顯微圖像采集系統(tǒng)設計和標定

周海燕+陸啟芳

摘要：為了觀察被觀察對象的細節(jié)特征，采用顯微鏡頭獲得觀察對象的放大圖像，應用cmos傳感器采集圖像，并對采集到的圖像進行線性化、去噪聲、白平衡、顏色插值、顏色校正、顏色增強等操作，得到顏色真實穩(wěn)定的圖像。同時應用標準測微標尺，對圖像采集系統(tǒng)進行標定，求得反映圖像位置的真實距離和像素距離之間的關系系數(shù)K，為圖像的幾何參數(shù)測量提供方便。

關鍵詞：圖像傳感器；顯微圖像；幾何參數(shù)測量

中圖分類號：TP18 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）08-0182-03

Abstract： In order to observe the detailed features of an observed object， a microscope lens is adopted to obtain an amplified image of the observed object， a cmos sensor is applied to acquire the image， and then operations such as linearization， denoising， white balance， color interpolation， color correction and color enhancement and the like are conducted on the acquired image， so that an image with real and stable color is obtained. A standard micrometer is applied to calibrate an image acquisition system， and then a coefficient K for reflecting the relationship between the real distance and the pixel distance of the image position is obtained， so that convenience is provided for measuring the geometric parameters of the image.

Key words： image sensor； microscopic image； geometrical parameter measurement

1緒論

顯微鏡主要是利用光學系統(tǒng)使被觀察對象得到放大，可以幫助研究者從微觀的角度去觀察和了解研究對象的特征。顯微鏡自從發(fā)明問世以來，在人們生活和工作的各個方面都得到了非常廣泛的應用，特別是在在醫(yī)學、生物學等專業(yè)領域尤為明顯。

隨著科學技術的不斷發(fā)展，信息社會的不斷進步，人們對顯微鏡所能提供的信息標準要求也日益增高。顯微鏡的傳統(tǒng)作用之一是作為檢測工具，而這種傳統(tǒng)檢測手段的不足之處日趨凸顯。具體主要表現(xiàn)在：傳統(tǒng)顯微鏡由人眼觀測，觀測結果采用文字描述的方式進行記錄，由此會產(chǎn)生人為的誤差，也不利于工作者對研究對象的顯微圖像進行深入分析與研究。同時長時間分析大量圖像時，很可能會產(chǎn)生自適應現(xiàn)象。近幾年來，隨著計算機、信息技術以及成像傳感器技術專業(yè)的快速發(fā)展，圖像獲取和處理的相關技術也呈現(xiàn)蓬勃的發(fā)展趨勢。一方面，研究人員可以更加方便地觀察到顯微圖像；另一方面，圖像處理分析軟件可以提供多種多樣的參數(shù)進行測量。與傳統(tǒng)測量方法相比較，數(shù)字化顯微測量技術彰顯著其無可比擬的優(yōu)越性。首先，新技術的應用在很大程度上提高了測量結果的精準度：通過計算機與不同功能的軟件對圖像進行綜合處理，不僅極大地縮小了人眼直接讀數(shù)等主觀因素產(chǎn)生的誤差，同時也降低了多次重復測量以及儀器設備本身所形成的誤差；其次，數(shù)字化顯微測量技術極大的擴展了測量范圍：對眾多不同尺寸的零件進行測量時，可以根據(jù)自己的需要，選擇合適的放大鏡頭或縮小鏡頭。另外，由于測量系統(tǒng)本身的特性，顯微測量技術極大地提高了測量過程的自動化程度，并且相應的實現(xiàn)了測量手段的非接觸、高精準度、高效率和自動化。所以，近幾年來數(shù)字化的顯微測量技術已廣泛地應用到眾多的領域[1-3]。

2顯微圖像采集系統(tǒng)

本文所設計的顯微圖像采集系統(tǒng)結構如圖1所示：

系統(tǒng)光源利用led環(huán)形燈。而led環(huán)形燈具有散發(fā)熱量少、閃頻小、光照均勻、亮度可調(diào)節(jié)，以及壽命周期長的優(yōu)勢與特點；采用的顯微鏡頭和圖像傳感器均來自深圳宜興科技有限公司，前者為該公司的YX15系列大變倍比鏡頭，其主要參數(shù)：變倍比：15：1，光學倍數(shù)：0.13X-2X，物方視野：2.4mm-36mm，工作距離：55mm-285mm；后者為該公司的 U-500C型USB圖像傳感器。所采用的光電傳感器為Aptina公司生產(chǎn)MT9P031型cmos傳感器。主要技術參數(shù)如表1所示：

