From Defocus)，该方法通过获取两幅或以上不同离焦位置的图像，事先对成像系统建立合适的数学模型，结合成像系统的各种参数，推算出目标物体的离焦深度，从而判断出焦点位置实现调焦。但该方法在实际应用中成像系统的数学模型在理论上还不能精确的确定，只能做近似估计，导致误差极大。因此，本实施例中，在进行精调焦时，通过计算机或者专用的电路系统在调焦过程中采集一系列的数字图像，对每一帧图像进行处理，判断调焦是否准确，即成像是否清晰，并给出反馈信号控制镜头的运动，直到采集的图像达到最清晰，最终完成调焦，即基于对焦深度法(DFF，Depth From Focus)实现精调焦。

具体的，为了解决现有技术中存在的问题，本实施例中，提出一种显微仪器自动调焦方法、装置、智能终端及存储介质，获取粗调焦目标距离；基于上述粗调焦目标距离控制上述显微仪器的载物台和/或物镜进行粗调焦；采集目标对象的数字图像并基于预设的评价函数以及变步长的爬山搜索算法控制粗调焦后的上述载物台和/或上述物镜进行精调焦，其中，上述目标对象设置于上述载物台上。与现有技术中基于手动调焦的方法，调焦节显微镜等显微仪器的物镜与载物台之间的距离进行对焦的方法相比，本发明方案可实现显微仪器的自动调焦，不依赖于人眼判断，且先基于粗调焦目标距离进行粗调焦，后基于采集的数字图像和变步长的搜索算法逐步进行精调焦，进一步提升显微仪器对焦的精确度，从而提高显微仪器观测物体或拍摄图像的清晰度。

示例性方法

如图1所示，本发明实施例提供一种显微仪器自动调焦方法，具体的，上述方法包括如下步骤：

步骤S100，获取粗调焦目标距离。

其中，上述粗调焦目标距离是在进行粗调焦的过程中需要使用的距离，可以是在粗调焦过程中需要控制载物台和/或物镜移动的距离，也可以是需要满足的在粗调焦完成后载物台和物镜之间的距离，在此不做具体限制。上述粗调焦目标距离可以预先设置或根据实际需求进行设置和调整。

步骤S200，基于上述粗调焦目标距离控制上述显微仪器的载物台和/或物镜进行粗调焦。

具体的，基于上述粗调焦目标距离控制载物台和物镜之间的距离，本实施例中，以上述粗调焦目标距离是需要满足的在粗调焦完成后载物台和物镜之间的距离为例进行说明。在一种应用场景中，基于上述粗调焦目标距离，控制显微仪器的载物台和物镜中的至少一者进行移动，使得两者之间的距离满足粗调焦目标距离。

步骤S300，采集目标对象的数字图像并基于预设的评价函数以及变步长的爬山搜索算法控制粗调焦后的上述载物台和/或上述物镜进行精调焦，其中，上述目标对象设置于上述载物台上。

其中，上述目标对象是放置在载物台上，需要进行观测或需要拍摄图像的物品。预设的评价函数是预先设置的用于在精调焦过程中评价拍摄获得的数字图像的清晰度的函数。变步长的爬山搜索算法是步长可变的用于搜索移动过程中评价函数的极大值点的算法。

由于自动调焦过程是一个使图像逐步清晰，使物像距逐步满足共轭关系的过程。需要通过多次的采集图像，移动载物台，逐步使图像达到清晰的状态。而光学系统正焦位置两侧的离焦特性具有对称性，当辩定调焦方向之后，如果选取一定的步长，逐次移动载物台使样本(即目标对象)逼近焦面，总能找到成像最清晰的位置，但是这种方法太耗时，尤其是在物镜深度离焦时，需要耗费大量的时间。因此在自动调焦过程中应该满足以下特性：应使载物台(和/或物镜)移动尽可能少的次数，采集尽可能少的图像；精调焦时选取的评价函数应具有较大的调焦范围、曲线平滑性、良好的抗干扰性，同时算法不应过于复杂；载物台Z轴采用的是行星轮的多级齿轮啮合，齿间有较大的回程误差，所以在调焦过程中应该尽量减少改变方向的次数。因此，本实施例中，结合粗调焦和精调焦的方式，先通过粗调焦确定大致的搜索范围，然后通过精调焦进行精准对焦。有利于减少载物台的移动次数，减少改变方向的次数，且提高对焦的精确度。

