嵌入式視頻顯微鏡自動調(diào)焦控制系統(tǒng)設(shè)計*

許功元， 胡斌梁， 康輝民， 劉艷余

(1.湖南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué) 機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201)

嵌入式視頻顯微鏡自動調(diào)焦控制系統(tǒng)設(shè)計*

許功元1,2， 胡斌梁1,2， 康輝民1,2， 劉艷余1,2

(1.湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南湘潭411201；2.湖南科技大學(xué)機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)湖南省重點實驗室，湖南湘潭411201)

針對視頻顯微鏡手動調(diào)焦效率低、精度差、難以得到最佳顯微圖像的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種基于嵌入式開發(fā)和Matlab數(shù)字圖像處理的自動調(diào)焦控制系統(tǒng)。通過在顯微鏡調(diào)焦、變倍手輪和光照調(diào)節(jié)處添加精密傳動機(jī)構(gòu)，并由單片機(jī)電路控制部分實現(xiàn)計數(shù)脈沖的獲取和電機(jī)的控制；所獲序列顯微圖像經(jīng)電荷耦合器件(CCD)鏡頭傳至PC系統(tǒng)，并由Matlab圖像處理軟件對其進(jìn)行清晰度判定，結(jié)合設(shè)計的'取均值'約束二次調(diào)焦的變步長自動搜索算法，以尋找最清晰顯微圖像，從而完成自動調(diào)焦。實驗表明：系統(tǒng)可完全取代傳統(tǒng)手動調(diào)焦操作，且精度更高，在細(xì)分驅(qū)動條件下，調(diào)焦和變倍過程的最小精度可達(dá)到1 μm。

視頻顯微鏡； 傳動機(jī)構(gòu)； 單片機(jī)； 圖像處理； 自動調(diào)焦

0 引 言

視頻顯微鏡始于雙目觀察式體式顯微鏡，主要由電荷耦合器件CCD/CMOS鏡頭、單筒顯微鏡、顯示器組成，是一項集光學(xué)顯微鏡技術(shù)、光/電轉(zhuǎn)換技術(shù)、液晶屏幕技術(shù)于一體的高科技產(chǎn)品。因其能將顯微鏡獲取的實物圖像通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換成像在計算機(jī)上，讓操作者避開傳統(tǒng)顯微鏡通過口鏡觀察時成像小、觀察不方便、圖像易模糊且主觀誤差大等缺陷，新的視頻顯微鏡可以方便地對圖像進(jìn)行觀察、操作和處理，成為目前研究的熱點[1]。

而現(xiàn)代視頻顯微鏡的發(fā)展趨勢如何利用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)自動和智能地通過計算機(jī)觀察和處理顯微圖像，則需要解決顯微鏡圖像獲取過程的操作自動化(如載物臺移動、鏡頭聚焦、照明光源調(diào)控和色溫調(diào)整等)和圖像清晰度評價自動化兩大關(guān)鍵技術(shù)[2]。本文設(shè)計了一種可自動調(diào)焦、電控變倍和電控光照亮度調(diào)節(jié)的裝置及其控制系統(tǒng)。

1 自動調(diào)焦控制系統(tǒng)方案設(shè)計

如圖1，本文系統(tǒng)包括圖像采集模塊、圖像處理模塊和串口通信模塊三大部分。其中圖像采集模塊接收由單筒顯微鏡所獲、經(jīng)CCD鏡頭傳遞的圖像信息，并將該信息傳送至圖像處理模塊；圖像處理模塊利用Matlab圖像處理算法對所獲序列圖像進(jìn)行清晰度判定，并將判定結(jié)果傳遞給串口通信模塊；51單片機(jī)依據(jù)串口通信模塊發(fā)送的指令控制3組步進(jìn)電機(jī)按需轉(zhuǎn)動，并通過齒輪等傳動裝置驅(qū)動單筒顯微鏡調(diào)焦、變倍和光照變化，從而獲得最佳顯微圖像，完成自動調(diào)焦過程。為了讓單片機(jī)能夠準(zhǔn)確地根據(jù)Matlab圖像處理算法的判定結(jié)果控制步進(jìn)電機(jī)的運行以獲得最佳顯微圖像，本文進(jìn)行了基于嵌入式開發(fā)的單片機(jī)控制電路設(shè)計和基于數(shù)字圖像處理的自動聚焦算法設(shè)計，并在搭建的實驗平臺上進(jìn)行了低、中、高倍自動聚焦實驗。

