显微镜自动载物台研制及相关算法研究

论文摘要

离体细胞应力加载培养的生物力学实验中,需要观察、记录细胞在不同时刻、不同大小的静态或动态载荷分布下的生长情况及形态上的变化。由于细胞的培养是较长的过程,观察对象的视场也比较大,利用普通的光学显微镜进行实验观察,对操作人员依赖程度较高,操作繁琐,难以满足对不同位置、不同流场细胞进行长期观察,连续跟踪和高精度的定位的要求。本论文对普通光学显微镜平台进行改造,实现显微镜载物台三维运动的自动控制、自动聚焦、位置重现和对大视场的多目标进行重复观察记录。 为实现普通倒置式光学显微镜上的载物台自动控制,加装步进电机,并采用柔性丝杆连接,确保载物台平稳运动。由单片机系统控制步进电机,PC主机通过RS232串行接口与单片机系统通信,使显微镜按照用户设定好的运动规则动作。 论文采用Delphi6.0开发工具,设计了一包含RS232串行通信、图像实时显示、图像捕获、自动聚焦、位置重现等多项功能的显微镜自动载物台测控软件。基于VFW的图像采集方法,对图像采集设备、计算机硬件没有特别限制,具有普遍的适用性。 以镜头系统造成图像模糊的原理为基础,对常用的自动聚焦评价函数和搜索策略了进行论述。并以表面粗糙和纹理变化程度不同的观察对象作自动聚焦测试,分析比较聚焦评价函数的性能。 最后,对图像拼接的关键技术进行了讨论,介绍基于模板匹配的图像拼接算法,以及基准图自适应选取、多分辨率匹配等改进方法和图像的无缝拼接方

论文目录

• 1 前言
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 显微镜载物台自动控制及相关图像处理技术的发展
• 1.2.1 显微镜载物台自动控制方法介绍
• 1.2.2 自动聚焦技术发展状况
• 1.2.3 图像拼接国内外研究状况
• 2 显微镜自动载物台硬件设计
• 2.1 系统实现方案
• 2.2 步进电机与载物台的连接机构
• 2.3 步进电机驱动及单片机控制
• 2.3.1 步进电机的驱动
• 2.3.2 步进电机驱动器的控制
• 2.4 单片机与 PC机通信接口
• 2.5 PC机与单片机通讯协议
• 3 显微镜自动载物台软件设计
• 3.1 串行通信模块
• 3.1.1 串行通信相关函数
• 3.1.2 使用流程
• 3.1.3 软件的设计
• 3.2 图像采集模块
• 3.2.1 AVICap开发简介
• 3.2.2 捕获窗口
• 3.2.3 视频捕获驱动和音频驱动
• 3.2.4 几个重要的结构
• 3.2.5 VFW视频捕捉的基本步骤
• 3.2.6 基于 Delphi的视频捕获程序
• 3.3 自动聚焦模块
• 3.4 系统控制功能介绍
• 4 自动聚焦算法
• 4.1 镜头系统分析
• 4.2 聚焦评价函数
• 4.2.1 能量谱聚焦算子
• 4.2.2 灰度方差算子
• 4.2.3 灰度梯度算子
• 4.2.4 灰度嫡算子
• 4.2.5 灰度差平方和算子
• 4.3 聚焦评价函数比较
• 4.4 搜索策略
• 5 图像拼接算法讨论
• 5.1 图像拼接的关键技术
• 5.2 模板匹配方法
• 5.2.1 相关性测度模型
• 5.2.2 基准图的自适应选取
• 5.2.3 基于金字塔数据结构的多分辨率匹配
• 5.3 图像的无缝拼接
• 结束语
• 参考文献
• 攻读硕士期间科研成果简介
• 论文声明
• 致谢