由上可见，本发明实施例提供的显微仪器自动调焦方法中，获取粗调焦目标距离；基于上述粗调焦目标距离控制上述显微仪器的载物台和/或物镜进行粗调焦；采集目标对象的数字图像并基于预设的评价函数以及变步长的爬山搜索算法控制粗调焦后的上述载物台和/或上述物镜进行精调焦，其中，上述目标对象设置于上述载物台上。与现有技术中基于手动调焦的方法，调焦节显微镜等显微仪器的物镜与载物台之间的距离进行对焦的方法相比，本发明方案可实现显微仪器的自动调焦，不依赖于人眼判断，且先基于粗调焦目标距离进行粗调焦，后基于采集的数字图像和变步长的搜索算法逐步进行精调焦，进一步提升显微仪器对焦的精确度，从而提高显微仪器观测物体或拍摄图像的清晰度。

本实施例中，上述步骤S100具体包括：计算上述显微仪器的物镜对应的焦距，作为上述粗调焦目标距离。即本实施例中将显微仪器的物镜对应的焦距作为粗调焦目标距离。实际使用过程中，还可以基于物镜对应的焦距进行适应性调整后作为粗调焦目标距离，以获得更好的效果，降低精调焦的工作量。

具体的，上述步骤S200包括：基于上述粗调焦目标距离控制上述显微仪器的载物台和/或物镜进行移动，将移动完成后的上述载物台和上述物镜之间的距离作为粗调焦完成距离，其中，上述粗调焦完成距离与上述粗调焦目标距离之间的差不超过预设粗调焦范围。

本实施例中，基于计算获得的粗调焦目标距离控制显微仪器的载物台和物镜两者中的至少一者进行移动，使得两者的距离与粗调焦目标距离之间的差不超过预设粗调焦范围。其中，上述预设粗调焦范围是预先设置的粗调焦过程中可以容许的误差范围，可以根据实际情况进行设置和调整，在此不做具体限定。

需要说明的是，在粗调焦过程中是基于预先设置的步长控制载物台和/或物镜的移动，且需要尽量减少移动次数，因此可以预先设置一定的粗调焦范围，本实施例中，预设粗调焦范围为±150μm，但不作为具体限定。本实施例中，粗调焦过程中使用直线位移型电位器做为位移反馈，由运动控制器控制独立完成，粗调焦完成后将载物台定位在焦面上下±150μm的范围内。

具体的，本实施例中，精调焦采用图像处理的方法完成，上述预设的评价函数是灰度差分绝对值和函数。具体的，基于该评价函数，对拍摄获得的数字图像中的一点，对该点及其左方和上方最邻近点的灰度值做差分运算，提取该点处灰度值的变化大小，为了防止求和过程中正负抵消，对差分值取绝对值后再求和。上述灰度差分绝对值和函数在调焦有效范围、计算时间、函数曲线的稳定性等方面都具有较好的表现，有利于提升精调焦的精确度和速度。需要说明的是，灰度差分绝对值和函数无论是在单峰性和灵敏性上都具有较大的优势，利用边缘点处灰度阶跃变化的程度来评价图像清晰度具有直观性，不用再考虑成像系统的特性，也不受灰度级数的限制。且利用该函数进行评价时，计算简单，适用于目前的计算装置，例如，DSP具有独特的硬件乘法器，用MAC指令可以使取数、乘法、累加操作在单周期内完成，考虑到DSP这种对平方和具有重复执行的功能，同时为了增加高频分量在评价函数中的权重，能够提高抗干扰的能力，减少计算量，增强灵敏度，能够较快的找到聚焦位置。此外，先用Sobel算子求出边缘点，再对边缘点处相邻像素点求差分，减少了计算量。

具体的，本实施例中，如图2所示，上述步骤S300包括：

步骤S301，精调焦过程中，在每一次控制上述载物台和/或上述物镜移动之后，采集目标对象的数字图像。

步骤S302，基于变步长的爬山搜索算法、各上述数字图像以及上述灰度差分绝对值和函数对上述载物台和/或上述物镜进行反馈控制，逐步移动上述载物台和/或上述物镜并获得精调焦完成距离，其中，上述精调焦完成距离是上述精调焦完成后上述载物台和上述物镜之间的距离，上述精调焦完成距离与上述灰度差分绝对值和函数的极大值点相对应。