圖1 視頻顯微鏡自動調(diào)焦控制系統(tǒng)原理

2 嵌入式單片機(jī)控制電路設(shè)計

自動調(diào)焦控制系統(tǒng)由2部分組成：上層PC和下層單片機(jī)控制系統(tǒng)。上層PC基于Windows操作系統(tǒng)，主要完成顯微圖像采集、數(shù)據(jù)分析以及信息通信，下層下位機(jī)是以AT89C51單片機(jī)為主要核心器件的3組步進(jìn)電機(jī)及其傳動系統(tǒng)，主要完成顯微鏡調(diào)焦、變倍以及光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)控制。

2.1 單片機(jī)與計算機(jī)通信

計算機(jī)通過RS—232通信串口對平臺控制器發(fā)出控制指令，控制器中AT89C51單片機(jī)根據(jù)接收的指令設(shè)置相應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的移動方向、歩數(shù)和轉(zhuǎn)速；單片機(jī)每完成一次控制操作后通過RS—232串口向計算機(jī)發(fā)送返回信號，通知計算機(jī)本次工作完畢，等待下次指令。單片機(jī)與PC的串口通信遵循RS—232協(xié)議，MAXIM232實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換由[3]。

2.2 單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動接口設(shè)計

單片機(jī)通過下位機(jī)程序控制3組步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器以驅(qū)動對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)運轉(zhuǎn)，步進(jìn)電機(jī)將角速度和角位移通過傳動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為單筒顯微鏡調(diào)焦、變倍方向的線速度和線位移以及光照強(qiáng)弱的變化，并通過計數(shù)器記錄每個步進(jìn)電機(jī)走過的歩數(shù)。當(dāng)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，即驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一個固定的角度(即步距角)；通過控制脈沖個數(shù)可達(dá)到精確定位的目的，通過控制脈沖頻率可達(dá)到精確調(diào)速的目的[4]。

AT89C51的P1口控制調(diào)焦、變倍和光照調(diào)節(jié)三組步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的方向和脈沖控制信號。通過改變方向控制信號“+"”，“-”調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)/退方向；改變脈沖控制信號“+”，“-”調(diào)整步進(jìn)電機(jī)前行/后退的總歩數(shù)；改變脈沖頻率調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；通過一個8位動態(tài)數(shù)碼管和一個靜態(tài)數(shù)碼管記錄并顯示各步進(jìn)電機(jī)的運轉(zhuǎn)歩數(shù)。其中動態(tài)數(shù)碼管前5位(記為a1～a5)用于顯示調(diào)焦步進(jìn)電機(jī)前行的累計歩數(shù)，其可計數(shù)范圍為0～99 999；后3位(記為b1～b3)用于記錄變倍步進(jìn)電機(jī)前行的累計歩數(shù)，其可計數(shù)范圍為0～999；調(diào)焦和變倍計步單位均以設(shè)定最小脈沖精度為標(biāo)準(zhǔn)(如，在某次調(diào)焦過程以20脈沖/步作為一個步長時，步進(jìn)電機(jī)每前行/后退一步，顯示器顯示歩數(shù)+/-20)。靜態(tài)數(shù)碼管顯示器(記為c1)用于記錄光照強(qiáng)度調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)前行的累計歩數(shù)，本文將光照強(qiáng)度分為16個等級，分別對應(yīng)顯示靜態(tài)數(shù)碼管0～9以及A，b，c，d，E，F(xiàn)。“0”表示最暗，“F”表示最亮。

2.3 嵌入式控制系統(tǒng)工作流程

圖2中，本文對顯微鏡整體調(diào)焦行程(調(diào)焦上限位到下限位的距離)進(jìn)行精確的刻度劃分設(shè)計：考慮到步進(jìn)電機(jī)的運轉(zhuǎn)過程中可能會出現(xiàn)由于慣性而沖過終點的現(xiàn)象，在上、下限位均留有一定的余量以作緩沖；顯微鏡調(diào)焦總行程為62.52 mm，上、下限位處各留6.26 mm緩沖余量，即有效調(diào)焦總行程為50 mm。調(diào)焦時，以設(shè)定最小脈沖精度Aμm為調(diào)焦刻度單位，則調(diào)焦行程從1～50 000/A進(jìn)行刻度編號，調(diào)焦刻度上每一個數(shù)字代表具體的調(diào)焦位置以及該處對應(yīng)的圖像編號，此后每次調(diào)焦過程可通過具體數(shù)字達(dá)到精確控制調(diào)焦的目的。

