本發(fā)明屬于機(jī)器視覺技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種顯微鏡自動(dòng)聚焦技術(shù)，特別涉及一種結(jié)核桿菌檢測(cè)儀的顯微鏡自動(dòng)聚焦技術(shù)。

背景技術(shù)：

結(jié)核分枝桿菌，俗稱結(jié)核桿菌，是引起慢性傳染疾病結(jié)核病的病原菌。在全球范圍內(nèi)，結(jié)核病仍是主要傳染病之一，每年有約900萬例新發(fā)患者和200萬例死亡患者。研究表明，早期診斷、早期治療是防治結(jié)核病、提高結(jié)核病患者生存率的最有效手段。

從病理學(xué)角度來講，最可靠也是目前確診結(jié)核病最重要的方法是結(jié)核桿菌鏡檢法。人工鏡檢法存在一些不可無視的問題。首先，人工鏡檢法需要病理專家或經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)的醫(yī)師進(jìn)行操作。其次，人工鏡檢法工作量巨大，要完整判讀一個(gè)載玻片(標(biāo)本)需在顯微鏡下觀察至少300個(gè)視野。再次，人工檢測(cè)無法給出準(zhǔn)確的定量信息，例如結(jié)核桿菌濃度、形態(tài)特征分布等，且無法有效記錄和復(fù)查。結(jié)核桿菌檢測(cè)儀通過機(jī)器視覺系統(tǒng)有效克服人工鏡檢法存在的問題和不足之處，實(shí)現(xiàn)結(jié)核桿菌檢測(cè)的自動(dòng)化和智能化，將徹底顛覆現(xiàn)有的結(jié)核病診斷模式。

高質(zhì)量顯微圖像的獲取是結(jié)核桿菌檢測(cè)儀乃至顯微鏡自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)中最為關(guān)鍵技術(shù)之一。顯微圖像獲取系統(tǒng)主要包括顯微鏡光學(xué)系統(tǒng)、自動(dòng)聚焦運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和圖像采集系統(tǒng)三部分組成。其中，顯微鏡自動(dòng)聚焦技術(shù)是高質(zhì)量圖像獲取的基礎(chǔ)和核心技術(shù)?，F(xiàn)有的顯微鏡自動(dòng)聚焦技術(shù)分主要分為兩類：主動(dòng)聚焦和被動(dòng)聚焦。主動(dòng)聚焦通過激光或紅外線等方式測(cè)量顯微鏡物鏡與目標(biāo)(樣本焦平面)之間的距離并進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到聚焦位置即完成聚焦。被動(dòng)聚焦基于當(dāng)前圖像信息，利用聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)當(dāng)前圖像信息進(jìn)行聚焦?fàn)顟B(tài)評(píng)價(jià)，利用評(píng)價(jià)結(jié)果和焦平面搜索策略(聚焦策略)控制電機(jī)調(diào)整顯微鏡物鏡與目標(biāo)間距離準(zhǔn)確定位到焦平面位置，即完成聚焦。主動(dòng)聚焦一般需要添加激光或紅外線測(cè)距元件，實(shí)用性較低和成本較高，在顯微鏡自動(dòng)聚焦領(lǐng)域并不適用，故通常采用被動(dòng)聚焦方式進(jìn)行聚焦。

基于被動(dòng)聚焦的顯微鏡聚焦技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)包括三個(gè)方面：聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)、焦平面搜索策略和精度控制。

在聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)方面：現(xiàn)有聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)研究比較成熟，但針對(duì)結(jié)核桿菌檢測(cè)方面均表現(xiàn)較差。結(jié)核桿菌檢測(cè)樣本為痰涂片，實(shí)際樣本中往往含有涂抹不均勻區(qū)域，這些區(qū)域涂抹薄厚不一導(dǎo)致在顯微鏡成像中圖像有效信息量波動(dòng)很大。樣本(結(jié)核桿菌痰涂片)涂抹厚的區(qū)域顏色極深，不改變曝光參數(shù)往往導(dǎo)致成像不理想，對(duì)后續(xù)聚焦完成圖像的使用產(chǎn)生較大影響。樣本涂抹薄的區(qū)域顏色較淺，在圖像噪聲和過曝光的影響下聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)準(zhǔn)確性降低，進(jìn)而影響聚焦策略導(dǎo)致聚焦不準(zhǔn)確或聚焦失敗。

