CN117555123B - 一种电子显微镜自动对焦方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子显微镜自动对焦方法及装置，首先在镜头对焦的初始位置和初始位置前后另外两个位置分别采集图像，计算所采集图像各自对应的评价值，根据评价值对三个位置进行修正，再根据离焦分析法计算出粗调正焦位置；然后在粗调正焦位置和粗调正焦位置前后另外两个位置分别采集图像，计算所采集图像各自对应的评价值，根据评价值对三个位置进行修正，再根据曲线拟合法计算出细调正焦位置；最后镜头移动到细调正焦位置，完成自动对焦。相比传统被动式自动聚焦中所采用的对焦搜索算法，本发明完成自动对焦所需步骤少，提高了离焦量大时的图像区分能力，提高了电子显微镜的对焦速度。

Description

一种电子显微镜自动对焦方法及装置

技术领域

本发明涉及数字图像处理方法及装置，具体涉及一种自动对焦方法及装置。

背景技术

随着工业自动化的飞速发展，机器视觉逐渐开始在生产和检测中取代传统的人眼。例如，一些医用摄像***中的内窥镜，已经加入了自动对焦功能。对于机器视觉***而言，聚焦是最核心的问题，如果焦距没有调整好，拍摄出来的图像是模糊的，后续的工作自然无从谈起。在显微镜下，这个问题更加严峻，由于物镜的景深很小，对调节的精度也提出了新的要求。因此，如何高速准确的聚焦是机器视觉领域的重点问题，而自动聚焦技术正是解决这该问题的关键技术。

从原理上来说，自动聚焦可分为2类，被动式和主动式。主动式自动聚焦指的是针对自动聚焦功能对***的硬件进行一些改动，例如直接添加激光测距模块，或者使用离焦误差测量技术对***进行改进等。主动聚焦调节比较麻烦，成本也较高，但效率上有较高的提升。被动式自动聚焦基于数字图像处理，对取得的图像进行一系列分析来帮助完成聚焦，又可分为对焦深度法和离焦深度法。被动聚焦是目前应用最广泛的聚焦方式，它成本低，功耗小，算法灵活易于控制，但相对来说聚焦耗费的时间较长，且对图像的质量有较高的要求。

被动式自动聚焦中，对焦深度法为在焦点的附近采集一系列图像，并对每帧图像进行分析，通过图像的清晰度变化来实现自动对焦，其中的重点是图像的清晰度评价函数与对焦搜索算法。图像的清晰度评价函数应具有无偏性、单峰性、信噪比高、计量数小、灵敏度高等特点，常用的有灰度梯度函数、频谱函数、熵函数等。而对焦搜索算法应具有较快的搜索速度和较强的抗干扰能力，典型算法有爬山搜索法、Fibonacci搜索法和函数逼近法。简单以爬山法举例而言，***在焦点附近区域，沿着一个方向移动并且不停的拍照，同时分析每张图的清晰度评价函数，直到越过评价函数峰值，再缩小步长，改变方向，继续运动到峰值，重复上述过程直到满足精度要求。

目前的使用最多搜索策略是爬山法，或者改进的三步爬山法，也有一些使用曲线拟合法，一般是基于二次多项式的最小二乘法。但是它们有以下弊端：对焦过程需要很多图像，一般需要10幅以上，步数较多，对焦时间长，实时性差；爬山法容易受到局部极值的影响，即使有三点法、四点法等方法，也无法根本上解决陷入局部极值的问题，且多点判别法效率低。

曲线拟合法容易收到外部干扰的影响，最小二乘法拟合多项式函数容易构建出局部极值多的函数曲线，且容易调焦失败，但是对于峰值在小范围的情况，调焦效果较好，只需要峰值附近的少数几个点就可以拟合出合适的曲线并求得正焦位置。

