一种应用图像处理技术的显微镜自动控制系统

明 亮，伊力哈木·亚尔买买提

1.中国科学院国家天文台乌鲁木齐天文站，新疆乌鲁木齐 830011 2.新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐 830047

当前，显微镜作为常用仪器，已经被社会各界运用到企业生产、科学研究、各类检测及专业教学等方面，特别是在生物领域的应用。但是，由于长久以来显微镜操作当中的图像信息的存储、处理与打印等受到很大限制，使用起来极为不便。同时，部分物品不适宜于开展近距离的观测，导致显微镜的使用范围具有较大的局限性。为解决这一问题，部分国内显微镜生产企业在产品中增加了CCD，让成像能够显示在与之相连的电视机上。然而，这种模式还是存在颇多不便之处，特别是图像的清晰度不高。

1 显微镜自动控制系统的基本特点

根据以上情况，近期，一种利用计算机来控制显微镜载物台的显微镜自动控制系统正式研制成功，使计算机能够对图像实施收集、存储及处理。与此同时，对显微镜的调焦系统进行了精细化设计，使观察的便利性和准确性得到充分提高。这样，在计算机显示器中所观察到的物品图像，与直接运用显微镜观测到的图像相比较，不但图像显得十分清楚、分辨率得到提高，而且在调整观察位置时能够变得更加随意而且方便。

2 显微镜自动控制系统的组成

这一系统主要由操纵杆和计算机接口、电动机和计算机接口、CCD和计算机接口等3个部分组成。其操作过程主要如下：使用者可结合计算机中的图像情况，通过调节操纵杆手柄，让计算机运行操纵杆传递的信息，并根据这些信息来带动电动机，接着由电动机来控制载物台，最终实现随时调整焦距的控制目的。显微镜中的摄像头将图像采集回到计算机中。这样，就将原来的操作人员和显微镜之间的直接式交互，转化为间接式交互，从而让人能够离开显微镜进行较远距离的观测。如果用来观测有害物质，这是非常必要的，同时，由于采取了计算机采集图像的模式，图像的保存、处理和打印等各个环节变得更为顺畅。

2.1 操纵杆和计算机接口的组成

这一显微镜自动控制系统采用的是应用已经十分广泛的标准操纵杆。操纵杆的位置信息采取Windows标准形式加以发送。当一个操纵杆直接连接上计算机时，它的ID是JOYSTICKID 1，其后，由于使用了oySetCapture()API函数，就可以在设置的程序中更加便捷地接收操纵杆传递来的消息。如此一来，当使用人员在调节手柄之后，其发生的消息就会立即被发送到这一窗口函数之中，随即就能获得操纵杆状态信息。当然，使用者还可以根据具体操作的需要来进行合理的选择处理。现以MM＿JOYIMOVE为例子加以说明。当调节手柄时，Windows系统就会自动发送出MM＿JJOYIMOVE消息。这个消息一般都有两个参数：其中之一是wParam，它有4.个取值，分别对应于与之有关的按钮。另一参数就是Iparam，这是一个32位的数值，高、低16位分别表示目前手柄上的Y坐标以及X坐标。（xPos，yPos）就是手柄的所在位置，之所以会向右移动8位，完全是为了和之后的D/A转换相互之间进行匹配。

2.2 电动机和计算机接口的组成

电动机和计算机之间的接口是这一套显微镜自动控制系统的关键性环节，可利用步进电机来调节载物台，使其向着Z方向运动，以实现调焦之目的。在载物台的水平方向运动上，则应由直流电机进行驱动，这样就有利于最大限度地调节好载物台的速度，让使用人员的手感更加舒适。首先是用直流电机进行控制。操作者在确认了操纵杆的位置信息之后，先要作出换算，并及时输出，从而控制着载物台向水平方向运动。具体来说，可运用8位D/A转换器DAC0832，把位置信号换算到0256这个范围以内。因为载物台可作出往复运动，所以D/A一定是双极性输出。其次是用步进电机进行控制。随着载物台向Z方向运动，这时完全可以采取步进电机驱动的方式，这种控制也相对比较简单。要结合显微镜的放大倍数进行认真计算，从而得到所需要的调焦精度，下一步，再计算出步进电机更加精确的步距角，随后再依据步距角来选择对其相对应的驱动器，再把计算机当中的脉冲信号转换到步进电机驱动器之中。最后是限位保护。从安全的角度来观察，载物台向各方向的作出运动都要进行限位式保护。在Z方向上可以安装机械开关或者是霍尔器件，在水平方向则因为载物台比较小，不便进行走线或者再安装另外的器件，那么就可以进行限流保护，也就是在载物台运动到某一个具体位置后，假如遇到了直流电机的堵转，电流就会马上开始增加，电路立即就会知道这一突然变化，并作出反应，在第一时间反馈到计算机系统当中，而计算机也会马上停止输出。

2.3 CCD和计算机接口的组成

CCD的视频信号一旦输入到计算机系统的图像采集卡以后，就能够立即在计算机中成像了。使用者可以根据自身需要，选择分别具有不同照度的CCD和采集卡。在采集卡上，一般都会有亮度、对比度和饱和度等相应的调节功能，这些采集卡同时还具备了图像的采集和存储功能，能够较为方便地对图像加以处理，再进行打印。与现在国内同类在显微镜上安装数码相机的自动控制系统进行比较，该方法不仅更加便捷，而且成本也更加低。

3 结论

目前，这一显微镜自动控制系统已在医院中进行了实践，使用效果十分理想。这一系统所具有的灵活性能够让它十分方便地应用到其它各类系统当中，例如，一旦在医院的检验科里使用，完全可以与负责诊断的医生加以连接，通过资源共享来提高工作效率，并建立起患者数据库，而将图像信息作为病历的一部分加以存储，还可作为对患者进行后续诊断的参考资料。可以说，运用图像识别技术，并建立专家系统，还能实现智能诊断或者半智能诊断。总之，本系统具有十分广阔的应用前景。

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[2]李贺桥.CCD图像采集自动生物显微镜系统的研究[J].仪器仪表学报，1997(2).

[3]瞿蓬.一种基于图像处理的自动调焦系统[J].电子技术应用，2002(11).