在焦平面搜索策略方面：現(xiàn)有的聚焦策略技術(shù)包括盲人爬山法和曲線擬合法兩類。盲人爬山法首先隨意選取一個(gè)聚焦方向，按照設(shè)定的步進(jìn)距離計(jì)算這個(gè)區(qū)間內(nèi)聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)的變化情況判斷下一步步進(jìn)方向。由于聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)的具有單峰性，故在焦平面(波峰)處左側(cè)聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)單調(diào)遞增，右側(cè)單調(diào)遞減。當(dāng)運(yùn)動(dòng)過波峰時(shí)斷定找到焦平面，反向移動(dòng)至波峰即完成聚焦。此方法較為通用，但由于步進(jìn)距離固定，在景深很小、精度要求較高的結(jié)核桿菌自動(dòng)聚焦中會(huì)造成小步長(zhǎng)、多次步進(jìn)的情況，效率較低。曲線擬合法在距離焦平面較遠(yuǎn)時(shí)由于評(píng)價(jià)函數(shù)曲線波動(dòng)很小其擬合準(zhǔn)確性很差。

在聚焦精度控制方面：實(shí)際聚焦中往往存在運(yùn)動(dòng)誤差，如電機(jī)運(yùn)動(dòng)丟步、通訊延時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)并沒有涉及或給出相關(guān)解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

一種結(jié)核桿菌檢測(cè)儀的高質(zhì)量圖像獲取裝置，包括XYZz平臺(tái)、顯微鏡、工業(yè)相機(jī)、計(jì)算機(jī)，其特征在于，

所述XYZz平臺(tái)包括XYZz平臺(tái)X層、XYZz平臺(tái)Y層、XYZz平臺(tái)基座，還包括多個(gè)步進(jìn)電機(jī)、多個(gè)光柵尺和多組限位開關(guān)；

所述顯微鏡包括顯微鏡物鏡、載玻片、顯微鏡透射光源，其中，載玻片上方是顯微鏡物鏡，下方是顯微鏡透射光源，顯微鏡物鏡用于獲取載玻片上樣本的顯微圖像；

工業(yè)相機(jī)采集到的圖像是顯微鏡物鏡獲取載玻片上樣本的顯微圖像，所述顯微圖像后經(jīng)采集卡傳輸?shù)剿鲇?jì)算機(jī)，所述計(jì)算機(jī)根據(jù)處理結(jié)果使得所述XYZz平臺(tái)上的步進(jìn)電機(jī)、光柵尺和限位開關(guān)共同作用，實(shí)現(xiàn)聚焦。

優(yōu)選地，步進(jìn)電機(jī)為四個(gè)，光柵尺為三個(gè)，限位開關(guān)為三組。

一種結(jié)核桿菌檢測(cè)儀的高質(zhì)量圖像獲取方法，其采用上述的裝置，其特征在于，該方法包括：

第一部分、將含待測(cè)樣本的載玻片放入所述XYZz平臺(tái)，Z軸的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)顯微鏡粗準(zhǔn)焦螺旋向下轉(zhuǎn)動(dòng)觸碰限位后運(yùn)動(dòng)到載玻片絕對(duì)上方，開啟圖像采集與動(dòng)態(tài)曝光方法，Z軸的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)顯微鏡細(xì)準(zhǔn)焦螺旋進(jìn)行搜索聚焦；

第二部分、所述搜索聚焦完成后，所述XYZz平臺(tái)的X軸的步進(jìn)電機(jī)、Y軸的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)所述XYZz平臺(tái)X層、所述XYZz平臺(tái)Y層以S型曲線移動(dòng)，顯微圖像進(jìn)入下一個(gè)待聚焦視野，進(jìn)行掃描聚焦；

第三部分、重復(fù)第二部分直至完成所有目標(biāo)視野自動(dòng)聚焦任務(wù)，在此期間聚焦失敗或聚焦時(shí)進(jìn)行小范圍二次聚焦。

優(yōu)選地，如果聚焦失敗或者根據(jù)需要，進(jìn)行小范圍二次聚焦。

優(yōu)選地，第一部分包括：

步驟一：初始設(shè)置；包括將含待測(cè)樣本的載玻片放入所述XYZz平臺(tái)的指定位置，打開工業(yè)相機(jī)，開啟圖像采集功能，相機(jī)參數(shù)重置；

