[发明专利]基于图像纹理的显微镜不同倍数镜头联合聚焦方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学聚焦技术领域，特别涉及一种基于图像纹理的显微镜不同倍数镜头联合聚焦方法。

背景技术

基于数字图像处理和数字成像系统的发展，全自动显微镜的发展逐渐走向了系列化、集成化和智能化，在生命科学、材料科学、国防安全等各个领域发挥着越来越大的作用。人工镜检需要操作人员反复调整聚焦平面，整个过程耗时多且耗费人力成本，聚焦的清晰度依靠个人的主观评价容易带来误差，因此，全自动数字显微镜的自动聚焦势在必行。

图像处理技术的蓬勃发展和图像自动采集系统的日趋成熟为数字显微镜的自动聚焦实现提供了技术可能。数字图像处理理论认为，图像的能量大部分集中在幅度谱的低频和中频段，但图像轮廓的锐度和细节丰富度取决于图像的高频成分。因此，各种检测图像的边缘信息或计算图像高频分量的自动聚焦方法应运而生。检测待聚焦图像高频分量的函数被称为聚焦评价函数，自动聚焦的过程就是寻找聚焦评价函数最大值的过程，广泛采用的是爬山搜索法来寻找最佳聚焦点。然而在实际应用中，聚焦评价函数曲线是有局部极大值的，爬山搜索法遇到局部极值时很容易错误地认为已经找到焦面。另外，现有的自动聚焦方法多是在固定视野区域内寻找焦面，若是当前视野区域中没有或少有聚焦目标，则会聚焦失败。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于图像纹理的显微镜不同倍数镜头联合聚焦方法，该方法能够有效地提高高倍物镜下自动聚焦的准确度。

实现本发明的技术方案是：

一种基于图像纹理的显微镜不同倍数镜头联合聚焦方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：首先在低倍物镜下，电动载物台先把载玻片上的有效区域置于显微镜物镜的正下方；

步骤2：Z轴采用步进电机控制，步距固定，选定固定步数N，使得步进电机的N步数所对应的距离大于步进电机的回差与载玻片的厚度误差之和的两倍，且小于Z轴可移动的最大范围；初始化Z轴位置使其处于焦面上方并距离焦面在步数N以内；

步骤3：令载物台向下移动N步，与此同时等间隔采集摄像头图像并计算图像清晰度，记录最大清晰度及其所在Z轴位置；

步骤4：载物台向上快速移动到当前位置与最大清晰度所在位置距离的90％处；

步骤5：采集摄像头图像并计算清晰度，根据其偏离最大清晰度的程度确定载物台步长，离最大清晰度越近步长越小，越远步长越大；载物台向上移动该步长距离，重复此步骤直至清晰度达到最大清晰度的误差范围内，则聚焦成功，若载物台超过初始位置，则聚焦失败；

步骤6：若聚焦成功，载玻片上的有效区域分成m×n块，在此焦面下获得m×n个子块区域的图像信息，计算每个子块的清晰度值，控制电动载物台移动X和Y轴，把清晰度最大的子块中心置于物镜中心的正下方；

步骤7：将物镜换为高倍物镜，重复步骤2至第步骤6；

步骤8：将物镜换为更高倍物镜，重复步骤2至步骤5；聚焦完成；

其中，该方法采用聚焦评价函数来得到图像的清晰度。

所述聚焦评价函数具体为：

将彩色图像转为灰度图像；

对灰度图像进行高斯模糊，消除噪声的影响；

采用canny算子提取图像梯度，并统计非零梯度像素个数，除以图像总像素进行归一化，得到图像的清晰度。

所述步骤3具体为：

令载物台以慢速向下移动N步，同时定时采集并存储摄像头图像，为防止定时器回调函数执行时间过长，无法及时获取图像，另开启新线程取内存中的图像计算清晰度，记录清晰度最大值及其所在Z轴位置，直至所有图像计算完毕，释放图像所占的内存空间。

所述步骤4具体为：

计算当前Z轴位置与步骤3记录的最大清晰度所在Z轴位置的距离的90％，控制载物台向上快速移动此距离，使载物台接近焦面位置并位于焦面之下。

所述步骤5具体为：

用聚焦评价函数计算当前摄像头图像的清晰度，与清晰度最大值比较。开始时清晰度很小，载物台以较大步长向上移动，随着清晰度接近最大值，步长逐渐减半，重复此步骤直至：(1)清晰度与最大清晰度的相对误差在一定范围内(相对误差范围可设为5％-10％)，返回聚焦成功；(2)向上移动总步数超过N与一个用于估计步进回差的常数之和，则未找到焦面，返回聚焦失败。

所述步骤6具体为：

若步骤5聚焦成功，获取此视野下的清晰图像，将其均匀分割成m×n个子块，并对每个子块计算清晰度，取清晰度最大的子块的中心位置作为目标位置，记目标位置距离视野中心的水平距离为dx，垂直距离为dy；