CN113852761A - 一种智能数字显微镜自动对焦的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种智能数字显微镜自动对焦的方法，该方法针对显微镜使用过程中的自动对焦技术进行研究，当用户通过鼠标点击数字图像成像画面时，镜头在一定范围内连续移动，方法采用傅立叶变换对移动过程中的数字图像进行频域变换，进而通过图像清晰度函数计算数字图像的清晰度，实时判断图像是否清晰，方法通过自动搜索机制使，镜头自动对焦到点击区域，生成点击区域的高清图像。
Description
技术领域
本发明涉及计算机图形学、多媒体数字信息技术、图像处理、等领域，尤其涉及一种新一代智能数字显微镜自动对焦方法。
背景技术
随着科技水平的进步，人们在科学研究与工业生产过程中对微观世界的探索需求正 愈加强烈。显微镜就是一种帮助人们在微观视觉层面进行研究、探索微观世界奥秘的重要工具。早在16世纪末，显微镜就被科学家们发明出来，它的主要作用是借助于光学 镜头，通过一定的物理学方法产生物体的放大影像，以便使用者能够更好的观测和研究 成像物体。直至今日，显微镜已经有400多年的发展历史。随着近现代光电子和计算机 技术的进步，显微镜的精度越来越高，功能越来越多，普及度得到了显著的提升，成为 了人类探索微观领域的重要工具。目前，显微镜及其相关技术被广泛地应用于医学、物 理学、生物、化学和精密制造等诸多领域。在制造业中，显微镜可以被用来对工业零件 进行视觉检测，助力制造业转型升级，服务于智能制造。
目前多数国内的显微镜厂商所生产的显微镜功能还停留在传统光学显微镜阶段，存 在功能单一、市场竞争力弱的缺点。国内外的高端显微镜市场多被日本基恩士等国际巨头垄断。随着技术的进步，显微镜行业正面临着从传统的光学显微镜向数字、智能显微 镜的变革。相对于传统的光学显微镜，数字显微镜装配有摄像头，能够对被观测的物体 进行数字图像，在显示屏上进行显示。很多被观测的物体表面存在毫米到微米级的高度 差，在显微镜使用过程中，需要能够支持针对物体各区域清晰化呈现的自动对焦功能， 暨当用户通过鼠标点击数字图像画面，显微镜会自动对焦到点击区域，生成相应区域的 高清图像，从而方便用户对物体细节进行观察，服务于科学实验和质量检测等工业应用。
发明内容
发明目的：设计与实现一种智能数字显微镜自动对焦的方法，为智能数字显微镜图 像处理部分提供指导。
包括以下步骤：
步骤1，数字图像的读取：用户通过鼠标点击显微镜观测物体数字图像的某一区域， 显微镜连续移动，读取镜头移动时的数字图像；
步骤2，对数字图像进行频域变换：利用二维离散傅里叶变换将图像由空间域变换到频域；
步骤3：判断数字图像的清晰度：通过图像清晰度函数计算数字图像的清晰度，实时判断处理图像是否清晰；
步骤4，显微镜连续移动实现自动对焦：通过自动搜索机制(二分查找)快速准确定位找到清晰度最高的一幅图像，显示该区域的对焦信息，直至鼠标下一次点击选取。
其中，步骤1为本发明输入数据做准备，需要通过镜头获得不同焦距下的图像组。步骤4中的二分查找发为处理连续性数据基本的搜索算法，步骤1具体包括以下步骤：
步骤1-1，设置数字图像处理像素的宽和高，将将一组清晰度连续变化的图像(即显微镜镜头从上到下获取的各层离散图像)作为***输入；，清晰度连续变化的图像即 显微镜镜头从上到下获取的各层离散图像；
步骤1-2，设计镜头类方法，实现基本的图像处理功能，包括：初始化、切换清晰 图像(显微镜调节焦距的过程)、返回图像、返回焦距值、返回像素值、返回图像序列； 根据用户的鼠标操作实时移动镜头获取图像；该步骤内容为智能数字显微镜的自带功能 属于现有公知技术，例如调节焦距，从而获得不同焦距的图像，相当于算法的准备工作。
步骤1-3，提供后续的自动对焦模块的接口，可以快速用于调用或修改图像的各类数据。
步骤2包括以下步骤：
步骤2-1，获取步骤1中由显微镜镜头拍摄到的不同清晰度的离散图像组；
步骤2-2，将原RGB数字图像转化为灰度图像；
