基于普通显微镜的图像采集系统数字化技术研究

论文摘要

目前,高科技研究型显微镜(例如透射电子显微镜、扫描电子显微镜)等光学仪器的调焦系统大部分都已经采用了自动调焦,有些配备数字照相系统,这些仪器价格昂贵。本研究基于普通显微镜进行改造,开发出数字化显微图像自动采集系统,获取准确的图像信息,并应用于生物医学、材料学、科研实验等各个领域中。本论文主要开展了数字化显微镜图像采集系统技术研究,设计了数字化图像采集系统的总体方案,并对各部分进行了的详细设计。采用步进电机来实现自动载物台的控制和物镜切换,设计了相应的软硬件接口。图像获取装置的设计,从视觉系统的光学性能要求出发讨论了CCD的选用。调焦机构通过加装步进电机来实现自动调焦,开发了显微视场的自动对准机构及物镜控制转换机构。研发了显微图像获取的自动聚焦技术,提出了一种自动聚焦算法来实现显微图像自动聚焦。该算法综合了快速灰度差分法和高精度拉普拉斯函数法的优点,根据聚焦过程中各阶段聚焦评价函数的梯度,选择合适的焦距评价函数和步长,并通过改变步长实现了从快速粗调到精确细调的过渡,在实际应用中达到了较好的效果。图像拼接技术一直是计算机视觉、图像处理和计算机图形学的热点研究方向。按照图像拼接的流程,对图像预处理、图像配准和图像融合等关键技术进行了讨论,提出了一种图像拼接方法,开发了相应的拼接程序,实践证明该方法能够较好地满足图像处理过程的实时性和准确性,并且很好地解决了场景拼接过程中常见的“拼缝”现象。基于普通显微镜开发的显微图像数字化采集系统,已成功应用于远程医疗和显微镜生物观察实验的互动教学中,并收到良好的效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和选题依据
• 1.2 显微镜数字化技术的发展状
• 1.3 课题的主要研究内容
• 第2章 数字化显微镜图像采集系统技术原理及硬件设计
• 2.1 显微镜的主要构造及成像原理
• 2.2 数字化显微镜总体方案设计
• 2.3 显微镜载物台的改造
• 2.4 物镜转换器的改造
• 2.5 摄像头的选择
• 2.6 载物台伺服驱动系统
• 2.6.1 步进电机的特点
• 2.6.2 步进电机的选型
• 2.6.3 步进电机的驱动方法
• 2.7 计算机控制系统
• 2.7.1 控制系统的构成
• 2.7.2 单片机与步进电机驱动接口设计
• 2.7.3 单片机与PC机通信联接
• 2.8 提高系统控制精度的措施
• 2.9 本章小结
• 第3章 数字化显微镜运动控制系统设计
• 3.1 控制系统的组成及工作原理
• 3.2 控制系统的硬件设计
• 3.3 控制系统的软件设计
• 3.3.1 运动系统监控程序设计
• 3.3.2 步进电机的点位控制和加减速控制
• 3.4 多轴控制器程序设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 显微图像自动聚焦原理及系统设计
• 4.1 自动聚焦的评价函数
• 4.1.1 聚焦评价函数的特性
• 4.1.2 传统聚焦评价函数
• 4.1.3 自动聚焦评价函数实际选用
• 4.2 搜索策略
• 4.3 自动聚焦系统的硬件平台
• 4.4 自动聚焦系统的软件设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 显微图像自动拼接技术
• 5.1 图像拼接流程
• 5.2 显微图像预处理
• 5.3 图像配准
• 5.3.1 基于尺度不变特征变换的配准算法
• 5.3.2 随机抽样一致性算法
• 5.4 图像融合
• 5.4.1 平均值法
• 5.4.2 多分辨样条法
• 5.4.3 加权平滑法
• 5.5 图像拼接程序设计
• 5.6 本章小结
• 第6章 显微图像数字化采集系统应用案例
• 6.1 数字化网络显微互动教室系统
• 6.1.1 数字化网络显微互动教室系统原理
• 6.1.2 数字化网络显微互动教室系统构成
• 6.1.3 数字化网络显微互动教室系统优点
• 6.2 显微图像远程医疗系统
• 6.2.1 远程医疗系统构成及原理
• 6.2.2 远程医疗系统优势
• 6.3 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读硕士期间获得专利及发表论文
• 学位论文评阅及答辩情况表