步驟二：動(dòng)態(tài)曝光策略；控制工業(yè)相機(jī)曝光時(shí)間得到圖像平均灰度值和平均亮度值，分別與灰度聚焦卷積矩陣和亮度聚焦卷積矩陣相乘，求和后得到曝光評(píng)價(jià)函數(shù)，得到合理曝光時(shí)間；

步驟三：XYZz平臺(tái)運(yùn)動(dòng)復(fù)位；包括通過PID控制算法運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)所述顯微鏡物鏡在焦平面絕對(duì)上方且與焦平面距離盡可能?。?/p>

步驟四：初次聚焦；得到焦平面位置p，Z軸的步進(jìn)電機(jī)以S型加速曲線移動(dòng)至焦平面位置p，完成搜索聚焦，保存圖像。

優(yōu)選地，第二部分包括：

步驟五：掃描聚焦；X軸的步進(jìn)電機(jī)、Y軸的步進(jìn)電機(jī)分別帶動(dòng)XYZz平臺(tái)X層、XYZz平臺(tái)Y層平移，掃描聚焦循環(huán)至整個(gè)載玻片待測(cè)視野；

步驟六：整個(gè)載玻片待測(cè)視野全部自動(dòng)聚焦結(jié)束。

優(yōu)選地，第三部分包括：步驟七：二次聚焦，所述二次聚焦與掃描聚焦步驟相同，經(jīng)驗(yàn)閾值為掃描聚焦中選擇的經(jīng)驗(yàn)閾值的二分之一。

本發(fā)明主要解決高質(zhì)量顯微圖像獲取的技術(shù)問題，特別是結(jié)核桿菌檢測(cè)儀高質(zhì)量圖像獲取的技術(shù)問題，其主要優(yōu)點(diǎn)在于：

1.本發(fā)明的圖像采集動(dòng)態(tài)曝光策略，降低了結(jié)核桿菌痰涂片或其他樣本涂抹不均勻?qū)D像獲取和成像使用的影響；

2.本發(fā)明采用的動(dòng)態(tài)聚焦方法，尤其在大范圍聚焦和載玻片掃描聚焦階段采用不同聚焦方式，提高自動(dòng)聚焦過程的速度和魯棒性；

3.本發(fā)明采用連續(xù)聚焦，即通過四個(gè)步進(jìn)電機(jī)、三組限位開關(guān)、三個(gè)光柵尺組成的“XYZz”軸自動(dòng)聚焦平臺(tái)極大提高自動(dòng)聚焦速度和自動(dòng)化程度，可實(shí)現(xiàn)多視野連續(xù)自動(dòng)聚焦；

4.本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的高精度聚焦運(yùn)動(dòng)，通過改變電機(jī)運(yùn)動(dòng)模式，利用S型曲線和PID算法運(yùn)動(dòng)模型降低運(yùn)動(dòng)誤差，提高焦平面定位的準(zhǔn)確性。

附圖說明

通過閱讀下文優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述，各種其他的優(yōu)點(diǎn)和益處對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優(yōu)選實(shí)施方式的目的，而并不認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。而且在整個(gè)附圖中，用相同的參考符號(hào)表示相同的部件。在附圖中：

附圖1示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的一種結(jié)核桿菌高質(zhì)量圖像獲取裝置的結(jié)構(gòu)圖。

附圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的一種結(jié)核桿菌高質(zhì)量圖像獲取裝置在聚焦階段的聚焦曲線圖。

附圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的一種結(jié)核桿菌高質(zhì)量圖像獲取裝置在掃描聚焦階段的聚焦邏輯圖。

附圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的一種結(jié)核桿菌高質(zhì)量圖像獲取裝置在掃描聚焦階段的運(yùn)動(dòng)軌跡圖。