圖2 系統(tǒng)操作流程

如某次調(diào)焦過程設(shè)定最小脈沖精度為10 μm，則調(diào)焦刻度為0，1，2，3，…，5 000，若調(diào)焦初始限位在100處，本次調(diào)焦行程為10 000 μm(即調(diào)焦刻度行程為1 000)，步進(jìn)電機(jī)以20脈沖/步前行。則本次調(diào)焦共50步，步進(jìn)電機(jī)運行至初始限位時顯示器顯示100，此時采集的圖像編號也為100，此后步進(jìn)電機(jī)每前行一步，顯示器顯示數(shù)值+20，采集的圖像編號+20；步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)前行直至本次調(diào)焦終止限位處，此時顯示器顯示1 100，序列圖像編號分別為100，120，140，…,1 100，共51張；則本次調(diào)焦行程圖像采集完成，圖像處理模塊對序列圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，單片機(jī)進(jìn)入待定狀態(tài)等待下次調(diào)焦指令。

3 基于Matlab圖像處理的自動聚焦算法

顯微鏡的自動聚焦過程主要從兩方面進(jìn)行評價，聚焦時間和聚焦精度。聚焦時間主要依賴于自動搜索算法[5]，聚焦精度主要依賴于圖像清晰度評價算法[6]。

3.1 自動搜索算法

顯微鏡成像聚焦即為圖像從模糊到清晰再到模糊的反復(fù)調(diào)節(jié)最終達(dá)到清晰的過程。其過程要求較高的精度，如果調(diào)焦步距(步長)過大，可能使顯微鏡越過最佳聚焦位置，導(dǎo)致誤聚焦或不聚焦；反之，選用小步長調(diào)焦，雖然可以正確聚焦，但整個過程耗時較長，降低了系統(tǒng)的性能[7]。

圖3 自動搜索算法示意

如圖3，本文采用“取均值”以約束二次調(diào)焦的變步長自動搜索算法，描述如下：

1)在設(shè)定初始和終止限位后，調(diào)焦步進(jìn)電機(jī)快速運行至調(diào)焦初始限位并以大步長尋訪整個調(diào)焦行程，采集序列圖像并編號保存；

2)對上述序列圖像進(jìn)行清晰度評價，并將離散的評價值擬合成一條曲線；

3)求取所有離散評價值的平均值，并將該值對應(yīng)的調(diào)焦位置作為二次調(diào)焦的初始和終止限位；

4)步長減半，重復(fù)步驟(1)～步驟(3)，直到調(diào)焦步長小于等于設(shè)定值；

5)驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運轉(zhuǎn)至本次調(diào)焦清晰度評價函數(shù)最大值對應(yīng)調(diào)焦刻度處，則該處為最佳調(diào)焦處，對應(yīng)的圖像為最佳顯微圖像。

采用取均值約束二次調(diào)焦的范圍一方面可以防止誤選局部極大值(如傳統(tǒng)爬山法)和圖像噪聲的干擾(如孤立的評價值較大的點)；另一方面上述獲取均值以及確定二次調(diào)焦初/終限位的過程均可通過程序控制實現(xiàn)，節(jié)省調(diào)焦用時的同時也推進(jìn)了視頻顯微鏡自動化和智能化的進(jìn)程。

3.2 圖像清晰度評價算法

選用較為普遍的12種空域類算法，包括灰度絕對方差，灰度梯度向量平方，Brenner，Roberts，灰度漲落變化，拉普拉斯等清晰度評價函數(shù)[8]應(yīng)用于本實驗平臺。在0.7倍-20脈沖/步、5 μm/脈沖精度條件下各評價函數(shù)的運行結(jié)果如圖4(a)所示。經(jīng)篩選，本文選用Sobel算子[9]和拉普拉斯改進(jìn)算子[10]兩種清晰度評價函數(shù)(如圖4(b))對控制系統(tǒng)做低倍(0.7倍)、中倍(2.1倍)、高倍(4.5倍)自動聚焦實驗。

