USB显微镜的自动聚焦算法

Question

我正在设计一个低成本USB显微镜的自动对焦系统。我一直在开发硬件方面的精密PAP马达，能够调整焦点旋钮在显微镜，现在我在困难的部分。

我一直在考虑如何实现这个软件。硬件有两个USB接口，一个用于显微镜摄像机，另一个用于电机。我最初的想法是用C#编写一个应用程序，该应用程序能够从显微镜中获取图像，并将马达前后移动，到目前为止还不错:)

现在我需要一些关于自动对焦的帮助，如何实现它？有什么好的算法吗？或者是帮助我完成任务的图像处理库？

我一直在谷歌但没有成功..。我将感激任何帮助/想法/推荐！

非常感谢:)

编辑：谢谢各位的回答，我会尝试所有选项，然后带着结果(或者更多的问题)回到这里。

Answer 1

最重要的部分是代码，它告诉你图像有多少不对焦。由于非聚焦图像丢失了高频数据，所以我尝试如下所示：

long CalculateFocusQuality(byte[,] pixels)
{
  long sum = 0;
  for(int y = 0; y<height-1; y++)
    for(int x=0; x<width-1; x++)
    {
      sum += Square(pixels[x+1, y] - pixels[x, y]);
      sum += Square(pixels[x, y] - pixels[x, y+1]);
    }
  return sum;
}

int Square(int x)
{
  return x*x;
}

如果图像有噪声，这种算法不能很好地工作。在这种情况下，您可以降低它的样本，或者使用更复杂的算法。

或者另一个想法是计算像素值的变化：

long CalculateFocusQuality(byte[,] pixels)
{
  long sum = 0;
  long sumOfSquares = 0;
  for(int y=0; y<height; y++)
    for(int x=0; x<width; x++)
    {
      byte pixel=pixels[x,y];
      sum+=pixel;
      sumofSquares+=pixel*pixel;
    }
  return sumOfSquares*width*height - sum*sum;
}

这些函数工作在单色图像上，因为RGB图像只是信道的值之和。

使用这个函数会改变焦点，试图最大限度地利用CalculateFocusQuality。如果连续几次尝试提高质量，则增加步长；如果步骤降低质量，则减小步长并反转方向。

Answer 2

微观镜的自动对焦是光学研究中一个由来已久的课题。

您可以了解一下涉及到的算法这里。

所涉及的问题不仅是如何保证离焦，还包括如何以最优的方式移动光轴，以及如何对剩余像差进行算法校正。

哈哈！

Answer 3

只是我尝试解决类似任务的一些经验。在我的系统中，使用了200倍的壮丽。Z方向的步进分辨率为0.001um。

我面临的问题是：-Shaking。理论上更好的位置上的图像可能会因为突然的震动而被评估得更差。由于我的系统的API不允许移动z-axix并并行地生成图像，所以我不得不分步骤移动并连续捕获。每次移动-停止都会引起震动。有趣的是，下移时的震动比向上移动时更严重。

-Mechanical不精确。进行扫描并在理论上达到最佳位置可能会产生误差，因为控制器中的步进位置可能与机械位置不同。

-Exposure:根据应用程序的不同，图像的亮度可能会有所不同，因此曝光应该进行调整。根据焦点评估算法(无论亮度是否涉及计算)，曝光可能需要固定。这导致了鸡蛋问题-如何设置曝光，如果图像亮度未知，如何聚焦，如果需要曝光是未知的。

最后，为了避免机械问题，我已经(重新)存储了在聚焦时找到的最佳图像，并在最后返回。对于聚焦值的算法，最好的是寻找与颜色总数(直方图宽度)相结合的边缘。但当然，这取决于你处理的图像类型。

你好，瓦伦丁·海尼茨