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专利号: 2019106702852
申请人: 中国地质大学(武汉)
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 光学
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种对焦过程模型可设定的显微镜自动对焦方法,其特征在于:包括以下步骤:

S1:以观测物体的某块区域作为基准区域,通过等间隔调节显微镜头的位置采集一组显微图像,并记录每个位置对应的镜头坐标;利用Tenengrad清晰度评价函数,并结合人眼感知以及设定的对焦过程模型,得到所述显微图像对焦评价分数;一张显微图像和该图像对应的对焦评价分数组成一个训练子样本,所有的训练子样本构成训练样本;所述设定的对焦过程模型即对焦评价分数与镜头坐标的变化关系满足高斯函数模型G(x;a,μ,δ),其中,x为镜头坐标,a为增益,μ为实际焦点坐标,δ为方差;

S2:根据所述训练样本,对以MobileNetV2为骨架网络的深度神经网络进行训练,得到对焦评价模型Fs(x),该焦评价模型Fs(x)用来计算对焦评价分数;

S3:采集解析样本,并利用所述对焦评价模型Fs(x),求解对焦过程高斯函数模型的参数 其中参数 表示预测焦点坐标;所述解析样本由以包括起始对焦点和终止对焦点在内的任意t个对焦点及其对应的图像评价分数构成,t为正整数,且t>2;

S4:通过在所述预测焦点坐标的周围预设区域内进行局部搜索得到最终的焦点坐标,该最终的焦点坐标对应的点即为得到的光学显微镜观测物体自动对焦点。

2.如权利要求1所述的一种对焦过程模型可设定的显微镜自动对焦方法,其特征在于:

在步骤S1中,所述训练样本由多组显微图像及对应对焦评价分数组成;以显微镜头的最小移动步长为等间隔,在物体成像焦点位置的上下方各采集m张图像,m为大于1的正整数;这m张图像构成一组样本,移动或更换不同物体,按照上述方法采集多组样本;该多组样本即为所述训练样本中的多组显微图像;设定每组样本的对焦评价分数S与显微镜头坐标x之间的关系满足高斯函数模型 以人眼感知的每组样本最佳显微图像对应的镜头坐标为焦点坐标,该焦点坐标即为所述高斯函数模型中参数μ的值;任意选择一组样本作为基准样本,该基准样本对焦过程满足 其中μ0为基准样本的焦点坐标,a0为基准样本的增益,δ0为基准样本的方差,σ0为基准样本的均值,且σ0,a0>0;

Tenengrad清晰度评价函数在显微镜头坐标x处采集的显微图像Px对应的清晰评价值为T(Px);则其他组样本的对焦评价分数为 其中, 为第j种样本第i张图像的评价分数, 为第j种样本第i张图像的显微镜头坐标,μj为第j组训练样本焦点所对应的显微镜头坐标,Tmaxj为第j种样本最大清晰度评价值,Tmax0为所述基准样本的最大清晰度评价值。

3.如权利要求1所述的一种对焦过程模型可设定的显微镜自动对焦方法,其特征在于:

在步骤S2中,所述以MobileNetV2为骨架网络的深度神经网络的输出层神经元个数设置为

1;采用训练样本利用指数衰减梯度下降优化器和Glorot统一初始化技术对对焦评价模型进行训练。

4.如权利要求1所述的一种对焦过程模型可设定的显微镜自动对焦方法,其特征在于:

在步骤S3中,在显微镜头坐标x处采集的显微图像为Px,选取包括起始对焦点和终止对焦点在内的任意t个对焦点的过程如下:(1)假设显微镜头的起始对焦点为P0,对应的显微图像的聚焦评价分数为Fs(P0);在初始对焦点为P0处调节显微镜头,朝方向D(D=1/D=-1)移动步长L(L=l0)到对焦点P1;比较Fs(P0)和Fs(P1)的大小,并更新方向D和步长L;若Fs(P1)<Fs(P0),则方向D更新为-1*D,L更新为pL;否则,方向D保持不变,L更新为qL;其中,D=1表示显微镜头的运动方向为向上(远离观测物体),D=-1表示显微镜头的运动方向为向下(靠近观测物体);其中,p和q均为非零正整数;其中,l0为显微镜头的最小运动步长;

(2)在对焦点P1处,以更新后的方向D继续调节显微镜头,移动到对焦点P2处,对应的显微图像的聚焦评价分数为Fs(P2);

(3)重复步骤(2),直到满足条件Fs(Pi)>Fs(Pi-1)且Fs(Pn)<Fs(Pn-1)为止,得到n组对焦点及其对应的显微图像的聚焦评价分数:{(P0,Fs(P0)),(P1,Fs(P1)),...,(Pn,Fs(Pn))};其中,Pn为终止对焦点,i和n均为正整数,且1

(4)从步骤(3)的n组对焦点及其对应的显微图像的聚焦评价分数中,选取包括起始对焦点和终止对焦点及其对应的图像清晰度评价值(P0,Fs(P0))和(Pn,Fs(Pn))在内的任意t个对焦点及其对应的图像清晰度评价值作为解析样本。

5.如权利要求4所述的一种对焦过程模型可设定的显微镜自动对焦方法,其特征在于:

在步骤S3中,利用所述解析样本求解对焦过程高斯函数模型 的参数

利用最小二乘法原理得到矩阵X、A和Y:

其中有XA=Y,p0、p1...pt为选取的包括起始对焦点和终止对焦点的任意t个对焦点,A为系数矩阵,a0、a1和a2均为系数,Fs(p0)、Fs(p1)...Fs(pt)为分别对应对焦点p0、p1...pt的图像清晰度评价值,A=(XTX)-1XTY, 求解出来的 即为预测焦点坐标。

6.如权利要求1所述的一种对焦过程模型可设定的显微镜自动对焦方法,其特征在于:

调节显微镜头以最小移动步长沿步骤S4中得到的所述最终的焦点坐标上下各运动k次,得到2k+1个对焦点及该对焦点时对应的Tenengrad图像清晰度评价值,将得到的2k+1个对焦点对应的Tenengrad图像清晰度评价值进行比较,最小Tenengrad图像清晰度评价值对应的对焦点即为微调后得到的对焦点,其中,k为大于1的正整数。