嵌入式显微成像系统及在高精度大尺寸测量中的应用研究

论文摘要

图像信息的采集和处理在科学研究、工农业生产、医疗卫生等领域得到了越来越广泛的应用。显微图像的采集是进行微观精密研究的基础,所以对显微图像采集系统的研制有着重要的现实意义和价值。随着计算机技术的不断发展,出现了显微镜和计算机相结合的产物,使显微镜下的图像可以通过计算机完成图像采集、显示、处理等工作,但使用计算机作为系统处理器,往往会使系统体积庞大。本文在此基础上设计研究了使用DSP作为处理器的嵌入式显微成像系统,可以将显微镜下图像传输到显示器上显示,并能实现图像的存储和处理,既代替了计算机的功能,又有利于系统的集成化和小型化。根据高精度大尺寸测量的精度要求,利用所设计的显微成像系统,搭建了高精度尺寸测量实验平台,并针对大尺寸图像检测研究了显微图像的拼接算法。本文主要完成以下工作:1.完成了嵌入式显微成像系统整体方案设计,该系统主要由光学模块、图像采集模块、图像处理模块、图像显示模块和扩展模块组成。2.研究制定了嵌入式显微成像系统的光学衔接方案,完成了光学系统的视场匹配设计。根据系统分辨率的要求,利用CODE V软件,完成系统中显微镜物镜和转接镜的光学设计,并进行了仿真。研究了显微镜照明的分类及特点,针对本系统的特点,分别设计了透射式照明和反射式照明两种照明方案。3.深入分析了图像采集与显示的方案,设计了嵌入式显微成像系统的硬件电路,包括图像采集和图像显示电路、系统预处理器FPGA电路和键盘控制电路,并完成电路调试工作。4.完成了显微图像采集与显示的软件系统设计,设计双线性插值法、边缘检测法和信号相关插值法三种Bayer格式图像转换算法,并分别对转换后的图像质量进行了评估,最终确定采用信号相关插值法;研究了显微图像拼接算法,设计了阈值分割与像素投影相结合的方法,实现了显微图像的无缝拼接。5.对嵌入式显微成像系统进行了实验验证,分析了采用不同照明方式采集到图像的特点,利用标准长度的物体,验证了系统所能达到的测量精度,满足系统设计要求。利用二维样品台,结合本文所研究的图像拼接算法,实现了系统二维显微图像的无缝拼接。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 显微镜原理及研究现状
• 1.2.1 显微镜发展史
• 1.2.2 显微镜原理及组成结构
• 1.2.3 机器视觉技术与显微镜
• 1.3 大尺寸测量的应用及发展现状
• 1.3.1 大尺寸测量的应用
• 1.3.2 大尺寸测量的发展现状
• 1.4 本论文的选题背景及主要工作
• 1.5 本章小结
• 第二章 嵌入式显微成像系统整体方案设计
• 2.1 图像传感器的选择
• 2.1.1 CCD和CMOS图像传感器的比较
• 2.1.2 图像传感器的选择
• 2.2 图像处理方案研究
• 2.2.1 实时图像处理的实现方式
• 2.2.2 系统处理器的选择及介绍
• 2.2.3 DM642 简介
• 2.3 系统模型建立及各部分介绍
• 2.4 本章小结
• 第三章 嵌入式显微成像系统的光学及照明设计
• 3.1 系统光学衔接方案研究
• 3.2 系统视场匹配设计
• 3.2.1 视场匹配方案的研究
• 3.2.2 视场匹配的公式推导及参数确定
• 3.3 系统的光学设计
• 3.3.1 显微镜物镜与转接镜的选择
• 3.3.2 光学系统设计要求与参数计算
• 3.3.3 光学系统的软件仿真
• 3.4 系统照明光源设计
• 3.4.1 照明的分类及特点
• 3.4.2 系统照明光源设计
• 3.4.3 反射式照明光源的选择
• 3.5 本章小结
• 第四章 嵌入式显微成像系统硬件设计
• 4.1 图像采集模块电路设计
• 4.1.1 图像采集方案的研究
• 4.1.2 图像采集模块电路设计
• 4.2 图像显示模块电路设计
• 4.2.1 图像显示方案的研究
• 4.2.2 图像显示模块电路设计
• 4.3 FPGA模块电路设计
• 4.4 键盘输入模块电路设计
• 4.5 本章小结
• 第五章 嵌入式显微成像系统软件设计
• 5.1 图像传感器的控制方式
• 5.2 视频编码器的输出模式
• 5.3 图像采集与显示程序设计
• 5.3.1 图像采集与显示的过程
• 5.3.2 系统芯片参数设定
• 5.4 Bayer格式图像的解码算法
• 5.4.1 Bayer格式图像简介
• 5.4.2 双线性插值法
• 5.4.3 边缘检测法
• 5.4.4 信号相关插值法
• 5.4.5 图像质量评估
• 5.5 显微图像拼接算法研究及实现
• 5.6 图像显示的软件界面
• 5.7 本章小结
• 第六章 嵌入式显微成像系统的实验研究
• 6.1 高精度尺寸测量的方法
• 6.2 实验照明光源的比较
• 6.3 高精度大尺寸测量的测量精度实验
• 6.4 二维显微图像拼接实验
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结和展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 附录
• 附录Ⅰ 视频板电路原理图
• 附录Ⅱ 视频板电路PCB版图
• 附录Ⅲ 嵌入式显微成像系统电路实验板
• 致谢