基于变步距遍历的自动聚焦方法
阅读说明：本技术 基于变步距遍历的自动聚焦方法 (Automatic focusing method based on variable step distance traversal ) 是由 左超 张晓磊 孙佳嵩 胡岩 沈德同 尹维 于 2021-07-26 设计创作，主要内容包括：发明提出了一种基于变步距遍历的自动聚焦方法,先以大步距在给定的搜索区间中执行迭代搜索并计算聚焦评价函数,找到该轮聚焦中聚焦评估函数的极值点并以该点位置确定下轮遍历搜索区间；再以较小步距进行下一轮遍历,直到步距小于阈值聚焦结束。这种方法兼具大步距遍历的快速和小步距遍历的精确,且有效避免了各自的弊端。(The invention provides an automatic focusing method based on variable step-pitch traversal, which comprises the steps of executing iterative search in a given search interval by large step pitch, calculating a focusing evaluation function, finding an extreme point of the focusing evaluation function in the round of focusing, and determining a next round of traversal search interval according to the point position; and performing the next round of traversal by a smaller step pitch until the step pitch is smaller than the threshold value and focusing is finished. The method has the advantages of high speed of large-step traversal and high accuracy of small-step traversal, and effectively avoids respective defects.)
技术领域
本发明属于本发明属于计算光学显微成像技术，具体为一种基于变步距遍历的自动聚焦方法。
背景技术
光学显微镜因其精度高，稳定性好在生物医学领域得到广泛的应用。我们在对样品进行观察及检测时，若仅依靠手动进行光学显微镜聚焦，易带来误差，且光学显微镜自动化程度低，不符合现代发展的需求。因此，通过光学显微镜的自动控制，聚焦过程的全自动化不仅可以提高实验和分析的速度，还可以减少人为误差对显微成像质量的影响，使用更方便。
手动聚焦经常需要通过人眼观察图像是否清晰，边缘是否锐利，而这种主观的判断方法无法用于客观的聚焦判断，并且成像系统也无法判断图像是否聚焦。为了实现成像系统的自动聚焦，让成像系统或图像处理终端具备判断图像是否聚焦的能力就变为了首要任务。图像在不同聚焦离焦位置图像被提取出的有效信息存在很大的差异，根据这种差异能够对图像聚焦进行判断。聚焦评价函数对聚焦的判断直接影响到自动聚焦算法的速度和准确性，因此聚焦评价函数在聚焦过程中起着至关重要的作用。数十年来，针对获取的图像进行处理计算得到聚焦判据不断地被研究人员及学者们提出，针对不同方面的聚焦判据也层出不穷。使用图像的清晰度作为标准，就能实现根据清晰度执行搜索的自动聚焦功能。
从显微镜手动聚焦的过程中可以看出，图像会由于离焦产生的模糊，随着聚焦过程，图像细节部分越来越明显。所以，自动聚焦搜索算法的功能在于控制电机在显微镜物镜的行程内运动，结合图像清晰度评价算法，以求找到最佳聚焦平面。显微镜聚焦过程要求极高的精度，所以对于聚焦步距需优化选择—移动的步距过大则直接略过了图像的聚焦面，导致怎样都不可能聚焦，步距缩小虽然搜索到聚焦面的概率增大，但是会导致搜索总的步数多而耗费时间。自动聚焦搜索方式主要包括了测距法、基于图像处理方法以及聚焦检测法，其中，测距法又可以被细分为三角测距法、超声波测距法和红外测距法这三个方法。对比测距法与聚焦检测方法中的相位差检测法与反差检测法，由于不需要额外的测量设备，基于图像处理的自动聚焦更具适应性，因而成为聚焦领域的研究热点。
在基于图像处理的自动聚焦算法中，遍历搜索法方法简单易懂，抗干扰能力强，但是这种方法因为要对一层层图像进行图像聚焦评价，计算量比较大，而且移动的间隔距离需要大量的实验才可以获得，如果间隔设置过大有可能会跳过聚焦面，造成局部搜索的缺陷，如果间隔设置过小，聚焦精度可以实现，但是同样会因为间隔过小，移动的步数过多，计算量过大。因此这种方式在实际的应用中并不一定实用，需加以改进才能投入实用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于变步距遍历的自动聚焦方法，兼具大步距遍历的快速和小步距遍历的精确，且有效避免了各自的弊端。
