基于圖像處理自動對焦的簡易顯微鏡設計與實現

陳 健， 陳德全

(1. 福建工程學院 福建省數字化裝備重點實驗室， 福建 福州 350118；2. 福建工程學院 信息科學與工程學院， 福建 福州 350118)

基于圖像處理自動對焦的簡易顯微鏡設計與實現

陳 健1,2， 陳德全2

(1. 福建工程學院 福建省數字化裝備重點實驗室， 福建 福州 350118；2. 福建工程學院 信息科學與工程學院， 福建 福州 350118)

為進行基于圖像處理的自動對焦算法測試，結合基于圖像處理自動對焦的顯微鏡通用結構，設計了一套由Arduino UNO開發板、紅外對管、計算機、工業數碼顯微鏡及電機組成的簡易顯微鏡，并結合自行設計的協議格式及對焦深度法實現顯微鏡的自動對焦過程。該系統具有結構簡單的特點，硬件設計適合進行課程設計，軟件設計部分涉及到圖像采集及基于圖像處理的自動對焦部分，適合進行算法設計及課程實驗。

顯微鏡； 自動對焦； 圖像處理; Arduino UNO

無論是光學顯微鏡還是數碼顯微鏡,對樣品進行顯微觀察時,大多采用手動對焦方法，不僅自動化程度低,而且容易產生人為誤差。對顯微鏡進行自動控制,實現自動對焦,不僅可以提高顯微鏡的自動化程度,提高實驗與分析的速度,也可以避免人為操作對成像質量的影響。為此，許多學者提出了具有自動對焦功能的顯微鏡系統結構,比如苗振魁等[1]為實現病理切片的自動檢測研制了一套顯微鏡圖像處理系統,該系統由三目照相生物顯微鏡、CCD攝像機和帶圖像處理卡的個人計算機組成；馬官營等[2]研制了顯微鏡自動控制系統作為輔件安裝在顯微鏡上,使得操作簡單,更能適用于遠距離觀測；段瑞玲等[3]則介紹了一種由光學顯微鏡、CCD、力矩電機和齒輪傳動機構等組成的自動調焦系統；易秋實[4],范富明等[5],王文歡等[6]則結合不同的應用與不同的結構完成了基于圖像處理自動對焦的顯微鏡設計。

本文在分析現有具有自動對焦功能的顯微鏡通用結構基礎上,研制出一臺具有顯微鏡基本功能,且采用圖像處理完成自動對焦的光學顯微鏡。本系統具有結構簡單的特點,適合學生進行課程設計及畢業設計,也可進行圖像采集、算法驗證及設計等相關課程實驗。

1 簡易顯微鏡設計

1.1 系統硬件設計

對顯微鏡進行自動對焦操作時,移動的對象可分為載物臺及顯微鏡頭兩種,本文實現了對顯微鏡頭的移動。雖然不同文獻提出的基于圖像處理自動對焦的顯微鏡應用方向各不相同,但系統組成基本相似,都包括電機及控制模塊、視頻采集模塊、圖像顯示及處理模塊3個部分。本文采用的系統組成框圖見圖1。

圖1 系統組成框圖

(1) 視頻采集模塊。視頻采集模塊是一個具有300倍放大倍數,帶有USB接口且可安裝于滑臺上的工業數碼顯微鏡,實現視頻圖像的采集,并通過USB接口將視頻圖像傳輸給計算機。該工業數碼顯微鏡自帶環形光源。

(2) 電機及控制模塊。電機及控制模塊包括單片機、電機驅動器、電機及限位傳感器,實現對電機驅動器的控制,進而控制電機,使滑臺在絲桿上移動。此外,單片機還連接由紅外對管構成的限位傳感器,當滑臺接近極限位置時,單片機接收到限位傳感器發送而來的信號,并上傳至計算機,告知滑臺到位信息。單片機控制部分采用Arduino UNO開發板[7],與計算機通過USB相連,并通自行研制的轉接板實現與電機驅動器及紅外對管的連接。

