一種應(yīng)用圖像處理技術(shù)的顯微鏡自動(dòng)控制系統(tǒng)

明 亮，伊力哈木·亞爾買買提

1.中國科學(xué)院國家天文臺烏魯木齊天文站，新疆烏魯木齊 830011 2.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047

當(dāng)前，顯微鏡作為常用儀器，已經(jīng)被社會各界運(yùn)用到企業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、各類檢測及專業(yè)教學(xué)等方面，特別是在生物領(lǐng)域的應(yīng)用。但是，由于長久以來顯微鏡操作當(dāng)中的圖像信息的存儲、處理與打印等受到很大限制，使用起來極為不便。同時(shí)，部分物品不適宜于開展近距離的觀測，導(dǎo)致顯微鏡的使用范圍具有較大的局限性。為解決這一問題，部分國內(nèi)顯微鏡生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)品中增加了CCD，讓成像能夠顯示在與之相連的電視機(jī)上。然而，這種模式還是存在頗多不便之處，特別是圖像的清晰度不高。

1 顯微鏡自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本特點(diǎn)

根據(jù)以上情況，近期，一種利用計(jì)算機(jī)來控制顯微鏡載物臺的顯微鏡自動(dòng)控制系統(tǒng)正式研制成功，使計(jì)算機(jī)能夠?qū)D像實(shí)施收集、存儲及處理。與此同時(shí)，對顯微鏡的調(diào)焦系統(tǒng)進(jìn)行了精細(xì)化設(shè)計(jì)，使觀察的便利性和準(zhǔn)確性得到充分提高。這樣，在計(jì)算機(jī)顯示器中所觀察到的物品圖像，與直接運(yùn)用顯微鏡觀測到的圖像相比較，不但圖像顯得十分清楚、分辨率得到提高，而且在調(diào)整觀察位置時(shí)能夠變得更加隨意而且方便。

2 顯微鏡自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成

這一系統(tǒng)主要由操縱桿和計(jì)算機(jī)接口、電動(dòng)機(jī)和計(jì)算機(jī)接口、CCD和計(jì)算機(jī)接口等3個(gè)部分組成。其操作過程主要如下：使用者可結(jié)合計(jì)算機(jī)中的圖像情況，通過調(diào)節(jié)操縱桿手柄，讓計(jì)算機(jī)運(yùn)行操縱桿傳遞的信息，并根據(jù)這些信息來帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)，接著由電動(dòng)機(jī)來控制載物臺，最終實(shí)現(xiàn)隨時(shí)調(diào)整焦距的控制目的。顯微鏡中的攝像頭將圖像采集回到計(jì)算機(jī)中。這樣，就將原來的操作人員和顯微鏡之間的直接式交互，轉(zhuǎn)化為間接式交互，從而讓人能夠離開顯微鏡進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的觀測。如果用來觀測有害物質(zhì)，這是非常必要的，同時(shí)，由于采取了計(jì)算機(jī)采集圖像的模式，圖像的保存、處理和打印等各個(gè)環(huán)節(jié)變得更為順暢。

2.1 操縱桿和計(jì)算機(jī)接口的組成

這一顯微鏡自動(dòng)控制系統(tǒng)采用的是應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛的標(biāo)準(zhǔn)操縱桿。操縱桿的位置信息采取Windows標(biāo)準(zhǔn)形式加以發(fā)送。當(dāng)一個(gè)操縱桿直接連接上計(jì)算機(jī)時(shí)，它的ID是JOYSTICKID 1，其后，由于使用了oySetCapture()API函數(shù)，就可以在設(shè)置的程序中更加便捷地接收操縱桿傳遞來的消息。如此一來，當(dāng)使用人員在調(diào)節(jié)手柄之后，其發(fā)生的消息就會立即被發(fā)送到這一窗口函數(shù)之中，隨即就能獲得操縱桿狀態(tài)信息。當(dāng)然，使用者還可以根據(jù)具體操作的需要來進(jìn)行合理的選擇處理?，F(xiàn)以MM＿JOYIMOVE為例子加以說明。當(dāng)調(diào)節(jié)手柄時(shí)，Windows系統(tǒng)就會自動(dòng)發(fā)送出MM＿JJOYIMOVE消息。這個(gè)消息一般都有兩個(gè)參數(shù)：其中之一是wParam，它有4.個(gè)取值，分別對應(yīng)于與之有關(guān)的按鈕。另一參數(shù)就是Iparam，這是一個(gè)32位的數(shù)值，高、低16位分別表示目前手柄上的Y坐標(biāo)以及X坐標(biāo)。（xPos，yPos）就是手柄的所在位置，之所以會向右移動(dòng)8位，完全是為了和之后的D/A轉(zhuǎn)換相互之間進(jìn)行匹配。