步骤2-3，频域变换过程中，用到的二维离散傅里叶变换公式如下：
公式中的f(x,y)代表一幅像素大小为M*N的矩阵。其中x的定义域范围是0,1,2,…,M-1，y的定义域范围是0,1,2,…,N-1。公式左边的F(u,v)表示的就是f(x,y) 的傅里叶变换结果。F(u,v)所在坐标系为频域，f(x,y)所在坐标系为空间域。由u＝0, 1,2,…,M-1和v＝0,1,2,…,N-1定义的M*N矩阵被称为频域矩阵。
步骤2-4，对于频域变换后的结果，将零频分量移动到频谱中心，将负数结果转化为实数绝对值进行保存。
步骤3包括以下步骤：
步骤3-1，根据步骤2获得的频域信息，计算频谱均值，图像清晰度函数F清晰度如 下：
其中，加权系数
表示某个特定像素点(u,v)与成像中心像素之间的距离，用 于强调图像频域中的高频成分，M,N表示图像的像素尺寸，P(u,v)取值为图像的频谱的 平方；
步骤3-2，选择鼠标点击部分的一小片像素区域(在原始图像下1920*1080分辨率下，一般选取100*100像素的小片)拷贝，完成当前图像清晰度的计算并保存结果；
步骤4包括以下步骤：
步骤4-1，针对前述步骤2-1连续变焦过程中获得的连续的数字图像，将图像组中间位置的图像的清晰度与当前最高清晰度值进行比较，如果两者相等，则查找成功；否 则利用中间位置将图像组分成前、后两个子组，根据清晰度的大小比较结果，在前一子 组中或后一子组中继续查找。；
步骤4-2，在步骤4-1每一轮查找过程中得到的图像上，获得步骤2、3中的频域变换与清晰度函数计算结果，将其与当前最高清晰度值图像进行比较，更新结果并移动镜头，重复中间位置查找与比较的过程，直至当前图像的清晰度值已达到全局最大；
步骤4-3，将结果在相同分辨率的窗口中实时输出显示，直至下一次的鼠标点击，再回到步骤2-3过程重新开始。，若无后续的鼠标点击操作，则自动对焦模块结束。
有益效果：本发明的显著优点是：(1)本发明提出的智能数字显微镜自动对焦方法， 无需使用者人为切换镜头，能够快速准确定位对焦信息，图像处理结果较好。(2)本发明提出的图像自动对焦方法处理速度快，效率高，1920*1080分辨率下的数字图像也 能够根据使用者鼠标操作进行实时对焦，满足实时性要求。(3)本发明提出的数字显微 镜自动对焦方法，可直接指导于工业显微镜镜头生产，应用范围广。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其 他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为自动对焦方法的基本流程图。
图2a和图2b为电路板图像数据中两张显微镜对焦至不同区域的结果。
图3为自动对焦模块开启后的运行界面。
图4为自动对焦模块对焦中心位置的运行结果。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
本方法的流程图如图1所示，按照下述过程进行：首先，通过显微镜镜头获取外部图像信息，并进行图像处理模块初始化，根据使用者的要求进入“自动对焦”功能；调整 图像分辨率的大小并进行相应的灰度变换，在鼠标选定区域进行相应的二维快速傅里叶 变换，将变换后的频域结果进行平移和实数化保存，并计算清晰度评价函数；通过二分 查找移动镜头至下一幅待处理图像，重复计算过程并与当前最大清晰度值进行比较，实 时更新结果，直至获得全局清晰度最高的图像进行显示；等待鼠标下一次点击操作，重 复自动对焦的处理过程。
具体地说，如图1所示，本发明设计与实现了一种新一代智能数字显微镜***的自动对焦方法，主要包括以下几个步骤：
步骤1，数字图像的读取：用户通过鼠标点击显微镜观测物体数字图像的某一区域， 显微镜连续移动，读取镜头移动时的数字图像；
步骤2，对数字图像进行频域变换：利用二维离散傅里叶变换将图像由空间域变换到频域；
步骤3：判断数字图像的清晰度：通过图像清晰度函数计算数字图像的清晰度，实时判断处理图像是否清晰；