具体的，上述灰度差分绝对值和函数具有单峰特性，即在物镜与载物台之间的距离对应的不同取值过程中上述灰度差分绝对值和函数具有极大值点，当该函数取得极大值时，说明拍摄获得的图像的清晰度最高，显微仪器精准对焦。因此，可以把自动调焦的问题归结为一维搜索的问题，即用数值方法求解一维函数极值，首先确定函数极值点所在区间，然后，利用逐步缩小区间或函数逼近等方法，确定函数的极值点。本实施例中，以一维函数F(u)表示上述灰度差分绝对值和函数，其中，u代表载物台和物镜之间的距离。

具体的，本实施例中，如图3所示，上述步骤S302包括：

步骤S3021，基于各上述数字图像，通过进退法获取上述灰度差分绝对值和函数的极大值点所在的区间，作为精调焦区间。

步骤S3022，在上述精调焦区间内，基于变步长的爬山搜索算法对上述物镜进行反馈控制，逐步控制上述物镜的移动并确定上述灰度差分绝对值和函数的极大值点对应的精调焦完成距离。

为了用数值方法求出一维函数F(u)的极大值u*，首先必须先确定极大值点u*所在的区间。具体的，基于灰度差分绝对值和函数单峰特性可以搜索到一个区间[u1，u3]，在该区间上，函数满足低-高-低的特性，则函数极大值处于该区间中，将该区间作为精调焦区间。图4是本发明实施例提供的一种通过进退法确定精调焦区间的示意图，本实施例中，基于如下步骤确定极大值点所在区间：

第一步，F(u1)<F(u2)时，表明函数极值在起始点u1的右边，行走方向正确，转入第三步；第二步，F(u1)>F(u2)时，表明函数的极值点在u1的左面，行走方向(即移动载物台的方向)错误，将方向调转进入第三步；第三步，载物台继续沿着前面移动的方向移动一个步幅，到一个新的位置u3，计算F(u3)，比较F(u2)和F(u3)，有如下两种情况：F(u2)<F(u3)时，表明在[u1，u3]之间没有最大值，做代换u1＝u2，u2＝u3，F(u2)＝F(u3)，继续运行第三步；F(u2)>F(u3)，如图5所示，表明在[u1，u3]之间存在最大值，则取a＝min(u1，u3)，b＝max(u1，u3)输出[a，b]即得到函数最小值所在的区间。

如此，粗调焦后在焦点附近通过进退法确定极大值对应的区间范围，从而可以缩小精调焦的范围，提高对焦速度。其中，在确定极大值对应的区间范围时可以采用2倍景深作为布局。

具体的，可以通过逐步缩小区间或函数逼近等方法确定评价函数的极大值点。例如，在一种应用场景中，驱动电机向焦面运动一个步长到位置uA，采集图像，计算该点的评价函数F(uA)；然后再次驱动电机运动一个步长到点uB，采集图像，计算该点的评价函数F(uB)。然后比较F(uB)和F(uA)的大小，如果F(uB)>F(uA)，则使F(uA)＝F(uB)，继续向原来的方向移动一个步长，采集该位置的图像并计算该点的评价函数值作为新的F(uB)，在与F(uA)进行比较，直到F(uB)<F(uA)；如果F(uB)<F(uA)，则使电机运动反向，步长减半，继续上面的操作，直到步长小到一定程度，则可近似认为清晰点(即函数的极大值点)已找到。

在另一种应用场景中，还可以通过逐步扫描法确定清晰点，具体的，采用一定的步长，沿着曲线上升的方向逐步采集图像，并计算评价函数值，如果当前函数值F(ui)出现比前一次的F(ui+1)小时，就停止该方向的步进。然后往回再走一步，近似认为倒数第二次的采集点为极值点。但逐步扫描法的精度取决于步长的大小，步长越小，调焦精度越高。

具体的，本实施例中，上述步骤S3022包括：

将上述精调焦区间作为目标精调焦区间；

获取预设的精调焦步长；

当上述精调焦步长不小于预设的步长最小值时，循环执行以下步骤：在上述目标精调焦区间内，基于上述精调焦步长控制上述物镜在上述目标精调焦区间内进行一次全程移动，记录图像清晰度评价值最大时对应的目标物镜位置，将上述目标精调焦区间更新为以上述目标物镜位置为中心的前一精调焦步长与后一精调焦步长区域构成的区间，减小上述精调焦步长，其中，上述图像清晰度评价值是与上述目标物镜位置对应的灰度差分绝对值和函数的值；