离焦分析法区别于对焦深度法，仅需采集2-3帧图像，通过直接分析图像得到离焦信息来完成自动聚焦。但该方法需要建立光学***的离焦模型，确认离焦图像的模糊情况，从而得到深度信息。具体的，假设物空间内一点理想光源，在理想成像状态下应该成一个能量为单位值的像点，离焦时，在像平面上根据离焦模糊原理成一个弥散圆，在利用梯度绝对值计算评价函数时，均匀圆周内的像素灰度值无需参与计算，只需计算弥散圆的圆周长度和每个像素点的能量即可。因此弥散圆的评价值其中R为弥散圆的半径。由此可知离焦量与评价函数值成反比。目前离焦分析法由于提取的图像信息量较少，其精确性远不如对焦深度法，只能粗略估计准焦位置的大致范围。

综上所述，被动聚焦都需要对实际图像进行算法分析，而显微镜一般都使用面阵相机来取图，图像的信息较多，算法处理起来耗时较长，因此总体的聚焦耗时也较长。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种电子显微镜自动对焦方法及装置，结合了离焦分析法和曲线拟合法，利用高N值的灰度梯度值的评价函数算法结合离焦分析法计算正焦的粗略位置，再利用低N值的灰度梯度值算法结合曲线拟合法计算正焦的精确位置，对焦速度快且精度高，方便操作。

技术方案：一种电子显微镜自动对焦方法，包括如下步骤：

步骤1：在镜头对焦的初始位置和初始位置前后另外两个位置分别采集图像，计算所采集图像各自对应的评价值，根据评价值对镜头对焦的三个位置进行修正，然后根据离焦分析法计算出粗调正焦位置；

步骤2：在粗调正焦位置和粗调正焦位置前后另外两个位置分别采集图像，计算所采集图像各自对应的评价值，根据评价值对镜头对焦的三个位置进行修正，然后根据函数拟合法计算出细调正焦位置；

步骤3：镜头移动到细调正焦位置，完成自动对焦。

进一步的，所述步骤1中，设镜头对焦的初始位置为X1，前后另外两个位置分别为X2＝X1/2，X3＝(M-X1)/2，M为调焦范围最大位置；设位置X1、X2、X3所采集图像对应的评价值分别为Y1、Y2、Y3，则根据评价值对镜头对焦的三个位置进行修正包括如下步骤：如果Y2<Y1<Y3，则用代替X1、X2、X3中离X4最远的位置；如果Y2>Y1>Y3，则用代替X1、X2、X3中离X4最远的位置，L表示对焦***调焦范围内步进马达采样位置数；然后在位置X4处重新采集图像，并对应计算得到评价值Y4。

进一步的，所述步骤1中，对于大小为m×n的图像f(x,y)，m为图像的宽度，n为图像的高度，x表示像素在宽度方向的值，x∈[0,m]，y表示像素在高度方向的值，y∈[0,n]，计算图像的评价值包括如下步骤：对于像素(x,y)，向右下构建大小为N×N的像素块A，计算像素块A的灰度平均值H_(x,y)；选取像素块A右侧相隔3个像素，大小也为N×N的像素块B，计算像素块B的灰度平均值R_(x,y)；则像素块A的梯度值T_(x,y)＝(R-_(x,y)-H_(x,y))²；逐个计算图像第一行至第(n-2)行中，以第一至第(m-8)个像素为起点的各像素块的梯度值；最终整个图像的评价值

进一步的，所述步骤1中，根据离焦分析法计算出粗调正焦位置包括如下步骤：根据修正后的三点位置Xi及对应的评价值Yi计算出拟合函数中的参数x_f，取粗调正焦位置X5为x_f的向下取整值，其中a和b为函数系数。x_f

进一步的，所述步骤2中，粗调正焦位置X5和位置X5前后另外两个位置分别为设位置X5、X6、X7所采集图像对应的评价值分别为Y5、Y6、Y7，则根据评价值对镜头对焦的三个位置进行修正，包括如下步骤：如果Y6<Y5<Y7，则用代替X5、X6、X7中离X8最远的位置；如果Y7<Y5<Y6，则用代替X5、X6、X7中离X8最远的位置；然后在位置X8处重新采集图像，并对应计算得到评价值Y8；对新的三个评价值再次判断是否单调，若单调则重复本步骤继续进行修正，循环该修正过程到所得到的三个评价值满足不单调为止。

