CN115308876A - 基于参考焦平面的显微镜快速聚焦方法、设备、介质及产品 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于参考焦平面的显微镜快速聚焦方法、设备、介质及产品，采用粗聚焦和精聚焦两阶段结合的方案，先采用较大的步长按序搜索极值点，找到并越过极值点后，再朝相反方向，以更小的步长继续搜索直至找到新的极值点，作为最终焦平面。焦平面搜索中，电机每运行一步，等待电机到位停止并完成曝光稳定后再采集图像，同时即刻发送下一步位移指令，以尽可能减少电机运动的总时间。在进行清晰度指标计算时，只计算图像的部分区域，以减少图像处理时间。多轮搜索直至步长减少至满足焦平面的精度要求后结束，以最后确定的极值点为最终焦平面。本发明能有效减少焦平面搜索范围，克服原有聚焦算法效率低缺陷，有效提升显微镜聚焦算法的可用性。

Description

基于参考焦平面的显微镜快速聚焦方法、设备、介质及产品

技术领域

本发明涉及显微镜自动聚焦技术领域，特别涉及基于参考焦平面的显微镜快速聚焦方法、设备、介质及产品。

背景技术

现有的显微镜自动聚焦方法主要采用大范围搜索清晰度指标的最大值来确定焦平面。这种方法通过一定策略不断移动电动平台改变显微镜物镜高度，然后通过相机获取一组对应高度的数字图像，并采用一定的数字图像处理算法寻找清晰度指标最高的一副图像，该图像所在的平面为最终聚焦的焦平面。这种方法搜索范围一般较大，采样点多，因此其搜索时间长，聚焦效率低，同时还存在容易陷入局部极值的缺点。

对于同一个载玻片，在显微镜装置开关机、载物台移动及其它硬件动作以后，都有可能造成焦平面的偏移，新的焦平面在旧焦平面的附近，如果采用大范围的搜索方法，则会消耗过多的不必要时间。

发明内容

为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，本发明的第一目的是提供基于参考焦平面的显微镜快速聚焦方法，包括如下步骤：

获取用户设定的同一个载玻片的固定参考焦平面；

聚焦开始后，Z轴电机首先移动至参考焦平面，计算图像清晰度指标，记为粗聚焦最大清晰度指标，然后按照获取的粗聚焦步长及预设方向移动，每移动一步，计算图像清晰度指标，并将计算结果与粗聚焦最大清晰度指标比较，根据比较结果调整电机的运动方向，将最终的粗聚焦最大清晰度指标对应的Z轴位置记为粗聚焦结果；

Z轴电机首先移动至粗聚焦结果处，计算图像清晰度指标，记为精聚焦最大清晰度指标，然后按照获取的精聚焦步长及预设方向移动，每移动一步，计算图像清晰度指标，并将计算结果与精聚焦最大清晰度指标比较，根据比较结果调整电机的运动方向，将最终的精聚焦最大清晰度指标对应的Z轴位置记为精聚焦结果；其中，所述精聚焦步长小于所述粗聚焦步长。

进一步地，所述参考焦平面为用户根据经验值设定，或用户选择保存自动聚焦结果作为参考焦平面。

进一步地，所述按照获取的粗聚焦步长及预设方向移动具体为按照获取的粗聚焦步长向上移动，每次向上移动一步，计算图像清晰度指标；

所述根据比较结果调整电机的运动方向，将最终的粗聚焦最大清晰度指标对应的Z轴位置记为粗聚焦结果具体为判断计算的图像清晰度指标是否大于粗聚焦最大清晰度指标，是则将当前清晰度指标记为粗聚焦最大清晰度指标，否则结束向上移动，重新回到参考焦平面并向下移动，每向下移动一步，计算图像清晰度指标，将计算的图像清晰度指标与粗聚焦最大清晰度指标比较，判断计算的图像清晰度指标是否大于粗聚焦最大清晰度指标，是则将当前清晰度指标记为粗聚焦最大清晰度指标，否则结束粗聚焦，将粗聚焦最大清晰度指标对应的Z轴位置记为粗聚焦结果。