具體實(shí)施方式

下面將參照附圖更詳細(xì)地描述本公開的示例性實(shí)施方式。雖然附圖中顯示了本公開的示例性實(shí)施方式，然而應(yīng)當(dāng)理解，可以以各種形式實(shí)現(xiàn)本公開而不應(yīng)被這里闡述的實(shí)施方式所限制。相反，提供這些實(shí)施方式是為了能夠更透徹地理解本公開，并且能夠?qū)⒈竟_的范圍完整的傳達(dá)給本領(lǐng)域的技術(shù)人員。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，提出一種結(jié)核桿菌高質(zhì)量圖像獲取裝置結(jié)構(gòu)，其主要包括：XYZz平臺(tái)、顯微鏡、工業(yè)相機(jī)、計(jì)算機(jī)和相關(guān)電氣設(shè)備。如圖1所示，1為顯微鏡物鏡，2為待測(cè)載玻片，3為XYZz平臺(tái)X層，4為XYZz平臺(tái)Y層、5為XYZz平臺(tái)基座。XYZz平臺(tái)X層和XYZz平臺(tái)Y層通過安裝在Y層上的兩組直線導(dǎo)軌滑塊連接固定，XYZz平臺(tái)Y層和XYZz平臺(tái)基座通過安裝在基座上的兩組直線導(dǎo)軌滑塊連接固定，載玻片由X層一端的凹槽推入X層中心位置，顯微鏡物鏡底部與載玻片表面初始間距3mm。

在使用過程中，調(diào)整顯微鏡物鏡1底部與載玻片2表面之間的距離大小，即自動(dòng)聚焦的直觀表現(xiàn)。XYZz平臺(tái)X層可沿設(shè)定的“X軸”方向水平移動(dòng)，兩端設(shè)有限位開關(guān)。Y層運(yùn)動(dòng)形式、行程與X層相同，方向正交。

載玻片上方是顯微鏡物鏡，下方是顯微鏡透射光源，工業(yè)相機(jī)采集到的圖像即顯微鏡物鏡獲取載玻片上樣本的顯微圖像，經(jīng)采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)根據(jù)處理結(jié)果發(fā)送相應(yīng)運(yùn)動(dòng)指令，XYZz平臺(tái)上的電機(jī)、光柵尺和限位開關(guān)共同作用實(shí)現(xiàn)平臺(tái)相關(guān)運(yùn)動(dòng)指令。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，采用上述的結(jié)核桿菌高質(zhì)量圖像獲取裝置結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了結(jié)核桿菌高質(zhì)量顯微圖像獲取方法，該方法主要包括如下三部分：

第一部分，將含待測(cè)樣本的載玻片固定放入“XYZz平臺(tái)”，“Z軸”即電機(jī)帶動(dòng)顯微鏡粗準(zhǔn)焦螺旋向下轉(zhuǎn)動(dòng)觸碰限位后運(yùn)動(dòng)到載玻片絕對(duì)上方，開啟圖像采集與動(dòng)態(tài)曝光方法，“z軸”即電機(jī)帶動(dòng)顯微鏡細(xì)準(zhǔn)焦螺旋進(jìn)行搜索聚焦。

第二部分，搜索聚焦完成后“XYZz平臺(tái)”的“X軸”、“Y”軸帶動(dòng)XYZz平臺(tái)的“X層”、“Y層”遵循“S型曲線運(yùn)動(dòng)”移動(dòng)。顯微圖像進(jìn)入下一個(gè)待聚焦視野，進(jìn)行掃描聚焦。

第三部分，重復(fù)第二部分直至完成所有目標(biāo)視野自動(dòng)聚焦任務(wù)，在此期間聚焦失敗或聚焦時(shí)進(jìn)行小范圍二次聚焦。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式，具體步驟如下：

步驟一：放入載玻片，推至指定位置。

打開工業(yè)相機(jī)，開啟圖像采集功能，相機(jī)參數(shù)重置；

步驟二：動(dòng)態(tài)曝光策略。

其具體包括：不改變光圈大小和曝光增益，控制工業(yè)相機(jī)曝光時(shí)間實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)采集圖像平均亮度。此策略在每個(gè)聚焦周期起始或電機(jī)周期運(yùn)動(dòng)起始時(shí)啟動(dòng)。通過獲得5張不同曝光時(shí)間的顯微圖像，使用最小二乘法擬合曝光時(shí)間和圖像平均亮度值之間的函數(shù)關(guān)系，控制圖像平均亮度值在[50,200]區(qū)間內(nèi)，即為合理曝光時(shí)間；

進(jìn)一步，平均亮度計(jì)算方法如下：

將待測(cè)圖像等分成9個(gè)寬度為M、高度為N個(gè)像素點(diǎn)的全等矩形P_i，i∈[0,9]。矩形中第(m,n)個(gè)像素點(diǎn)灰度值為g(m,n)，亮度值為I(m,n)。對(duì)應(yīng)矩陣P_i的平均灰度值為平均亮度值為i∈[0,9]。