本发明的技术方案如下：一种基于变步距遍历的自动聚焦方法，步骤如下：
步骤1.确定初始遍历步距；
步骤2.以显微物镜电控位移台运动范围为初始搜索域，在第一轮遍历中，以初始确定的较大步距进行等间距遍历，并计算各点的聚焦评价函数；
步骤3.比较各个遍历位置的聚焦评价函数，得到聚焦评价函数取最值的位置；
步骤4.以该点正负一个间距的区间作为下一轮搜索域，以小步距进行下一轮遍历，并计算各点的聚焦评价函数；
步骤5.重复步骤3～4，直到步距小于停止聚焦时步距的阈值，聚焦结束。
优选的，步骤1中确定初始遍历步距的的原则为：采用该初始遍历步距不会跳过聚焦面，该初始遍历步距小于聚焦评价函数曲线最大值峰的宽度。
优选的，步骤1具体为：
(1)先以极小步距遍历整个电机运动范围得到精确的聚焦评价函数曲线图；
(2)选取最大值峰中高于曲线均值的部分的宽度作为初始遍历步距，该步距必定小于最大值峰的宽度。
优选的，步骤2中计算聚焦评价函数的方法为：
采用经过Sobel梯度算子处理过的图像的平均灰度值作为聚焦评价函数，计算公式如下：V＝mean(Sobel(f(x，y)))。
优选的，步骤4中确定下一轮较小遍历步距的方法为：
下一轮较小遍历步距取上一轮遍历步距的1/N，N为5～10之间的正整数。
优选的，步骤5中阈值的确定依据为电机精度，将阈值设置为与电机精度同数量级的距离。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)变步距遍历兼具大步距遍历的快速和小步距遍历的精确，且有效避免了大步距略过极值点和小步距计算耗时的弊端；(2)基于图像处理的自动聚焦算法不依赖额外的测量设备，结构简单，原理和计算简洁明了，可实现快速准确的自动聚焦。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
图2为理想的聚焦评价函数示意图。
图3为确定初始遍历步距的示意图。
图4为本发明变步距遍历算法流程的示意图。
图5为本发明聚焦效果的示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本实施例的整体流程如图1所示，其中变步距遍历算法流程如图4所示。具体做法如下。
步骤1.确定初始遍历步距，如图2、图3所示。确定第一轮初始遍历步距的原则为采用该步距应不会跳过聚焦面。所以该遍历步距应小于聚焦评价函数曲线最大值峰的宽度，才能保证遍历过程包含了最值附近区域。
具体做法如下所示：
(1)先以极小步距遍历整个电机运动范围得到精确的聚焦评价函数曲线图；
(2)此时，选取最大值峰中高于曲线均值的部分的宽度作为初始遍历步距，该步距必定小于最大值峰的宽度，以该较大步距进行等间距遍历，并计算各点的聚焦评价函数，即经过Sobel梯度算子处理过的图像的平均灰度值：
V＝mean(Sobel(f(x，y)))。
理想的聚焦评价函数曲线应具备良好的单峰性、灵敏性、鲁棒性，最好还能满足通用性高，计算量小的要求。
值得注意的是，虽然确定初始遍历步距的过程就已经进行了精细耗时的遍历，但是仅需确定这一次初始步距。样品厚度差异不大的情况下，随后的自动聚焦过程都可以沿用该步骤中的初始步距。
步骤2.以显微物镜电控位移台运动范围为初始搜索域，在第一轮遍历中，以初始确定的较大步距进行等间距遍历，并计算各点的聚焦评价函数。
步骤3.比较各个遍历位置的聚焦评价函数，得到聚焦评价函数取最值的位置。
步骤4.以该点正负一个间距的区间作为下一轮搜索域，确定下一轮遍历的步距。为计算简便，通常取上一轮遍历步距的1/N(N为正整数)作为本轮遍历的步距。其中，N越大该轮遍历步距越小，确定聚焦位置时越精确，但计算量增大；N越小该轮遍历步距越大，遍历越快，但步距过大可能会略过聚焦面导致后续轮次的结果都错误。因此，以结果的准确为原则，采用较大N值，一般可取5～10。即，
以该小步距进行下一轮遍历，并计算各点的聚焦评价函数。
步骤5.重复步骤3-4，直到步距小于阈值，聚焦结束。其中，确定阈值的主要依据为电机精度，严格地可将阈值设置为与电机精度同数量级的距离。也可适当增大。
以上实施例是基于变步距遍历的自动聚焦方法，其中包含了基于图像处理的聚焦评价方法和变步距遍历的搜索算法。
其中基于图像处理的聚焦评价方法不依赖额外的测量设备，结构简单，原理和计算简洁明了；变步距遍历的搜索算法兼具大步距遍历的快速和小步距遍历的精确，且有效避免了大步距略过极值点和小步距计算耗时的弊端。本发明是对基于遍历搜索的自动聚焦算法的一种有效改进，极大地提升了聚焦速度，保证了聚焦精度，使聚焦过程更为自动、高效。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。