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显微镜用数码相机硬件结构及其视频流算法实现与应用

张磊  
【摘要】:显微镜是研究和改造微观世界的一种非常重要的工具。传统的光学显微镜具有使用易疲劳、观测结果主观性强、不适于大规模无人值守作业以及功能单一等缺点。针对光学显微镜存在的这些问题,课题设计并实现了多种功能、多种分辨率的CCD和CMOS数码相机,给出了完整的硬件同软件解决方案,将光学显微镜数码化。并在此基础上,设计实现了显微镜自动对焦系统与多焦图像融合系统,大大的扩展了显微镜的应用范围。 在数码相机硬件系统设计中,本文按照自下向上的顺序,从图像传感器的选型、视频数据采集方案同视频流传输方案三方面入手,提出了数码相机硬件多重配置的概念,通过精心的设计,完整的实现了同一套硬件支持多款图像传感器芯片的解决方案。通过长时间的运行以及专项测试,证明课题所设计实现的数码相机电路系统具有低功耗、低发热、低噪声和高稳定性的优点。 在数码相机软件系统设计中,本文从软件系统的可复用性与用户体验的软件系统终极目标出发,分析了系统的核心功能与可扩充性要求,给出了软件系统架构。然后分别从驱动程序、底层处理算法程序库、多媒体支持框架下的相机插件程序设计以及软件主框架等软件模块入手,实现了整个数码相机软件系统。其中底层的视频流处理管道算法,包含了多个理论与实用创新。无论从软件系统架构、程序运行效率以及用户体验方面,本文所设计实现的软件系统均已超过国内外同类软件。 为了扩展数码相机的应用范围,使其成为一个智能化的光学仪器,本文基于所设计数码相机实现了两个实用系统:显微镜自动对焦系统以及显微多聚焦图像融合系统。针对自动对焦系统的对焦速度和准确度要求,本文首次提出了二分法+均方差粗调与Fibbonacci法+拉普拉斯算子细调两步对焦法,配合精心设计的电路与机械结构,实现了快速、稳定的显微镜自动对焦系统。在自动对焦硬件系统结构上,本文进一步开创性的设计了频域滤波与空域综合的多聚焦图像融合算法。实验结果证明,无论从视觉评价、质量评价指数方面,该算法均表现良好。该算法应用简单,具有根据实际使用自行调节的自适应算法参数,并且对噪声和未配准情况均不敏感。


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