进一步的，所述步骤2中，对于大小为m×n的图像f(x,y)，m为图像的宽度，n为图像的高度，x表示像素在宽度方向的值，x∈[0,m]，y表示像素在高度方向的值，y∈[0,n]，计算图像的评价值包括如下步骤：像素(x,y)的梯度值G(x,y)＝f(x+2,y)-f(x,y)，则图像的评价值

进一步的，所述步骤2中，根据函数拟合法计算出细调正焦位置包括如下步骤：根据最终修正后的三点位置Xi及对应的评价值Yi计算出拟合函数中的参数x’_f，取细调正焦位置X9为x’_f的向上取整值，其中c和d为函数系数。

一种电子显微镜自动对焦装置，包括：存储器，用于存储可执行指令；处理器，用于运行所述存储器存储的可执行指令，实现所述电子显微镜自动对焦方法。

有益效果：对焦深度法是一种基于搜索的对焦方式，在对焦过程中选取一系列清晰度不同的图像，并用清晰度评价函数来计算评价值，以此来指导对焦过程。本发明的一种电子显微镜自动对焦方法及装置，在粗调过程中使用N×N大小的像素块的平均灰度来计算梯度值，从而计算得到整个图像的梯度值均值，以此作为图像的评价值。设定高N值计算初始位置及其附近另外两个位置的图像评价值，高N值有利于覆盖更大的调焦范围但是灵敏度低。若图像评价值构成单调关系，表示未包含峰值位置，则很难合理地拟合出潜在的准焦位置，因此引入第四点修正取点位置，拟合曲线的取点范围能包含潜在峰值位置，拟合结果更加准确。以修正后的数据并根据离焦分析法计算出粗调正焦位置。然后设定低N值计算粗调正焦位置和附近小步长范围内的另外两个位置的图像评价值，采用低N值有助于提高灵敏度。同样以修正后的三点根据函数拟合法计算出细调正焦位置。相比传统被动式自动聚焦中所采用的对焦搜索算法，本方法完成自动对焦所需步骤少，提高了离焦量大时的图像区分能力，提高了电子显微镜的对焦速度。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明离焦分析法粗调步骤流程图；

图3是本发明粗调位置修正算法流程图；

图4是本发明曲线拟合法细调步骤流程图；

图5是本发明细调位置修正算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种电子显微镜自动对焦方法，包括如下步骤：

步骤1：在镜头对焦的初始位置和初始位置前后另外两个位置分别采集图像，计算所采集图像各自对应的评价值，根据评价值对镜头对焦的三个位置进行修正，然后根据离焦分析法计算出粗调正焦位置。

如图2所示，步骤1的粗调过程包括如下具体步骤：

步骤1.1：设置图像的清晰度评价函数的计算N值为3，计算N值表示函数运算取的窗口大小为N×N，即用大小为N×N的像素块的平均灰度来计算梯度值。

步骤1.2：计算初始位置X1采集图像的评价值Y1，计算过程如下：对于大小为m×n的图像f(x,y)，m为图像的宽度，n为图像的高度，x表示像素在宽度方向的值，x∈[0,m]，y表示像素在高度方向的值，y∈[0,n]，以该图像左上角的第一个像素(1,1)为起点，向右下构建第一个大小为3×3的像素块，计算该像素块的灰度平均值H_(1,1)：

