CN102998787A - 一种显微镜下纤维横截面切片对焦数字图像获取方法 - Google Patents

Abstract

一种显微镜下纤维横截面切片对焦数字图像获取方法，包括以下步骤：(1)获取初步全景图，对于***中涉及到的三向移动载物台，记录下载物台水平面XY方向起始位置，移动Z方向至先验对焦位置，设置XY方向移动轨迹和移动步长后启动载物台，结束后将移动过程中定点拍摄的图像拼接成完整纤维切片大图，并移动载物台至起始位置；(2)对于初步全景图，计算XY方向投影，投影最小值位置即为纤维横截面切片中心位置；(3)将中心位置换算成载物台XY方向移动距离，移动载物台，镜头对准切片中心位置，基于先验对焦位置的两阶段搜索策略完成自动对焦。本发明使得人工得以节约，减少后续图像处理的误判。

Description

一种显微镜下纤维横截面切片对焦数字图像获取方法

技术领域

本发明涉及数字图像处理领域，尤其是一种纤维横截面图像获取方法，具体地说是一种经过自动对焦的显微镜下纤维横截面切片全景数字图象采集方法。

背景技术

目前，麻、棉、羊毛、化纤等纤维混纺后难以用化学方法或机械方法检测其纤维参数，现在比较普遍的一种检测方法是显微投影法，采用普通生物显微镜（放大倍数在200倍~250倍）或显微投影仪观察纤维。按照我国纺织行业标准规定的方法准备好载玻片放在普通生物显微镜或显微投影仪载物台上，通过目镜观察进入视野的各类纤维，根据纤维的形态结构特征鉴别其类型或者借助工具计算截面面积。检测时要求纤维样本达到一定数量，检测人员必须在水平方向移动载玻片，对于越过视野的视图，完成识别、计数或测量通过目镜十字线中心的所有纤维。在越过视野每一个水平行程以后，将载玻片垂直移动一段距离后再沿水平方向缓缓移动越过视野，识别和计数纤维，重复这种操作程序，直至全部载玻片看完，标准要求纤维根数达到一个设定值。如此过程，存在一些可以改进的地方，首先，水平面XY方向的移动由人去控制误差较大，可能会重复处理一些纤维；第二，对于横截面，需要人手动去定位纤维位置及显微镜的对焦；第三，受显微镜CCD相机限制，采集到计算机的图像只是很小一片区域，边界纤维截面无法看全。

为了克服这些问题，需要一种获取清晰纤维横截面切片数字图像的方法，在XYZ三向纤维镜载物台上，借助于灰度投影、两步自动对焦等方法得到覆盖完整有效切片区域的数字图像。

发明内容

本发明的目的是提供一种获取清晰纤维切片数字图像方法，方法采用灰度投影法确定切片纤维所在位置和梯度对焦算子完成显微镜的自动对焦，减轻检测人员负担，为后续纤维参数图像检测工作提供数字图像。

本发明的技术方案是：

一种显微镜下纤维横截面切片对焦数字图像获取方法，所述方法采用设备包括带有三向移动载物台的显微镜、安装在显微镜上的摄像头和计算机控制器，所述的计算机控制器与摄像头、三向移动载物台（采用JTH-XX系列小型显微镜自动载物台JTH200XY-100）的对应控制信号端相连，所述的图像获取方法具体包括以下步骤：

(1)采用三向移动载物台获取初步全景图：首先，由计算机控制器记录三向移动载物台水平面XY方向起始位置，将纤维横截面切片放置在三向移动载物台上，移动Z方向至先验对焦位置，采用计算机控制器设置三向移动载物台在XY方向的移动轨迹和移动步长，启动载物台；三向移动载物台按照前述设置轨迹进行工作，计算机控制器启动摄像头对于显微镜下的图像在三向移动载物台的移动步长停顿点处进行定点拍摄，结束后摄像头将移动过程中定点拍摄的图像发送至计算机控制器，计算机控制器拼接成完整的纤维横截面切片大图，三向移动载物台移动至起始位置；