1)Sobel算子清晰度評價函數(shù)

(1)

其中

Kx=f(x+1,y+1)+2f(x+1,y)+f(x+1,y-1)-

f(x-1,y+1)-2f(x-1,y)-f(x-1,y-1)

(2)

Ky=f(x-1,y+1)+2f(x,y+1)+f(x+1,y+1)-

f(x-1,y-1)-2f(x,y-1)-f(x+1,y-1)

(3)

式中A，B為數(shù)字圖像矩陣的寬和高；f(x,y)為(x,y)處的灰度值。

2)拉普拉斯改進(jìn)清晰度評價函數(shù)

|f(x,y)-f(x,y-1)|+f(x,y)-f(x-1,y)|+

|f(x,y)-f(x+1,y)|]

(4)

如圖4，本次篩選實驗以50 mm為調(diào)焦行程，在0.7倍,5 μm/脈沖調(diào)焦精度的條件下，步進(jìn)電機(jī)每前行20個脈沖顯微鏡采集一幅圖像；對調(diào)焦行程內(nèi)采集的所有顯微圖像進(jìn)行清晰度評價，并將評價值擬合成如圖4(a)所示的曲線。對比分析上述12種空域類評價函數(shù)曲線的單峰型、無偏性等，本文最終選用Sobel算子和拉普拉斯改進(jìn)算子兩種清晰度評價函數(shù)，如圖4(b)。

圖4 空域類清晰度評價算法及篩選后的算法評價

4 視頻顯微鏡自動調(diào)焦實驗

實驗臺包括SZY—JX01連續(xù)變倍單筒顯微鏡、SZY—U500T 1/3CCD鏡頭、SZY—G5亮度可調(diào)節(jié)冷光源、3組步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動器、2套齒輪傳動機(jī)構(gòu)、1套聯(lián)軸器傳動機(jī)構(gòu)、2個固定連接片以及支架。其中，單筒顯微鏡變倍比為1︰6.3，在0.5倍鏡條件下可實現(xiàn)(0.7～4.5)倍連續(xù)變倍；CCD鏡頭用于采集所獲顯微圖像并傳遞至PC系統(tǒng)以便進(jìn)行圖像處理；冷光源用于圖像采集時提供合適光亮；單片機(jī)通過脈沖信號控制3組步進(jìn)電機(jī)經(jīng)傳動機(jī)構(gòu)分別實現(xiàn)顯微鏡自動調(diào)焦、電控變倍和光照調(diào)節(jié)；連接片用于固定對應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)并保證齒輪傳動和聯(lián)軸器傳動的中心距適宜。

顯微鏡變倍物鏡行程為0.5 mm，變倍手環(huán)可旋轉(zhuǎn)角度312°，對應(yīng)于(0.7～4.5)倍連續(xù)變倍。通過細(xì)分驅(qū)動，實驗臺調(diào)焦和變倍最小精度可達(dá)1 μm/脈沖；調(diào)焦、變倍處嚙合齒輪傳動比均為3︰1，齒輪模數(shù)0.5 mm。根據(jù)所受負(fù)載不同，本文選用如表1、表2所示步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動器。

表1 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)

表2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器參數(shù)

如前所述，在本實驗平臺上做低倍(0.7倍)、中倍(2.1倍)、高倍(4.5倍)自動聚焦實驗。圖5為在低倍0.7倍條件下采用取均值約束二次調(diào)焦的變步長自動搜索算法以及Sobel算子和拉普拉斯改進(jìn)算子2種清晰度評價函數(shù)的自動聚焦實驗過程。

圖5 低倍0.7倍聚焦實驗

如圖5(a)，在低倍(0.7倍)、最小脈沖精度5 μm/脈沖的條件下，以大步長20脈沖/步，即每20個脈沖采集一幅顯微圖像并編號保存，本次調(diào)焦行程結(jié)束后將序列圖像(編號分別為0,20,40,…,10 000，共500張)的清晰度評價值擬合成圖5(a)的曲線。對所有離散評價值取平均值，則下次調(diào)焦行程被約束于圖5(a)中兩條豎線之內(nèi)，而后依次步長減半進(jìn)行如圖5(b)～圖5(e)所示的調(diào)焦過程，直至調(diào)焦步長如圖5(e)所示1脈沖/步。圖5(c),圖7(d)過程為粗調(diào)焦到精調(diào)焦過渡的過程，5脈沖步長減半后為2.5脈沖，取整為2脈沖。

