CN113989393B - 一种基于图像信息处理的扫描装置载物台平面度校正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种基于图像信息处理的扫描装置载物台平面度校正方法，首先在涂片区域选取若干个分布均匀的标定点，将各个标定点图像的像素信息转换为世界坐标系S的X轴、Y轴坐标信息；再选取特殊位置处标定点，利用定焦相机，获取准确的Z轴坐标信息；由这些特殊位置处标定点的三维坐标信息计算获得涂片区域任一位置处的三维坐标信息，依据三维坐标信息驱动载物台伸缩，进行扫描。

Description

一种基于图像信息处理的扫描装置载物台平面度校正方法
技术领域
本发明涉及一种载物台平面度校正方法，具体为一种基于图像处理技术对扫描装置载物台平面度的校正方法。
背景技术
显微镜是观察微观事件的常用工具，目前广泛用于生物医学诊断研究和工业生产中。自动显微是指下位机驱动器控制载物台沿X轴、Y轴前后左右移动和沿Z轴上下移动，触发相机联动拍摄样本玻片信息，并在上位机软件中显示和保存所拍摄的样本信息。
通常显微观察样本都是放置在玻片上（25.3mm×75.3mm）透过荧光等照明，如果样本平面的公差在镜头的焦平面景深范围内，则可以拍摄到清晰的样本图片，这时通过记录载物台的Z轴高度，结合XY轴可以实现样本的快速扫描。
但由于载物台的加工工艺、装配等因素会严重影响其表面的平整度，致使扫描的样本图片清晰度不够、焦点不准、聚焦时间过程等。因此，现有技术中，在扫描前会对载物台的平面度进行校正或校准。中国专利CN 106334612B公开了一种显微扫描平台XY平面的平面度校准方法，该专利是以标准波纹片获得在扫描坐标系中的扫描修正值后，在实际样本扫描过程中，对实际样本各点均加上修正值进行扫描。该方案虽然可以对扫描平面实现一定的优化，但其忽略了扫描平面在机械加工或装配过程中，误差不是线性的，会存在一定的波动。当采集点在波峰或波谷时，相机聚焦就会很模糊。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种基于图像信息处理的扫描装置载物台平面度校正方法，该方法采用均匀分布的标定点，可以大大减少扫描点位于波峰或波谷时引起的误差。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于图像信息处理的扫描装置载物台平面度校正方法，包括：
S1，构建世界坐标系S：以载物台表面所在的X轴和Y轴构成的平面作为扫描平面，以载物台的伸缩方向为Z轴；
S2，标记标定点：将样本玻片置于载物台上，利用全局相机拍摄样本玻片，获得样本玻片图像；在涂片圆圈内的方形区域P 0 P n P m P上标记m×n个标定点；
S3，确定标定点X轴和Y轴坐标信息：将样本玻片图像的像素信息转化为世界坐标系S中X轴和Y轴的坐标信息，获取m×n个标定点在世界坐标系S中X轴和Y轴的坐标信息；将m×n个标定点在世界坐标系S中X轴和Y轴的坐标信息构成标定点二维坐标数组集；
S4，确定方形区域上P 0 P n 和P 0 P m 两条边上以及P点处的各标定点的三维坐标信息，待用；
S5，构建标准平面，平面方程为Ax+By+Cz+D=0，其中A、B、C、D为方程系数；
S6，利用步骤S4获得的P 0 P n 和P 0 P m 两条边上以及P点处的各标定点的三维坐标信息计算方形区域内所有标定点的三维坐标信息；
S7，利用方形区域内所有标定点的三维坐标信息和标准平面方程计算方形区域内任一点P i 的三维坐标信息；
S8，在方形区域内拍摄若干个图片，一个图片作为一个扫描点，利用步骤S7的方法计算每个扫描点的三维坐标信息，生成三维坐标数组集；
S9，以三维坐标数组集为依据，驱动载物台伸缩，对样本玻片进行扫描。
进一步，步骤S4的具体过程如下：
