CN117233921A - 一种用于荧光成像设备的自动对焦方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种用于荧光成像设备的自动对焦方法，包括：S1、获取物镜在不同行程坐标Z时，相机所采集到图像的图像清晰度评价值Fv；得到关系函数曲线Z‑Fv；S2、对关系函数曲线Z‑Fv进行高斯拟合，得到标准高斯函数f(x)；S3、将物镜设置于三个不同行程坐标处，使用相机采集图像，并分别计算图像清晰度评价值Fv，得到三组坐标‑清晰度数据(Z，Fv)；S4、从S3获得的三组坐标‑清晰度数据(Z，Fv)中取任意两组数据与标准差σ进行高斯拟合，得到高斯函数f1(x)；S5、计算高斯函数f1(x)的平均值μ1，作为本次对焦的物镜优选行程坐标Z’。本发明极大地提高了自动对焦的效率和准确度，解决了现有技术中的荧光成像设备对焦清晰度误差大、对焦速度慢的问题。
Description
技术领域
本发明涉及医学成像设备领域，具体涉及一种用于荧光成像设备的自动对焦方法。
背景技术
目前，光学荧光成像设备越来越广泛地应用于外科手术中。光学荧光成像设备一般采用相机加镜头的方式来获取图像，这就必然会遇到目标视野离焦的情况。
在不额外增加对焦系统的前提下，对焦问题的传统解决方案有以下三种：
一是使用深景深镜头与光圈组合，保证在一定的范围内可以获得符合质量要求的图像，超出范围的图像则需要手动移动采集设备来确保图像清晰。该方案的操作复杂，且成像质量不高，误差较大。
二是通过控制电机与物镜组合，通过手动控制电机带动物镜移动，同时实时采集图像，通过人眼来判断图像清晰度，实现在较宽范围内对焦清晰。该方案严重依赖于人的主观感觉，清晰度误差大，且对焦速度较慢。
三是在方案二的基础上采用软件对焦的方式。通过软件自动控制电机带动物镜进行全行程移动，同时通过算法计算图像清晰度，模拟人眼找焦的过程，由软件判断出最清晰焦面。与方案二的手动对焦相比，该方案的对焦速度更快，也更为准确。但是，仍需要消耗不短的时间，并且要求在对焦过程中不能有较大的图像变化(比如亮度变化、抖动等)，具有较大的局限性。
综上，现有技术中荧光成像设备的对焦方法，普遍存在对焦清晰度误差大、对焦速度慢的问题。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中的上述缺陷，提供一种用于荧光成像设备的自动对焦方法，解决荧光成像设备对焦清晰度误差大、对焦速度慢的问题。
为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种用于荧光成像设备的自动对焦方法，包括以下步骤：
S1、在白光条件下，获取物镜在不同行程坐标Z时，相机所采集到图像的图像清晰度评价值Fv；进而得到物镜行程坐标Z与图像清晰度评价值Fv之间的关系函数曲线Z-Fv；
S2、通过计算得到关系函数曲线Z-Fv的平均值μ和标准差σ，并进一步对S1中获得的关系函数曲线Z-Fv进行高斯拟合，得到当前硬件条件下的标准高斯函数f(x)；
S3、在白光条件下，将物镜设置于三个不同行程坐标处，使用相机采集三个行程坐标处的图像，并分别计算对应的图像清晰度评价值Fv，得到三组坐标-清晰度数据(Z，Fv)；
S4、从S3获得的三组坐标-清晰度数据(Z，Fv)中取任意两组数据与标准差σ进行高斯拟合，获得三组高斯函数数据，选取其中拟合误差最小的一组作为最终数据，即得到本次对焦对应的高斯函数f1(x)；
S5、计算高斯函数f1(x)的平均值μ1，将平均值μ1作为本次对焦的物镜优选行程坐标Z’。
进一步地，所述S1具体包括：
在白光条件下，通过电机控制物镜在行程范围内步进移动；每步进移动一步，使用相机采集当前图像，并计算对应的图像清晰度评价值Fv，然后记录物镜当前的行程坐标Z和对应的图像清晰度评价值Fv；
遍历所有行程坐标Z后，将所有图像的图像清晰度评价值Fv进行归一化处理，然后与物镜的各个行程坐标Z相对应，得到完整的关系函数曲线Z-Fv。
进一步地，所述图像清晰度评价值Fv的计算方法为：
