阅读说明：本技术 基于方差结合爬山搜索法的显微操作自动聚焦方法及系统 (Micro-operation automatic focusing method and system based on variance combined hill-climbing search method ) 是由 于兴虎 于 2020-04-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于方差结合爬山搜索法的显微操作自动聚焦方法及系统。该方法包括：将显微图像转为灰度图像；根据灰度图像的灰度值计算方差；将方差确定为聚焦值；根据聚焦值、当前物镜位置以及上一次物镜位置,采用爬山搜素方法确定下一次物镜位置；根据物镜初始移动距离和相邻两次物镜移动位置是否相反判断是否完成聚焦；若完成聚焦,则自动聚焦结束；若未完成聚焦,则将物镜移动至下一次物镜位置,返回步骤“获取显微图像、当前物镜位置以及上一次物镜位置”。采用本发明的方法及系统,利用方差作为清晰度评价标准,计算量较小,结合爬山搜索方法,在保证准确聚焦的前提下,提高了效率的同时对噪声敏感度较低,稳定性高。(The invention discloses a micromanipulation automatic focusing method and system based on variance combined with a hill climbing search method. The method comprises the following steps: converting the microscopic image into a gray image; calculating variance according to the gray value of the gray image; determining the variance as a focus value; determining the position of the objective lens at the next time by adopting a hill climbing search method according to the focusing value, the current position of the objective lens and the position of the objective lens at the last time; judging whether the focusing is finished according to the initial moving distance of the objective lens and whether the moving positions of the two adjacent objective lenses are opposite; if the focusing is finished, the automatic focusing is finished; and if the focusing is not finished, moving the objective lens to the next objective lens position, and returning to the step of acquiring the microscopic image, the current objective lens position and the last objective lens position. By adopting the method and the system, the variance is used as the definition evaluation standard, the calculated amount is small, and the method is combined with a hill climbing search method, so that the noise sensitivity is low and the stability is high while the efficiency is improved on the premise of ensuring accurate focusing.)

基于方差结合爬山搜索法的显微操作自动聚焦方法及系统

技术领域

本发明涉及显微操作自动聚焦技术领域，特别是涉及一种基于方差结合爬山搜索法的显微操作自动聚焦方法及系统。

背景技术

自动聚焦是一项基础的显微操作技术，特别是在微米纳米级别的生物观察和操作中，如：高通量观察筛选药理学药剂，传递外源物质到细胞中等。可靠的自动聚焦方法对于使用显微镜对微型机电系统进行微装配也是至关重要的。自动聚焦过程可以被划分为两个部分：图像清晰度评价和搜索算法。虽然图像清晰度评价指标是一个经久不衰的话题，并且相当一部分的聚焦算法也已经被广大研究学者所讨论，但是对于特定实验显微成像条件下的一个合适的清晰度定义和计算的选择，仍然是很困难的并且是非常费时费力的。此外，传统的基于导数的算法作为图像清晰度评价标准，对噪声的敏感性较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于方差结合爬山搜索法的显微操作自动聚焦方法及系统，利用方差作为清晰度评价标准，计算量较小，结合爬山搜索方法，在保证准确聚焦的前提下，提高了效率的同时对噪声敏感度较低，稳定性高。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于方差结合爬山搜索法的显微操作自动聚焦方法，包括：

获取显微图像、当前物镜位置以及上一次物镜位置；

将所述显微图像转为灰度图像；

根据所述灰度图像的灰度值计算方差；

将所述方差确定为聚焦值；

根据所述聚焦值、所述当前物镜位置以及所述上一次物镜位置，采用爬山搜素方法确定下一次物镜位置；

根据物镜初始移动距离和相邻两次物镜移动位置是否相反判断是否完成聚焦；若完成聚焦，则自动聚焦结束；若未完成聚焦，则将物镜移动至所述下一次物镜位置，并返回步骤“获取显微图像、当前物镜位置以及上一次物镜位置”。

可选的，所述根据所述灰度图像的灰度值计算方差，具体包括：

根据如下公式计算方差：

式中，F表示方差，H表示灰度图像高度方向像素值，W表示灰度图像宽度方向像素值，i(x,y)表示在所述灰度图像(x,y)点的灰度值，μ表示整个灰度图像的平均灰度值。