利用定焦相机获取方形区域上P 0 P n 和P 0 P m 两条边上标定点的Z轴信息、以及P点处标定点的Z轴信息；调取标定点二维坐标数组集中调取X轴和Y轴坐标信息，获得P 0 P n 和P 0 P m 两条边上标定点和P点处标定点的三维坐标信息，待用。
进一步，步骤S5的具体过程如下：
将步骤S4获得的P 0 、P n 和P m 点处标定点的三维坐标信息即P 0 (x 0 ,y 0 ,z 0 )、P n (x n ,y 0 ,z n )和P m (x 0 ,y m ,z m )，带入标准平面方程Ax+By+Cz+D=0中，得到方程系数A、B、C和D的值，将A、B、C和D作为参数，获得标准平面的三元一次方程表达式。
进一步，步骤S6的具体过程如下：
S6.1由P点标记点的三维坐标计算出任一标记点P j 在Z轴方向上的相对高度△z j ；
S6.2利用标准平面Ax+By+Cz+D=0获得标记点P j 的修正相对高度△z j '；
S6.3将步骤S6.1和步骤S6.2获得的相对高度△z j 和修正相对高度△z j '相加，即得到标定点P j 的Z轴坐标信息；
S6.4调取步骤S3中标定点二维坐标数组集，确定各个标定点的三维坐标信息。
进一步，步骤S6.1种任一标定点P j 相对高度△z j 的计算公式为：
△z j =x j /x n ×y j /y m ×z p
其中，P点处的三维坐标信息为P(x n ，y m ，z p )，任一点标定点P j 的二维坐标信息为P j (x j ，y j )。
进一步，步骤S6.2中任一标定点P j 的修正相对高度△z j '的计算过程为：调取方形区域上P 0 P n 和P 0 P m 两条边上标定点的三维坐标信息，P 0 P n 和P 0 P m 两条边上对应任一标定点P j (x j ，y i )的两个标定点分别为P p (x j ，y 0 ，z p )、P q (x 0 ，y j ，z q )，将两个标定点的Z轴和Y轴的坐标值分别带入标准平面方程，得到两个标定点Z轴标准坐标值z p '和z q '，分别计算两个标定点P p 和P q 的Z轴修正值：
△z p = z p - z p '
△z q = z q - z q '
任一标定点P j 的修正相对高度△z j ' =△z p +△z q 。
进一步，步骤S7中利用方形区域内所有标定点的三维坐标信息和标准平面方程计算方形区域内任一点P i 的三维坐标信息，具体过程如下：
计算任一点P i (x i ，y i ，z i )在标准平面方程上Z轴标准坐标值z i '；
获取与任一点P i 相邻的四个标定点P 1 (x 1 ，y 1 ，z 1 )、P 2 (x 2 ，y 1 ，z 2 )、P 3 (x 1 ，y 2 ，z 3 )和P 4 (x 2 ，y 2 ，z 4 )的三维坐标信息，分别计算四个标定点Z轴上的修正值：
△z 1 = z 1 - z 1 '
△z 2 = z 2 - z 2 '
△z 3 = z 3 - z 3 '
△z 4 = z 4 - z 4 '
其中，z 1 '、z 2 '、z 3 '、z 4 '分别为四个标定点在标准方程上的Z轴标准坐标值；
利用双线性插值法计算出P i 点处的修正值△z i ，则P i 点处的Z轴坐标值z i =△z i +z i '。
本发明所达到的有益技术效果：本发明提供的一种基于图像信息处理的扫描装置载物台平面度校正方法，该校正方法，由特殊位置处的标定点计算所有标定点的三维坐标值，任一点处的三维坐标信息由与其相邻的四个标定点三维坐标值计算，这样逐步计算，每个点均根据实际情况计算，充分考虑了载物台平面在加工或装配过程中产生的非线性误差，因此，这种方式获得的三维坐标值更接近真实值。
附图说明
图1本发明之校正方法的一个实施例的流程框图；
图2本发明之方形区域内所有标定点三维坐标信息计算过程的一个实施例的流程框图；
