周海燕+陸啟芳

摘要：為了觀察被觀察對(duì)象的細(xì)節(jié)特征，采用顯微鏡頭獲得觀察對(duì)象的放大圖像，應(yīng)用cmos傳感器采集圖像，并對(duì)采集到的圖像進(jìn)行線性化、去噪聲、白平衡、顏色插值、顏色校正、顏色增強(qiáng)等操作，得到顏色真實(shí)穩(wěn)定的圖像。同時(shí)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)微標(biāo)尺，對(duì)圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，求得反映圖像位置的真實(shí)距離和像素距離之間的關(guān)系系數(shù)K，為圖像的幾何參數(shù)測(cè)量提供方便。

關(guān)鍵詞：圖像傳感器；顯微圖像；幾何參數(shù)測(cè)量

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(xué)系統(tǒng)使被觀察對(duì)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(duì)象的特征。顯微鏡自從發(fā)明問(wèn)世以來(lái)，在人們生活和工作的各個(gè)方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用，特別是在在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等專業(yè)領(lǐng)域尤為明顯。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，信息社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)顯微鏡所能提供的信息標(biāo)準(zhǔn)要求也日益增高。顯微鏡的傳統(tǒng)作用之一是作為檢測(cè)工具，而這種傳統(tǒng)檢測(cè)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(cè)，觀測(cè)結(jié)果采用文字描述的方式進(jìn)行記錄，由此會(huì)產(chǎn)生人為的誤差，也不利于工作者對(duì)研究對(duì)象的顯微圖像進(jìn)行深入分析與研究。同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間分析大量圖像時(shí)，很可能會(huì)產(chǎn)生自適應(yīng)現(xiàn)象。近幾年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)以及成像傳感器技術(shù)專業(yè)的快速發(fā)展，圖像獲取和處理的相關(guān)技術(shù)也呈現(xiàn)蓬勃的發(fā)展趨勢(shì)。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(jìn)行測(cè)量。與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比較，數(shù)字化顯微測(cè)量技術(shù)彰顯著其無(wú)可比擬的優(yōu)越性。首先，新技術(shù)的應(yīng)用在很大程度上提高了測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)度：通過(guò)計(jì)算機(jī)與不同功能的軟件對(duì)圖像進(jìn)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(shí)也降低了多次重復(fù)測(cè)量以及儀器設(shè)備本身所形成的誤差；其次，數(shù)字化顯微測(cè)量技術(shù)極大的擴(kuò)展了測(cè)量范圍：對(duì)眾多不同尺寸的零件進(jìn)行測(cè)量時(shí)，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(cè)量系統(tǒng)本身的特性，顯微測(cè)量技術(shù)極大地提高了測(cè)量過(guò)程的自動(dòng)化程度，并且相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)了測(cè)量手段的非接觸、高精準(zhǔn)度、高效率和自動(dòng)化。所以，近幾年來(lái)數(shù)字化的顯微測(cè)量技術(shù)已廣泛地應(yīng)用到眾多的領(lǐng)域[1-3]。

2顯微圖像采集系統(tǒng)

本文所設(shè)計(jì)的顯微圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)；采用的顯微鏡頭和圖像傳感器均來(lái)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(xué)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(shù)參數(shù)如表1所示：

3圖像質(zhì)量增強(qiáng)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(jìn)行分析時(shí)，其原因主要是在圖像成像和感光的過(guò)程中，引入了較多的偏差。這些偏差因素包括有光學(xué)系統(tǒng)的瑕疵，感光芯片對(duì)照度的不同感光特性等。此外，光源對(duì)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(xiàng)參數(shù)合格，但是實(shí)際工作中要考慮到不同設(shè)備的不同空間需求時(shí)，仍然需要進(jìn)行設(shè)備而無(wú)關(guān)空間的轉(zhuǎn)換，該處理過(guò)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(xué)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(qiáng)度的輸入和輸出在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)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(guò)程中的暗電流噪聲，因器件制造工藝引起的光響應(yīng)非均勻性，圖像傳輸過(guò)程中涉及的各種器件引起的雜波噪聲等，通過(guò)合適的算法，降低工作溫度等方式來(lái)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(jì)算得到像素點(diǎn)缺少的另外兩個(gè)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(huì)引起顏色失真，利用矩陣法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、多項(xiàng)式回歸法等對(duì)圖像進(jìn)行顏色校正。GAMMA校正：用于去除人眼對(duì)亮度信號(hào)的非線性反應(yīng)，保證顯示設(shè)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(lái)實(shí)現(xiàn)GAMMA校正。圖像增強(qiáng)：利用灰度變換、空間濾波等增強(qiáng)圖像的細(xì)節(jié)，使圖像的灰度分布相對(duì)均勻，并增加圖像對(duì)比度 [5-7]。

4圖像標(biāo)定

顯微圖像分析與處理應(yīng)用在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等一些專業(yè)領(lǐng)域方面時(shí)，經(jīng)常需要通過(guò)利用數(shù)字圖像來(lái)了解觀察目標(biāo)的實(shí)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(shí)際空間尺度數(shù)據(jù)之間的關(guān)系是如何相對(duì)應(yīng)，即顯微圖像系統(tǒng)的尺度定標(biāo)值。

顯微圖像系統(tǒng)中重要的技術(shù)指標(biāo)之一就是尺度定標(biāo)值。尺度定標(biāo)值的多少將會(huì)直接影響到圖像分析的結(jié)果。從理論上來(lái)說(shuō)，在系統(tǒng)采樣密度和放大倍數(shù)不變的情況下，尺度定標(biāo)值是可以通過(guò)計(jì)算得到結(jié)果。但是在實(shí)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(guò)實(shí)驗(yàn)方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行精確定標(biāo)是很有必要的。本文利用圖像處理技術(shù)， 對(duì)圖2所示的顯微鏡圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行了尺度定標(biāo)。應(yīng)用圖4采集的間距0.5mm的顯微標(biāo)尺如圖4所示：

5結(jié)論

本文主要通過(guò)描述利用CMOS作為圖像傳感器，對(duì)圖像進(jìn)行獲取、校正和并分析的過(guò)程。根據(jù)顯微鏡成像原理和CMOS作為感光芯片的具體特點(diǎn)，制定出獨(dú)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(guò)程，從而獲得更加真實(shí)準(zhǔn)確的圖像來(lái)作為進(jìn)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(zhǔn)確性保證。最后本文通過(guò)0.5mm的標(biāo)準(zhǔn)顯微標(biāo)尺的圖像求解系統(tǒng)，求得反映顯微圖像真實(shí)距離和像素距離之間關(guān)系的定標(biāo)系數(shù)K，為顯微圖像的幾何參數(shù)測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。

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