显微图像采集系统设计和标定

周海燕+陆启芳

摘要：为了观察被观察对象的细节特征，采用显微镜头获得观察对象的放大图像，应用cmos传感器采集图像，并对采集到的图像进行线性化、去噪声、白平衡、颜色插值、颜色校正、颜色增强等操作，得到颜色真实稳定的图像。同时应用标准测微标尺，对图像采集系统进行标定，求得反映图像位置的真实距离和像素距离之间的关系系数K，为图像的几何参数测量提供方便。

关键词：图像传感器；显微图像；几何参数测量

中图分类号：TP18 文献标识码：A 文章编号：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绪论

显微镜主要是利用光学系统使被观察对象得到放大，可以帮助研究者从微观的角度去观察和了解研究对象的特征。显微镜自从发明问世以来，在人们生活和工作的各个方面都得到了非常广泛的应用，特别是在在医学、生物学等专业领域尤为明显。

随着科学技术的不断发展，信息社会的不断进步，人们对显微镜所能提供的信息标准要求也日益增高。显微镜的传统作用之一是作为检测工具，而这种传统检测手段的不足之处日趋凸显。具体主要表现在：传统显微镜由人眼观测，观测结果采用文字描述的方式进行记录，由此会产生人为的误差，也不利于工作者对研究对象的显微图像进行深入分析与研究。同时长时间分析大量图像时，很可能会产生自适应现象。近几年来，随着计算机、信息技术以及成像传感器技术专业的快速发展，图像获取和处理的相关技术也呈现蓬勃的发展趋势。一方面，研究人员可以更加方便地观察到显微图像；另一方面，图像处理分析软件可以提供多种多样的参数进行测量。与传统测量方法相比较，数字化显微测量技术彰显着其无可比拟的优越性。首先，新技术的应用在很大程度上提高了测量结果的精准度：通过计算机与不同功能的软件对图像进行综合处理，不仅极大地缩小了人眼直接读数等主观因素产生的误差，同时也降低了多次重复测量以及仪器设备本身所形成的误差；其次，数字化显微测量技术极大的扩展了测量范围：对众多不同尺寸的零件进行测量时，可以根据自己的需要，选择合适的放大镜头或缩小镜头。另外，由于测量系统本身的特性，显微测量技术极大地提高了测量过程的自动化程度，并且相应的实现了测量手段的非接触、高精准度、高效率和自动化。所以，近几年来数字化的显微测量技术已广泛地应用到众多的领域[1-3]。

2显微图像采集系统

本文所设计的显微图像采集系统结构如图1所示：

系统光源利用led环形灯。而led环形灯具有散发热量少、闪频小、光照均匀、亮度可调节，以及寿命周期长的优势与特点；采用的显微镜头和图像传感器均来自深圳宜兴科技有限公司，前者为该公司的YX15系列大变倍比镜头，其主要参数：变倍比：15：1，光学倍数：0.13X-2X，物方视野：2.4mm-36mm，工作距离：55mm-285mm；后者为该公司的 U-500C型USB图像传感器。所采用的光电传感器为Aptina公司生产MT9P031型cmos传感器。主要技术参数如表1所示：

3图像质量增强和处理

从CMOS传感器获取的图像不可以直接用于显微图像分析。尤其是在颜色方面进行分析时，其原因主要是在图像成像和感光的过程中，引入了较多的偏差。这些偏差因素包括有光学系统的瑕疵，感光芯片对照度的不同感光特性等。此外，光源对于图像成像质量也有较高的影响，即使获取图像内的各项参数合格，但是实际工作中要考虑到不同设备的不同空间需求时，仍然需要进行设备而无关空间的转换，该处理过程称为图像处理流程。具体处理流程如图3所示：

线性化：用数学方式处理暗电流与模数转换器等造成的误差，使感光器照射强度的输入和输出在一定范围内呈线性关系。去噪声：由电磁波或经电源引入的外部噪声，图像采集生成过程中的暗电流噪声，因器件制造工艺引起的光响应非均匀性，图像传输过程中涉及的各种器件引起的杂波噪声等，通过合适的算法，降低工作温度等方式来消除这些噪声。白平衡：利用AWB算法矫正外部光源色温引起的图像颜色失真。颜色插值：利用逐次逼近、双线性等插值算法计算得到像素点缺少的另外两个颜色分量。颜色校正：因图像采集系统、光源和显示器件的不同会引起颜色失真，利用矩阵法、人工神经网络法、多项式回归法等对图像进行颜色校正。GAMMA校正：用于去除人眼对亮度信号的非线性反应，保证显示设备显示的图像与原始图像相同，抵消CRT显示器使图像亮化的影响，利用颜色查找表来实现GAMMA校正。图像增强：利用灰度变换、空间滤波等增强图像的细节，使图像的灰度分布相对均匀，并增加图像对比度 [5-7]。

4图像标定

显微图像分析与处理应用在生物学、医学等一些专业领域方面时，经常需要通过利用数字图像来了解观察目标的实际几何参数。这就要求明确在一定放大倍数下， 图像中像素间距与实际空间尺度数据之间的关系是如何相对应，即显微图像系统的尺度定标值。

显微图像系统中重要的技术指标之一就是尺度定标值。尺度定标值的多少将会直接影响到图像分析的结果。从理论上来说，在系统采样密度和放大倍数不变的情况下，尺度定标值是可以通过计算得到结果。但是在实际工作中图像采集系统都或多或少地存在几何畸变的可能性。因此，通过实验方法对系统进行精确定标是很有必要的。本文利用图像处理技术， 对图2所示的显微镜图像采集系统进行了尺度定标。应用图4采集的间距0.5mm的显微标尺如图4所示：

5结论

本文主要通过描述利用CMOS作为图像传感器，对图像进行获取、校正和并分析的过程。根据显微镜成像原理和CMOS作为感光芯片的具体特点，制定出独特的图像处理流程，具体包括线性化、颜色矫正和白平衡等过程，从而获得更加真实准确的图像来作为进一步图像分析的素材，这为其他方面的研究和工作提供了更大的准确性保证。最后本文通过0.5mm的标准显微标尺的图像求解系统，求得反映显微图像真实距离和像素距离之间关系的定标系数K，为显微图像的几何参数测量奠定了基础。

参考文献：

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