图3本发明之方形区域内任一点三维坐标信息计算过程的一个实施例的流程框图；
图4本发明之世界坐标系S示意图；
图5本发明之标定点矩阵示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。
如图1所示，本发明提供一种基于图像信息处理的扫描装置载物台平面度校正方法，包括：
S1，构建世界坐标系S：以载物台表面所在的X轴和Y轴构成的平面作为扫描平面，以载物台的伸缩方向为Z轴；世界坐标系S的示意图如图4所示；
S2，标记标定点：将样本玻片置于载物台上，利用全局相机拍摄样本玻片，获得样本玻片图像；在涂片圆圈内的方形区域P 0 P n P m P上标记m×n个标定点，如图5所示；方形区域可以理解为长方形区域，也可以为正方形区域，总之，该方向区域内接于涂片圆圈。相应地，m和n可以相等，也可以不相等，可以根据实际情况选取。
S3，确定标定点X轴和Y轴坐标信息：将样本玻片图像的像素信息转化为世界坐标系S中X轴和Y轴的坐标信息，获取m×n个标定点在世界坐标系S中X轴和Y轴的坐标信息；将m×n个标定点在世界坐标系S中X轴和Y轴的坐标信息构成标定点二维坐标数组集；在实际应用时，图片像素信息为相机的设定像素，样本玻片在世界坐标系S中的X轴和Y轴坐标值已知，将每个像素点按比例映射到世界坐标系S中，即得到每个像素点的二维坐标信息。由像素点的二维坐标信息，获得标定点的二维坐标信息。
S4，确定方形区域上P 0 P n 和P 0 P m 两条边上以及P点处的各标定点的三维坐标信息，待用；
作为本发明示例性公开的一个具体实施例，可以利用定焦相机获取方形区域上P 0 P n 和P 0 P m 两条边上标定点的Z轴信息、以及P点处标定点的Z轴信息；因为，定焦相机的焦距固定，欲获得清晰的图片，必须调整载物台的高度，该高度即为此点的Z轴坐标值；然后，调取标定点二维坐标数组集中调取X轴和Y轴坐标信息，获得P 0 P n 和P 0 P m 两条边上标定点和P点处标定点的三维坐标信息，待用。
S5，构建标准平面，平面方程为Ax+By+Cz+D=0，其中A、B、C、D为方程系数；
作为本发明示例性公开的一个具体实施例，可以采用一下过程构建标准平面。将步骤S4获得的P 0 、P n 和P m 点处标定点的三维坐标信息即P 0 (x 0 ,y 0 ,z 0 )、P n (x n ,y 0 ,z n )和P m (x 0 ,y m ,z m )，带入标准平面方程Ax+By+Cz+D=0中，得到方程系数A、B、C和D的值，将A、B、C和D作为参数，获得标准平面的三元一次方程表达式。选取这三点构建标准平面是考虑到载物台加工过程中，一般会先沿着P 0 P n 加工后再沿着P 0 P m 边垂直加工，因此，P 0 P n 和P 0 P m 两条边所在的平面误差极小或者无误差，因此可以将此两边所在的平面作为标准平面。
S6，利用步骤S4获得的P 0 P n 和P 0 P m 两条边上以及P点处的各标定点的三维坐标信息计算方形区域内所有标定点的三维坐标信息；
如图2所示，作为本发明示例性公开的一具体实施方式，具体计算过程可以选择如下方法进行：
S6.1由P点标记点的三维坐标计算出任一标记点P j 在Z轴方向上的相对高度△z j ，具体计算公式为：
△z j =x j /x n ×y j /y m ×z p
其中，P点处的三维坐标信息为P(x n ，y m ，z p )，任一点标定点P j 的二维坐标信息为P j (x j ，y j )。
S6.2利用标准平面Ax+By+Cz+D=0获得标记点P j 的修正相对高度△z j '，具体计算过程为：