当上述精调焦步长小于预设的步长最小值时，将上述物镜固定在上述目标物镜位置处，其中，上述目标物镜位置与上述载物台之间的距离是上述精调焦完成距离。

其中，上述精调焦步长是精调焦过程中的起始步长(精调焦过程中步长是可变的，步长逐渐减小)，可以根据实际需求预先设置和调整，也可以由用户输入，在此不作具体限定。预设的步长最小值是预先设置的用于判断精调焦步长是否缩小到预设程度的值，可以根据实际需求进行设置和调整，预设的步长设置得越小，调焦的精度越高。当精调焦步长缩小到小于预设的步长时，可以认为已经达到精度需求。此时将物镜固定在当前对应的目标物镜位置处，完成自动调焦。上述减小上述精调焦步长可以为将当前精调焦步长减半并更新。需要说明的是，本实施例中，在精调焦过程中以移动物镜为例进行说明，但实际使用过程中，还可以移动载物台，在此不做具体限定。

在一种应用场景中，精调焦过程分为三步，首先使用2倍景深作为步长，分辨逼近方向，并采用进退法搜索最优解所在区间；接着根据评价函数的曲线的对称关系使用线性插值进行微调正焦平面的第一次定位；最后在使用高斯内插进行微调正焦平面的第二次定位，找到清晰位置。

具体的，在搜索最优解所在区间时，使用一次爬山法，采用较大的步长，例如可设步长S为2倍的景深。具体的，先采集一帧图像。用评价函数运算得到函数值做为F(uB)，驱动电机使载物台向靠近物镜的方向运动(或者驱动物镜向靠近载物台的方向运动)2倍景深的距离，再采集一帧图像用评价函数运算得到函数值做为F(uC)，把F(uC)和F(uB)进行比较。

①如果F(uB)<F(uC)则表明运动方向正确，继续沿此方向运动，每次运动过后，做处理F(uA)＝F(uB)、F(uB)＝F(uC)，在当前位置采集一帧图像，并用评价函数运算得到函数值做为新的F(uC)。只要F(uB)<F(uC)条件满足就一直不断重复这个过程，直至F(uB)>F(uC)时停止。

②如果F(uB)>F(uC)则表明运动方向错误，应换为相反的方向，继续驱动电机行走并采集运算。重复过程以及停止条件同①。

③如果F(uB)＝F(uC)，此时有三种可能，如图6所示。第一种，样本成像面在峰值的左侧偏离评价函数有效范围，即区域A；第二种，样本成像面在峰值的右侧偏离评价函数有效范围，即区域B；第三种，两次采集的点均在评价函数有效范围，并且对称分布在峰值的两侧。而本实施例中，粗调焦后样本成像面与最清晰成像位置的偏差为±150μm。所以令M＝150/S，N＝0(M表示采用步长S跨越150μm所需要的次数，N表示当前移动了几次)。驱动电机使载物台继续向靠近物镜的方向运动，每次运动过后，做处理F(uA)＝F(uB)、F(uB)＝F(uC)，N＝N+1，在当前位置采集一帧图像，并用评价函数运算得到函数值做为新的F(uC)。如果F(uB)<F(uC)且N≤M，继续在原方向移动载物台；如果F(uB)＝F(uC)且N>M，表明搜索方向错误，此时立即向相反的方向(远离物镜的方向)运动150μm，并以远离物镜的方向作为搜索方向重新调用这一过程。

在基于上述过程确定最优解所在区间之后，进行精调正交平面的第一次定位。具体的，因为在接近峰值的区域内函数的曲线接近线性，可采用线性插值算法计算出峰值的大致位置，如图7所示，根据函数曲线的对称性，以及相似三角形原理可以得到如下公式(1)：

X＝2*S*(F(uB)-F(uC))+S*(F(uA)-F(uC))/2*(F(uB)-F(uC)) (1)