3圖像質(zhì)量增強和處理

從CMOS傳感器獲取的圖像不可以直接用于顯微圖像分析。尤其是在顏色方面進行分析時，其原因主要是在圖像成像和感光的過程中，引入了較多的偏差。這些偏差因素包括有光學系統(tǒng)的瑕疵，感光芯片對照度的不同感光特性等。此外，光源對于圖像成像質(zhì)量也有較高的影響，即使獲取圖像內(nèi)的各項參數(shù)合格，但是實際工作中要考慮到不同設備的不同空間需求時，仍然需要進行設備而無關空間的轉(zhuǎn)換，該處理過程稱為圖像處理流程。具體處理流程如圖3所示：

線性化：用數(shù)學方式處理暗電流與模數(shù)轉(zhuǎn)換器等造成的誤差，使感光器照射強度的輸入和輸出在一定范圍內(nèi)呈線性關系。去噪聲：由電磁波或經(jīng)電源引入的外部噪聲，圖像采集生成過程中的暗電流噪聲，因器件制造工藝引起的光響應非均勻性，圖像傳輸過程中涉及的各種器件引起的雜波噪聲等，通過合適的算法，降低工作溫度等方式來消除這些噪聲。白平衡：利用AWB算法矯正外部光源色溫引起的圖像顏色失真。顏色插值：利用逐次逼近、雙線性等插值算法計算得到像素點缺少的另外兩個顏色分量。顏色校正：因圖像采集系統(tǒng)、光源和顯示器件的不同會引起顏色失真，利用矩陣法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡法、多項式回歸法等對圖像進行顏色校正。GAMMA校正：用于去除人眼對亮度信號的非線性反應，保證顯示設備顯示的圖像與原始圖像相同，抵消CRT顯示器使圖像亮化的影響，利用顏色查找表來實現(xiàn)GAMMA校正。圖像增強：利用灰度變換、空間濾波等增強圖像的細節(jié)，使圖像的灰度分布相對均勻，并增加圖像對比度 [5-7]。

4圖像標定

顯微圖像分析與處理應用在生物學、醫(yī)學等一些專業(yè)領域方面時，經(jīng)常需要通過利用數(shù)字圖像來了解觀察目標的實際幾何參數(shù)。這就要求明確在一定放大倍數(shù)下， 圖像中像素間距與實際空間尺度數(shù)據(jù)之間的關系是如何相對應，即顯微圖像系統(tǒng)的尺度定標值。

顯微圖像系統(tǒng)中重要的技術指標之一就是尺度定標值。尺度定標值的多少將會直接影響到圖像分析的結果。從理論上來說，在系統(tǒng)采樣密度和放大倍數(shù)不變的情況下，尺度定標值是可以通過計算得到結果。但是在實際工作中圖像采集系統(tǒng)都或多或少地存在幾何畸變的可能性。因此，通過實驗方法對系統(tǒng)進行精確定標是很有必要的。本文利用圖像處理技術， 對圖2所示的顯微鏡圖像采集系統(tǒng)進行了尺度定標。應用圖4采集的間距0.5mm的顯微標尺如圖4所示：

5結論

本文主要通過描述利用CMOS作為圖像傳感器，對圖像進行獲取、校正和并分析的過程。根據(jù)顯微鏡成像原理和CMOS作為感光芯片的具體特點，制定出獨特的圖像處理流程，具體包括線性化、顏色矯正和白平衡等過程，從而獲得更加真實準確的圖像來作為進一步圖像分析的素材，這為其他方面的研究和工作提供了更大的準確性保證。最后本文通過0.5mm的標準顯微標尺的圖像求解系統(tǒng)，求得反映顯微圖像真實距離和像素距離之間關系的定標系數(shù)K，為顯微圖像的幾何參數(shù)測量奠定了基礎。

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