基于嵌入式系统自动连续变倍视频显微镜

3 自动视频显微镜伺服控制系统
3．1 电控变倍
3．1．1 连续变倍光学系统
变倍系统指焦距在一定范围内连续改变而像面位置保持不变的光学系统。目前变倍镜头均是用改变透镜组之间的间隔来改变整个物镜的焦距，在移动透镜改变焦距时，总是伴随着像面的移动，固此要对像面的移动给予补偿，主要有光学补偿和机械补偿两种方式。目前后者是主流的方法。变倍镜头要根据变倍组与补偿组位移间的数值关系计算出补偿曲线，从而设计出补偿像面移动的凸轮机构。通过旋转加工了凸轮曲线槽的镜筒，实现了连续变倍且又保证像面位置不变的目标。
3．1．2 变倍自动化改造
连续变倍视频显微镜的变倍自动化改造，是控制步进电机通过传动装置使变倍手轮精确地转动不同角度，实现自动调节不同放大倍数。电路控制部分的设计主要包括：硬件电路的设计、单片机控制程序的编写和串口数据传送部分的设计。硬件电路主要完成对脉冲进行整形倍频以及对单片机发送的指令进行有效传递。单片机控制程序主要实现对变倍手轮特定转动角度的控制。串口数据传送部分主要完成上位机指令和数据的发送以及有效的反馈，以确保数据正确发送。图5为自动视频显微镜电控变倍原理框图。

3．2 自动调焦
调焦是指沿光轴方向改变物面与物镜的相对位置，使物像关系满足高斯关系，以获得清晰的物镜初次像的工作过程。
基于PC机的自动调焦实验平台，已搭建有JX4自动正置金相显微镜及多媒体互动实验平台等较成熟的仪器，并基于此类实验平台做了一系列调焦实验。文中设计了基于嵌入式自动调焦处理系统，并将基于PC机电自动调焦搜索算法进行了嵌入式移植，依赖于体积小、功耗低、方便系统集成的嵌入式处理系统来实现。自动调焦系统是一个集成光机电等环节的闭环控制系统，设计的自动调焦试验系统框图如图6所示。

在自动连续变倍视频显微镜中，载物台上物体经物镜和光学接口成像于CCD上，由一路Cameralink接口数字视频采集。由嵌入式快速自动调焦单元进行图像的清晰度计算，并分析图像的离焦状态，然后通过RS-232接口发送命令和数据给单片机系统来控制调焦步进电动机的步距和转向进行调焦。该工作过程实质上是一个闭环控制过程，不断地重复循环，直到找到最清晰图像时停止。整个系统由自动调焦算法系统取代PC机处理环节，自动调焦的实现只需将原PC机中开发的应用程序移植到自动调焦算法处理系统即可。
自动调焦系统的软件由两部分组成：自动调焦的图像算法处理和嵌入式系统与微控制器系统的通信处理。在自动调焦的图像算法处理中，采用深度与对比度相比较的面扫描图像处理算法。
由于CCD采集到的图像是全彩色图像，图像的大小为320×320，若对其进行全部处理，则整个自动调焦过程的速度会变慢，为提高自动调焦的速度，取其图像的一部分来进行处理。在实验过程中，选取图像中央的60×60的图像作为自动调焦的对象。首先将全彩色图像转化为0～255级的灰度图像，利用自动调焦的图像处理算法计算出当前图像的灰度值R1，并与上次取得的图像灰度值风进行比较，若R1>R0，则嵌入式系统发出聚焦命令，并传送给微控制器系统，使图像的清晰度更换一次；然后再通过嵌入式系统取得当前图像，并进行比较，直至找到最清晰的图像为止。自动调焦的程序框图如图7所示。

4 结束语
自动连续变倍视频显微镜是光学技术、光电技术、计算机图像处理技术、自动控制与传动技术的集成，也是光学显微镜智能化、自动化要求的结果，其具有效率高、响应快、成本低等优点，基本满足某些工业生产过程在线自动检测的要求。为视频显微镜的智能化、自动化提供了可行方案。