將圖像由RGB顏色空間轉(zhuǎn)換到符合人眼觀察邏輯的HSI顏色空間，以亮度分量I作為評(píng)價(jià)函數(shù)的基本指標(biāo)。

g(m,n)＝0.299R_m,n+0.587G_m,n+0.114B_m,n (1)

其中，R_m,n、G_m,n、B_m,n為圖像中(m,n)像素點(diǎn)在RGB顏色空間中紅、綠、藍(lán)通道的值。

由(1)式和(2)式可得：

根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)極大或極小時(shí)，目標(biāo)聚焦特征消失、聚焦誤差急劇增大，此時(shí)應(yīng)通過調(diào)整曝光時(shí)間使回歸正常值。

最后，加入曝光卷積矩陣，綜合得出曝光評(píng)價(jià)函數(shù)E：

其中W、L為灰度聚焦卷積矩陣和亮度聚焦卷積矩陣，依據(jù)顯微鏡成像景深較小、邊緣灰度值梯度略小于中央?yún)^(qū)域，設(shè)定卷積矩陣以得到更為精準(zhǔn)的曝光評(píng)價(jià)函數(shù)。

步驟三：“XYZz”平臺(tái)運(yùn)動(dòng)復(fù)位。

X軸和Y軸反轉(zhuǎn)觸碰限位開關(guān)后配合光柵尺運(yùn)用PID控制算法正向轉(zhuǎn)動(dòng)，使物鏡(油鏡)處于檢測(cè)的起始位置。Z軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)顯微鏡粗準(zhǔn)焦螺旋向下轉(zhuǎn)動(dòng)，通過觸碰限位開關(guān)回零后配合光柵尺運(yùn)用PID控制算法向上運(yùn)動(dòng)，至載玻片距顯微鏡物鏡(油鏡)上方。此步驟通過PID控制算法運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)物鏡在焦平面絕對(duì)上方且與焦平面距離盡可能小。

其中，運(yùn)用PID控制算法包括：上位機(jī)通過CAN協(xié)議發(fā)送運(yùn)動(dòng)目標(biāo)位置p_d到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)周期性將光柵尺反饋的電機(jī)當(dāng)前位置p_c與目標(biāo)位置p_d的差值p_d輸入PID控制算法中，計(jì)算下一周期電機(jī)需要運(yùn)動(dòng)的脈沖量并控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，反復(fù)多個(gè)周期直至電機(jī)運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置p_d。通過將PID控制算法運(yùn)用在該系統(tǒng)中，可以明顯提高運(yùn)動(dòng)精度。

步驟四：初次聚焦階段。

z軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)顯微鏡細(xì)準(zhǔn)焦螺旋向下勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，開始基于“盲人爬山”算法的大步長(zhǎng)搜索聚焦。此搜索聚焦方法有別于常規(guī)盲人爬山算法，在每一步(或每一個(gè)搜索區(qū)間)起始啟用動(dòng)態(tài)曝光策略獲得最佳曝光圖像，且步長(zhǎng)(搜索區(qū)間)大于常規(guī)爬山算法，聚焦準(zhǔn)確性更高、速度更快。聚焦邏輯如圖2所示，波峰為焦平面，越過波峰后使用“s型加速曲線”精確定位至波峰位置完成搜索聚焦。

進(jìn)一步，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，初次聚焦步驟包括：

1)z軸電機(jī)勻速正向轉(zhuǎn)動(dòng)(XYZz平臺(tái)向下移動(dòng))，物鏡(油鏡)到達(dá)起始位置。

2)工業(yè)相機(jī)每幀圖像進(jìn)行聚焦評(píng)價(jià)，直至完成一個(gè)搜索區(qū)間。此階段的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)采用改進(jìn)后的Std評(píng)價(jià)函數(shù)，提高計(jì)算效率。如式8。

其中，M、N為圖像像素寬度和高度。

3)聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)結(jié)果與光柵尺返回的當(dāng)前位置、平均灰度值三個(gè)值關(guān)聯(lián)儲(chǔ)存在二維數(shù)組R[3,S]中，S行，3列。

4)找出R[3,S]中最大聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)值V(即區(qū)間內(nèi)所有V_std中的最大值)和最大平均灰度值G，V所在光柵尺位置是此聚焦區(qū)間的最清晰圖像所在位置，稱為局部最佳位置p。p位置的平均灰度值、聚焦評(píng)價(jià)值為最佳灰度值g、最佳聚焦值v。一般的，V＝v，g≠G。

