彩色顆粒顯微圖像識別系統自動對焦模塊論文(已修改)

　

【正文】 畢業設計題 目 彩色顆粒顯微圖像識別系統 自動對焦模塊 1 前言 選題背景從顆粒顯微成像系統的研究與應用上來看：顆粒是物質經過破碎或分裂加工過程（自然的或人工的）所得到的一組或一批在形狀、體積或線度物化等物化特性等方面具有某種共同特性的粒狀物體。隨著現代化科學技術的發展，顆粒技術作為一門新興的邊緣學科，已經深入到航天、航海、航空、化工、冶金、煤炭、電力、石油、輕工、環保、醫藥、材料、食品、氣象、地質、交通運輸、以及水利等許多領域。從自動對焦的研究與應用上來看：隨著科學技術的迅速發展，自動對焦越來越多的用于現代光學成像系統。數字成像系統的自動對焦問題受到人們的普遍關注，已廣泛應用于數碼相機、高分辨率監控攝像機、顯微圖像識別系統和數字視頻展臺等產品。且其產品有著廣泛的應用領域，如：教育、銀行、煤礦、交通、醫療、環境（空氣、水等）質量檢測等領域。盡管其應用范圍已經遍布到了很多相關領域，但是自動對焦技術仍存在很多局限性，而且其應用也不太成熟。因此，自動對焦技術仍需要進一步完善和成熟，其專業性有待于進一步提高,顆粒圖像處理系統中的自動對焦也不例外，仍需進一步的優化與提高。傳統的顆粒顯微圖像分析技術需要把顆粒采集到載玻片進行靜態觀測，這樣會造成分析周期長、不能實時檢測以及過程過于繁瑣等問題，而且采集的圖像中顆粒可能重疊、連接，不利于圖像處理。傳統的顯微平臺大都是針對靜止的觀測目標設計的，載玻片和蓋玻片的尺寸都必須符合特定的標準。然而，流體中顆粒的測量需要特定的可實時運動器件，在顆粒運動過程中采集圖像，和靜態相比顆粒成像有很大的區別。因此，對顯微環境下彩色運動顆粒圖像測量系統進行研究是必要的。自動對焦作為彩色顆粒顯微成像系統中的重要組成部分，需要進行進一步的研究與優化。不管是從顆粒成像系統研究與應用上，從自動對焦的研究與應用上，還是從自動對焦的動態圖像分析與傳統對焦方式的靜態圖像分析的異同上來講對自動對焦進行研究都具有深遠的意義。 選題的意義 發展狀況自上世紀七十年代中期開始，隨著圖像處理技術的不斷發展，圖像處理技術在航空航天、工業測試、機器人視覺、生物醫學工程、文化藝術、公安司法等許多應用領域受到廣泛重視，并取得了開拓性成就。隨著計算機技術和人工智能、思維科學研究的迅速發展，數字圖像處理向更高更深層次發展。進入二十一世紀之后，隨著計算機互聯網的發展和普及，數字化的不斷發展成為社會發展的必然要求。尤其是光電成像系統，他是集光、電、機一體的產品，在超大規模集成電路技術和半導體電子技術的不斷發展的情況下，光電成像系統在精度和功能上取得了相當大的成就，而且使光電成像系統逐漸走向數字化，逐漸發展成為數字成像系統。由于數字成像技術和圖像處理技術的發展顯微鏡的發展逐漸走向了智能化、集成化和系列化。并且其應用范圍也在不斷擴大，在材料科學、生命科學、國防安全等各個領域發揮的作用越來越大。在顯微圖像的分析、顯微圖像處理方面，其速度也越來越快。隨著社會需求的不斷提高，傳統的顯微鏡手工操作逐漸變得不能滿足生產科研的需求。要想得到最佳的顯微圖像，就得依靠專業技術人員進行反復的、不斷的人工操作，直到調到被測對象的最佳聚焦位置。這個過程需要花費較多的時間，不僅如此，主觀評判圖像的清晰度標準與理想的最佳聚焦位置的清晰圖像也存在不同程度的差距，這使得人為誤差很容易產生，還有，在一些自動化程度要求較高的工作環境下，人工操作存在著很大困難，自動化程度太低，不能滿足要求。而顯微鏡自動對焦技術采用了與傳統的人工對焦方法完全不同的對焦方式進行調焦，傳統的對焦方法是通過傳感器測距離或測焦點的方式而實現的。然而，基于圖像處理的對焦方法根據相關圖像分析出圖像的質量優劣，從而得出當前圖像評價參數，通過比較不同成像位置的成像參數，找出最佳的聚焦成像位置，完成自動對焦操作。