光顯微成像系統(tǒng)自動對焦技術(shù)的研究

商艷芝　江旻珊

摘要：

自動對焦技術(shù)是精密光學(xué)儀器中的關(guān)鍵技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用要求的提高，對具有精度高、速度快和穩(wěn)定性好的自動對焦技術(shù)的需求越來越迫切。針對以上問題，基于顯微鏡系統(tǒng)簡要介紹自動對焦技術(shù)，并提出一種快速離焦深度計(jì)算方法，不但減少了估計(jì)離焦量的計(jì)算量而且不需改變光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)，尤其適合顯微對焦系統(tǒng)。同時(shí)還提出結(jié)合型的對焦新方法，實(shí)現(xiàn)高效率、高精度的對焦。

關(guān)鍵詞：

顯微鏡； 自動對焦； 離焦量估計(jì)

中圖分類號： TG 115.21文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.02.010

Abstract：

Autofocusing is the key technologies of precision optical instrument. With the continuous development of science and technology and improved application demands， it is more and more urgent to develop an autofocusing with high precision， fast speed and good stability. This paper introduces the autofocus techniques based on microscope and proposes a fast depth from defocus （DFD） method which reduces the computation. And the method doesnt need to change the intrinsic parameters of the optical systems， which is especially suitable for microscope systems. And the paper comes up with a new combined method， which can realize autofocusing with high efficiency.

Keywords： microscopes； autofocusing； estimation of defocus distance

引言

顯微鏡是景深很小的一類光學(xué)系統(tǒng)，快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)自動對焦有很大的難度。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用要求的不斷提高，進(jìn)一步研究自動對焦技術(shù)，提高精度、效率和穩(wěn)定性，有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。1993年，Subbarao等發(fā)表了Focusing Techniques一文，其在自動對焦領(lǐng)域有著很大的影響，為對焦評價(jià)函數(shù)研究奠定了理論基礎(chǔ)[1]。目前形成的主要方法有測距法、焦點(diǎn)檢測法、基于圖像處理的自動對焦方法。測距法[2]主要有紅外線測距法和超聲波測距法[34]，焦點(diǎn)檢測法主要運(yùn)用于單反相機(jī)，其中最后一種自動對焦方法包括對焦深度法（depth from focus，DFF）和離焦深度法（depth from defocus，DFD）。山東大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等也對自動對焦系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究[57]，并且開發(fā)的自動對焦技術(shù)在實(shí)際中，如投影系統(tǒng)[8]、紅外成像系統(tǒng)[9]得到了應(yīng)用。本文主要介紹基于圖像處理的方法，并結(jié)合上述兩個(gè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)提出一種全新的算法，使自動對焦技術(shù)的性能得以優(yōu)化[10]。

1對焦深度法

對焦深度法主要包括三個(gè)核心問題：對焦評價(jià)函數(shù)的選取，對焦窗口的選擇和搜索算法的布置。

在對焦系統(tǒng)中，對焦程度越高圖像的清晰度越清晰，反之則模糊?？臻g域上表現(xiàn)為相鄰像素的特征值變化較大，頻率域上表現(xiàn)為圖像頻譜的高頻分量多，數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)角度上表現(xiàn)為圖像像素的方差較大。理想的對焦評價(jià)函數(shù)應(yīng)滿足以下特點(diǎn)：單峰值性、單調(diào)性、斜率絕對值較大以及計(jì)算量小。常用的評價(jià)函數(shù)有梯度評價(jià)函數(shù)、頻譜評價(jià)函數(shù)和統(tǒng)計(jì)學(xué)評價(jià)函數(shù)。梯度函數(shù)用來提取圖像的邊緣信息，對焦程度高的圖像更清晰，呈現(xiàn)出更明顯的尖銳邊緣，圖像具有更大的梯度函數(shù)值，常用梯度函數(shù)有Brenner函數(shù)、Tenengrad函數(shù)、拉普拉斯算子函數(shù)和能量梯度函數(shù)；頻譜評價(jià)函數(shù)中給出了離散余弦變換和傅里葉變換兩種函數(shù)，提取出圖像中的高頻分量作為評價(jià)函數(shù)；統(tǒng)計(jì)學(xué)評價(jià)函數(shù)中主要有Masgrn函數(shù)、Range函數(shù)、Menmay函數(shù)以及應(yīng)用最為廣泛的圖像灰度方差函數(shù)。

對焦窗口直接影響對焦算法的計(jì)算量、復(fù)雜和精確度。對焦窗口過大則計(jì)算量大，而且會包含過多的背景信息；若對焦窗口過小，雖然計(jì)算量小但容易受到噪聲的影響，并且包含的圖像信息量過少也不能達(dá)到評價(jià)效果。最合適的窗口應(yīng)該是使對焦評價(jià)函數(shù)滿足單峰值性且有一定斜率大小的最小的窗口。當(dāng)對焦評價(jià)函數(shù)出現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上的峰值時(shí)，很容易導(dǎo)致對焦失敗，這時(shí)可采用多個(gè)對焦小窗口。首先把整幅圖像按一定規(guī)則分成多個(gè)圖像塊，然后從眾多的小窗口中識別出干擾區(qū)域，選出最合適的一個(gè)或幾個(gè)小窗口作為最終對焦窗口。同時(shí)考慮到對焦精度，也可選擇多個(gè)對焦評價(jià)函數(shù)值相對較大的小窗口作為對焦窗口。