步骤4，显微镜连续移动实现自动对焦：通过自动搜索机制(二分查找)快速准确定位找到清晰度最高的一幅图像，显示该区域的对焦信息，直至鼠标下一次点击选取。
对于步骤1，数字图像读取的具体实施细节如下步骤：
步骤1-1，设置处理像素的宽和高，将将一组清晰度连续变化的图像(即显微镜镜头从上到下获取的各层离散图像)作为***输入；
步骤1-2，设计镜头类方法，实现基本的图像处理功能，包括：初始化、切换清晰 图像(显微镜调节焦距的过程)、返回图像、返回焦距值、返回像素值、返回图像序列； 根据用户的鼠标操作实时移动镜头获取图像；
步骤1-3，提供后续的自动对焦模块的接口，可以快速调用或修改图像的各类数据。
对于步骤2，数字图像读取的具体实施细节如下步骤：
步骤2-1，获取步骤1中由显微镜镜头拍摄到的不同清晰度的离散图像组；
步骤2-2，，通过OpenCV库图像处理函数，重新调整图像分辨率大小，并将原RGB 图像转化为灰度图像进行后续处理；
步骤2-3，频域变换过程中，用到的二维离散傅里叶变换公式如下：
上式右边的f(x,y)代表一幅像素大小为M*N的矩阵。其中x的定义域范围
是0,1,2,…,M-1，y的定义域范围是0,1,2,…,N-1。公式左边的F(u,v)表示 的就
是f(x,y)的傅里叶变换结果。F(u,v)所在坐标系为频域，f(x,y)所在坐标系为空间域。由u＝0,1,2,…,M-1和v＝0,1,2,…,N-1定义的M*N矩阵被称为频域 矩阵。
步骤2-4，对于频域变换后的结果，将零频分量移动到频谱中心，将负数结果转化为实数绝对值进行保存。
对于步骤3，判断数字图像清晰度的具体实施细节如下步骤：
步骤3-1，根据步骤2获得的频域信息，计算频谱均值，图像清晰度函数F清晰度如 下：
其中，加权系数
表示一个像素点(u,v)与成像中心像素之间的距离，用于强 调图像频域中的高频成分，M,N表示图像的像素尺寸，P(u,v)取值为图像的频谱的平方； 其中u,v的定义域分别是0～M-1和0～N-1，对应关系与步骤2中的傅里叶变换相同。计算清晰度时,选取图像的所有M*N像素点都需要计算。
步骤3-2，选择鼠标点击部分的一小片像素区域(一般为100*100像素)拷贝，完 成当前图像清晰度的计算并保存结果；
对于步骤4，显微镜连续移动实现自动对焦的具体实施细节如下步骤：：
步骤4-1，针对前述步骤2-1连续变焦过程中获得的连续的数字图像，将图像组中间位置的图像的清晰度与当前最高清晰度值进行比较，如果两者相等，则查找成功；否 则利用中间位置将图像组分成前、后两个子组，根据清晰度的大小比较结果，在前一子 组中或后一子组中继续查找。；
步骤4-2，在步骤4-1每一轮查找过程中得到的图像上，获得步骤2、3中的频域变换与清晰度函数计算结果，将其与当前最高清晰度值图像进行比较，更新结果并移动镜头，重复中间位置查找与比较的过程，直至当前图像的清晰度值已达到全局最大；
步骤4-3，将结果在相同分辨率的窗口中实时输出显示，直至下一次的鼠标点击，再回到步骤2-3过程重新开始。，若无后续的鼠标点击操作，则自动对焦模块结束。
输入测试图像组中的图像如图2a和图2b所示，本实施例中用于测试的电路板图像组共有27张，都是显微镜镜头对同一物体对焦至不同区域的结果。自动对焦模块开启 后的界面显示如图3所示，此时用鼠标点击图像的中心位置，就可以得到中心位置清晰 的对焦图像，如图4所示。
本发明提供了一种新一代智能数字显微镜***自动对焦方法的设计方法，具体实现 该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进 和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分 均可用现有技术加以实现。
Claims (5)