调取方形区域上P 0 P n 和P 0 P m 两条边上标定点的三维坐标信息，P 0 P n 和P 0 P m 两条边上对应任一标定点P j (x j ，y i )的两个标定点分别为P p (x j ，y 0 ，z p )、P q (x 0 ，y j ，z q )，将两个标定点的Z轴和Y轴的坐标值分别带入标准平面方程，得到两个标定点Z轴标准坐标值z p '和z q '，分别计算两个标定点P p 和P q 的Z轴修正值：
△z p = z p - z p '
△z q = z q - z q '
任一标定点P j 的修正相对高度△z j ' =△z p +△z q 。
S6.3将步骤S6.1和步骤S6.2获得的相对高度△z j 和修正相对高度△z j '相加，即得到标定点P j 的Z轴坐标信息；
S6.4调取步骤S3中标定点二维坐标数组集，确定各个标定点的三维坐标信息。
S7，利用方形区域内所有标定点的三维坐标信息和标准平面方程计算方形区域内任一点P i 的三维坐标信息；
如图3所示，作为本发明示例性公开的一个具体实施方式，步骤S7中利用方形区域内所有标定点的三维坐标信息和标准平面方程计算方形区域内任一点P i 的三维坐标信息，具体过程可以如下：
计算任一点P i (x i ，y i ，z i )在标准平面方程上Z轴标准坐标值z i '；具体为，将该点X轴、Y轴坐标值带入标准平面方程Ax+By+Cz+D=0中，计算得到z i '；
获取与任一点P i 相邻的四个标定点P 1 (x 1 ，y 1 ，z 1 )、P 2 (x 2 ，y 1 ，z 2 )、P 3 (x 1 ，y 2 ，z 3 )和P 4 (x 2 ，y 2 ，z 4 )的三维坐标信息，分别计算四个标定点Z轴上的修正值：
△z 1 = z 1 - z 1 '
△z 2 = z 2 - z 2 '
△z 3 = z 3 - z 3 '
△z 4 = z 4 - z 4 '
其中，z 1 '、z 2 '、z 3 '、z 4 '分别为四个标定点在标准方程上的Z轴标准坐标值，计算过程同P i 点Z轴标准坐标值z i '一样。
利用双线性插值法计算出P i 点处的修正值△z i ，计算公式为：
△z i =[△z 1 (x 2 -x i )(y 2 -y i ) ]/[(x 2 -x 1 )(y 2 -y 1 )]+ [△z 2 (x i -x 1 )(y 2 -y i ) ]/[(x 2 -x 1 )(y 2 -y 1 )]+[△z 3 (x 2 -x i )(y i -y 1 ) ]/[(x 2 -x 1 )(y 2 -y 1 )]+ [△z 4 (x i -x 1 )(y i -y 1 ) ]/[(x 2 -x 1 )(y 2 -y 1 )]
则P i 点处的Z轴坐标值z i =△z i + z i '。
S8，在方形区域内拍摄若干个图片，一个图片作为一个扫描点，利用步骤S7的方法计算每个扫描点的三维坐标信息，生成三维坐标数组集；每个图片可以作为一个扫描单元，在实际应用中，扫描单元即图片的大小由相机的像素决定。
S9，以三维坐标数组集为依据，驱动载物台伸缩，对样本玻片进行扫描。
以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于图像信息处理的扫描装置载物台平面度校正方法，其特征在于，包括：
S1，构建世界坐标系S：以载物台表面所在的X轴和Y轴构成的平面作为扫描平面，以载物台的伸缩方向为Z轴；
S2，标记标定点：将样本玻片置于载物台上，利用全局相机拍摄样本玻片，获得样本玻片图像；在涂片圆圈内的方形区域P0PnPmP上标记m×n个标定点；
S3，确定标定点X轴和Y轴坐标信息：将样本玻片图像的像素信息转化为世界坐标系S中X轴和Y轴的坐标信息，获取m×n个标定点在世界坐标系S中X轴和Y轴的坐标信息；将m×n个标定点在世界坐标系S中X轴和Y轴的坐标信息构成标定点二维坐标数组集；
S4，确定方形区域上P0Pn和P0Pm两条边上以及P点处的各标定点的三维坐标信息，待用；