因此，對焦評價函數的實現的難易程度、可靠性和算法精度是顯微鏡自動對焦的關鍵技術之一。經過對焦評價函數原理和自動對焦原理的分析，并且鑒于模擬濾波評價函數算法精度不高和截止頻率不可調試的特點，本方案提出一種評價算法精度高和截止頻率容易調節的數字濾波評價函數算法，并對該算法性能進行研究，而且，使用COMS型圖像采集設備的顯微鏡為研究對象，采用計算機控制的基于數字濾波的評價函數算法的方法研究發出性能優良的自動對焦系統具有非常重要的意義，他不僅推動光機電一體化技術進一步探索，還對發展現代光學儀器產業具有重大意義。 必要性由于人工對焦操作帶有主觀性，會引入較大人為誤差。另外，大量顯微操作須在潔凈室中進行。因此，為了最大限度的降低人為污染對微操作質量的影響，應大力發展自動對焦技術，努力實現自動對焦在各領域的應用，盡量提高其性能。自動對焦是基于顯微視覺微操作自動化中不可或缺的關鍵技術之一。自動對焦技術的發展和日趨成熟具有非常重要的意義。自動對焦技術與傳統的人工對焦技術相比，具有顯著的優點，其優點大致如下：在對焦速度方面：由于人工對焦是通過人的具體操作來完成對焦動作的，因而其對焦速度因人的熟練程度不同而不同，而且對于人來說其對焦速度極其有限。而自動對焦技術是由計算機結合相關的硬件系統來完成的，隨著計算機技術及相關硬件技術的不斷發展和日趨成熟，其對焦速度將越來越快。在對焦精度方面：人工對焦主觀性一般比較強，因此其對焦精度會受到一定的影響。而自動對焦全部由相關儀器來完成，故其精度只由儀器來決定而不受人工的影響，因此其精度會提高。綜上，自動對焦不僅在精度和速度方面有顯著優勢，而且自動對焦節省了勞力，還可以實時進行。 國內外研究現狀目前自動對焦領域的研究方向是經過數字成像，通軟件判別來得到最佳聚焦位置。與其它自動對焦方式相比，基于圖像處理來判定圖像清晰度的對焦方式是當前研究最具吸引力的焦點與熱點。基于數字圖像處理的自動對焦有兩種方法，一種是通過計算機對采集到的一系列數字圖像，對每一幀圖像進行處理，判斷成像是否清晰，若不夠清晰，則通過電機控制鏡頭的移動，當采集到的圖像達到清晰度要求，則完成自動對焦。這種方法被稱為對焦深度法，此方法已經比較成熟，實際中應用的自動對焦系統大都采用這種方法。另一種是離焦深度法，該方法事先對成像系統建立合適的數學模型，結合成像系統的各項參數，通過獲取若干幅離焦位置的圖像，推算出目標體的離焦深度，從而判斷出焦點位置實現對焦。這種方式還不夠成熟，處于實驗室應用和理論研究中。 國內自動對焦的研究現狀隨著我國綜合國力的增強和國家對軟件事業的重視，我國在自動對焦方面的研究取得了較大的成績。目前我國的很多科研院所、高校以及企業單位致力于自動對焦系統的研究與開發，國內比較晚時才開始對自動對焦系統進行研究，但是也取得了較大成果。北京大學提出具有實用價值的基于DWT不同離焦位置圖像的頻譜的徑向分布，先推算出目標物體的離焦深度，再調整鏡頭位置完成自動對焦，然而，并不需要計算離焦圖像頻譜，計算精度可達4%，具有魯棒性交好的特點的系統、研究了基于CMOS圖像傳感器和單片機信號處理的自動對焦系統、優優化了一種基于CCD視頻信號模擬濾波的自動對焦系統、采用軟件的方式控制整個對焦過程，具有可操作性好、可移植性強和方便實用的的對焦系統、采用DSP——FPGA的高速硬件系統方案實現自動調焦系統、基于彩色圖像ＲＧＢ分析的自動對焦技術；清華大學采用絕對方差函數，調焦范圍較大，達到210um，粗調分辨率高，達到7um的系統；山東大學利用Sobel算子邊緣檢測算法，提出圖像邊緣能量清晰度評價函數，得出該算法與具有較好的尖銳性，能夠適應高精度聚焦的要求的算法和實現了對普通生物顯微鏡自動控制臺設計與開發并實現顯微鏡自動控制；北京航空航天大學根據DSP的運動特點，提出x/y向Tenengrad函數算法，每幅圖像的聚焦