本發(fā)明涉及顯微圖像主動(dòng)對(duì)焦領(lǐng)域，具體地，涉及一種多光譜顯微成像的快速主動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

目前，在多光譜顯微成像的主動(dòng)對(duì)焦方法主要有測(cè)距法和圖像法。測(cè)距法主要是利用激光測(cè)距儀等測(cè)距裝置，對(duì)檢測(cè)目標(biāo)的距離(即物距)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)合幾何光學(xué)牛頓公式，對(duì)物鏡高度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速對(duì)焦。該方法簡(jiǎn)單快速，但需要另外增設(shè)測(cè)距裝置等輔助機(jī)構(gòu)，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度及結(jié)構(gòu)成本。此外，這種非接觸式測(cè)距往往會(huì)由于外界環(huán)境干擾因素造成嚴(yán)重的距離誤差，導(dǎo)致自動(dòng)對(duì)焦失敗。圖像法主要是通過(guò)對(duì)采集得到的不同離焦?fàn)顟B(tài)的圖像的灰度梯度、頻譜特性等進(jìn)行處理分析，提取出準(zhǔn)確的對(duì)焦位置信息，通過(guò)物鏡高度調(diào)整實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)對(duì)焦。圖像法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、受外界環(huán)境影響小，且可以靈活地對(duì)視場(chǎng)內(nèi)任意感興趣的目標(biāo)實(shí)行自動(dòng)對(duì)焦，已經(jīng)成為自動(dòng)對(duì)焦領(lǐng)域的主流方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種多光譜顯微成像的快速主動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)及方法。

根據(jù)本發(fā)明提供的多光譜顯微成像的快速主動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)，包括：速圖像采集模塊、對(duì)焦窗口自動(dòng)選取模塊、清晰度自動(dòng)評(píng)價(jià)模塊、搜索策略判斷模塊、運(yùn)動(dòng)控制反饋模塊；其中：

所述快速圖像采集模塊，用于實(shí)時(shí)采集多光譜顯微圖像，并將采集的多光譜顯微圖像傳輸給對(duì)焦窗口自動(dòng)選取模塊和清晰度自動(dòng)評(píng)價(jià)模塊；

所述對(duì)焦窗口自動(dòng)選取模塊，用于在多光譜顯微圖像中找出目標(biāo)圖像部分作為需要準(zhǔn)確聚焦的感興趣區(qū)域，并把對(duì)焦窗口的位置信息提供給清晰度自動(dòng)評(píng)價(jià)模塊；

所述清晰度自動(dòng)評(píng)價(jià)模塊，用于根據(jù)實(shí)時(shí)采的多光譜顯微圖像和對(duì)焦窗口的位置信息計(jì)算出清晰度評(píng)價(jià)值，并將所述清晰度評(píng)價(jià)值傳輸給搜索策略判斷模塊；

所述搜索策略判斷模塊，用于根據(jù)接收到的清晰度評(píng)價(jià)值和所述多光譜顯微圖像前面5幀圖像的清晰度評(píng)價(jià)值來(lái)判斷對(duì)焦位置是處于離焦?fàn)顟B(tài)還是過(guò)焦?fàn)顟B(tài)，并根據(jù)清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)的單峰性來(lái)決定物鏡的運(yùn)動(dòng)方向，發(fā)送運(yùn)動(dòng)策略給運(yùn)動(dòng)控制反饋模塊；

所述運(yùn)動(dòng)控制反饋模塊，用于根據(jù)搜索策略判斷模塊的運(yùn)動(dòng)策略以設(shè)定的步長(zhǎng)調(diào)節(jié)對(duì)物鏡高度位置，找到準(zhǔn)焦位置，完成主動(dòng)對(duì)焦。