其中，C为当前物镜(或载物台)所在位置，X为近似定位的清晰点与C点对应的距离，B为前一步长对应的物镜(或载物台)所在位置，A为前两个步长对应的物镜(或载物台)所在位置。如此，最清晰点的区间缩小到最后的两个长以内，图8是本发明实施例提供的A、B、C三点的两种分布情况示意图，如图8所示，中间点(B点)可能在峰值左侧或右侧，极值点处于中间点与峰值另外一侧的点之间。图9是本发明实施例提供的一种极值点所在区间辨别示意图，如图9所示，为了区分中间点在峰值的哪一边，将中间点B分别与两侧的点连线，得到两条相交线，AB和BC，分别计算AB和BC两线的斜率，l_AB＝(H1/S)、l_BC＝(H2/S)，比较l_AB和l_BC的大小。如果l_AB>l_BC就认为A、B两点在一侧；如果l_AB<l_BC就认为C、B两点在一侧。因为三点间步长S的大小一样，所以只要比较B点与A点和C点的评价函数值差的绝对值就可以确定极大值点对应的区间。具体的，计算H1和H2，然后比较其关系，如果H1<H2，则X＝2*S*(F(uB)-F(uC))+S*(F(uA)-F(uC))/2*(F(uB)-F(uC))驱动电机往回走X步；如果H1>H2，则X＝2*S*(F(uB)-F(uC))-S*(F(uA)-F(uC))/2*(F(uB)-F(uC))驱动电机往回走X步；如果H1＝H2，则驱动电机往回走S。如此，可以快速逼近正焦平面的附近区域，提高调焦速度。

又由于灰度差分绝对值和的函数曲线峰值附近形状和高斯曲线的形状基本一致，可以采用高斯内插的方法进一步提高定位的精度。具体的，使用1/2景深作为步长，先使载物台向远离物镜的方向运动一个步长，在该位置采集一帧图像，并计算灰度值作为F(uA)；然后使载物台向逼近物镜的方向运动一个步长，在该位置采集一帧图像，并计算灰度值作为F(uB)；最后仍使载物台向逼近物镜的方向运动一个步长，在该位置采集一帧图像，并计算灰度值作为F(uC)。转换电机转向，驱动电机行走(1倍景深-μ)的距离，最后停止处即为正焦平面。上述过程中以控制载物台移动为例进行说明，相应的，实际使用过程中还可以通过驱动电机控制物镜移动。

进一步的，本实施例中，采用优化的变步长的爬山搜索算法进行精调焦。图10是本发明实施例提供的一种优化的变步长的爬山搜索算法示意图，具体的，在目标精调焦区间内，通过物镜移动电机驱动物镜从起始位置(例如目标精调焦区间的左端点)开始以等步长游遍全程(如图10中线条1所示)，记录下图像清晰度评价值最大点时的物镜位置，接下来，物镜回到评价函数值最大点位置的前一站，换用小步长，从最大点位置的前一站走到最大点位置的后一站(如图10中线条2所示)，同样在这一过程中，记录下图像清晰度评价值的最大值。依此方法，如此反复进行，最后物镜会停止在自动调焦评价函数最大值的位置，即正确对焦位置。如此，避免在评价函数对应的远离正交位置的区域出现难以确定转向的情况，防止物镜左右振荡。且考虑到硬件电机驱动物镜需要冷却缓冲，最好不要频繁急速反转的特点，首先是以相等步长游遍全程，来计算每一步电机短暂停下时的图像清晰度评价值，粗略地找到评价值最大点时的物镜位置，也就是完成简单的初步定位；然后改用小步长，分别以初步定位物镜正焦位置的前一站为起点，后一站为终点，再用初步定位时的方法，再次定位正确对焦位置。如此反复，不错过任何一个可能是正确对焦位置的点，最后物镜会停在评价函数值最大的位置。可以避免电机盲目反转，搜索历程较短，精度也比较高，与硬件配合默契，能够快速对焦，也更好地满足视频监控实时性，稳定性的要求。

图11是本发明实施例提供的一种优化的变步长的爬山搜索算法的具体流程示意图，如图11所示，本实施中，在精调焦过程中先初始化，进行步进电机复位，定义步长step(即精调焦步长)，步进电机行进步数x＝0，评价函数最大值Vmax＝0，Lmax＝x，设置全程区间为目标精调焦区间，其中，Lmax为最大值点与起始位置之间相距的步数(前进步数)。通过步进电机驱动物镜前进一步，令x＝x+1，采集图像，计算当前评价函数值V；若V>Vmax，则令Vmax＝V，Lmax＝x，即当在前进过程中获得的函数值增大时，更新最大值点对应的前进步数。判断是否游遍全程，若否，则继续驱动物镜前进，直到游遍全程(即游遍当前的目标精调焦区间)。此时可以更新全程位置，减小步长并继续进行判断，直到步长小于预设的步长最小值。如此，最终可以确定评价函数的极大值点对应的具体位置，将物镜固定在该位置，实现精准快速的自动调焦。

