纺织专用显微自动对焦技术研究

论文摘要

显微镜是纺织行业中对纺织品质量和性能检测的一个重要仪器，它广泛的应用于纺织的科学研究，教学实践，生产质量检测等领域。一般的纺织显微测试是基于人工手动对焦系统，图像是否对焦的判断是由测试者来决定的，为了得到清晰的图像只得依靠专门的人员进行不断的、反复的手工操作，直到调到被测对象的正焦位置，这样一个过程花费时间较长，效率低，准确度较差。随着人们对数字显微镜的自动化、智能化要求的提高，自动对焦技术的开发显得越来越重要。国外对于自动对焦技术比较成熟，拥有自动对焦技术的数字显微镜，市场上已经可以看到这种产品。然而，拥有自动对焦技术的数字显微镜全部出自国外，没有来自国内的。所以，自主研发我们自己的纺织专用自动对焦技术有着非常重要的现实意义和应用前景。本文在对光学显微镜基本理论分析的前提下，根据显微镜景深和齐焦的特点，设计出一种基于数字图像处理的纺织专用自动对焦系统。系统的关键技术在于：如何提高纤维图像质量的预处理方式，对于纤维图像清晰度评价函数的选取，对于提高对焦效果的对焦窗口的设计以及如何进行反馈控制的搜索方法。本文针对以上关键技术进行了探索性的研究，并取得以下研究结果：（1）.对纤维图像预处理的算法进行了筛选，确认通过33方形领域的中值滤波和M=16的掩模消噪可以有效地去除图像中影响对焦效果的椒盐噪声和高斯噪声。（2）.对于粗对焦而言，本文设计的适合纺织纤维图像对焦的异向8-Laplace清晰度评价函数在无偏性、单峰性、灵敏度、效率性方面均达到比较满意的程度；对细对焦而言，1、2级分解高频能量和的评价函数表现出良好的灵敏度，适合精度要求较高的细对焦搜索。（3）.本文提出了评判对焦窗口优秀程度的2个准则，即对焦窗口准确性和对焦窗口效率性。为对焦窗口的选取提供了评判基准，按照这个基准本文设计的对焦系统提供了3种不同的对焦窗口选取方法供用户根据需要自由选择，即：改进中央区域选择方法、十三宫格最佳窗口法和自选对焦区域法。为纺织纤维显微检测的快速化、准确化提供了技术基础。（4）.针对显微检测特点，本文提出通过2次搜索过程来满足显微检测的需求。第一，粗对焦搜索快速获得纤维的较为清晰粗对焦图像。第二，细对焦搜索扫描的目的在于得到清晰的纤维正焦图像。根据搜索特点对传统爬山搜索方法进行改进，并对改进的爬山搜索方法进行仿真实验，在搜索效率和精度方面表现出良好的搜索效果。（5）.在对以上关键技术进行大量研究和总结的基础上，建立了基于PC机的纺织纤维专用自动对焦系统，并对其进行实效检测实验，结果表明本系统对于纺织纤维的图像对焦具有良好的效果。为纺织纤维的全自动检测奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 国内外自动对焦技术的发展现状
• 1.2 课题意义
• 1.3 主要研究内容
• 2 光学显微基本理论
• 2.1 光学显微镜成像模型
• 2.2 光学投影成像模型
• 2.3 显微镜景深
• 2.4 显微镜齐焦
• 3 纺织专用显微自动对焦系统设计方案
• 3.1 纺织专用显微自动对焦系统的设计
• 3.2 图像数据采集模块的设计
• 3.2.1 光学显微镜
• 3.2.2 图像传感器
• 3.3 图像数据分析模块的设计
• 4 显微对焦图像清晰度评价函数
• 4.1 对焦图像清晰度评价函数优秀程度的评判准则
• 4.2 基于空域图像清晰度评价函数
• 4.2.1 传统基于空域图像清晰度评价函数
• 4.2.2 对拉普拉斯图像清晰度评价函数的改进
• 4.3 基于空域图像清晰度评价函数仿真试验
• 4.4 基于频域图像清晰度评价函数
• 4.4.1 基于傅里叶变换的图像清晰度评价函数
• 4.4.2 基于余弦变换的图像清晰度评价函数
• 4.4.3 基于小波变换的图像清晰度评价函数的研究与设计
• 4.5 基于小波变换的图像清晰度评价函数的仿真试验
• 4.6 小结
• 5 显微图像预处理
• 5.1 图像滤噪原理
• 5.2 图像滤噪处理
• 5.2.1 中值滤波去除椒盐噪声
• 5.2.2 掩模消噪法去除高斯噪声
• 5.3 小结
• 6 显微对焦窗口
• 6.1 对焦窗口选择的原因分析
• 6.2 对焦窗口优秀程度评判准则
• 6.2.1 对焦窗口准确性
• 6.2.2 对焦窗口效率性
• 6.3 传统对焦窗口选择方法
• 6.3.1 中央区域选择法
• 6.3.2 多区域采样法
• 6.3.3 黄金分割法
• 6.4 改进的对焦窗口选择方法
• 6.4.1 改进的中央区域选择方法
• 6.4.2 十三宫格最佳窗口法
• 6.4.3 自选对焦区域法
• 7 显微对焦搜索技术
• 7.1 显微对焦搜索过程
• 7.1.1 粗对焦搜索
• 7.1.2 细对焦搜索
• 7.2 自动对焦搜索系统设计
• 7.2.1 传统爬山搜索方法
• 7.2.2 传统爬山搜索方法存在的问题
• 7.2.3 对传统爬山搜索方法的改进
• 7.2.4 改进爬山搜索方法的关键问题与解决
• 8 纺织专用显微自动对焦系统与测试分析
• 8.1 纺织专用显微自动对焦系统主程序流程
• 8.2 纺织专用显微自动对焦系统执行控制模块流程
• 8.3 纺织专用显微自动对焦系统软件界面
• 8.4 纺织专用显微自动对焦系统的测试
• 9 总结与展望
• 9.1 全文工作总结
• 9.2 今后工作展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 致谢