根據(jù)本發(fā)明提供的多光譜顯微成像的快速主動(dòng)對(duì)焦方法，包括如下步驟：

快速圖像采集步驟：實(shí)時(shí)采集多光譜顯微圖像；

對(duì)焦窗口自動(dòng)選取步驟：在多光譜顯微圖像中找出目標(biāo)圖像部分作為需要準(zhǔn)確聚焦的感興趣區(qū)域，并記錄對(duì)焦窗口的位置信息；

清晰度自動(dòng)評(píng)價(jià)步驟：根據(jù)實(shí)時(shí)采的多光譜顯微圖像和對(duì)焦窗口的位置信息計(jì)算出清晰度評(píng)價(jià)值；

搜索策略判斷步驟：根據(jù)清晰度評(píng)價(jià)值和所述多光譜顯微圖像前面5幀圖像的清晰度評(píng)價(jià)值來(lái)判斷對(duì)焦位置所處的狀態(tài)，并根據(jù)清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)的單峰性來(lái)決定物鏡的運(yùn)動(dòng)方向，生成運(yùn)動(dòng)策略；

運(yùn)動(dòng)控制反饋步驟：根據(jù)運(yùn)動(dòng)策略以設(shè)定的步長(zhǎng)調(diào)節(jié)物鏡高度位置，找到準(zhǔn)焦位置，結(jié)束主動(dòng)對(duì)焦流程。

優(yōu)選地，所述對(duì)焦窗口自動(dòng)選取步驟包括：當(dāng)目標(biāo)比較靠近視場(chǎng)中心位置時(shí)，假定圖像的尺寸為M×N，選定區(qū)域作為對(duì)焦窗口的待選區(qū)域，分別在該待選區(qū)域的X，Y方向?qū)ふ彝队拔⒎帜５淖畲笾祄ax|h(y)'|，然后分別以max|h(y)'|為中心的區(qū)域作為對(duì)焦窗口。

優(yōu)選地，所述清晰度自動(dòng)評(píng)價(jià)步驟包括：采用灰度投影微分方法進(jìn)行對(duì)焦運(yùn)算，即將圖像的灰度投影一階微分1范數(shù)均值作為清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)，具體地，包括如下步驟：

步驟A1：分別計(jì)算對(duì)焦窗口內(nèi)圖像在X和Y方向的投影h(x)和h(y)；

步驟A2：分別求取投影h(x)和h(y)的一階微分的1范數(shù)h(x')和h(y')；

步驟A3：分別計(jì)算h(x')和h(y')的均值P_Avgx和P_Avgy；

步驟A4：計(jì)算P_Avgx和P_Avgy的均方根P_Avg，即為清晰度評(píng)價(jià)值。

優(yōu)選地，所述搜索策略判斷步驟包括：利用爬山搜索算法得到當(dāng)前顯微物鏡高度位置處的多譜顯微圖像的清晰度評(píng)價(jià)值，判斷對(duì)焦位置是處于離焦?fàn)顟B(tài)還是過(guò)焦?fàn)顟B(tài)，若處于離焦?fàn)顟B(tài)，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)物鏡以設(shè)定的步長(zhǎng)向靠近目標(biāo)物體的方向移動(dòng)，若處于過(guò)焦?fàn)顟B(tài)，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)物鏡以設(shè)定的步長(zhǎng)向遠(yuǎn)離目標(biāo)物體的方向移動(dòng)。

優(yōu)選地，所述運(yùn)動(dòng)控制反饋步驟包括：

步驟B1：按照設(shè)定的步長(zhǎng)對(duì)物鏡高度位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，并進(jìn)行清晰度評(píng)價(jià)值計(jì)算；

步驟B2：判斷得到的清晰度評(píng)價(jià)值是否達(dá)到清晰度評(píng)價(jià)曲線峰值，若是則結(jié)束流程；若否，則返回執(zhí)行步驟B1；

其中：顯微鏡調(diào)整到清晰度評(píng)價(jià)曲線峰值位置即為準(zhǔn)焦位置。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

1、本發(fā)明提供的多光譜顯微成像的快速主動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)及方法對(duì)焦速度快、精度高，穩(wěn)定性佳，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，擴(kuò)展性強(qiáng)。