S01、将图像的二维矩阵数据转换为一维数组tmp，对一维数组tmp进行排序，并获取一维数组tmp的中位值med；
S02、对于图像的二维矩阵中的每个像素点，进行以下操作：将当前像素点的像素值除以中位值med以进行归一化处理，得到归一化中间值；将当前像素点的归一化中间值与附近的另一像素点的像素值取差值；将差值的平方作为当前像素点的结果值res；
S03、将图像中的二维矩阵中的每一个像素点的结果值res累计相加，对累计相加的和进行开方，得到的值即为图像清晰度评价值Fv。
进一步地，在S02中，该像素点附近的另一像素点为：在X轴方向上与该像素点间隔一个像素点的另一像素点。
进一步地，在计算图像清晰度评价值Fv时，若图像为黑白图像，则直接计算；若图像为彩色图像，则将其转换为黑白图像后再进行计算。
进一步地，在计算图像清晰度评价值Fv时，选取图像的部分区域作目标进行计算，以提高计算速度。
进一步地，还包括以下步骤：
S6、在白光条件下，将物镜移动到物镜优选行程坐标Z’，并通过相机采集当前图像，确认当前图像的图像清晰度评价值Fv是否低于设定的标准值；若当前图像的图像清晰度评价值Fv低于设定的标准值，则回到S3重新顺次执行；
S7、关闭白光，根据荧光成像设备的白光焦面与荧光焦面的焦面差，将物镜移动至最终位置；
S8、结束本次对焦，在荧光条件下采集清晰的荧光图像。
进一步地，将S1和S2中数据结果进行存储记录，当需要再次对焦时，若当前硬件条件不变，则跳过步骤S1和S2，直接从S3开始执行。
本发明提供的一种用于荧光成像设备的自动对焦方法，根据物镜的行程坐标与所采集图像的清晰度之间的关系，使用有限的几个点即可快速得到最优选的焦面位置，进而实现了荧光成像设备的快速自动对焦。与现有技术相比，本发明的自动对焦方法需要运动及采集的点位较少，抗干扰能力大幅提升，同时极大地提高了自动对焦的效率和准确度；解决了现有技术中的荧光成像设备对焦清晰度误差大、对焦速度慢的问题。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种用于荧光成像设备的自动对焦方法的流程示意图。
图2是本发明实施例中的步骤S3至S5的过程原理图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明实施例提供的一种用于荧光成像设备的自动对焦方法，包括以下步骤：
S1、在白光条件下，获取物镜在不同行程坐标Z时，相机所采集到图像的图像清晰度评价值Fv；进而得到物镜行程坐标Z与图像清晰度评价值Fv之间的关系函数曲线Z-Fv。
所述S1的具体过程包括：在白光条件下，通过电机控制物镜在行程范围内从最远端步进移动到最近端；每步进移动一步，使用相机采集当前图像，并计算对应的图像清晰度评价值Fv，然后记录物镜当前的行程坐标Z和对应的图像清晰度评价值Fv；
遍历所有行程坐标Z后，将所有图像的图像清晰度评价值Fv进行归一化处理，然后与物镜的各个行程坐标Z相对应，得到完整的关系函数曲线Z-Fv。
在本实施例中，所述电机可以是带编码器的步进电机或可反馈当前坐标位置的其他闭环控制部件，其单步移动的步进精度在0.05mm以内，其控制下的物镜行程范围为0～6mm。
S2、通过计算得到关系函数曲线Z-Fv的平均值μ和标准差σ，并进一步对S1中获得的关系函数曲线Z-Fv使用最小二乘法进行高斯拟合，得到当前硬件条件下的标准高斯函数f(x)。其中，标准高斯函数f(x)的计算公式为：
需要说明的是，完成步骤S1和S2后，可以将相关数据保存，以便后续重复使用。针对单一硬件，步骤S1和S2只需执行一次，在硬件条件不变的情况下，软硬件重启或重新开机不需再次执行。当需要再次对焦时，通过读取之前保存的数据，可以直接跳过步骤S1和S2，直接从步骤S3开始执行。
S3、在白光条件下，通过电机将物镜设置于三个位置接近的不同行程坐标处，如图2所示的A点、B点和C点，使用相机采集三个行程坐标处的图像，并分别计算对应的图像清晰度评价值Fv，得到三组坐标-清晰度数据(Z，Fv)。