可选的，所述根据所述聚焦值、所述当前物镜位置以及所述上一次物镜位置，采用爬山搜素方法确定下一次物镜位置，具体包括：

根据如下公式确定下一次物镜位置：

式中，l_n+1表示下一次物镜位置，l_n表示当前物镜位置，l_n-1表示上一次物镜位置，f_n-1表示上一次聚焦值，f_n表示当前聚焦值，L表示物镜移动距离参数，当物镜当前移动方向与上一次移动方向相反时，L降低为初始物镜移动距离的一半。

可选的，根据物镜初始移动距离和相邻两次物镜移动位置是否相反判断是否完成聚焦，具体包括：

根据如下公式判断是否完成聚焦：

L_current＝L₀/2^k

式中，L_current表示当前物镜移动距离，k表示物镜移动方向改变次数，L₀表示物镜初始移动距离。

本发明还提供一种基于方差结合爬山搜索法的显微操作自动聚焦系统，包括：

获取模块，用于获取显微图像、当前物镜位置以及上一次物镜位置；

灰度转换模块，用于将所述显微图像转为灰度图像；

方差计算模块，用于根据所述灰度图像的灰度值计算方差；

聚焦值确定模块，用于将所述方差确定为聚焦值；

下一次物镜位置确定模块，用于根据所述聚焦值、所述当前物镜位置以及所述上一次物镜位置，采用爬山搜素方法确定下一次物镜位置；

判断模块，用于根据物镜初始移动距离和相邻两次物镜移动位置是否相反判断是否完成聚焦；若完成聚焦，则将指令发送至自动聚焦结束模块；若未完成聚焦，则将指令发送至物镜移动模块；

所述物镜移动模块，用于将物镜移动至所述下一次物镜位置，并将指令发送至所述获取模块；

所述自动聚焦结束模块，用于结束自动聚焦。

可选的，所述方差计算模块，具体包括：

方差计算单元，用于根据如下公式计算方差：

式中，F表示方差，H表示灰度图像高度方向像素值，W表示灰度图像宽度方向像素值，i(x,y)表示在所述灰度图像(x,y)点的灰度值，μ表示整个灰度图像的平均灰度值。

可选的，所述下一次物镜位置确定模块，具体包括：

下一次物镜位置确定单元，用于根据如下公式确定下一次物镜位置：

式中，l_n+1表示下一次物镜位置，l_n表示当前物镜位置，l_n-1表示上一次物镜位置，f_n-1表示上一次聚焦值，f_n表示当前聚焦值，L表示物镜移动距离参数，当物镜当前移动方向与上一次移动方向相反时，L降低为初始物镜移动距离的一半。

可选的，所述判断模块，具体包括：

判断单元，用于根据如下公式判断是否完成聚焦：

L_current＝L₀/2^k

式中，L_current表示当前物镜移动距离，k表示物镜移动方向改变次数，L₀表示物镜初始移动距离。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种基于方差结合爬山搜索法的显微操作自动聚焦方法及系统，获取显微图像、当前物镜位置以及上一次物镜位置，将图像转为灰度图像；根据灰度图像的灰度值计算方差；将方差确定为聚焦值；根据聚焦值、当前物镜位置以及上一次物镜位置，采用爬山搜素方法确定下一次物镜位置；根据物镜初始移动距离和相邻两次物镜移动位置是否相反判断是否完成聚焦；若完成聚焦，则自动聚焦结束；若未完成聚焦，则将物镜移动至下一次物镜位置，并重新获取显微图像，利用方差作为清晰度评价标准，计算量较小，结合爬山搜索方法，在保证准确聚焦的前提下，提高了效率的同时对噪声敏感度较低，稳定性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中基于方差结合爬山搜索法的显微操作自动聚焦方法流程图；

图2为本发明实施例中基于方差结合爬山搜索法的显微操作自动聚焦系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于方差结合爬山搜索法的显微操作自动聚焦方法及系统，利用方差作为清晰度评价标准，计算量较小，结合爬山搜索方法，在保证准确聚焦的前提下，提高了效率的同时对噪声敏感度较低，稳定性高。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例