2、本發(fā)明提供的多光譜顯微成像的快速主動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)及方法無(wú)需人工干預(yù)，能夠自主實(shí)時(shí)地完成對(duì)焦任務(wù)。

附圖說(shuō)明

通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1為本發(fā)明提供的多光譜顯微成像的快速主動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)的原理框圖；

圖2為本發(fā)明提供的多光譜顯微成像的快速主動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

根據(jù)本發(fā)明提供的多光譜顯微成像的快速主動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)，包括：快速圖像采集模塊、對(duì)焦窗口自動(dòng)選取模塊、清晰度自動(dòng)評(píng)價(jià)模塊、搜索策略判斷模塊、運(yùn)動(dòng)控制反饋模塊五個(gè)部分組成。

快速圖像采集模塊，用于實(shí)時(shí)采集多光譜顯微圖像，并將采集的多光譜顯微圖像傳輸給對(duì)焦窗口自動(dòng)選取模塊和清晰度自動(dòng)評(píng)價(jià)模塊；

對(duì)焦窗口自動(dòng)選取模塊，用于在整幅圖片中自動(dòng)找出參與清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)計(jì)算的圖像窗口；對(duì)焦窗口的合理選取是對(duì)焦精度的一個(gè)關(guān)鍵因素。對(duì)焦窗口選取越大，運(yùn)算量越大，而且還可能會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)背景參與運(yùn)算，影響目標(biāo)的對(duì)焦準(zhǔn)確性。對(duì)焦窗口過(guò)小，可能會(huì)失去目標(biāo)的感興趣區(qū)域部分信息，影響對(duì)焦效果。

當(dāng)目標(biāo)比較靠近視場(chǎng)中心位置時(shí)，假定圖像的尺寸為M×N，選定區(qū)域作為對(duì)焦窗口的待選區(qū)域，分別在該區(qū)域的X，Y方向?qū)ふ彝队拔⒎帜５淖畲笾祄ax|h(x)'|，max|h(y)'|，然后分別以max|h(x)'|，max|h(y)'|為中心的區(qū)域作為對(duì)焦窗口。

此外，圖像中通常包括目標(biāo)和背景兩個(gè)部分，目標(biāo)部分是需要準(zhǔn)確聚焦的感興趣區(qū)域，而背景則是允許非準(zhǔn)確對(duì)焦的非感興趣的部分，因此，在對(duì)焦窗口選取過(guò)程中還應(yīng)注意窗口位置的選擇。

清晰度自動(dòng)評(píng)價(jià)模塊，用于度量圖像的清晰程度，反映到圖像處理中就是對(duì)圖像銳度或者說(shuō)是梯度的一種表征。

在自動(dòng)對(duì)焦過(guò)程中，圖像偏離準(zhǔn)焦位置越遠(yuǎn)，圖像越不清晰，整體反映出的邊緣梯度信息越少；反之，越接近準(zhǔn)焦位置，圖像越清晰，圖像整體邊緣梯度信息越豐富；在準(zhǔn)焦位置處，圖像最清晰，圖像的邊緣梯度信息最豐富。清晰度評(píng)價(jià)的度量函數(shù)在自動(dòng)對(duì)焦過(guò)程中就相當(dāng)于一種算法“探測(cè)器”，在準(zhǔn)焦位置的搜索過(guò)程中根據(jù)其計(jì)算得到的清晰度評(píng)價(jià)值來(lái)進(jìn)行光學(xué)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。因此，清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)性能的優(yōu)劣是決定自動(dòng)對(duì)焦效果的關(guān)鍵因素。

搜索策略判斷模塊，用于指根據(jù)計(jì)算得到的清晰度評(píng)價(jià)值搜索準(zhǔn)確對(duì)焦位置的方法，搜索策略則決定了整個(gè)自動(dòng)對(duì)焦過(guò)程的時(shí)間。