选取第一个像素块右侧相隔3个像素，大小也为3×3的像素块为对照像素块，即该对照像素块以像素(7,1)为起点，计算该对照像素块的灰度平均值R_(1,1)：

则第一个像素块的梯度值T_(1,1)为：

T_(1，1)＝(R_(1，1)-H_(1，1))²

按照同样方法，先计算以第一个像素(1,1)右侧的第二个像素(2,1)为起点的第二个像素块的灰度平均值H_(2,1)，然后计算第二个像素块右侧相隔3个像素，大小为也为3×3的对照像素块的灰度平均值R_(2,1)，进而计算得到该第二个像素块的梯度值T_(2,1)；重复此过程，依次计算以第一行中各像素为起点的3×3像素块对应的梯度值，直到以像素点(m-8,1)为起点的像素块对应的梯度值H_(m-8,1)为止；然后按照第一行的计算过程以此计算第二行到第(n-2)行中各像素点为起点的像素块的梯度值。

最终整个图像的评价值Y1为：

步骤1.3：取X2＝X1/2，即镜头对焦位置移动到X2，计算出此位置所采集图像的评价值Y2，计算过程与位置X1处所采集图像的评价值Y1的计算过程相同。

步骤1.4：取X3＝(M-X1)/2，M为调焦范围最大位置，镜头移动到X3位置，计算出此位置采集图像的评价值Y3，计算过程与位置X1处所采集图像的评价值Y1的计算过程相同。

步骤1.5：如果步骤1.2至步骤1.4计算得到的三个评价值构成单***况，则对X1、X2、X3三点进行选点位置修正；如果没有构成单***况，则不做位置修正。

如图3所示，如果Y2<Y1<Y3，则用代替X1、X2、X3中离X4最远的位置；如果Y2>Y1>Y3，则用/>代替X1、X2、X3中离X4最远的位置，L表示对焦***调焦范围内步进马达采样位置数。然后在位置X4处重新采集图像，并对应计算得到评价值Y4，计算过程与位置X1处所采集图像的评价值Y1的计算过程相同。

步骤1.6：根据修正后的三点位置Xi及对应的评价值Yi计算出拟合函数中的参数x_f，取粗调正焦位置X5为x_f的向下取整值，其中a和b为函数系数。

步骤2：在粗调正焦位置X5和位置X5前后另外两个位置分别采集图像，计算所采集图像各自对应的评价值，根据评价值对镜头对焦的三个位置进行修正，然后根据函数拟合法计算出细调正焦位置。

如图4所示，步骤2的细调过程包括如下具体步骤：

步骤2.1：设置图像的清晰度评价函数的计算N值为1。

步骤2.2：计算位置X5所采集图像的评价值Y5，计算过程为：对于大小为m×n的图像f(x,y)，任意像素(x,y)的梯度值G(x,y)＝f(x+2,y)-f(x,y)，则图像的评价值

步骤2.3：令镜头移动到位置X6，并且计算出此位置所采集图像的评价值Y6，计算过程同位置X5处所采集图像的评价值Y5的计算过程相同。

步骤2.4：令镜头移动到位置X7，并且计算出此位置所采集图像的评价值Y7，计算过程同位置X5处所采集图像的评价值Y5的计算过程相同。

步骤2.5：如果步骤2.2至步骤2.4计算得到的三个评价值构成单***况，则对X5、X6、X7三点进行选点位置修正；如果没有构成单***况，则不做任何修正。

如图5所示，如果Y6<Y5<Y7，则用代替X5、X6、X7中离X8最远的位置。如果Y7<Y5<Y6，则用/>代替X5、X6、X7中离X8最远的位置。然后在位置X8处重新采集图像，并对应计算得到评价值Y8，计算过程同位置X5处所采集图像的评价值Y5的计算过程相同。对新的三个评价值再次判断是否单调，若单调则重复本步骤再修正一次，循环这个过程直至满足不单调的结果。

步骤2.6：根据最终修正后的三点位置Xi及对应的评价值Yi计算出拟合函数中的参数x’_f，取细调正焦位置X9为x’_f的向上取整值，其中c和d为函数系数。

步骤3：镜头移动到细调正焦位置，完成自动对焦。

一种电子显微镜自动对焦装置，包括：存储器，用于存储可执行指令；处理器，用于运行存储器存储的可执行指令，实现上述电子显微镜自动对焦方法。

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。

Claims (2)