搜索算法用于找到質(zhì)量最好的圖像。常用的是“盲人”爬山算法，即：首先設(shè)置一個(gè)較大的搜索步長，然后通過比較在兩點(diǎn)的評價(jià)函數(shù)值確定搜索方向，直至越過曲線最高點(diǎn)；若當(dāng)前獲取的圖像評價(jià)函數(shù)值小于前一幅圖像的，則第一輪搜索結(jié)束。改變搜索方向，按同樣的程序進(jìn)行第二輪搜索。如此，進(jìn)行幾輪搜索過程后便可找到評價(jià)函數(shù)曲線的最大值。但固定步長搜索易受到局部峰值的影響，也容易降低對焦的精度。新提出的四分搜索算法策略，搜索步長隨著搜索位置靠近評價(jià)函數(shù)峰值位置而減小，不但縮短了搜索次數(shù)，而且可以一定程度上避免局部峰值的影響，也提高了對焦穩(wěn)定性。

2離焦深度法

離焦深度法是一種從離焦圖像中獲取目標(biāo)物體在光學(xué)系統(tǒng)中深度信息的方法。

在離焦成像系統(tǒng)中，如圖1所示，光學(xué)系統(tǒng)的離焦量和圓孔衍射效應(yīng)以及成像傳感器效應(yīng)決定了圖像的模糊程度。光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)[13]就是綜合這幾點(diǎn)影響因素而形成的，它描述了點(diǎn)光源在成像傳感器平面上的成像函數(shù)，比較常用的有圓柱形點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)和二維高斯點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。

對于僅改變鏡頭成像平面的距離獲得的不同圖像，對應(yīng)點(diǎn)的模糊參數(shù)之間是線性關(guān)系的，因此若求得兩幅圖像之間的模糊差異，也可求出物體的深度l。

目前離焦量的計(jì)算有好幾種方法。其中馮華君[4]提出了兩種離焦量計(jì)算方法：第一種方法是先檢測出離焦圖像的模糊邊緣，根據(jù)模糊邊緣的變化求得模糊參數(shù)σ，進(jìn)而利用前面所述原理求得物體深度；第二種方法是通過比較兩幅離焦圖像中對應(yīng)區(qū)域離焦程度的變化，進(jìn)而求得物體的深度。另外，也可用多項(xiàng)式來近似描述聚焦圖像，求出一幅離焦圖像的模糊參數(shù)σ，進(jìn)而求出物體的深度信息[5]。但此方法涉及對圖像進(jìn)行微分和高階矩的計(jì)算，對噪聲比較敏感，因此魯棒性不高。而且圖像不一定都能用三階多項(xiàng)式來近似，必須先對圖像進(jìn)行相應(yīng)的濾波處理，這樣也會降低算法的精確性。

本文提出了一種快速離焦深度計(jì)算方法，通過改變物距和像距來實(shí)現(xiàn)自動對焦，不涉及復(fù)雜運(yùn)算，減少運(yùn)算時(shí)間的同時(shí)提高了運(yùn)算效率。

3結(jié)合對焦深度和離焦深度的自動對焦

由于對焦深度法對評價(jià)函數(shù)的要求很高，同時(shí)離焦深度法的精度較低，故結(jié)合這兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，提出一種新的具有高精度高效率的對焦方法，即：利用離焦深度法可先確定對焦范圍，再利用對焦深度法保證最終的對焦精度。整個(gè)過程分為兩個(gè)階段：粗對焦和細(xì)對焦。粗對焦過程中首先利用離焦深度法計(jì)算目標(biāo)物體當(dāng)前的離焦量，然后把這個(gè)離焦量作為參考依據(jù)設(shè)計(jì)搜索步長，搜索過程直至估計(jì)的離焦量小于預(yù)先設(shè)定的閾值為止，粗對焦過程結(jié)束。接著采用對焦深度法進(jìn)入細(xì)對焦過程。結(jié)合型方法中，首先采用大步長搜索，大大減少搜索次數(shù)，提高了對焦效率，而且大步長的搜索策略還可避免評價(jià)函數(shù)局部峰值的影響；其次，靠近對焦位置區(qū)域采用精度高的對焦深度法進(jìn)行對焦，也保證了該方法的精度。

4結(jié)論

本文對顯微系統(tǒng)的自動對焦技術(shù)進(jìn)行了概括和總結(jié)，并提出了一種快速離焦深度計(jì)算方法和新型自動對焦技術(shù)，并對此方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于不同目標(biāo)物體，估計(jì)值非常接近，說明該法通用性好，可適用不同的目標(biāo)物體；而且離焦量估計(jì)值隨真實(shí)值增大而增大，兩者之間近似呈線性關(guān)系，說明該方法在定性分析上的正確性，為實(shí)現(xiàn)快速自動對焦提供了可能性。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：程愛婕）