S4、从S3获得的三组坐标-清晰度数据(Z，Fv)中取任意两组数据与标准差σ进行高斯拟合，根据三种不同的组合情况共拟合获得三组高斯函数数据；从三组高斯函数数据中选取拟合误差最小的一组作为最终数据，即得到本次对焦对应的高斯函数f1(x)。
S5、计算本次对焦对应的高斯函数f1(x)的平均值μ1，将平均值μ1作为本次对焦计算出的焦面所对应的物镜优选行程坐标Z’，即图2中所示的D点。
S6、在白光条件下，通过电机将物镜移动到物镜优选行程坐标Z’，并通过相机采集当前图像，确认当前图像的图像清晰度评价值Fv是否低于设定的标准值；在本实施例中，所采用的标准值为0.14。若当前图像的图像清晰度评价值Fv低于设定的标准值，则回到S3重新顺次执行。
S7、关闭白光，根据荧光成像设备的白光焦面与荧光焦面的焦面差，通过电机将物镜移动至最终位置。其中，白光焦面与荧光焦面的焦面差为荧光成像设备的固定值，该数值体现的是荧光成像设备在白光和荧光条件下的焦面距离差异，可以通过成熟的现有技术手段预先测得。
S8、结束本次对焦，在荧光条件下采集清晰的荧光图像。
在本发明实施例中，所述图像清晰度评价值Fv的计算方法如下：
S01、将图像的二维矩阵数据转换为一维数组tmp，对一维数组tmp进行排序，并获取一维数组tmp的中位值med；
S02、对于图像的二维矩阵中的每个像素点，进行以下操作：将当前像素点的像素值除以中位值med以进行归一化处理，得到归一化中间值；将当前像素点的归一化中间值与附近的另一像素点的像素值取差值；将差值的平方作为当前像素点的结果值res。其中，所述附近的另一像素点为：在X轴方向上与该像素点间隔一个像素点的另一像素点。
S03、将图像中的二维矩阵中的每一个像素点的结果值res累计相加，对累计相加的和进行开方，得到的值即为图像清晰度评价值Fv。
作为改进，在计算图像清晰度评价值Fv时，若图像为黑白图像，则直接计算；若图像为彩色图像，则将其转换为黑白图像后再进行计算。此外，还可以选取图像的部分区域作目标进行计算，以提高计算速度。
在本发明实施例提供的图像清晰度评价值Fv计算方法中，在对像素差累加前进行归一化处理，并且在累加结束后重新开方，极大地降低了由于亮度不同带来的清晰度计算结果差异，能够更加科学、准确地评估图像的清晰度。
本发明实施例中，利用电机移动“三小步”加“一大步”的方式实现快速对焦；其中，“三小步”对应步骤S3中的进行数据采集的三个不同行程坐标，根据拟合计算的结果，通过在步骤S5中的“一大步”，直接将物镜移动到具有最佳图像清晰度的优选行程坐标。最后，通过步骤S6确认优选行程坐标的图像清晰度，确保了自动对焦结果的有效性。
根据工程经验，电机单次运动平均耗时50ms，相机触发拍照的平均耗时10ms。本发明实施例的绝大多数对焦流程均能在“三小步”+“一大步”+“清晰确认”的流程下顺利找到焦点，其理论耗时为50*3+10*4+150+20＝360ms。根据实际测试，本发明实施例自动对焦1000次的平均耗时为401ms，且耗时小于0.5s的次数占比98％，对焦清晰度数值均在0.14以上。
本发明提供的一种用于荧光成像设备的自动对焦方法，根据物镜的行程坐标与所采集图像的清晰度之间的关系，使用有限的几个点即可快速得到最优选的焦面位置，进而实现了荧光成像设备的快速自动对焦。与现有技术相比，本发明的自动对焦方法需要运动及采集的点位较少，抗干扰能力大幅提升，同时极大地提高了自动对焦的效率和准确度；解决了现有技术中的荧光成像设备对焦清晰度误差大、对焦速度慢的问题。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种用于荧光成像设备的自动对焦方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在白光条件下，获取物镜在不同行程坐标Z时，相机所采集到图像的图像清晰度评价值Fv；进而得到物镜行程坐标Z与图像清晰度评价值Fv之间的关系函数曲线Z-Fv；
S2、通过计算得到关系函数曲线Z-Fv的平均值μ和标准差σ，并进一步对S1中获得的关系函数曲线Z-Fv进行高斯拟合，得到当前硬件条件下的标准高斯函数f(x)；