(3) 圖像顯示及處理模塊。本系統的圖像顯示及處理模塊由計算機構成,主要實現以下幾個功能包括:對視頻數據的讀取、顯示、處理,完成對電機的反饋控制；根據讀取到的限位信號,控制電機反向移動；在進行自動對焦前,發送命令實現系統的初始化。

此外,系統中還需要開關電源對電機等設備進行供電,Arduino UNO及工業數碼顯微鏡則直接由計算機供電。

1.2 程序流程及協議設計

圖2 本系統的信號傳輸流程

本系統設計的上位機程序流程圖見圖3。

圖3 上位機程序流程圖

開始對焦時,上位機(即計算機)向下位機(即單片機)發送初始化命令“init”,計算機進入等待狀態；當單片機收到初始化命令后,單片機將回復“init”給計算機,告知計算機系統處于初始化狀態,并控制電機將滑臺勻速移動到極值位置(即紅外對管對應的絲桿最上方或最下方)；當極值位置的紅外對管感應到滑臺時,發送信號給單片機,說明滑臺已經到位,單片機將發送對焦命令“shot”，告知計算機可進行自動對焦處理；當計算機收到“shot”命令后,計算機將發送命令使電機反向移動,并結合對焦深度法[8]完成自動對焦過程；當計算機完成對焦后,單片機將返回對焦完成命令“focused”給計算機,從而完成對焦過程。

通信過程中,除初始化命令“init”、對焦命令“shot”及對焦完成命令“focused”外,還有一個電機控制命令需要設置。電機控制命令主要在對焦過程中應用,結合對焦深度法完成,實現電機移動方向、步數及步長的控制。本系統采用的協議格式見表1。

表1 電機控制命令協議格式

該協議格式共分為4個字段,功能如下:第一個字段為對焦過程控制字段,共1個字節,為0時為正在對焦,下位機將繼續發送“shot”命令給上位機,為1時為對焦完成,即電機完成該次移動后即完成對焦,下位機向上位機發送“focused”命令；第二字段為步數字段,最多可達到999999步；第三個字段為電機移動方向字段,其中“ne”表示向下移動,“in”表示向上移動；第四字段為控制電機步長。

2 實驗與分析

本系統實物圖如圖4所示。

圖4 簡易顯微鏡實物圖

本系統程序分成上位機程序與下位機程序，下位機程序采用C語言編寫,實現對電機的控制,紅外對管信號的讀取及與上位機的通信；上位機程序則使用C++語言編寫,采用VS2010開發平臺結合OpenCV2.4.8庫進行設計,程序流程見圖3。

上位機需要與下位機進行串口通信,程序中引入串口通信控件mscomm，實現二者間的通信[9]。另外,上位機程序中一個重要的部分是基于對焦深度法[8]的程序設計。對焦深度法共包含3個部分:對焦窗口選擇、圖像清晰度評價函數[10]及搜索策略。對焦窗口選擇采用引入了中央區域選擇法[11]及以整幅圖像為對焦區域的全局法；圖像清晰度評價函數則直接引用OpenCV2.4.8中自帶的Scharr算子、Sobel算子和Laplacian算子[12]；搜索策略則直接采用爬山算法[13],見圖5，即先用大步長進行峰值搜索,而后減少步長進行反向搜索,當越過峰值后,最后再轉回峰值。

圖5 爬山算法

上位機交互界面如圖6所示,程序界面包括視頻處理區、串口處理區及自動對焦處理部分。

圖6 系統交互界面

圖7為實驗中用于自動對焦測試的實物圖像及對焦過程獲取的離/正焦圖像,其中清晰度評價函數采用Scharr算子,對焦窗口采用全局法。由圖7可以看出,本系統可以較好地實現對焦過程。實驗發現通過對步數及步長的調整,以及選取不同的圖像清晰度評價函數,都有助于進一步提升自動對焦的性能。