本实施例中，还通过实验对上述显微仪器自动调焦方法的效果进行验证。具体的验证方法为，调焦过后，先人眼辨别，主观的对清晰度做出判断，然后再通过评价函数来大致分析调焦完成处与峰值处的距离。具体的，观测样本为球墨铸铁，先通过人眼观测，自动调焦后可以清晰的分辨球墨铸铁中球墨边界较为清晰，能满足观测条件。然后再通过评价函数对物镜的调焦误差进行大致的估计，方法为：先在调焦停止处采集图像并计算评价函数的值，然后使电机向评价函数值上升的方向运行一个脉冲，再采集图像并计算评价函数值；不断重复这一过程，直到评价函数值出现下降趋势停止。然后计算行走的脉冲数，并将其换算成距离，发现使用不同倍率物镜时误差在0.45个景深范围内。通过实验可以看出，本方法能够对金相组织进自动对焦，调焦后晶界轮廓清晰，完全能够满足观测的需要。除了对以上金相组织进行了试验，还对其他一些比较细微的物体表面进行了试验，可以看出本方法除了对金相材质能够自动调焦之外，对生物、电路样本也能完成自动调焦，在医疗、生物、电子等行业也有一定的适用性。实验证明，上述方法在高速目标跟踪系统的跟踪过程中可以较好地完成自动调焦任务。

示例性设备

如图12中所示，对应于上述显微仪器自动调焦方法，本发明实施例还提供一种显微仪器自动调焦装置，上述显微仪器自动调焦装置包括：

粗调焦目标距离获取模块410，用于获取粗调焦目标距离。

其中，上述粗调焦目标距离是在进行粗调焦的过程中需要使用的距离，可以是在粗调焦过程中需要控制载物台和/或物镜移动的距离，也可以是需要满足的在粗调焦完成后载物台和物镜之间的距离，在此不做具体限制。上述粗调焦目标距离可以预先设置或根据实际需求进行设置和调整。

粗调焦模块420，用于基于上述粗调焦目标距离控制上述显微仪器的载物台和/或物镜进行粗调焦。

具体的，基于上述粗调焦目标距离控制载物台和物镜之间的距离，本实施例中，以上述粗调焦目标距离是需要满足的在粗调焦完成后载物台和物镜之间的距离为例进行说明。在一种应用场景中，基于上述粗调焦目标距离，控制显微仪器的载物台和物镜中的至少一者进行移动，使得两者之间的距离满足粗调焦目标距离。

精调焦模块430，用于采集目标对象的数字图像并基于预设的评价函数以及变步长的爬山搜索算法控制粗调焦后的上述载物台和/或上述物镜进行精调焦，其中，上述目标对象设置于上述载物台上。

其中，上述目标对象是放置在载物台上，需要进行观测或需要拍摄图像的物品。预设的评价函数是预先设置的用于在精调焦过程中评价拍摄获得的数字图像的清晰度的函数。变步长的爬山搜索算法是步长可变的用于搜索移动过程中评价函数的极大值点的算法。

本实施例中，结合粗调焦和精调焦的方式，先通过粗调焦确定大致的搜索范围，然后通过精调焦进行精准对焦。有利于减少载物台的移动次数，减少改变方向的次数，且提高对焦的精确度。

由上可见，本发明实施例提供的显微仪器自动调焦装置中，通过粗调焦目标距离获取模块410获取粗调焦目标距离；通过粗调焦模块420基于上述粗调焦目标距离控制上述显微仪器的载物台和/或物镜进行粗调焦；通过精调焦模块430采集目标对象的数字图像并基于预设的评价函数以及变步长的爬山搜索算法控制粗调焦后的上述载物台和/或上述物镜进行精调焦，其中，上述目标对象设置于上述载物台上。与现有技术中基于手动调焦的方法，调焦节显微镜等显微仪器的物镜与载物台之间的距离进行对焦的方法相比，本发明方案可实现显微仪器的自动调焦，不依赖于人眼判断，且先基于粗调焦目标距离进行粗调焦，后基于采集的数字图像和变步长的搜索算法逐步进行精调焦，进一步提升显微仪器对焦的精确度，从而提高显微仪器观测物体或拍摄图像的清晰度。

