一种多目标点对焦方法及其应用与流程

1.本发明涉及一种多目标点对焦方法及其应用。


背景技术：

2.在病理诊断、组织切片拍摄图等领域，需要对样品进行大范围显微成像。特定倍率物镜下，显微镜能拍摄的样品范围有限，为此需要对样品不同区域分别拍摄，最后进行图像拼接。
3.由于样品各部分厚度不一，并且载物台可能发生倾斜，因此需要对待扫描样品的不同区域分别进行对焦。通过软件，可以标记所要对焦的各个区域。这些目标点零散地分布于扫描区域内。如何安排这些目标点的先后顺序，使总路程最短，这个问题可以归结为图论中的“旅行商问题”。
4.现有的技术中，对多个目标点的对焦顺序主要是按照目标点的序号、随机，或者从左到右的简单顺序来进行；有的专利(cn109151319b)，是按照“与上一个点最短的距离”来确定下一个点。这些方法存在转移时间长、工作效率不高的问题。
5.蚁群算法是一种启发式算法，它可以较快地求出一个接近最优的解。相比“旅行商问题”的其他算法，如floyed
‑
hungary法、最小树法，或遗传算法，该方法算法简单，易于编程实现。而在将它实际应用于切片扫描仪这种存在多目标对焦需求的设备时，发现由于x、y方向的马达可以同时作动，总的遍历时间并不简单地取决于总的路径长度。
6.为了缩短遍历和对焦时间，需要解决两个问题：(1)给定多个需要对焦的目标点，如何安排目标点的先后顺序，使得总的路径最短。也即如何减少从一个对焦点转移到下一个对焦点的过程中，所花的总的时间。(2)如何给定更接近焦点的起始对焦位置，使得对焦的时间较短。也即如何缩短搜索焦点的过程的时间。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种能够缩短切换目标点的时间和自动对焦的时间，提高工作效率的多目标点对焦方法及其应用。
8.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
9.一种多目标点对焦方法，包括：
10.获取所选定区域的所有待对焦的目标点；
11.确定第一目标点；
12.计算出所有目标点的访问顺序；
13.开始对第一目标点进行对焦，记录对焦位置；
14.第一目标点对完焦后，对其他目标点进行参考对焦，每次都以上次对焦的最终位置作为对焦的起始位置；若上次对焦失败，则本次需进行全对焦。
15.进一步的，所述的目标点包括有手动目标点和自动目标点，其中，手动目标点为手动选取获得，自动目标点的获得方式为：分析选定区域内像素的变化情况，如果灰度变化较
大，或者相对整体偏暗，则认为该部分为样品所在的区域，对该区域随机生成目标点。
16.进一步的，所述第一目标点的确定方法为：选定区域中心位置附近的点作为第一目标点。
17.进一步的，所有目标点的访问顺序的计算方法为：
18.生成和检查初始条件：将距离过近的目标点合并为一个，初始化算法参数和列表，如果目标点为空，则算法终止；否则，进行路径构建；
19.路径构建：存储图g的邻接权重矩阵，初始化算法控制参数；
20.路径选择：以第一个目标点为起点，计算其邻接结点的选择概率，直到图中所有结点都被遍历且最终回到起点为止，计算最佳路径，并进行保留；
21.信息素更新：根据当前的最佳路径修改结点之间的概率，更新信息素列表；
22.迭代：重复执行路径选择和信息素更新，并设置检查终止条件，在满足中止条件后，中止迭代；
23.结束：保留最终的最佳路径和路线长度。
24.进一步的，在生成和检查初始条件中，初始化算法参数和列表的方法为：统计目标点数目n，蚂蚁数目m，初始的最短路径长度l及其对应的结点列表tour，允许访问的城市列表allowed，蚂蚁所经过的路径释放的信息素δτ。
25.进一步的，在路径构建中，根据所有目标点的坐标，计算两两之间的距离，生成邻接矩阵g，根据样品的条件，确定控制参数，包括初始的信息素浓度c0，信息素和能见度的权重α，β。
26.进一步的，在路线选择中，计算其邻接结点的选择概率的方法为：以第一个目标点为起点，为每只蚂蚁选择下一个结点，即邻接结点，该结点从allowed中选择，按公式
[0027][0028]
计算邻接结点的选择概率，每选择一个，就将该结点从allowed中删除，更新该列表，该过程重复n
‑
1次；其中i，j分别为起点和终点，η
ij
＝1/d
ij
为能见度，d
ij
是i，j的距离，τ
ij
为时间t时由i到j的信息素的强度，allowed
k
为尚未访问过的结点，α，β为两常数，分别是信息素和能见度的权重。
[0029]
进一步的，在路线选择中，计算最佳路径的方法为：按照信息素增量公式计算每个蚂蚁δτ矩阵值，比较每个蚂蚁的路径，和l比较，若它的路径比l小，则将该值赋予l，并且将tour更新为当前路径的结点列表，其中l
k