S5，构建标准平面，平面方程为Ax+By+Cz+D＝0，其中A、B、C、D为方程系数；
S6，利用步骤S4获得的P0Pn和P0Pm两条边上以及P点处的各标定点的三维坐标信息和标准平面方程计算方形区域内所有标定点的三维坐标信息；
S7，利用方形区域内所有标定点的三维坐标信息和标准平面方程计算方形区域内任一点Pi的三维坐标信息；具体过程如下：
计算任一点Pi(xi，yi，zi)在标准平面方程上Z轴标准坐标值zi'；
获取与任一点Pi相邻的四个标定点P1(x1，y1，z1)、P2(x2，y1，z2)、P3(x1，y2，z3)和P4(x2，y2，z4)的三维坐标信息，分别计算四个标定点Z轴上的修正值：
△z1＝z1-z1'
△z2＝z2-z2'
△z3＝z3-z3'
△z4＝z4-z4'
其中，z1'、z2'、z3'、z4'分别为四个标定点在标准方程上的Z轴标准坐标值；
利用双线性插值法计算出Pi点处的修正值△zi，则Pi点处的Z轴坐标值zi＝△zi+zi'；
S8，在方形区域内拍摄若干个图片，一个图片作为一个扫描点，利用步骤S7的方法计算每个扫描点的三维坐标信息，生成三维坐标数组集；
S9，以三维坐标数组集为依据，驱动载物台伸缩，对样本玻片进行扫描。
2.根据权利要求1所述的基于图像信息处理的扫描装置载物台平面度校正方法，其特征在于，步骤S4的具体过程如下：
利用定焦相机获取方形区域上P0Pn和P0Pm两条边上标定点的Z轴信息、以及P点处标定点的Z轴信息；调取标定点二维坐标数组集中调取X轴和Y轴坐标信息，获得P0Pn和P0Pm两条边上标定点和P点处标定点的三维坐标信息，待用。
3.根据权利要求1所述的基于图像信息处理的扫描装置载物台平面度校正方法，其特征在于，步骤S5的具体过程如下：
将步骤S4获得的P0、Pn和Pm点处标定点的三维坐标信息即P0(x0,y0,z0)、Pn(xn,y0,zn)和Pm(x0,ym,zm)，带入标准平面方程Ax+By+Cz+D＝0中，得到方程系数A、B、C和D的值，将A、B、C和D作为参数，获得标准平面的三元一次方程表达式。
4.根据权利要求1所述的基于图像信息处理的扫描装置载物台平面度校正方法，其特征在于，步骤S6的具体过程如下：
S6.1由P点标记点的三维坐标计算出任一标记点Pj在Z轴方向上的相对高度△zj；
S6.2利用标准平面Ax+By+Cz+D＝0获得标记点Pj的修正相对高度△zj'；
S6.3将步骤S6.1和步骤S6.2获得的相对高度△zj和修正相对高度△zj'相加，即得到标定点Pj的Z轴坐标信息；
S6.4调取步骤S3中标定点二维坐标数组集，确定各个标定点的三维坐标信息。
5.根据权利要求4所述的基于图像信息处理的扫描装置载物台平面度校正方法，其特征在于，步骤S6.1种任一标定点Pj相对高度△zj的计算公式为：
△zj＝xj/xn×yj/ym×zp
其中，P点处的三维坐标信息为P(xn，ym，zp)，任一点标定点Pj的二维坐标信息为Pj(xj，yj)。
6.根据权利要求4所述的基于图像信息处理的扫描装置载物台平面度校正方法，其特征在于，步骤S6.2中任一标定点Pj的修正相对高度△zj'的计算过程为：调取方形区域上P0Pn和P0Pm两条边上标定点的三维坐标信息，P0Pn和P0Pm两条边上对应任一标定点Pj(xj，yi)的两个标定点分别为Pp(xj，y0，zp)、Pq(x0，yj，zq)，将两个标定点的X轴和Y轴的坐标值分别带入标准平面方程，得到两个标定点Z轴标准坐标值zp'和zq'，分别计算两个标定点Pp和Pq的Z轴修正值：
△zp＝zp-zp'
△zq＝zq-zq'
任一标定点Pj的修正相对高度△zj'＝△zp+△zq。
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