具体地，本实施例中，上述显微仪器自动调焦装置及其各个模块的具体功能还可以参照上述显微仪器自动调焦方法中的对应描述，在此不再赘述。

图13是本发明实施例提供的一种显微仪器自动调焦系统的原理框图，如图13所示，本实施例中，通过自动调焦软件控制运动控制器，通过运动控制器驱动显微镜的载物台移动，通过电荷耦合器件(CCD，charge coupled device)摄像头采集样本图像并反馈给计算机中的自动调焦软件，最终实现自动调焦控制。上述自动调焦软件被执行时实现任一种上述显微仪器自动调焦方法的步骤。

该显微自动调焦系统主要由五个模块组成，即可三维移动的载物台的金相显微镜、CCD摄像头、PCI接口的图像采集卡、运行于计算机上的自动调焦软件、自制运动控制卡。该系统的工作原理是：样本表面反射的光信号经显微镜的光学系统成像在CCD传感器的靶面上，由CCD传感器将光信号转换成预设制式的视频信号，并将信号送至计算机内的图像采集卡。自动调焦软件从图像采集卡获取一帧图像，并通过所采用的函数对该图像进行运算，以得到运算结果做为判据，依据此判据调焦软件决定载物台的Z轴(光轴方向)走向。计算机串口发出命令给运动控制器，运动控制器发出脉冲控制载物台移动，不断重复上述过程直至图像清晰。如此，通过高速视觉目标跟踪系统获得目标区域，计算目标像素面积和清晰度评价值，转化为可调焦镜头变焦步数和对焦步数后通过FPDA发送调焦指令，最终完成自动调焦动作。

进一步的，提高该系统的定位精度可以减小调焦误差。在一种实施例中，还可以在宏观载物台的基础上引入压电陶瓷微动平台，以满足使用更高倍物镜的自动调焦。即对宏观载物台进行精调焦之后，再基于相同的方法对压电陶瓷微动平台进一步进行精调焦，提高对焦的精确度。

基于上述实施例，本发明还提供了一种智能终端，其原理框图可以如图14所示。上述智能终端包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口以及显示屏。其中，该智能终端的处理器用于提供计算和控制能力。该智能终端的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和显微仪器自动调焦程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和显微仪器自动调焦程序的运行提供环境。该智能终端的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该显微仪器自动调焦程序被处理器执行时实现上述任意一种显微仪器自动调焦方法的步骤。该智能终端的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏。

本领域技术人员可以理解，图14中示出的原理框图，仅仅是与本发明方案相关的部分结构的框图，并不构成对本发明方案所应用于其上的智能终端的限定，具体的智能终端可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种智能终端，上述智能终端包括存储器、处理器以及存储在上述存储器上并可在上述处理器上运行的显微仪器自动调焦程序，上述显微仪器自动调焦程序被上述处理器执行时进行以下操作指令：

获取粗调焦目标距离；

基于上述粗调焦目标距离控制上述显微仪器的载物台和/或物镜进行粗调焦；

采集目标对象的数字图像并基于预设的评价函数以及变步长的爬山搜索算法控制粗调焦后的上述载物台和/或上述物镜进行精调焦，其中，上述目标对象设置于上述载物台上。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，上述计算机可读存储介质上存储有显微仪器自动调焦程序，上述显微仪器自动调焦程序被处理器执行时实现本发明实施例提供的任意一种显微仪器自动调焦方法的步骤。

应理解，上述实施例中各步骤的序号大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将上述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各实例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟是以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，上述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以由另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。

上述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，上述计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，上述计算机程序包括计算机程序代码，上述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。上述计算机可读介质可以包括：能够携带上述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，上述计算机可读存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不是相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种显微仪器自动调焦方法，其特征在于，所述方法包括：