为第k只蚂蚁走完整条路径后所得到的总长度。
[0030]
进一步的，在信息素更新中，将信息素增量公式中得到的总长度l
k
修改为x、y方向上距离较大者构成的总长度，其公式为
[0031]
根据该公式计算节点之间的概率。
[0032]
本发明所要解决的另一技术问题为提供一种如上所述的多目标点对焦方法在数
字切片扫描仪中的应用。
[0033]
本发明的有益效果是：
[0034]
采用了修改版的蚁群算法，确定了多目标对焦顺序，节省了目标点转移过程的时间；参考上一个目标点的对焦位置作为该目标点的起始对焦位置，缩小了对焦的搜索范围，提高了对焦效率。
附图说明
[0035]
图1为数字切片扫描仪的主要结构图；
[0036]
图2为多目标点对焦顺序算法的步骤流程图；
[0037]
图3为目标点访问顺序的计算步骤流程图。
具体实施方式
[0038]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0039]
实施例1
[0040]
见图1，是数字切片扫描仪的主要结构图，包括：电动载物台1，用于放置样品，可以通过电动马达沿x和y轴运动，从而实现对样品的扫描，z轴则需要手动调整；物镜2，用于在高倍下拍摄样品的局部图像，它和物镜转盘固定在调焦机构上，可以随调焦机构上下运动；电动调焦机构3，用于自动对焦，由于其在z轴方向上的运动范围有限，因此只有在其对焦范围内才能成功对焦，为此需要在自动对焦前，先将载物台手动调节至自动对焦范围内；目镜和相机4，用于观察高倍下样品的光学图像或数字图像；摄像头5，用于观察样品全貌，选择对焦范围和多目标点。
[0041]
见图2，是数字切片扫描仪整个多目标点对焦过程的流程示意图，它需要结合计算设备和软件的操作。参照图2，方法包括步骤s1至s6。
[0042]
s1，系统初始化和位置校正；
[0043]
此步用于保证后续扫描和对焦过程的顺利展开和结果的准确。
[0044]
(1)载物台运动到起始位置，即x和y坐标均最小的位置。载物台内置有光栅尺，可以检查载物台所处的实际位置，避免了运动过程中误差的积累。
[0045]
(2)手动调节载物台的z轴，使样品处于可自动对焦的范围内。如果样品离成像清晰位置相差得太远，则超出了调焦机构的运动范围，导致自动对焦失败。
[0046]
(3)使用标定样品，对系统进行位置校正。此步用于将操作范围调至符合操作者习惯的位置。
[0047]
s2，获取目标点：获取所选定区域的所有待对焦的目标点；
[0048]
(1)放置目标样品。
[0049]
(2)通过摄像头拍摄样品的全貌图像。
[0050]
(3)在样品图像上选择待对焦和扫描的区域，软件根据图像中各像素的灰度变化判断样品所在的区域，如果灰度变化较大，或者相对整体偏暗，则认为该部分为样品所在的区域，自动生成框选区域。也可手动框选。
[0051]
(4)在所选区域内生成可能的目标点，或者手动选择目标点。软件根据图像中的灰
度变化自动判断样品所在的区域，随机生成可能的目标点。也可手动选择和取消部分目标点或全部目标点。
[0052]
s3，检查目标点，并确定第一个目标点；
[0053]
(1)将距离过近的目标点合并为一个。节省计算和对焦的时间。
[0054]
(2)如果目标点过少，则给出提示。若目标点为空，则程序终止，或重新生成目标点。
[0055]
(3)在目标点较密集的区域随机选择一个目标点作为第一个目标点。目标点较密集的区域为样品所在的区域的可能性较大。若目标点在样品以外的“空白区域”，则容易导致自动对焦失败。应让第一个目标点对焦成功，因此需要将第一个目标点尽量选载样品所在的区域。
[0056]
s4，对所有目标点进行排序，也就是计算出所有目标点的访问顺序；
[0057]
见图3，是修改版的蚁群算法用于多目标点排序的流程示意图。多目标点的排序，也就是寻找遍历所有目标点的最短路径的过程。其核心步骤为路径构建和信息素更新。
[0058]
s5，对第一个目标点进行对焦，记录对焦位置；
[0059]
(1)采用全对焦方式；
[0060]
(2)若对焦成功，则返回值1。若对焦失败，则返回值0；
[0061]
s6，第一个目标点对焦完成后，对其他目标点进行对焦。
[0062]
(1)若前一个目标点对焦失败，则对该目标点采用全对焦；
[0063]
(2)若前一个目标点对焦成功，则对该目标点采用“参考对焦”，即以上一个目标点对焦的最终位置作为本目标点对焦的起始位置。
[0064]
(3)不论是采用全对焦还是“参考对焦”，若对焦成功，则返回值1。若对焦失败，则返回值0。
[0065]
实施例2
[0066]
一种多目标点对焦方法，用于快速遍历所有目标点；以及一种“参考对焦”和全对焦相结合的方法，用于缩短单个目标点的对焦时间。