如圖5所示的聚焦實驗：圖5(a)～圖5(c)為粗調(diào)焦過程，此時圖像評價值之間的差值較大，圖形上升與下降較陡，這是因為這一階段離焦圖像較多，其鄰域的灰度值變化較大，而基于空域類評價算法均為對鄰域做運算，因此，粗調(diào)焦過程表現(xiàn)在圖形中評價值之間有較大的落差，這與理論上粗調(diào)焦過程以大步長在短時間內(nèi)初步獲取正焦位置的目的相符。而圖5(d)，圖5(e)為精調(diào)焦過程，圖形較平緩，這是因為在進(jìn)行了圖5(a)～圖5(c)三次粗調(diào)焦之后，正焦位置已經(jīng)被約束在較小的范圍之內(nèi)，只需在該范圍內(nèi)做進(jìn)一步確認(rèn)便能找尋最佳成像位置。圖5(e)，調(diào)焦刻度2 730對應(yīng)于兩條評價曲線最大值處，即為最佳正焦位置，對應(yīng)的第2 730張序列圖像即為最清晰圖像。同理，中倍(2.1倍)、高倍(4.5倍)自動聚焦實驗亦如上進(jìn)行分析。低倍(0.7倍)、中倍(2.1倍)、高倍(4.5倍)自動調(diào)焦實驗過程采集的部分序列顯微圖像如圖6所示。

圖6 三種放大倍數(shù)自動調(diào)焦過程采集的序列顯微圖像

5 結(jié)束語

1)對現(xiàn)有的視頻顯微鏡進(jìn)行了自動調(diào)焦、電控變倍和光照調(diào)節(jié)數(shù)字化改造，并通過單片機(jī)控制實現(xiàn)其精確調(diào)節(jié)；

2)結(jié)合Matlab數(shù)字圖像處理和圖像清晰度評價算法，采用取均值約束二次調(diào)焦的變步長自動搜索策略，在消除圖像噪聲的同時，大幅減少了調(diào)焦時間；

3)改造后的顯微鏡在目標(biāo)定位和運動控制精度方面有了很大改善，降低了對操作經(jīng)驗限制的同時，極大提高了圖像獲取的質(zhì)量和效率。

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Designofautofocusingcontrolsystemofembeddedvideomicroscope*

XU Gong-yuan1,2, HU Bin-liang1,2, KANG Hui-min1,2, LIU Yan-yu1,2

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan411201,China;2.HunanProvincialKeyLaboratoryofHealthMaintanceforMechanicalEquipment,HunanUniversityofScienceandTechnology,Xiangtan411201,China)

Aiming at the situation of low efficiency and poor precision of manual focusing of video microscope,difficult to get the best microscopic image,an automatic focusing control system based on embedded development and Matlab digital image processing is designed.Through adding precise transmission mechanism to the microscope focus hand wheel and zoom hand wheel and light adjustment,the single-chip circuit control part realizes the counting pulse acquisition and the motor control.Acquired sequence of microscopic images are transmitted to PC through charge coupled device(CCD) camera,and the Matlab image processing software determine its clarity.Combined with the designed 'take the mean' to adjust the secondary focus of the variable step size automatic search algorithm to find the most clearest microscopic images,thus complete the auto focusing process.The experiment shows that the system can completely replace the traditional manual focusing operation with higher precision.In the subdivision drive conditions,the process of focusing and zooming can reach 1μm of the minimum precision.

video microscope； transmission mechanism； single chip； image processing； automatic focusing

10.13873/J.1000—9787(2017)12—0071—04

TH 742; TP 271

A

1000—9787(2017)12—0071—04

2017—10—17

國家自然科學(xué)基金資助項目(61272196)；湖南省教育廳重點項目(15A063)；湖南省自然科學(xué)基金資助項目(2017JJ2090)；湖南省研究生科研創(chuàng)新資助項目(CX2016B550)

許功元(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為計算機(jī)視覺、自動化控制、機(jī)械設(shè)計，E—mail:1048823287@qq.com。胡斌梁(1964-)，男，通訊作者,教授，研究生導(dǎo)師，主要從事現(xiàn)代設(shè)計理論與方法、機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)研究工作，E—mail:604302463@qq.com。