5)對(duì)聚焦結(jié)果判斷時(shí)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速、光柵尺分辨率、顯微鏡細(xì)準(zhǔn)焦螺旋分辨率等因素加入邊界閾值，此系列閾值為經(jīng)驗(yàn)值。可設(shè)運(yùn)動(dòng)邊界閾值T_m＝0.02、曝光邊界閾值T_e＝0.1和評(píng)價(jià)邊界閾值T_f＝0.03；

若p≥S·T_m&p≤S·(1-T_m)；

即局部最佳位置落在理想?yún)^(qū)間內(nèi)，判定p為焦平面所在位置；

若p＜S·T_m&|g-G|＜G·T_e；

即局部最佳位置在區(qū)間左端且圖像內(nèi)容無明顯變化，判定此區(qū)間聚焦失敗，返回初始位置重新聚焦；

若p＞S·(1-T_m)&|g-G|＜G·T_e；

即局部最佳位置在區(qū)間右端且圖像內(nèi)容無明顯變化，判定此區(qū)間無焦平面，繼續(xù)搜索聚焦；

若p＞S·(1-T_m)&|g-G|＞G·T_e；

即局部最佳位置在區(qū)間右端且圖像內(nèi)容有明顯變化，判定此區(qū)間無焦平面，繼續(xù)搜索聚焦；

若p＜S·(1-T_m)&|g-G|＞G·T_e；

即局部最佳位置在區(qū)間左端且圖像內(nèi)容有明顯變化，判定此區(qū)間聚焦失敗，返回初始位置反向聚焦；

6)電機(jī)“s型加速曲線”運(yùn)動(dòng)至焦平面位置p，完成搜索聚焦，保存圖像；

7)對(duì)焦平面位置圖像再次進(jìn)行聚焦評(píng)價(jià)，聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)值v′。若判斷為聚焦準(zhǔn)確；否則聚焦失敗，進(jìn)行二次聚焦。

步驟五：掃描聚焦。

X軸、Y軸電機(jī)帶動(dòng)X層、Y層平臺(tái)平移，遵循預(yù)設(shè)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)入下一個(gè)待聚焦顯微視野，運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。z軸反向轉(zhuǎn)動(dòng)固定距離到達(dá)掃描聚焦起始位置。開啟聚集評(píng)價(jià)和自動(dòng)曝光策略，z軸正向轉(zhuǎn)動(dòng)2倍固定距離，此區(qū)間最佳聚焦評(píng)價(jià)值所在位置即焦平面位置。聚焦邏輯如圖4所示，掃描聚焦循環(huán)至整個(gè)載玻片待測(cè)視野全部自動(dòng)聚焦結(jié)束。

進(jìn)一步，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，掃描聚焦步驟如下：

1)取經(jīng)驗(yàn)閾值r為掃描聚焦的掃描半徑，一般根據(jù)待測(cè)樣本焦平面景深大小、步進(jìn)電機(jī)步長(zhǎng)、光柵尺細(xì)分選?。?/p>

2)z軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)顯微鏡細(xì)準(zhǔn)焦螺旋“S型運(yùn)動(dòng)曲線”反向轉(zhuǎn)動(dòng)r距離；

3)z軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)顯微鏡細(xì)準(zhǔn)焦螺旋勻速正向轉(zhuǎn)動(dòng)2r距離，采用Tenegrad評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)每幀圖像進(jìn)行聚焦評(píng)價(jià)，直至完成一個(gè)掃描區(qū)間；

4)聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)結(jié)果與光柵尺返回的當(dāng)前位置、平均灰度值三個(gè)值關(guān)聯(lián)儲(chǔ)存在二維數(shù)組R[3,S]中，S行，3列；

5)找出R[3,S]中最大聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)值V和最大平均灰度值G，V所在光柵尺位置是此聚焦區(qū)間的最清晰圖像所在位置，稱為局部最佳位置p。p位置的平均灰度值、聚焦評(píng)價(jià)值為最佳灰度值g、最佳聚焦值v。一般的，V＝v，g≠G。

