一种结核杆菌检测仪的高质量图像获取装置及方法制造方法及图纸

一种结核杆菌检测仪的高质量图像获取装置和方法，该装置包括XYZz平台、显微镜、工业相机、计算机，该方法包括初始设置、动态曝光策略、XYZz平台运动复位、初次聚焦、扫描聚焦。本发明专利技术的方法通过图像采集动态曝光策略，降低结核杆菌痰涂片或其他样本涂抹不均匀对图像获取和成像使用的影响；通过动态聚焦，提高自动聚焦过程的速度和鲁棒性；通过连续聚焦，极大提高自动聚焦速度和自动化程度，可实现多视野连续自动聚焦；利用S型曲线和PID算法运动模型降低运动误差，提高焦平面定位的准确性。

High quality image acquisition device and method for tubercle bacillus detector

An apparatus and method for obtaining high quality image detection instrument of Mycobacterium tuberculosis, the device including XYZz platform, microscope, camera, industrial computer, the method includes the initial setup, dynamic exposure strategy, XYZz platform motion reduction, focusing, focusing first scan. The method of the present invention exposure strategy through the image acquisition, reduce the Mycobacterium tuberculosis in sputum smear or other samples with uneven impact on image acquisition and imaging; through dynamic focus, improve the automatic focusing process speed and robustness; through continuous focusing, greatly improve the automatic focusing speed and the degree of automation, can realize continuous vision automatic focusing; reduce the motion error by using S curve and PID algorithm to improve the accuracy of the motion model of focal plane positioning.