運(yùn)動(dòng)控制反饋模塊，用于按照既定的搜索策略，根據(jù)計(jì)算得到的清晰度評(píng)價(jià)值對(duì)物鏡高度位置進(jìn)行微動(dòng)調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)后的位置，重新進(jìn)行圖像的清晰度評(píng)價(jià)值計(jì)算，然后同樣按照之前的搜索策略，再次調(diào)整物鏡高度位置，如此往復(fù)，直至成像調(diào)整到清晰度評(píng)價(jià)曲線峰值位置，該位置即為準(zhǔn)焦位置，整個(gè)主動(dòng)對(duì)焦過(guò)程結(jié)束。

具體地，如圖2所示，多光譜顯微成像的快速主動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)包括：CCD相機(jī)、顯微物鏡、PC機(jī)、MCU控制模塊、光源、調(diào)焦傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中MCU控制模塊包含微控制器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，調(diào)焦傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包含步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠。首先通過(guò)快速圖像采集模塊，經(jīng)顯微鏡成像到CCD相機(jī)，采集到的圖像通過(guò)USB接口傳輸?shù)絇C機(jī)；PC機(jī)利用對(duì)焦窗口自動(dòng)選取模塊和清晰度自動(dòng)評(píng)價(jià)模塊，對(duì)采集到的圖像的清晰度進(jìn)行評(píng)判，并依據(jù)搜索策略判斷模塊，計(jì)算出調(diào)焦電機(jī)下一步運(yùn)動(dòng)的步長(zhǎng)和方向，利用運(yùn)動(dòng)控制反饋模塊，通過(guò)串口發(fā)送控制指令給微控制器，微控制器控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體向著成像最清晰的方向調(diào)節(jié)，形成一個(gè)閉環(huán)調(diào)節(jié)的回路，不斷重復(fù)循環(huán)，直到采集到的圖像符合要求為止。同時(shí)考慮到視場(chǎng)亮度的需要，PC機(jī)可以給控制器發(fā)送指令，調(diào)節(jié)光源的亮度。

所述清晰度自動(dòng)評(píng)價(jià)模塊利用了灰度投影的運(yùn)算量小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，將灰度投影思想引入到自動(dòng)對(duì)焦算法中，使用基于投影微分法的對(duì)焦深度自動(dòng)對(duì)焦方法。該方法是將圖像的灰度投影一階微分1范數(shù)均值作為清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)該多光譜成像系統(tǒng)的快速自動(dòng)對(duì)焦。

更進(jìn)一步地，本發(fā)明中的多光譜顯微成像的快速主動(dòng)對(duì)焦方法，包括如下步驟：

步驟S1：對(duì)焦窗口的確定：在進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦前，首先根據(jù)觀測(cè)需要，結(jié)合當(dāng)前幀圖像進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦窗口位置的計(jì)算。

步驟S2：目標(biāo)圖像清晰度值計(jì)算：

步驟S2.1：分別計(jì)算對(duì)焦窗口內(nèi)圖像在X和Y方向的投影h(x)和h(y)；

步驟S2.2：分別求取其一階微分的1范數(shù)h(x')和h(y')；

步驟S2.3：分別計(jì)算h(x')和h(y')的均值P_Avgx和P_Avgy；

步驟S2.4：計(jì)算P_Avgx和P_Avgy的均方根P_Avg，即為該幀的清晰度評(píng)價(jià)值。

步驟S3：利用爬山搜索算法，根據(jù)步驟S2計(jì)算得到的當(dāng)前顯微物鏡高度位置處的顯微圖像清晰度評(píng)價(jià)值，依次調(diào)整物鏡高度位置，重復(fù)步驟S2，直至尋找到顯微物鏡高度的準(zhǔn)焦位置。

步驟S4：主動(dòng)對(duì)焦過(guò)程結(jié)束。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請(qǐng)的實(shí)施例和實(shí)施例中的特征可以任意相互組合。