6)電機(jī)“s型加速曲線”運(yùn)動(dòng)至焦平面位置p，完成掃描聚焦，保存焦平面所在位置圖像；

7)對(duì)焦平面位置圖像再次進(jìn)行聚焦評(píng)價(jià)，聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)值v′。若判斷為聚焦準(zhǔn)確；否則聚焦失敗，進(jìn)行二次聚焦。

步驟六：整個(gè)載玻片待測(cè)視野全部自動(dòng)聚焦結(jié)束；

步驟七：二次聚焦。二次聚焦與掃描聚焦步驟相同，經(jīng)驗(yàn)閾值為掃描聚焦的二分之一。

具體實(shí)施例：

根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)例，一種結(jié)核桿菌高質(zhì)量圖像獲取及裝置技術(shù)方案如下：

本實(shí)施方案包括奧林巴斯BX43顯微鏡、XYZz運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、JAIGO-5000M-USB高速工業(yè)相機(jī)，自動(dòng)聚焦樣本(載玻片)為抗酸染色結(jié)核桿菌痰涂片。

XYZz平臺(tái)如圖1所示，1為顯微鏡物鏡，2為待測(cè)載玻片，3為XYZz平臺(tái)X層，4為XYZz平臺(tái)Y層、5為XYZz平臺(tái)基座。平臺(tái)X層與Y層通過安裝在Y層上的兩組直線導(dǎo)軌滑塊連接固定，Y層與平臺(tái)基座通過安裝在基座上的兩組直線導(dǎo)軌滑塊連接固定，載玻片由X層一端的凹槽推入X層中心位置，顯微鏡物鏡底部與載玻片表面初始間距3mm。

XYZz平臺(tái)X層可沿設(shè)定的“X軸”方向水平移動(dòng)，兩端設(shè)有限位開關(guān)。Y層運(yùn)動(dòng)形式、行程與X層相同，方向正交。

載玻片上方是顯微鏡物鏡，下方是顯微鏡透射光源，工業(yè)相機(jī)采集到的圖像即顯微鏡物鏡獲取載玻片上樣本的顯微圖像，經(jīng)采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)根據(jù)處理結(jié)果發(fā)送相應(yīng)運(yùn)動(dòng)指令，XYZz平臺(tái)上的電機(jī)、光柵尺和限位開關(guān)共同作用實(shí)現(xiàn)平臺(tái)相關(guān)運(yùn)動(dòng)指令。

具體步驟如下：

步驟一：將結(jié)核桿菌痰涂片放入XYZz平臺(tái)，推至中心處在顯微鏡物鏡正下方位置。打開工業(yè)相機(jī)，開啟圖像采集功能，重置相機(jī)參數(shù)；

步驟二：?jiǎn)?dòng)動(dòng)態(tài)曝光策略。此策略在每個(gè)聚焦周期起始或電機(jī)周期運(yùn)動(dòng)起始時(shí)啟動(dòng)，首先獲得5張曝光時(shí)間為3000μs、5000μs、8000μs、12000μs、16000μs的顯微圖像，其次使用最小二乘法擬合曝光時(shí)間和圖像平均亮度值val之間的函數(shù)關(guān)系，控制圖像平均亮度值在[50,200]區(qū)間內(nèi)，即為合理曝光時(shí)間t；

步驟三：X軸和Y軸帶動(dòng)X層、Y層平臺(tái)反轉(zhuǎn)，觸碰限位開關(guān)后配合光柵尺運(yùn)用PID控制算法正向運(yùn)動(dòng)至物鏡位于載玻片樣本的左上角，此為自動(dòng)聚焦的起始點(diǎn)。Z軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)顯微鏡粗準(zhǔn)焦螺旋反轉(zhuǎn)(向下)，觸碰限位開關(guān)后正轉(zhuǎn)(向上)至載玻片距顯微鏡100倍物鏡(油鏡)3mm處；

步驟四：搜索聚焦。具體步驟如下：

1)z軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)顯微鏡細(xì)準(zhǔn)焦螺旋正向勻速轉(zhuǎn)動(dòng)(向下)，運(yùn)動(dòng)距離為300。

2)工業(yè)相機(jī)每幀圖像進(jìn)行聚焦評(píng)價(jià)，直至完成電機(jī)停止。此階段的聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)采用改進(jìn)后的std評(píng)價(jià)函數(shù)，如下式。

其中，M、N為圖像像素寬度和高度。

3)聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)結(jié)果與光柵尺返回的當(dāng)前位置、平均灰度值三個(gè)值關(guān)聯(lián)儲(chǔ)存在二維數(shù)組R[3,S]中，S行，3列。