1.一种电子显微镜自动对焦方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：在镜头对焦的初始位置和初始位置前后另外两个位置分别采集图像，计算所采集图像各自对应的评价值，根据评价值对镜头对焦的三个位置进行修正，然后根据离焦分析法计算出粗调正焦位置；

步骤2：在粗调正焦位置和粗调正焦位置前后另外两个位置分别采集图像，计算所采集图像各自对应的评价值，根据评价值对镜头对焦的三个位置进行修正，然后根据函数拟合法计算出细调正焦位置；

步骤3：镜头移动到细调正焦位置，完成自动对焦；

所述步骤1中，设镜头对焦的初始位置为X1，前后另外两个位置分别为X2＝X1/2，X3＝(M-X1)/2，M为调焦范围最大位置；设位置X1、X2、X3所采集图像对应的评价值分别为Y1、Y2、Y3，则根据评价值对镜头对焦的三个位置进行修正包括如下步骤：如果Y2<Y1<Y3，则用代替X1、X2、X3中离X4最远的位置；如果Y2>Y1>Y3，则用/>代替X1、X2、X3中离X4最远的位置，L表示对焦***调焦范围内步进马达采样位置数；然后在位置X4处重新采集图像，并对应计算得到评价值Y4；

所述步骤1中，对于大小为m×n的图像f(x,y)，m为图像的宽度，n为图像的高度，x表示像素在宽度方向的值，x∈[0,m]，y表示像素在高度方向的值，y∈[0,n]，计算图像的评价值包括如下步骤：对于像素(x,y)，向右下构建大小为N×N的像素块A，计算像素块A的灰度平均值H_(x,y)；选取像素块A右侧相隔3个像素，大小也为N×N的像素块B，计算像素块B的灰度平均值R_(x,y)；则像素块A的梯度值T_(x,y)＝(R-_(x,y)-H_(x,y))²；逐个计算图像第一行至第(n-2)行中，以第一至第(m-8)个像素为起点的各像素块的梯度值；最终整个图像的评价值

所述步骤1中，根据离焦分析法计算出粗调正焦位置包括如下步骤：根据修正后的三点位置Xi及对应的评价值Yi计算出拟合函数中的参数x_f，取粗调正焦位置X5为x_f的向下取整值，其中a和b为函数系数；

所述步骤2中，粗调正焦位置X5和位置X5前后另外两个位置分别为设位置X5、X6、X7所采集图像对应的评价值分别为Y5、Y6、Y7，则根据评价值对镜头对焦的三个位置进行修正，包括如下步骤：如果Y6<Y5<Y7，则用代替X5、X6、X7中离X8最远的位置；如果Y7<Y5<Y6，则用代替X5、X6、X7中离X8最远的位置；然后在位置X8处重新采集图像，并对应计算得到评价值Y8；对新的三个评价值再次判断是否单调，若单调则重复本步骤继续进行修正，循环该修正过程到所得到的三个评价值满足不单调为止；

所述步骤2中，对于大小为m×n的图像f(x,y)，m为图像的宽度，n为图像的高度，x表示像素在宽度方向的值，x∈[0,m]，y表示像素在高度方向的值，y∈[0,n]，计算图像的评价值包括如下步骤：像素(x,y)的梯度值G(x,y)＝f(x+2,y)-f(x,y)，则图像的评价值

所述步骤2中，根据函数拟合法计算出细调正焦位置包括如下步骤：根据最终修正后的三点位置Xi及对应的评价值Yi计算出拟合函数中的参数x’_f，取细调正焦位置X9为x’_f的向上取整值，其中c和d为函数系数。

2.一种电子显微镜自动对焦装置，其特征在于，包括：存储器，用于存储可执行指令；处理器，用于运行所述存储器存储的可执行指令，实现如权利要求1所述的电子显微镜自动对焦方法。