CN106303242A - 多光谱显微成像的快速主动对焦系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多光谱显微成像的快速主动对焦系统及方法，包括：速图像采集模块、对焦窗口自动选取模块、清晰度自动评价模块、搜索策略判断模块、运动控制反馈模块；快速图像采集模块用于采集的多光谱显微图像；对焦窗口自动选取模块在多光谱显微图像中找出目标图像部分作为需要准确聚焦的感兴趣区域，并把对焦窗口的位置信息提供给清晰度自动评价模块；清晰度自动评价模块根据实时采的多光谱显微图像和对焦窗口的位置信息计算出清晰度评价值；搜索策略判断模块清晰度评价值和多光谱显微图像前面5帧图像的清晰度评价值来判断对焦位置状态，并通过运动控制反馈模块找到准焦位置。本发明无需人工干扰、准确性高、精度高、对焦速度快。

Description

多光谱显微成像的快速主动对焦系统及方法

技术领域

本发明涉及显微图像主动对焦领域，具体地，涉及一种多光谱显微成像的快速主动对焦系统及方法。

背景技术

目前，在多光谱显微成像的主动对焦方法主要有测距法和图像法。测距法主要是利用激光测距仪等测距装置，对检测目标的距离(即物距)进行测定，结合几何光学牛顿公式，对物镜高度进行相应调整，进而实现系统的快速对焦。该方法简单快速，但需要另外增设测距装置等辅助机构，增加了系统的复杂度及结构成本。此外，这种非接触式测距往往会由于外界环境干扰因素造成严重的距离误差，导致自动对焦失败。图像法主要是通过对采集得到的不同离焦状态的图像的灰度梯度、频谱特性等进行处理分析，提取出准确的对焦位置信息，通过物镜高度调整实现系统的自动对焦。图像法结构简单、受外界环境影响小，且可以灵活地对视场内任意感兴趣的目标实行自动对焦，已经成为自动对焦领域的主流方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多光谱显微成像的快速主动对焦系统及方法。

根据本发明提供的多光谱显微成像的快速主动对焦系统，包括：速图像采集模块、对焦窗口自动选取模块、清晰度自动评价模块、搜索策略判断模块、运动控制反馈模块；其中：

所述快速图像采集模块，用于实时采集多光谱显微图像，并将采集的多光谱显微图像传输给对焦窗口自动选取模块和清晰度自动评价模块；

所述对焦窗口自动选取模块，用于在多光谱显微图像中找出目标图像部分作为需要准确聚焦的感兴趣区域，并把对焦窗口的位置信息提供给清晰度自动评价模块；

所述清晰度自动评价模块，用于根据实时采的多光谱显微图像和对焦窗口的位置信息计算出清晰度评价值，并将所述清晰度评价值传输给搜索策略判断模块；

所述搜索策略判断模块，用于根据接收到的清晰度评价值和所述多光谱显微图像前面5帧图像的清晰度评价值来判断对焦位置是处于离焦状态还是过焦状态，并根据清晰度评价函数的单峰性来决定物镜的运动方向，发送运动策略给运动控制反馈模块；

所述运动控制反馈模块，用于根据搜索策略判断模块的运动策略以设定的步长调节对物镜高度位置，找到准焦位置，完成主动对焦。

根据本发明提供的多光谱显微成像的快速主动对焦方法，包括如下步骤：

快速图像采集步骤：实时采集多光谱显微图像；

对焦窗口自动选取步骤：在多光谱显微图像中找出目标图像部分作为需要准确聚焦的感兴趣区域，并记录对焦窗口的位置信息；

清晰度自动评价步骤：根据实时采的多光谱显微图像和对焦窗口的位置信息计算出清晰度评价值；

搜索策略判断步骤：根据清晰度评价值和所述多光谱显微图像前面5帧图像的清晰度评价值来判断对焦位置所处的状态，并根据清晰度评价函数的单峰性来决定物镜的运动方向，生成运动策略；

运动控制反馈步骤：根据运动策略以设定的步长调节物镜高度位置，找到准焦位置，结束主动对焦流程。

优选地，所述对焦窗口自动选取步骤包括：当目标比较靠近视场中心位置时，假定图像的尺寸为M×N，选定区域作为对焦窗口的待选区域，分别在该待选区域的X，Y方向寻找投影微分模的最大值max|h(y)'|，然后分别以max|h(y)'|为中心的区域作为对焦窗口。

优选地，所述清晰度自动评价步骤包括：采用灰度投影微分方法进行对焦运算，即将图像的灰度投影一阶微分1范数均值作为清晰度评价函数，具体地，包括如下步骤：

步骤A1：分别计算对焦窗口内图像在X和Y方向的投影h(x)和h(y)；

步骤A2：分别求取投影h(x)和h(y)的一阶微分的1范数h(x')和h(y')；

步骤A3：分别计算h(x')和h(y')的均值P_Avgx和P_Avgy；

步骤A4：计算P_Avgx和P_Avgy的均方根P_Avg，即为清晰度评价值。

优选地，所述搜索策略判断步骤包括：利用爬山搜索算法得到当前显微物镜高度位置处的多谱显微图像的清晰度评价值，判断对焦位置是处于离焦状态还是过焦状态，若处于离焦状态，则驱动电机带动物镜以设定的步长向靠近目标物体的方向移动，若处于过焦状态，则驱动电机带动物镜以设定的步长向远离目标物体的方向移动。