2.2 電動(dòng)機(jī)和計(jì)算機(jī)接口的組成

電動(dòng)機(jī)和計(jì)算機(jī)之間的接口是這一套顯微鏡自動(dòng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，可利用步進(jìn)電機(jī)來調(diào)節(jié)載物臺，使其向著Z方向運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)調(diào)焦之目的。在載物臺的水平方向運(yùn)動(dòng)上，則應(yīng)由直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，這樣就有利于最大限度地調(diào)節(jié)好載物臺的速度，讓使用人員的手感更加舒適。首先是用直流電機(jī)進(jìn)行控制。操作者在確認(rèn)了操縱桿的位置信息之后，先要作出換算，并及時(shí)輸出，從而控制著載物臺向水平方向運(yùn)動(dòng)。具體來說，可運(yùn)用8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832，把位置信號換算到0256這個(gè)范圍以內(nèi)。因?yàn)檩d物臺可作出往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以D/A一定是雙極性輸出。其次是用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。隨著載物臺向Z方向運(yùn)動(dòng)，這時(shí)完全可以采取步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，這種控制也相對比較簡單。要結(jié)合顯微鏡的放大倍數(shù)進(jìn)行認(rèn)真計(jì)算，從而得到所需要的調(diào)焦精度，下一步，再計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)更加精確的步距角，隨后再依據(jù)步距角來選擇對其相對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器，再把計(jì)算機(jī)當(dāng)中的脈沖信號轉(zhuǎn)換到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之中。最后是限位保護(hù)。從安全的角度來觀察，載物臺向各方向的作出運(yùn)動(dòng)都要進(jìn)行限位式保護(hù)。在Z方向上可以安裝機(jī)械開關(guān)或者是霍爾器件，在水平方向則因?yàn)檩d物臺比較小，不便進(jìn)行走線或者再安裝另外的器件，那么就可以進(jìn)行限流保護(hù)，也就是在載物臺運(yùn)動(dòng)到某一個(gè)具體位置后，假如遇到了直流電機(jī)的堵轉(zhuǎn)，電流就會馬上開始增加，電路立即就會知道這一突然變化，并作出反應(yīng)，在第一時(shí)間反饋到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，而計(jì)算機(jī)也會馬上停止輸出。

2.3 CCD和計(jì)算機(jī)接口的組成

CCD的視頻信號一旦輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的圖像采集卡以后，就能夠立即在計(jì)算機(jī)中成像了。使用者可以根據(jù)自身需要，選擇分別具有不同照度的CCD和采集卡。在采集卡上，一般都會有亮度、對比度和飽和度等相應(yīng)的調(diào)節(jié)功能，這些采集卡同時(shí)還具備了圖像的采集和存儲功能，能夠較為方便地對圖像加以處理，再進(jìn)行打印。與現(xiàn)在國內(nèi)同類在顯微鏡上安裝數(shù)碼相機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行比較，該方法不僅更加便捷，而且成本也更加低。

3 結(jié)論

目前，這一顯微鏡自動(dòng)控制系統(tǒng)已在醫(yī)院中進(jìn)行了實(shí)踐，使用效果十分理想。這一系統(tǒng)所具有的靈活性能夠讓它十分方便地應(yīng)用到其它各類系統(tǒng)當(dāng)中，例如，一旦在醫(yī)院的檢驗(yàn)科里使用，完全可以與負(fù)責(zé)診斷的醫(yī)生加以連接，通過資源共享來提高工作效率，并建立起患者數(shù)據(jù)庫，而將圖像信息作為病歷的一部分加以存儲，還可作為對患者進(jìn)行后續(xù)診斷的參考資料?？梢哉f，運(yùn)用圖像識別技術(shù)，并建立專家系統(tǒng)，還能實(shí)現(xiàn)智能診斷或者半智能診斷?？傊鞠到y(tǒng)具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

[1]姚進(jìn).電視顯微鏡自動(dòng)控制系統(tǒng)的研制[J].醫(yī)療設(shè)備信息，1996(4).

[2]李賀橋.CCD圖像采集自動(dòng)生物顯微鏡系統(tǒng)的研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，1997(2).

[3]瞿蓬.一種基于圖像處理的自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2002(11).