图1为本发明实施例中基于方差结合爬山搜索法的显微操作自动聚焦方法流程图，如图1所示，一种基于方差结合爬山搜索法的显微操作自动聚焦方法，包括：

步骤101：获取显微图像、当前物镜位置以及上一次物镜位置。

步骤102：将显微图像转为灰度图像。

步骤103：根据灰度图像的灰度值计算方差。

步骤103，具体包括：

根据如下公式计算方差：

式中，F表示方差，H表示灰度图像高度方向像素值，W表示灰度图像宽度方向像素值，i(x,y)表示在灰度图像(x,y)点的灰度值，μ表示整个灰度图像的平均灰度值，Height表示灰度图像高度方向，Width表示灰度图像宽度图像。

步骤104：将方差确定为聚焦值。

步骤105：根据聚焦值、当前物镜位置以及上一次物镜位置，采用爬山搜素方法确定下一次物镜位置。

步骤105，具体包括：

根据如下公式确定下一次物镜位置：

式中，l_n+1表示下一次物镜位置，l_n表示当前物镜位置，l_n-1表示上一次物镜位置，f_n-1表示上一次聚焦值，f_n表示当前聚焦值，L表示物镜移动距离参数，当物镜当前移动方向与上一次移动方向相反时，L降低为初始物镜移动距离的一半，n表示移动物镜次数。

步骤106：根据物镜初始移动距离和相邻两次物镜移动位置是否相反判断是否完成聚焦；若完成聚焦，则执行步骤108；若未完成聚焦，则执行步骤107。

步骤106，具体包括：

根据如下公式判断是否完成聚焦：

L_current＝L₀/2^k

式中，L_current表示当前物镜移动距离，k表示物镜移动方向改变次数，L₀表示物镜初始移动距离。

步骤107：将物镜移动至下一次物镜位置，并返回步骤101。

步骤108：自动聚焦结束。

图2为本发明实施例中基于方差结合爬山搜索法的显微操作自动聚焦系统结构图。如图2所示，一种基于方差结合爬山搜索法的显微操作自动聚焦系统，包括：

获取模块201，用于获取显微图像、当前物镜位置以及上一次物镜位置。

灰度转换模块202，用于将显微图像转为灰度图像。

方差计算模块203，用于根据灰度图像的灰度值和显微图像的像素值计算方差。

方差计算模块203，具体包括：

方差计算单元，用于根据如下公式计算方差：

式中，F表示方差，H表示灰度图像高度方向像素值，W表示灰度图像宽度方向像素值，i(x,y)表示在灰度图像(x,y)点的灰度值，μ表示整个灰度图像的平均灰度值。

聚焦值确定模块204，用于将方差确定为聚焦值。

下一次物镜位置确定模块205，用于根据聚焦值、当前物镜位置以及上一次物镜位置，采用爬山搜素方法确定下一次物镜位置。

下一次物镜位置确定模块205，具体包括：

下一次物镜位置确定单元，用于根据如下公式确定下一次物镜位置：

式中，l_n+1表示下一次物镜位置，l_n表示当前物镜位置，l_n-1表示上一次物镜位置，f_n-1表示上一次聚焦值，f_n表示当前聚焦值，L表示物镜移动距离参数，当物镜当前移动方向与上一次移动方向相反时，L降低为初始物镜移动距离的一半。

判断模块206，用于根据物镜初始移动距离和相邻两次物镜移动位置是否相反判断是否完成聚焦；若完成聚焦，则将指令发送至自动聚焦结束模块208；若未完成聚焦，则将指令发送至物镜移动模块207。

判断模块206，具体包括：

判断单元，用于根据如下公式判断是否完成聚焦：

L_current＝L₀/2^k

式中，L_current表示当前物镜移动距离，k表示物镜移动方向改变次数，L₀表示物镜初始移动距离。

物镜移动模块207，用于将物镜移动至下一次物镜位置，并将指令发送至获取模块；

自动聚焦结束模块208，用于结束自动聚焦。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。