优选地，所述运动控制反馈步骤包括：

步骤B1：按照设定的步长对物镜高度位置进行调节，并进行清晰度评价值计算；

步骤B2：判断得到的清晰度评价值是否达到清晰度评价曲线峰值，若是则结束流程；若否，则返回执行步骤B1；

其中：显微镜调整到清晰度评价曲线峰值位置即为准焦位置。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的多光谱显微成像的快速主动对焦系统及方法对焦速度快、精度高，稳定性佳，且结构简单，扩展性强。

2、本发明提供的多光谱显微成像的快速主动对焦系统及方法无需人工干预，能够自主实时地完成对焦任务。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的多光谱显微成像的快速主动对焦系统的原理框图；

图2为本发明提供的多光谱显微成像的快速主动对焦系统的硬件结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的多光谱显微成像的快速主动对焦系统，包括：快速图像采集模块、对焦窗口自动选取模块、清晰度自动评价模块、搜索策略判断模块、运动控制反馈模块五个部分组成。

快速图像采集模块，用于实时采集多光谱显微图像，并将采集的多光谱显微图像传输给对焦窗口自动选取模块和清晰度自动评价模块；

对焦窗口自动选取模块，用于在整幅图片中自动找出参与清晰度评价函数计算的图像窗口；对焦窗口的合理选取是对焦精度的一个关键因素。对焦窗口选取越大，运算量越大，而且还可能会导致目标背景参与运算，影响目标的对焦准确性。对焦窗口过小，可能会失去目标的感兴趣区域部分信息，影响对焦效果。

当目标比较靠近视场中心位置时，假定图像的尺寸为M×N，选定区域作为对焦窗口的待选区域，分别在该区域的X，Y方向寻找投影微分模的最大值max|h(x)'|，max|h(y)'|，然后分别以max|h(x)'|，max|h(y)'|为中心的区域作为对焦窗口。

此外，图像中通常包括目标和背景两个部分，目标部分是需要准确聚焦的感兴趣区域，而背景则是允许非准确对焦的非感兴趣的部分，因此，在对焦窗口选取过程中还应注意窗口位置的选择。

清晰度自动评价模块，用于度量图像的清晰程度，反映到图像处理中就是对图像锐度或者说是梯度的一种表征。

在自动对焦过程中，图像偏离准焦位置越远，图像越不清晰，整体反映出的边缘梯度信息越少；反之，越接近准焦位置，图像越清晰，图像整体边缘梯度信息越丰富；在准焦位置处，图像最清晰，图像的边缘梯度信息最丰富。清晰度评价的度量函数在自动对焦过程中就相当于一种算法“探测器”，在准焦位置的搜索过程中根据其计算得到的清晰度评价值来进行光学结构的调整。因此，清晰度评价函数性能的优劣是决定自动对焦效果的关键因素。

搜索策略判断模块，用于指根据计算得到的清晰度评价值搜索准确对焦位置的方法，搜索策略则决定了整个自动对焦过程的时间。

运动控制反馈模块，用于按照既定的搜索策略，根据计算得到的清晰度评价值对物镜高度位置进行微动调节，在调节后的位置，重新进行图像的清晰度评价值计算，然后同样按照之前的搜索策略，再次调整物镜高度位置，如此往复，直至成像调整到清晰度评价曲线峰值位置，该位置即为准焦位置，整个主动对焦过程结束。

具体地，如图2所示，多光谱显微成像的快速主动对焦系统包括：CCD相机、显微物镜、PC机、MCU控制模块、光源、调焦传动机构，其中MCU控制模块包含微控制器、步进电机驱动器，调焦传动机构包含步进电机、滚珠丝杠。首先通过快速图像采集模块，经显微镜成像到CCD相机，采集到的图像通过USB接口传输到PC机；PC机利用对焦窗口自动选取模块和清晰度自动评价模块，对采集到的图像的清晰度进行评判，并依据搜索策略判断模块，计算出调焦电机下一步运动的步长和方向，利用运动控制反馈模块，通过串口发送控制指令给微控制器，微控制器控制步进电机驱动系统整体向着成像最清晰的方向调节，形成一个闭环调节的回路，不断重复循环，直到采集到的图像符合要求为止。同时考虑到视场亮度的需要，PC机可以给控制器发送指令，调节光源的亮度。

所述清晰度自动评价模块利用了灰度投影的运算量小、实时性强的特点，将灰度投影思想引入到自动对焦算法中，使用基于投影微分法的对焦深度自动对焦方法。该方法是将图像的灰度投影一阶微分1范数均值作为清晰度评价函数，以实现该多光谱成像系统的快速自动对焦。