进一步地，所述按照获取的精聚焦步长及预设方向移动具体为按照获取的精聚焦步长向上移动，每次向上移动一步，计算图像清晰度指标；其中，所述聚焦步长小于图像景深；

所述根据比较结果调整电机的运动方向，将最终的精聚焦最大清晰度指标对应的Z轴位置记为精聚焦结果具体为判断计算的图像清晰度指标是否大于精聚焦最大清晰度指标，是则将当前清晰度指标记为精聚焦最大清晰度指标，否则结束向上移动，重新回到粗聚焦结果处并向下移动，每向下移动一步，计算图像清晰度指标，将计算的图像清晰度指标与精聚焦最大清晰度指标比较，判断计算的图像清晰度指标是否大于精聚焦最大清晰度指标，是则将当前清晰度指标记为精聚焦最大清晰度指标，否则结束精聚焦，将精聚焦最大清晰度指标对应的Z轴位置记为精聚焦结果。

进一步地，所述计算图像清晰度指标包括步骤：

若处于粗聚焦阶段，则计算感兴趣区域内所有高梯度像素个数和；

若处于精聚焦阶段，则计算所有感兴趣区域的高梯度像素的梯度值和。

进一步地，所述计算图像清晰度指标还包括以下步骤：

若获取图像的像素尺寸大于预设尺寸，则选取中间的预设尺寸的像素作为感兴趣区域；

计算感兴趣区域的梯度分布，梯度的计算公式为：

其中，G是(x,y)点处的梯度值，f(x,y)是该点处的像素值；

设定梯度阈值，筛选大于梯度阈值的高梯度像素。

进一步地，Z轴电机单步移动包括步骤：

向Z轴电机发出移动指令以后，等待预设时间发出下一步的移动指令，所述预设时间的计算公式为：

t_wait＝t_move+t_expo+t_proc

其中，t_wait、t_move、t_expo、t_proc分别为电机单步移动的等待时间、电机移动时间、相机曝光时间、图像处理时间；

所述电机移动时间为发出电机移动指令以后，到通过CAN总线获取到z轴实时高度信息与指令设定高度一致为止的时间；

所述相机曝光时间为自动聚焦开始前，关闭相机自动曝光，电机到位以后等待固定的曝光时间，获取稳定的图像；

所述图像处理时间为计算图像清晰度指标的时间，以及对该处清晰度指标与其他位置处的指标进行比较，判断电机下一步动作的时间。

本发明的第二目的是提供一种电子设备，包括：存储器，其上存储有程序代码；处理器，其与所述存储器联接，并且当所述程序代码被所述处理器执行时，实现基于参考焦平面的显微镜快速聚焦方法。

本发明的第三目的是提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序指令，所述程序指令被执行时实现基于参考焦平面的显微镜快速聚焦方法。

本发明的第四目的是提供一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现基于参考焦平面的显微镜快速聚焦方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了基于参考焦平面的显微镜快速聚焦方法，对于同一个载玻片可以采用一个固定的参考焦平面值，每次自动聚焦只需在参考焦平面附近搜索极值点，能够有效减少焦平面搜索范围，克服原有聚焦算法效率低缺陷，有效提升了显微镜聚焦算法的可用性，大大提升了显微镜自动聚焦效率。

本发明采用粗聚焦和精聚焦两阶段结合的焦平面搜索方案，即首先采用较大的步长按序搜索极值点，找到并越过极值点以后，再朝相反方向，以更小的步长继续搜索直至找到一个新的极值点，作为最终焦平面，进一步提高了焦平面搜索速度，同时提升自动聚焦的准确性。

焦平面搜索中，电机每运行一步，等待电机到位停止并完成曝光稳定后方可采集图像，同时即刻发送下一步位移指令，以尽可能减少电机运动的总时间。在进行清晰度指标计算时，只计算图像的部分区域，以减少图像处理时间。多轮搜索直至步长减少至满足焦平面的精度要求后结束，以最后确定的极值点为最终焦平面。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为实施例1的基于参考焦平面的显微镜快速聚焦方法流程图；