获取粗调焦目标距离；

基于所述粗调焦目标距离控制所述显微仪器的载物台和/或物镜进行粗调焦；

采集目标对象的数字图像并基于预设的评价函数以及变步长的爬山搜索算法控制粗调焦后的所述载物台和/或所述物镜进行精调焦，其中，所述目标对象设置于所述载物台上。

2.根据权利要求1所述的显微仪器自动调焦方法，其特征在于，所述获取粗调焦目标距离，包括：

计算所述显微仪器的物镜对应的焦距，作为所述粗调焦目标距离。

3.根据权利要求1所述的显微仪器自动调焦方法，其特征在于，所述基于所述粗调焦目标距离控制所述显微仪器的载物台和/或物镜进行粗调焦，包括：

基于所述粗调焦目标距离控制所述显微仪器的载物台和/或物镜进行移动，将移动完成后的所述载物台和所述物镜之间的距离作为粗调焦完成距离，其中，所述粗调焦完成距离与所述粗调焦目标距离之间的差不超过预设粗调焦范围。

4.根据权利要求1所述的显微仪器自动调焦方法，其特征在于，所述预设的评价函数是灰度差分绝对值和函数。

5.根据权利要求4所述的显微仪器自动调焦方法，其特征在于，所述采集目标对象的数字图像并基于预设的评价函数以及变步长的爬山搜索算法控制粗调焦后的所述载物台和/或所述物镜进行精调焦，包括：

精调焦过程中，在每一次控制所述载物台和/或所述物镜移动之后，采集目标对象的数字图像；

基于变步长的爬山搜索算法、各所述数字图像以及所述灰度差分绝对值和函数对所述载物台和/或所述物镜进行反馈控制，逐步移动所述载物台和/或所述物镜并获得精调焦完成距离，其中，所述精调焦完成距离是所述精调焦完成后所述载物台和所述物镜之间的距离，所述精调焦完成距离与所述灰度差分绝对值和函数的极大值点相对应。

6.根据权利要求5所述的显微仪器自动调焦方法，其特征在于，所述基于变步长的爬山搜索算法、各所述数字图像以及所述灰度差分绝对值和函数对所述载物台和/或所述物镜进行反馈控制，逐步移动所述载物台和/或所述物镜并获得精调焦完成距离，包括：

基于各所述数字图像，通过进退法获取所述灰度差分绝对值和函数的极大值点所在的区间，作为精调焦区间；

在所述精调焦区间内，基于变步长的爬山搜索算法对所述物镜进行反馈控制，逐步控制所述物镜的移动并确定所述灰度差分绝对值和函数的极大值点对应的精调焦完成距离。

7.根据权利要求6所述的显微仪器自动调焦方法，其特征在于，所述在所述精调焦区间内，基于变步长的爬山搜索算法对所述物镜进行反馈控制，逐步控制所述物镜的移动并确定所述灰度差分绝对值和函数的极大值点对应的精调焦完成距离，包括：

将所述精调焦区间作为目标精调焦区间；

获取预设的精调焦步长；

当所述精调焦步长不小于预设的步长最小值时，循环执行以下步骤：在所述目标精调焦区间内，基于所述精调焦步长控制所述物镜在所述目标精调焦区间内进行一次全程移动，记录图像清晰度评价值最大时对应的目标物镜位置，将所述目标精调焦区间更新为以所述目标物镜位置为中心的前一精调焦步长与后一精调焦步长区域构成的区间，减小所述精调焦步长，其中，所述图像清晰度评价值是与所述目标物镜位置对应的灰度差分绝对值和函数的值；

当所述精调焦步长小于预设的步长最小值时，将所述物镜固定在所述目标物镜位置处，其中，所述目标物镜位置与所述载物台之间的距离是所述精调焦完成距离。

8.一种显微仪器自动调焦装置，其特征在于，所述装置包括：

粗调焦目标距离获取模块，用于获取粗调焦目标距离；

粗调焦模块，用于基于所述粗调焦目标距离控制所述显微仪器的载物台和/或物镜进行粗调焦；

精调焦模块，用于采集目标对象的数字图像并基于预设的评价函数以及变步长的爬山搜索算法控制粗调焦后的所述载物台和/或所述物镜进行精调焦，其中，所述目标对象设置于所述载物台上。

9.一种智能终端，其特征在于，所述智能终端包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的显微仪器自动调焦程序，所述显微仪器自动调焦程序被所述处理器执行时实现如权利要求1-7任意一项所述显微仪器自动调焦方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有显微仪器自动调焦程序，所述显微仪器自动调焦程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任意一项所述显微仪器自动调焦方法的步骤。

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