更进一步地，本发明中的多光谱显微成像的快速主动对焦方法，包括如下步骤：

步骤S1：对焦窗口的确定：在进行自动对焦前，首先根据观测需要，结合当前帧图像进行自动对焦窗口位置的计算。

步骤S2：目标图像清晰度值计算：

步骤S2.1：分别计算对焦窗口内图像在X和Y方向的投影h(x)和h(y)；

步骤S2.2：分别求取其一阶微分的1范数h(x')和h(y')；

步骤S2.3：分别计算h(x')和h(y')的均值P_Avgx和P_Avgy；

步骤S2.4：计算P_Avgx和P_Avgy的均方根P_Avg，即为该帧的清晰度评价值。

步骤S3：利用爬山搜索算法，根据步骤S2计算得到的当前显微物镜高度位置处的显微图像清晰度评价值，依次调整物镜高度位置，重复步骤S2，直至寻找到显微物镜高度的准焦位置。

步骤S4：主动对焦过程结束。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种多光谱显微成像的快速主动对焦系统，其特征在于，包括：速图像采集模块、对焦窗口自动选取模块、清晰度自动评价模块、搜索策略判断模块、运动控制反馈模块；其中：

所述快速图像采集模块，用于实时采集多光谱显微图像，并将采集的多光谱显微图像传输给对焦窗口自动选取模块和清晰度自动评价模块；

所述对焦窗口自动选取模块，用于在多光谱显微图像中找出目标图像部分作为需要准确聚焦的感兴趣区域，并把对焦窗口的位置信息提供给清晰度自动评价模块；

所述清晰度自动评价模块，用于根据实时采的多光谱显微图像和对焦窗口的位置信息计算出清晰度评价值，并将所述清晰度评价值传输给搜索策略判断模块；

所述搜索策略判断模块，用于根据接收到的清晰度评价值和所述多光谱显微图像前面5帧图像的清晰度评价值来判断对焦位置是处于离焦状态还是过焦状态，并根据清晰度评价函数的单峰性来决定物镜的运动方向，发送运动策略给运动控制反馈模块；

所述运动控制反馈模块，用于根据搜索策略判断模块的运动策略以设定的步长调节对物镜高度位置，找到准焦位置，完成主动对焦。

2.一种多光谱显微成像的快速主动对焦方法，其特征在于，包括如下步骤：

快速图像采集步骤：实时采集多光谱显微图像；

对焦窗口自动选取步骤：在多光谱显微图像中找出目标图像部分作为需要准确聚焦的感兴趣区域，并记录对焦窗口的位置信息；

清晰度自动评价步骤：根据实时采的多光谱显微图像和对焦窗口的位置信息计算出清晰度评价值；

搜索策略判断步骤：根据清晰度评价值和所述多光谱显微图像前面5帧图像的清晰度评价值来判断对焦位置所处的状态，并根据清晰度评价函数的单峰性来决定物镜的运动方向，生成运动策略；

运动控制反馈步骤：根据运动策略以设定的步长调节物镜高度位置，找到准焦位置，结束主动对焦流程。

3.根据权利要求2所述的多光谱显微成像的快速主动对焦方法，其特征在于，所述对焦窗口自动选取步骤包括：当目标比较靠近视场中心位置时，假定图像的尺寸为M×N，选定区域作为对焦窗口的待选区域，分别在该待选区域的X，Y方向寻找投影微分模的最大值max|h(x)'|，max|h(y)'|，然后分别以max|h(x)'|，max|h(y)'|为中心的区域作为对焦窗口。

4.根据权利要求2所述的多光谱显微成像的快速主动对焦方法，其特征在于，所述清晰度自动评价步骤包括：采用灰度投影微分方法进行对焦运算，即将图像的灰度投影一阶微分1范数均值作为清晰度评价函数，具体地，包括如下步骤：

步骤A1：分别计算对焦窗口内图像在X和Y方向的投影h(x)和h(y)；

步骤A2：分别求取投影h(x)和h(y)的一阶微分的1范数h(x')和h(y')；

步骤A3：分别计算h(x')和h(y')的均值P_Avgx和P_Avgy；

步骤A4：计算P_Avgx和P_Avgy的均方根P_Avg，即为清晰度评价值。

5.根据权利要求2所述的多光谱显微成像的快速主动对焦方法，其特征在于，所述搜索策略判断步骤包括：利用爬山搜索算法得到当前显微物镜高度位置处的多谱显微图像的清晰度评价值，判断对焦位置是处于离焦状态还是过焦状态，若处于离焦状态，则驱动电机带动物镜以设定的步长向靠近目标物体的方向移动，若处于过焦状态，则驱动电机带动物镜以设定的步长向远离目标物体的方向移动。

6.根据权利要求2所述的多光谱显微成像的快速主动对焦方法，其特征在于，所述运动控制反馈步骤包括：

步骤B1：按照设定的步长对物镜高度位置进行调节，并进行清晰度评价值计算；

步骤B2：判断得到的清晰度评价值是否达到清晰度评价曲线峰值，若是则结束流程；若否，则返回执行步骤B1；

其中：显微镜调整到清晰度评价曲线峰值位置即为准焦位置。