4)找出R[3,S]中最大聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)值V(即區(qū)間內(nèi)所有V_std中的最大值)和最大平均灰度值G，V所在光柵尺位置是此聚焦區(qū)間的最清晰圖像所在位置，稱為局部最佳位置p。p位置的平均灰度值、聚焦評(píng)價(jià)值為最佳灰度值g、最佳聚焦值v。一般的，V＝v，g≠G。

5)對(duì)聚焦結(jié)果判斷時(shí)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速、光柵尺分辨率、顯微鏡細(xì)準(zhǔn)焦螺旋分辨率等因素加入邊界閾值，此系列閾值為經(jīng)驗(yàn)值。對(duì)于結(jié)核桿菌顯微圖像，可設(shè)運(yùn)動(dòng)邊界閾值T_m＝0.02、曝光邊界閾值T_e＝0.1和評(píng)價(jià)邊界閾值T_f＝0.03；

若p≥S·T_m&p≤S·(1-T_m)；

判定p為焦平面所在位置；

若p＜S·T_m&|g-G|＜G·T_e；

R[3,S]清空，返回初始位置重新聚焦；

若p＞S·(1-T_m)&|g-G|＜G·T_e；

R[3,S]清空，繼續(xù)搜索聚焦；

若p＞S·(1-T_m)&|g-G|＞G·T_e；

R[3,S]清空，繼續(xù)搜索聚焦；

若p＜S·(1-T_m)&|g-G|＞G·T_e；

聚焦失敗，R[3,S]清空，返回初始位置反向聚焦；

6)電機(jī)“s型加速曲線”運(yùn)動(dòng)至焦平面位置p，完成搜索聚焦，保存圖像；

7)對(duì)焦平面位置圖像再次進(jìn)行聚焦評(píng)價(jià)，聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)值v′。若判斷為聚焦準(zhǔn)確；否則聚焦失敗，進(jìn)行二次聚焦。

步驟五：X軸電機(jī)帶動(dòng)XYZz平臺(tái)的X層正向平移200，進(jìn)入下一個(gè)待測(cè)顯微視野開始掃描聚焦。當(dāng)物鏡位于待測(cè)樣本X軸向邊緣時(shí)，X層停止運(yùn)動(dòng)。X層回起始點(diǎn)，Y軸電機(jī)帶動(dòng)XYZz平臺(tái)的Y層正向平移200，繼續(xù)掃描聚焦。掃描聚焦具體步驟如下：

1)結(jié)核桿菌痰涂片景深較小，取掃描聚焦的掃描半徑r＝30；

2)z軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)顯微鏡細(xì)準(zhǔn)焦螺旋“S型運(yùn)動(dòng)曲線”反向轉(zhuǎn)動(dòng)r距離。

3)z軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)顯微鏡細(xì)準(zhǔn)焦螺旋勻速正向轉(zhuǎn)動(dòng)2r距離，采用Tenegrad評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)每幀圖像進(jìn)行聚焦評(píng)價(jià)，直至完成一個(gè)掃描區(qū)間；

4)聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)結(jié)果與光柵尺返回的當(dāng)前位置、平均灰度值三個(gè)值關(guān)聯(lián)儲(chǔ)存在二維數(shù)組R[3,S]中，S行，3列。

5)找出R[3,S]中最大聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)值V和最大平均灰度值G，V所在光柵尺位置是此聚焦區(qū)間的最清晰圖像所在位置，稱為局部最佳位置p。p位置的平均灰度值、聚焦評(píng)價(jià)值為最佳灰度值g、最佳聚焦值v。一般的，V＝v，g≠G。

6)電機(jī)“s型加速曲線”運(yùn)動(dòng)至焦平面位置p，完成掃描聚焦，保存焦平面所在位置圖像；

7)對(duì)焦平面位置圖像再次進(jìn)行聚焦評(píng)價(jià)，聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)值v′。若判斷為聚焦準(zhǔn)確；否則聚焦失敗，進(jìn)行二次聚焦。

步驟六：整個(gè)載玻片待測(cè)視野全部自動(dòng)聚焦結(jié)束。

步驟七：二次聚焦。二次聚焦與掃描聚焦步驟相同，經(jīng)驗(yàn)閾值r＝15。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。