[0067]
蚁群算法是模拟蚁群搜寻蚁穴到食物最近路径的过程，蚁群通过信息素来协调不同蚂蚁的行为。其原理为：蚂蚁在结点i，按照概率p
ijk
选择下一个结点j。p
ijk
的计算公式为
[0068][0069]
其中η
ij
＝1/d
ij
，为能见度，d
ij
是i,j的距离。τ
ij
为时间t时由i到j的信息素的浓度。allowed
k
为尚未访问过的结点列表。α,β为两常数，分别是信息素和能见度的权重。
[0070]
蚂蚁走过的路径会留下信息素，同时信息素会挥发。信息素越浓，则后面蚂蚁选择该路径的概率越大。信息素浓度的计算公式为
[0071][0072]
其中m为蚂蚁个数，0<ρ<＝1为信息素的挥发率，可设置为0.5。δτ
ijk
为信息素增量，它是第k只蚂蚁在路径i到j所留下来的信息素。
[0073]
蚂蚁走过的路径越长，信息素增量就越小。信息素增量的计算公式为
[0074][0075]
其中l
k
为第k只蚂蚁走完整条路径后所得到的总长度。
[0076]
在切片扫描仪的实际运行中，x、y马达可以同时作动，因此从一个目标点转移到下一个目标点所花的时间并不取决于它们之间的距离，而是取决于x方向上的距离和y方向上距离中的较大者。为此将基本蚁群算法中信息素增量公式中的“总长度”l
k
修改为“x、y方向上距离较大者构成的总长度”，其计算方法为
[0077][0078]
所有蚂蚁从蚁穴到食物，再回到蚁穴，完成一次迭代。多次迭代后，越短的路径所积累的信息素浓度越高。于是概率最大的路径即最短路径。
[0079]
整个发明包括以下过程：
[0080]
1、系统初始化和位置校正；
[0081]
2、获取目标点：获取所选定区域的所有待对焦的目标点；
[0082]
3、检查目标点，并确定第一个目标点；
[0083]
4、对所有目标点进行排序，也就是计算出所有目标点的访问顺序；
[0084]
5、对第一个目标点进行对焦，记录对焦位置；
[0085]
6、第一个目标点对焦完成后，对其他目标点进行对焦。
[0086]
初始化和校正的具体过程包括：
[0087]
(1)载物台运动到起始位置，即x和y坐标均最小的位置；
[0088]
(2)手动调节载物台的z轴，使样品处于可自动对焦的范围内；
[0089]
(3)使用标定样品，对系统进行位置校正；
[0090]
获取目标点的具体过程包括：
[0091]
(1)放置目标样品；
[0092]
(2)通过摄像头拍摄样品的全貌图像；
[0093]
(3)在样品图像上选择待对焦的区域，可由软件自动生成，也可手动选择；
[0094]
(4)在所选区域内生成可能的目标点，或者手动选择目标点；
[0095]
检查目标点和确定第一个目标点的具体过程包括：
[0096]
(1)将距离过近的目标点合并为一个；
[0097]
(2)如果目标点过少，则给出提示；
[0098]
(3)在目标点较密集的区域随机选择一个目标点作为第一个目标点；
[0099]
对所有目标点排序的具体过程包括：
[0100]
(1)初始化算法所需的参数和列表；
[0101]
(2)路径构建：存储图g的邻接权重矩阵，初始化算法控制参数；
[0102]
(3)路径选择：以第一个目标点为起点，按公式
[0103][0104]
计算其邻接结点的选择概率，直到图中所有结点都被遍历且最终回到起点为止。为了保证线路的多样性，可以重复几次本步骤(比如5次)，保留本步骤结束时的当前最优路线；
[0105]
(4)信息素更新：根据当前的最优路线，按照公式
[0106]
公式
[0107]
和公式
[0108]
修改图中结点之间的概率；
[0109]
(5)迭代：重复执行上面的步骤(3)、步骤(4)(设定为100次)，并随机按公式τ
ij
(t)＝τ
ij
‑
γ；γ为一个正的常数，由当前图的权重决定，其值不宜过大，适当降低结点之间的权重以保证路径的多样性；
[0110]
(6)保留最终的最优路线和路线长度，算法结束；
[0111]
相应地，本发明还提供了一种软件，包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行上述方法。
[0112]
相应地，本发明还提供了一种计算设备，包括一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行上述方法的指令。
[0113]
本发明的有益效果是：
[0114]
采用了修改版的蚁群算法，确定了多目标对焦顺序，节省了目标点转移过程的时间；参考上一个目标点的对焦位置作为该目标点的起始对焦位置，缩小了对焦的搜索范围，提高了对焦效率。
[0115]
本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。