【技术实现步骤摘要】
一种结核杆菌检测仪的高质量图像获取装置及方法
本专利技术属于机器视觉
，涉及一种显微镜自动聚焦技术，特别涉及一种结核杆菌检测仪的显微镜自动聚焦技术。
技术介绍
结核分枝杆菌，俗称结核杆菌，是引起慢性传染疾病结核病的病原菌。在全球范围内，结核病仍是主要传染病之一，每年有约900万例新发患者和200万例死亡患者。研究表明，早期诊断、早期治疗是防治结核病、提高结核病患者生存率的最有效手段。从病理学角度来讲，最可靠也是目前确诊结核病最重要的方法是结核杆菌镜检法。人工镜检法存在一些不可无视的问题。首先，人工镜检法需要病理专家或经过专业培训的医师进行操作。其次，人工镜检法工作量巨大，要完整判读一个载玻片(标本)需在显微镜下观察至少300个视野。再次，人工检测无法给出准确的定量信息，例如结核杆菌浓度、形态特征分布等，且无法有效记录和复查。结核杆菌检测仪通过机器视觉系统有效克服人工镜检法存在的问题和不足之处，实现结核杆菌检测的自动化和智能化，将彻底颠覆现有的结核病诊断模式。高质量显微图像的获取是结核杆菌检测仪乃至显微镜自动化检测系统中最为关键技术之一。显微图像获取系统主要包括显微镜光学系统、自动聚焦运动平台和图像采集系统三部分组成。其中，显微镜自动聚焦技术是高质量图像获取的基础和核心技术。现有的显微镜自动聚焦技术分主要分为两类：主动聚焦和被动聚焦。主动聚焦通过激光或红外线等方式测量显微镜物镜与目标(样本焦平面)之间的距离并进行调节，达到聚焦位置即完成聚焦。被动聚焦基于当前图像信息，利用聚焦评价函数对当前图像信息进行聚焦状态评价，利用评价结果和焦平面搜索策略(聚焦策略)控制电机调整显微镜物镜与目标间距离准确定位到焦平面位置，即完成聚焦。主动聚焦一般需要添加激光或红外线测距元件，实用性较低和成本较高，在显微镜自动聚焦领域并不适用，故通常采用被动聚焦方式进行聚焦。基于被动聚焦的显微镜聚焦技术关键技术包括三个方面：聚焦评价函数、焦平面搜索策略和精度控制。在聚焦评价函数方面：现有聚焦评价函数研究比较成熟，但针对结核杆菌检测方面均表现较差。结核杆菌检测样本为痰涂片，实际样本中往往含有涂抹不均匀区域，这些区域涂抹薄厚不一导致在显微镜成像中图像有效信息量波动很大。样本(结核杆菌痰涂片)涂抹厚的区域颜色极深，不改变曝光参数往往导致成像不理想，对后续聚焦完成图像的使用产生较大影响。样本涂抹薄的区域颜色较浅，在图像噪声和过曝光的影响下聚焦评价函数准确性降低，进而影响聚焦策略导致聚焦不准确或聚焦失败。在焦平面搜索策略方面：现有的聚焦策略技术包括盲人爬山法和曲线拟合法两类。盲人爬山法首先随意选取一个聚焦方向，按照设定的步进距离计算这个区间内聚焦评价函数的变化情况判断下一步步进方向。由于聚焦评价函数的具有单峰性，故在焦平面(波峰)处左侧聚焦评价函数单调递增，右侧单调递减。当运动过波峰时断定找到焦平面，反向移动至波峰即完成聚焦。此方法较为通用，但由于步进距离固定，在景深很小、精度要求较高的结核杆菌自动聚焦中会造成小步长、多次步进的情况，效率较低。曲线拟合法在距离焦平面较远时由于评价函数曲线波动很小其拟合准确性很差。在聚焦精度控制方面：实际聚焦中往往存在运动误差，如电机运动丢步、通讯延时，现有技术并没有涉及或给出相关解决方案。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。一种结核杆菌检测仪的高质量图像获取装置，包括XYZz平台、显微镜、工业相机、计算机，其特征在于，所述XYZz平台包括XYZz平台X层、XYZz平台Y层、XYZz平台基座，还包括多个步进电机、多个光栅尺和多组限位开关；所述显微镜包括显微镜物镜、载玻片、显微镜透射光源，其中，载玻片上方是显微镜物镜，下方是显微镜透射光源，显微镜物镜用于获取载玻片上样本的显微图像；工业相机采集到的图像是显微镜物镜获取载玻片上样本的显微图像，所述显微图像后经采集卡传输到所述计算机，所述计算机根据处理结果使得所述XYZz平台上的步进电机、光栅尺和限位开关共同作用，实现聚焦。优选地，步进电机为四个，光栅尺为三个，限位开关为三组。一种结核杆菌检测仪的高质量图像获取方法，其采用上述的装置，其特征在于，该方法包括：第一部分、将含待测样本的载玻片放入所述XYZz平台，Z轴的步进电机带动显微镜粗准焦螺旋向下转动触碰限位后运动到载玻片绝对上方，开启图像采集与动态曝光方法，Z轴的步进电机带动显微镜细准焦螺旋进行搜索聚焦；第二部分、所述搜索聚焦完成后，所述XYZz平台的X轴的步进电机、Y轴的步进电机带动所述XYZz平台X层、所述XYZz平台Y层以S型曲线移动，显微图像进入下一个待聚焦视野，进行扫描聚焦；第三部分、重复第二部分直至完成所有目标视野自动聚焦任务，在此期间聚焦失败或聚焦时进行小范围二次聚焦。优选地，如果聚焦失败或者根据需要，进行小范围二次聚焦。优选地，第一部分包括：步骤一：初始设置；包括将含待测样本的载玻片放入所述XYZz平台的指定位置，打开工业相机，开启图像采集功能，相机参数重置；步骤二：动态曝光策略；控制工业相机曝光时间得到图像平均灰度值和平均亮度值，分别与灰度聚焦卷积矩阵和亮度聚焦卷积矩阵相乘，求和后得到曝光评价函数，得到合理曝光时间；步骤三：XYZz平台运动复位；包括通过PID控制算法运动实现所述显微镜物镜在焦平面绝对上方且与焦平面距离尽可能小；步骤四：初次聚焦；得到焦平面位置p，Z轴的步进电机以S型加速曲线移动至焦平面位置p，完成搜索聚焦，保存图像。优选地，第二部分包括：步骤五：扫描聚焦；X轴的步进电机、Y轴的步进电机分别带动XYZz平台X层、XYZz平台Y层平移，扫描聚焦循环至整个载玻片待测视野；步骤六：整个载玻片待测视野全部自动聚焦结束。优选地，第三部分包括：步骤七：二次聚焦，所述二次聚焦与扫描聚焦步骤相同，经验阈值为扫描聚焦中选择的经验阈值的二分之一。本专利技术主要解决高质量显微图像获取的技术问题，特别是结核杆菌检测仪高质量图像获取的技术问题，其主要优点在于：1.本专利技术的图像采集动态曝光策略，降低了结核杆菌痰涂片或其他样本涂抹不均匀对图像获取和成像使用的影响；2.本专利技术采用的动态聚焦方法，尤其在大范围聚焦和载玻片扫描聚焦阶段采用不同聚焦方式，提高自动聚焦过程的速度和鲁棒性；3.本专利技术采用连续聚焦，即通过四个步进电机、三组限位开关、三个光栅尺组成的“XYZz”轴自动聚焦平台极大提高自动聚焦速度和自动化程度，可实现多视野连续自动聚焦；4.本专利技术实现的高精度聚焦运动，通过改变电机运动模式，利用S型曲线和PID算法运动模型降低运动误差，提高焦平面定位的准确性。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：附图1示出了根据本专利技术实施方式的一种结核杆菌高质量图像获取装置的结构图。附图2示出了根据本专利技术实施方式的一种结核杆菌高质量图像获取装置在聚焦阶段的聚焦曲线图。附图3示出了根据本专利技术实施方式的一种结核杆菌高质量图像获取装置在扫描聚焦阶段的聚焦逻辑图。附图4示出了根据本专利技术实施方式的一种结核杆菌高质量图像获取装置在扫描聚焦本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结核杆菌检测仪的高质量图像获取装置，包括XYZz平台、显微镜、工业相机、计算机，其特征在于，所述XYZz平台包括XYZz平台X层、XYZz平台Y层、XYZz平台基座，还包括多个步进电机、多个光栅尺和多组限位开关；所述显微镜包括显微镜物镜、载玻片、显微镜透射光源，其中，载玻片上方是显微镜物镜，下方是显微镜透射光源，显微镜物镜用于获取载玻片上样本的显微图像；工业相机采集到的图像是显微镜物镜获取载玻片上样本的显微图像，所述显微图像后经采集卡传输到所述计算机，所述计算机根据处理结果使得所述XYZz平台上的步进电机、光栅尺和限位开关共同作用，实现聚焦。