圖7 自動對焦過程

3 結語

基于圖像處理的自動對焦可有效解決顯微鏡手動對焦過程中對焦速度慢、圖像質量易受人為因素影響的問題。本文結合基于圖像處理自動對焦的顯微鏡通用結構,采用Arduino UNO開發板、紅外對管、電機及電機驅動器設計一套簡易顯微鏡,分別采用C語言與C++語言完成系統下位機與上位機程序設計。本系統結構簡單、易于實現,硬件設計適合進行課程設計等,軟件設計部分涉及圖像采集及基于圖像處理的自動對焦部分,適合進行課程實驗。

References)

[1] 苗振魁,王慶有,劉詩榮. 自動顯微圖像處理系統的研制[J]. 光學技術，1997,23(1):43-45.

[2] 馬官營,楊明,吳曉琳. 基于圖像處理的顯微鏡自動控制系統[J]. 中國儀器儀表，2004,24(4):14-16.

[3] 段瑞玲,段惠波,李慶祥,等. 基于圖像處理的微裝配自動調焦系統[J]. 光學精密工程，2006,14(3):468-472.

[4] 易秋實. 光學顯微鏡自動聚焦系統設計與實現[D]. 武漢: 華中科技大學,2007.

[5] 范富明,程良倫,王曉芬,等. 一種新型光學快速自動聚焦系統[J]. 光電工程，2010,37(5):127-132.

[6] 王文歡,劉威. 可自動對焦的電動顯微成像系統[J]. 自動化與儀表，2014,34(7):10-13.

[7] 渠淼,牛國鋒,冒張霄,等. 基于Arduino的智能環境監控系統設計[J]. 微型機與應用，2014,33(20):83-85.

[8] 尤玉虎,劉通,劉佳文. 基于圖像處理的自動對焦技術綜述[J]. 激光與紅外，2013,43(2):132-136.

[9] 章輝,葉建芳,葉建威. 基于MSComm控件串口通信的實現[J]. 電子測量技術，2011,34(8):126-129.

[10] 史紅偉,石要武,楊爽. 光學顯微鏡自動調焦指導函數的評價與選擇[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報，2013,25(2):235-240.

[11] 韓柯,朱秀昌,馮荃. 不同物距下的自動聚焦方法研究[J]. 南京郵電大學學報(自然科學版)，2007,27(6):44-48.

[12] 軒波,苗立剛,彭思龍. 顯微鏡下兩層物體的快速自動對焦算法[J]. 計算機應用，2007,27(1):143-145.

[13] 鄭玉珍. 自動對焦中的優化爬山搜索算法[J]. 浙江科技學院學報，2005,17(3):171-174.

Design and realization of simple microscope with automatic focusing based on image processing

Chen Jian1,2, Chen Dequan2

(1. Fujian Provincial Key Laboratory of Digital Equipment, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China; 2. School of Information Science and Engineering, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China)

order to carry out the algorithmic test on automatic focusing based on image processing, and combined with the general structure of a microscope with automatic focusing based on image processing, a set of simple microscopes constituted of Arduino UNO development board, infrared tube, computer, industrial digital microscope and motor are designed. The automatic focusing process of the microscope is realized by the self-designed protocol format and depth focusing method. As this system is characterized by the simple structure, its hardware design is suitable for course design, and software design is related to image acquisition and automatic focusing based on image processing, which is suitable for the algorithmic design and course experiments.

microscope; automatic focusing; image processing; Arduino UNO

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.025

福建省數控裝備技術重大研發平臺項目(2014H2002)；福建省教育廳科技項目“基于圖像處理的自動對焦技術在制造物聯中的應用研究”(JK2015031)；福建工程學院教育科研項目“基于圖像處理自動對焦的電子顯微裝置設計及其在實踐教學中的應用”(GB-M-16-04)

陳健(1981—),男,福建古田,博士,副教授,研究方向為圖像處理和多媒體通信.

E-mail：jchen321@126.com

TP273；TH742

A

1002-4956(2017)2-0093-04

2016-08-25 修改日期：2016-10-17