(2)对于初步全景图即完整的纤维横截面切片大图，计算机控制器计算纤维横截面切片大图在X、Y方向的投影，得到纤维横截面切片的中心位置；

(3)将中心位置换算成载物台XY方向移动距离，计算机控制器驱动三向移动载物台将显微镜的镜头移至切片中心位置，采用基于先验对焦位置的两阶段搜索策略完成Z方向的自动对焦，并重复步骤（1），在XY平面再次扫描获取最终对焦的纤维横截面切片全景图。

本发明的步骤（1）中，所述的先验对焦位置是指计算机控制器记录的三向移动载物台前次使用后产生的对焦位置。

本发明的步骤（1）中，定点拍摄的移动步长为相邻两幅图像的重叠部分，占图像宽度的25-35%。

本发明的步骤（2）中，计算X、Y方向的灰度投影，两方向投影均为最小值时位置组合在一起即为纤维横截面切片中心位置。

本发明的步骤（2）中，通过XY方向投影计算纤维切片中心位置，投影公式如下：

$T_x\left(i\right)=\frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}I(i,j)$

$T_y\left(j\right)=\frac{1}{M}\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}I(i,j)$

其中，M为图像X方向像素个数，N为图像Y方向象素个数，I(i，j)是坐标为(i，j)的像素点灰度。

切片中心坐标为T_x(i),T_y(j)最小值时对应的i_min，j_min。

S_x(i_min)=min{T_x(i)}

S_y(j_min)=min{T_y(j)}

本发明的步骤（3）中，采用基于先验对焦位置的两阶段搜索策略完成Z方向的自动对焦具体包括，第一步搜索采用较大的载物台Z方向步长，当对焦算子大小发生转变趋势时采用较小步长搜索。

本发明的步骤（3）中，找到纤维横截面切片中心位置，移动载物台，使得显微镜的物镜中心对准切片中心位置，载物台完成切片图像自动对焦，采用梯度算子C作为图像对焦评价算子在Z方向一段范围内进行对焦搜索，C取最大值时为最佳对焦位置，算子如下式：

$C\left(z\right)=\underset{i=1}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}({(I(i+1,j)-I(i,j))}^2+(I(i,j+1)-I(i,j){)}^2))$

z的取值范围是载物台Z方向游程。

本发明的有益效果：

本发明采用灰度投影法确定切片纤维所在位置和梯度对焦算子完成显微镜的自动对焦，减轻检测人员负担，为后续纤维参数图像检测工作提供数字图像。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是本发明中生成全景切片图像时载物台水平XY方向移动轨迹的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、2所示，一种图1示出本发明的流程图，具体采集过程如下：

第1步，一般显微镜配置的CCD摄像头都较简单，无法实现快速移动中拍照，因此载物台在按图2运动时，X方向移动不是一步到头，而是分段前进，让摄像头有定格时间。每段的距离s_x要确保CCD相机拍摄到的相邻两幅图有重叠，大小以1/4图像宽度为宜。y方向移动时也一样，不过y方向是一次移动距离s_y到位，也要确保Y方向相邻两幅图有重叠，以1/4图像高度为宜。

记录下载物台起始位置，设置XY方向轨迹(图2)、及移动步长后启动载物台，结束后将移动过程中定点拍摄的图像拼接成完整纤维切片大图，并移动载物台至起始位置。至于如何拼接本发明对此并无限制。

第2步，对于拼接后大图，计算XY方向投影，找出纤维切片中心位置(i_min,j_min)。

第3步，将(i_min,j_min)换算成载物台XY方向移动距离(i_min*s_x/M,j_min*s_y/N)，移动载物台，镜头对准切片中心位置,按下面过程完成Z方向自动对焦：

A、判断是否第一次使用，如是，让载物台在Z（垂直）方向走完所有游程，载物台从离物镜最远处向最近处移动，计算出最佳对焦参数，并保存该最佳对焦位置为初始位置z_init；否则，移送载物台至初始位置，第一次使用时寻找初始位置时间较长，当然这也取决于载物台的性能。

B、设置初始搜索移动步长step，往物镜方向移动为正方向，方向参数为direction，初始值为1，最大对焦评价值C_max=0，图像计数器i=0，定义一个链表存储每步采集图像的评价值。