【技术特征摘要】
1.一种结核杆菌检测仪的高质量图像获取装置，包括XYZz平台、显微镜、工业相机、计算机，其特征在于，所述XYZz平台包括XYZz平台X层、XYZz平台Y层、XYZz平台基座，还包括多个步进电机、多个光栅尺和多组限位开关；所述显微镜包括显微镜物镜、载玻片、显微镜透射光源，其中，载玻片上方是显微镜物镜，下方是显微镜透射光源，显微镜物镜用于获取载玻片上样本的显微图像；工业相机采集到的图像是显微镜物镜获取载玻片上样本的显微图像，所述显微图像后经采集卡传输到所述计算机，所述计算机根据处理结果使得所述XYZz平台上的步进电机、光栅尺和限位开关共同作用，实现聚焦。2.一种如权利要求1所述的装置，其特征在于，步进电机为四个，光栅尺为三个，限位开关为三组。3.一种结核杆菌检测仪的高质量图像获取方法，其采用权利要求1或2所述的装置，其特征在于，该方法包括：第一部分、将含待测样本的载玻片放入所述XYZz平台，Z轴的步进电机带动显微镜粗准焦螺旋向下转动触碰限位后运动到载玻片绝对上方，开启图像采集与动态曝光方法，Z轴的步进电机带动显微镜细准焦螺旋进行搜索聚焦；第二部分、所述搜索聚焦完成后，所述XYZz平台的X轴的步进电机、Y轴的步进电机带动所述XYZz平台X层、所述XYZz平台Y层以S型曲线移动，显微图像进入下一个待聚焦视野，进行扫描聚焦；第三部分、重复...

【专利技术属性】
技术研发人员：张从鹏，曹文政，宋来军，李小龙，马岩，
申请(专利权)人：北方工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11