图2为实施例2的电子设备示意图；

图3为实施例3的计算机可读存储介质示意图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例1

基于参考焦平面的显微镜快速聚焦方法，如图1所示，包括如下步骤：

获取用户设定的同一个载玻片的固定参考焦平面；参考焦平面为用户根据经验值设定，或用户选择保存自动聚焦结果作为参考焦平面。参考焦平面设定后，后续进行多次自动聚焦时无须多次设定。应当理解的是，参考焦平面可以根据实际情况进行设定，并不局限于上述方式。需要强调的是，对于同一个载玻片采用固定的参考焦平面值，每次自动聚焦只需在参考焦平面附近搜索极值点，可以大大提升聚焦效率。

用户设定粗聚焦步长。聚焦开始后，Z轴电机首先移动至参考焦平面，计算图像清晰度指标，记为粗聚焦最大清晰度指标，然后按照获取的粗聚焦步长及预设方向移动，每移动一步，计算图像清晰度指标，并将计算结果与粗聚焦最大清晰度指标比较，根据比较结果调整电机的运动方向，将最终的粗聚焦最大清晰度指标对应的Z轴位置记为粗聚焦结果。

本实施例中，在粗聚焦阶段按照获取的粗聚焦步长向上移动，每次向上移动一步，计算图像清晰度指标。应当理解的是，可以根据实际情况设置具体的电机移动方向，并不局限于向上移动。判断计算的图像清晰度指标是否大于粗聚焦最大清晰度指标，是则将当前清晰度指标记为粗聚焦最大清晰度指标，否则结束向上移动，重新回到参考焦平面并向下移动，每向下移动一步，计算图像清晰度指标，将计算的图像清晰度指标与粗聚焦最大清晰度指标比较，判断计算的图像清晰度指标是否大于粗聚焦最大清晰度指标，是则将当前清晰度指标记为粗聚焦最大清晰度指标，否则结束粗聚焦，将粗聚焦最大清晰度指标对应的Z轴位置记为粗聚焦结果。

设定精聚焦步长，其中精聚焦步长小于粗聚焦步长。本实施例中，重新设定步长小于图像景深。Z轴电机首先移动至粗聚焦结果处，计算图像清晰度指标，记为精聚焦最大清晰度指标，然后按照获取的精聚焦步长及预设方向移动，每移动一步，计算图像清晰度指标，并将计算结果与精聚焦最大清晰度指标比较，根据比较结果调整电机的运动方向，将最终的精聚焦最大清晰度指标对应的Z轴位置记为精聚焦结果。

本实施例中，在精聚焦阶段按照获取的精聚焦步长向上移动，每次向上移动一步，计算图像清晰度指标。应当理解的是，可以根据实际情况设置具体的电机移动方向，并不局限于向上移动。判断计算的图像清晰度指标是否大于精聚焦最大清晰度指标，是则将当前清晰度指标记为精聚焦最大清晰度指标，否则结束向上移动，重新回到粗聚焦结果处并向下移动，每向下移动一步，计算图像清晰度指标，将计算的图像清晰度指标与精聚焦最大清晰度指标比较，判断计算的图像清晰度指标是否大于精聚焦最大清晰度指标，是则将当前清晰度指标记为精聚焦最大清晰度指标，否则结束精聚焦，将精聚焦最大清晰度指标对应的Z轴位置记为精聚焦结果。

在粗聚焦阶段及精聚焦阶段内，由软件向电机发出移动指令以后，需要等待一定时间才能发出下一步的移动指令，以保证电机到位，获取稳定的图像，并完成清晰度指标的计算与比较。等待时间由三部分组成：