C、载物台Z方向移动direction*step，采集第i幅图像，计算评价值C_i，保存评价值、移动距离至链表。

D、第2幅图开始，如C_i-C_i-1>=0，载物台按原方向以step移动，回到C步。

E、否则，如果C_i-1>=C_i-2,缩小移动步长至step/3，设定精细搜索范围为当前位置开始反方向至链表中第i-2点保存的距离。计算每一步的评价值，具有最大值的点为最佳对焦点，同时更新初始位置z_init为新的对焦位置。跳转到G步。

F、否则，direction取反，即direction=-1*direction，进行反方向搜索，回到C步。

G、结束。

第4步，回到载物台XY方向起始位置，与第1步类似重新采集完整纤维对象清晰拼接图。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种显微镜下纤维横截面切片对焦数字图像获取方法，其特征在于所述方法采用设备包括带有三向移动载物台的显微镜、安装在显微镜上的摄像头和计算机控制器，所述的计算机控制器与摄像头、三向移动载物台的对应控制信号端相连，所述的图像获取方法具体包括以下步骤：

(1)采用三向移动载物台获取初步全景图：首先，由计算机控制器记录三向移动载物台水平面XY方向起始位置，将纤维横截面切片放置在三向移动载物台上，移动Z方向至先验对焦位置，采用计算机控制器设置三向移动载物台在XY方向的移动轨迹和移动步长，启动载物台；三向移动载物台按照前述设置轨迹进行工作，计算机控制器启动摄像头对于显微镜下的图像在三向移动载物台的移动步长停顿点处进行定点拍摄，结束后摄像头将移动过程中定点拍摄的图像发送至计算机控制器，计算机控制器拼接成完整的纤维横截面切片大图，三向移动载物台移动至起始位置；

(2)对于初步全景图即完整的纤维横截面切片大图，计算机控制器计算纤维横截面切片大图在X、Y方向的投影，得到纤维横截面切片的中心位置；

(3)将中心位置换算成载物台XY方向移动距离，计算机控制器驱动三向移动载物台将显微镜的镜头移至切片中心位置，采用基于先验对焦位置的两阶段搜索策略完成Z方向的自动对焦，并重复步骤（1），在XY平面再次扫描获取最终对焦的纤维横截面切片全景图。

2.根据权利要求1所述的显微镜下纤维横截面切片对焦数字图像获取方法，其特征在于步骤（1）中，所述的先验对焦位置是指计算机控制器记录的三向移动载物台前次使用后产生的对焦位置。

3.根据权利要求1所述的显微镜下纤维横截面切片对焦数字图像获取方法，其特征在于步骤（1）中，定点拍摄的移动步长为相邻两幅图像的重叠部分，占图像宽度的25-35%。 

4.根据权利要求1所述的显微镜下纤维横截面切片对焦数字图像获取方法，其特征在于，步骤（2）中，计算X、Y方向的灰度投影，两方向投影均为最小值时位置组合在一起即为纤维横截面切片中心位置。

5.根据权利要求1所述的显微镜下纤维横截面切片对焦数字图像获取方法，其特征在于，步骤（2）中，通过XY方向投影计算纤维切片中心位置，投影公式如下：

其中，M为图像X方向像素个数，N为图像Y方向象素个数，I(i，j)是坐标为(i，j)的像素点灰度。

切片中心坐标为T_x(i),T_y(j)最小值时对应的i_min，j_min。

S_x(i_min)=min{T_x(i)}

S_y(j_min)=min{T_y(j)}。

6.根据权利要求1所述的显微镜下纤维横截面切片对焦数字图像获取方法，其特征在于步骤（3）中，采用基于先验对焦位置的两阶段搜索策略完成Z方向的自动对焦具体包括，第一步搜索采用较大的载物台Z方向步长，当对焦算子大小发生转变趋势时采用较小步长搜索。

7.根据权利要求1或6所述的显微镜下纤维横截面切片对焦数字图像获取方法，其特征在于，步骤（3）中，找到纤维横截面切片中心位置，移动载物台，使得显微镜的物镜中心对准切片中心位置，载物台完成切片图像自动对焦，采用梯度算子C作为图像对焦评价算子在Z方向一段范围内进行对焦搜索，C取最大值时为最佳对焦位置，算子如下式： 

z的取值范围是载物台Z方向游程。 

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