S3、在白光条件下，将物镜设置于三个不同行程坐标处，使用相机采集三个行程坐标处的图像，并分别计算对应的图像清晰度评价值Fv，得到三组坐标-清晰度数据(Z，Fv)；
S4、从S3获得的三组坐标-清晰度数据(Z，Fv)中取任意两组数据与标准差σ进行高斯拟合，获得三组高斯函数数据，选取其中拟合误差最小的一组作为最终数据，即得到本次对焦对应的高斯函数f1(x)；
S5、计算高斯函数f1(x)的平均值μ1，将平均值μ1作为本次对焦的物镜优选行程坐标Z’。
2.根据权利要求1所述的用于荧光成像设备的自动对焦方法，其特征在于，所述S1具体包括：
在白光条件下，通过电机控制物镜在行程范围内步进移动；每步进移动一步，使用相机采集当前图像，并计算对应的图像清晰度评价值Fv，然后记录物镜当前的行程坐标Z和对应的图像清晰度评价值Fv；
遍历所有行程坐标Z后，将所有图像的图像清晰度评价值Fv进行归一化处理，然后与物镜的各个行程坐标Z相对应，得到完整的关系函数曲线Z-Fv。
3.根据权利要求1所述的用于荧光成像设备的自动对焦方法，其特征在于，所述图像清晰度评价值Fv的计算方法为：
S01、将图像的二维矩阵数据转换为一维数组tmp，对一维数组tmp进行排序，并获取一维数组tmp的中位值med；
S02、对于图像的二维矩阵中的每个像素点，进行以下操作：将当前像素点的像素值除以中位值med以进行归一化处理，得到归一化中间值；将当前像素点的归一化中间值与附近的另一像素点的像素值取差值；将差值的平方作为当前像素点的结果值res；
S03、将图像中的二维矩阵中的每一个像素点的结果值res累计相加，对累计相加的和进行开方，得到的值即为图像清晰度评价值Fv。
4.根据权利要求3所述的用于荧光成像设备的自动对焦方法，其特征在于，在S02中，该像素点附近的另一像素点为：在X轴方向上与该像素点间隔一个像素点的另一像素点。
5.根据权利要求3所述的用于荧光成像设备的自动对焦方法，其特征在于，在计算图像清晰度评价值Fv时，若图像为黑白图像，则直接计算；若图像为彩色图像，则将其转换为黑白图像后再进行计算。
6.根据权利要求3所述的用于荧光成像设备的自动对焦方法，其特征在于，在计算图像清晰度评价值Fv时，选取图像的部分区域作目标进行计算，以提高计算速度。
7.根据权利要求3所述的用于荧光成像设备的自动对焦方法，其特征在于，还包括以下步骤：
S6、在白光条件下，将物镜移动到物镜优选行程坐标Z’，并通过相机采集当前图像，确认当前图像的图像清晰度评价值Fv是否低于设定的标准值；若当前图像的图像清晰度评价值Fv低于设定的标准值，则回到S3重新顺次执行；
S7、关闭白光，根据荧光成像设备的白光焦面与荧光焦面的焦面差，将物镜移动至最终位置；
S8、结束本次对焦，在荧光条件下采集清晰的荧光图像。
8.根据权利要求7所述的用于荧光成像设备的自动对焦方法，其特征在于，将S1和S2中数据结果进行存储记录，当需要再次对焦时，若当前硬件条件不变，则跳过步骤S1和S2，直接从S3开始执行。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117805138A (zh) * | 2024-02-29 | 2024-04-02 | 珠海市申科谱工业科技有限公司 | 一种光芯片端面缺陷检测的双端面同步自动对焦方法 |
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2023
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| CN117805138A (zh) * | 2024-02-29 | 2024-04-02 | 珠海市申科谱工业科技有限公司 | 一种光芯片端面缺陷检测的双端面同步自动对焦方法 |
| CN117805138B (zh) * | 2024-02-29 | 2024-05-14 | 珠海市申科谱工业科技有限公司 | 一种光芯片端面缺陷检测的双端面同步自动对焦方法 |
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