电机移动时间：发出电机移动指令以后，到通过CAN总线获取到的z轴实时高度信息与指令设定高度一致为止；

曝光时间：自动聚焦开始前，关闭相机自动曝光，电机到位以后等待固定的曝光时间，才能获取稳定的图像；

图像处理时间：计算图像清晰度指标的时间，以及对该处清晰度指标与其他位置处的指标进行比较，判断电机下一步动作的时间。

电机单步移动时间的计算公式如下：

t_wait＝t_move+t_expo+t_proc

其中，t_wait、t_move、t_expo、t_proc分别为电机单步移动的等待时间、电机移动时间、相机曝光时间、图像处理时间。

粗聚焦阶段和精聚焦阶段的清晰度指标计算方式不同。粗聚焦阶段，清晰度指标为当前图像内所有高梯度像素个数和。精聚焦阶段，清晰度指标为当前图像的高梯度像素的梯度值和。

为了减少计算时间，提高运算效率，在图像像素尺寸较大时，只选取一部分计算。计算步骤如下：

若获取图像的像素尺寸大于预设尺寸，如1000×1000，则选取中间的预设尺寸如1000×1000的像素作为感兴趣区域。

计算感兴趣区域的梯度分布。梯度G的计算表达式如下：

其中，G是(x,y)点处的梯度值，f(x,y)是该点处的像素值。

设定梯度阈值，筛选大于阈值的高梯度像素。

粗聚焦阶段内，计算感兴趣区域内所有高梯度像素个数和；

精聚焦阶段内，计算所有感兴趣区域的高梯度像素的梯度值和。

本发明提供基于参考焦平面的显微镜快速聚焦方法，能够有效减少焦平面搜索范围，克服原有聚焦算法效率低缺陷，有效提升了显微镜聚焦算法的可用性。

本发明通过采用粗聚焦与精聚焦结合的焦平面搜索方式，可以进一步提高焦平面搜索速度，同时提升自动聚焦的准确性。

实施例2

一种电子设备200，如图2所示，包括但不限于：存储器201，其上存储有程序代码；处理器202，其与存储器联接，并且当程序代码被处理器执行时，实现基于参考焦平面的显微镜快速聚焦方法。关于方法的详细描述，可以参照上述方法实施例中的对应描述，在此不再赘述。

实施例3

一种计算机可读存储介质，如图3所示，其上存储有程序指令，程序指令被执行时实现的基于参考焦平面的显微镜快速聚焦方法。关于方法的详细描述，可以参照上述方法实施例中的对应描述，在此不再赘述。

实施例4

一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，该计算机程序/指令被处理器执行时实现基于参考焦平面的显微镜快速聚焦方法。关于方法的详细描述，可以参照上述方法实施例中的对应描述，在此不再赘述。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上仅为本说明书实施例而已，并不用于限制本说明书一个或多个实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书一个或多个实施例可以有各种更改和变换。凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例的权利要求范围之内。本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例本说明书一个或多个实施例。

Claims (10)

1.基于参考焦平面的显微镜快速聚焦方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取用户设定的同一个载玻片的固定参考焦平面；

聚焦开始后，Z轴电机首先移动至参考焦平面，计算图像清晰度指标，记为粗聚焦最大清晰度指标，然后按照获取的粗聚焦步长及预设方向移动，每移动一步，计算图像清晰度指标，并将计算结果与粗聚焦最大清晰度指标比较，根据比较结果调整电机的运动方向，将最终的粗聚焦最大清晰度指标对应的Z轴位置记为粗聚焦结果；

Z轴电机首先移动至粗聚焦结果处，计算图像清晰度指标，记为精聚焦最大清晰度指标，然后按照获取的精聚焦步长及预设方向移动，每移动一步，计算图像清晰度指标，并将计算结果与精聚焦最大清晰度指标比较，根据比较结果调整电机的运动方向，将最终的精聚焦最大清晰度指标对应的Z轴位置记为精聚焦结果；其中，所述精聚焦步长小于所述粗聚焦步长。

2.根据权利要求1所述的基于参考焦平面的显微镜快速聚焦方法，其特征在于：所述参考焦平面为用户根据经验值设定，或用户选择保存自动聚焦结果作为参考焦平面。

3.根据权利要求1所述的基于参考焦平面的显微镜快速聚焦方法，其特征在于：所述按照获取的粗聚焦步长及预设方向移动具体为按照获取的粗聚焦步长向上移动，每次向上移动一步，计算图像清晰度指标；