1.一种智能数字显微镜自动对焦的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，数字图像的读取：用户通过鼠标点击显微镜观测物体数字图像的某一区域，显微镜连续移动，读取镜头移动时的数字图像；
步骤2，对数字图像进行频域变换：利用二维离散傅里叶变换将图像由空间域变换到频域；
步骤3：判断数字图像的清晰度：通过图像清晰度函数计算数字图像的清晰度，实时判断处理图像是否清晰；
步骤4，显微镜连续移动实现自动对焦：通过自动搜索机制快速准确定位找到清晰度最高的一幅图像，显示该区域的对焦信息，直至鼠标下一次点击选取。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1包括以下步骤：
步骤1-1，设置数字图像处理像素的宽和高，将一组清晰度连续变化的图像作为输入，清晰度连续变化的图像即显微镜镜头从上到下获取的各层离散图像；
步骤1-2，设计镜头类方法，实现图像处理功能，包括：初始化、切换清晰图像即显微镜调节焦距的过程、返回图像、返回焦距值、返回像素值、返回数字图像序列；根据用户的鼠标操作实时移动镜头获取图像；
步骤1-3，提供后续的自动对焦模块的接口，用于调用或修改图像的数据。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2包括以下步骤：
步骤2-1，获取步骤1中由显微镜镜头拍摄到的不同清晰度的离散图像组；
步骤2-2，，通过OpenCV库图像处理函数，重新调整图像分辨率大小，并将原RGB图像转化为灰度图像进行后续处理；
步骤2-3，频域变换过程中，用到的二维离散傅里叶变换公式如下：
上述公式中的f(x,y)代表一幅像素大小为M*N的矩阵；其中x的定义域范围，是0,1,2,…,M-1，y的定义域范围是0,1,2,…,N–1；公式左边的F(u,v)表示的是f(x,y)的傅里叶变换结果；F(u,v)所在坐标系为频域，f(x,y)所在坐标系为空间域；由u＝0,1,2,…,M-1和v＝0,1,2,…,N-1定义的M*N矩阵被称为频域矩阵；
步骤2-4，对于频域变换后的结果，将零频分量移动到频谱中心，将负数结果转化为实数绝对值进行保存。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3包括以下步骤：
步骤3-1，根据步骤2获得的频域信息，计算频谱均值，图像清晰度函数F清晰度如下：
其中，加权系数
表示一个像素点(u,v)与成像中心像素之间的距离，用于强调图像频域中的高频成分，M,N表示图像的像素尺寸，P(u,v)取值为图像的频谱的平方；
步骤3-2，选择鼠标点击部分的一小片像素区域拷贝，完成当前图像清晰度的计算并保存结果。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤4包括以下步骤：
步骤4-1，针对前述步骤2-1连续变焦过程中获得的连续的数字图像，将图像组中间位置的图像的清晰度与当前最高清晰度值进行比较，如果两者相等，则查找成功；否则利用中间位置将图像组分成前、后两个子组，根据清晰度的大小比较结果，在前一子组中或后一子组中继续查找；
步骤4-2，在步骤4-1每一轮查找过程中得到的图像上，获得步骤2、3中的频域变换与清晰度函数计算结果，将其与当前最高清晰度值图像进行比较，更新结果并移动镜头，重复中间位置查找与比较的过程，直至当前图像的清晰度值已达到全局最大；
步骤4-3，将结果在相同分辨率的窗口中实时输出显示，直至下一次的鼠标点击，再回到步骤2-3过程重新开始，若无后续的鼠标点击操作，则自动对焦结束。
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| CN113852761B (zh) | 2023-07-04 |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
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