所述根据比较结果调整电机的运动方向，将最终的粗聚焦最大清晰度指标对应的Z轴位置记为粗聚焦结果具体为判断计算的图像清晰度指标是否大于粗聚焦最大清晰度指标，是则将当前清晰度指标记为粗聚焦最大清晰度指标，否则结束向上移动，重新回到参考焦平面并向下移动，每向下移动一步，计算图像清晰度指标，将计算的图像清晰度指标与粗聚焦最大清晰度指标比较，判断计算的图像清晰度指标是否大于粗聚焦最大清晰度指标，是则将当前清晰度指标记为粗聚焦最大清晰度指标，否则结束粗聚焦，将粗聚焦最大清晰度指标对应的Z轴位置记为粗聚焦结果。

4.根据权利要求1所述的基于参考焦平面的显微镜快速聚焦方法，其特征在于，所述按照获取的精聚焦步长及预设方向移动具体为按照获取的精聚焦步长向上移动，每次向上移动一步，计算图像清晰度指标；其中，所述聚焦步长小于图像景深；

所述根据比较结果调整电机的运动方向，将最终的精聚焦最大清晰度指标对应的Z轴位置记为精聚焦结果具体为判断计算的图像清晰度指标是否大于精聚焦最大清晰度指标，是则将当前清晰度指标记为精聚焦最大清晰度指标，否则结束向上移动，重新回到粗聚焦结果处并向下移动，每向下移动一步，计算图像清晰度指标，将计算的图像清晰度指标与精聚焦最大清晰度指标比较，判断计算的图像清晰度指标是否大于精聚焦最大清晰度指标，是则将当前清晰度指标记为精聚焦最大清晰度指标，否则结束精聚焦，将精聚焦最大清晰度指标对应的Z轴位置记为精聚焦结果。

5.根据权利要求1所述的基于参考焦平面的显微镜快速聚焦方法，其特征在于，所述计算图像清晰度指标包括步骤：

若处于粗聚焦阶段，则计算感兴趣区域内所有高梯度像素个数和；

若处于精聚焦阶段，则计算所有感兴趣区域的高梯度像素的梯度值和。

6.根据权利要求5所述的基于参考焦平面的显微镜快速聚焦方法，其特征在于，所述计算图像清晰度指标还包括以下步骤：

若获取图像的像素尺寸大于预设尺寸，则选取中间的预设尺寸的像素作为感兴趣区域；

计算感兴趣区域的梯度分布，梯度的计算公式为：

其中，G是(x,y)点处的梯度值，f(x,y)是该点处的像素值；

设定梯度阈值，筛选大于梯度阈值的高梯度像素。

7.根据权利要求1所述的基于参考焦平面的显微镜快速聚焦方法，其特征在于，Z轴电机单步移动包括步骤：

向Z轴电机发出移动指令以后，等待预设时间发出下一步的移动指令，所述预设时间的计算公式为：

t_wait＝t_move+t_expo+t_proc

其中，t_wait、t_move、t_expo、t_proc分别为电机单步移动的等待时间、电机移动时间、相机曝光时间、图像处理时间；

所述电机移动时间为发出电机移动指令以后，到通过CAN总线获取到z轴实时高度信息与指令设定高度一致为止的时间；

所述相机曝光时间为自动聚焦开始前，关闭相机自动曝光，电机到位以后等待固定的曝光时间，获取稳定的图像；

所述图像处理时间为计算图像清晰度指标的时间，以及对该处清晰度指标与其他位置处的指标进行比较，判断电机下一步动作的时间。

8.一种电子设备，其特征在于，包括：存储器，其上存储有程序代码；处理器，其与所述存储器联接，并且当所述程序代码被所述处理器执行时，实现如权利要求1至7中任一项所述的方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有程序指令，所述程序指令被执行时实现如权利要求1至7中任意一项所述的方法。

10.一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，其特征在于，该计算机程序/指令被处理器执行时实现如权利要求1至7中任意一项所述的方法。

Images