（测试计量技术及仪器专业论文）基于dsp的显微镜自动对焦系统设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 本文在分析自动对焦技术原理和现状的基础上，设计了一种基于d s p 的可 应用于多种显微镜的自动对焦系统。该系统以d s p 芯片作为系统的控制核心， 利用模拟c m o s 图像传感器采集显微镜图像，一路输出到电视监视器显示，另 一路通过解码芯片解码，由d s p 根据采样窗口设计对图像信号进行采集存储， 并运用搜索算法和评价函数分析图像，得出对焦位置，控制步进电机使显微镜 运行到准确对焦位置，完成自动对焦在d s p 上的实现。 在系统设计过程中，通过巧妙的采样窗口设计，使d s p 能够直接采集图像 数据，节省了常用的采样控制器和存储器，优化了电路结构，降低了开发成本。 在软件搜索算法上提出了搜索预判向方法，在爬山算法的基础上提出了新 的搜索策略，改进了评价函数的计算方法，这些算法可以有效地扩大对焦搜索 范围，减少搜索陷入局部峰值的概率，极大地提高了系统自动对焦成功率。 在程序设计上，充分利用d s p 的计算能力，优化代码结构，在很大程度上 提高了软件的执行效率。 在系统测试中，本方案设计的自动对焦系统在对焦范围、对焦时间和对焦 精度上都表现良好。系统运行稳定性高，效果好，完全胜任常用显微镜的自动 对焦任务。 关键词：自动对焦，显微镜，视频解码，电路优化，采样窗口设计，搜索算法， 评价函数改进，性能测试 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h er e s e a r c ha n da n a l y s i so ft h ea u t o - f o c u sa l g o r i t h m a n ds t a t u sq u o ，am i c r o s c o p i ca u t o f o c u ss y s t e mb a s e do nd s pi sd e s i g n e da n di tc a n b eu s e di ns e v e r a lk i n d so fm i c r o s c o p e s i nt h i sd e s i g n ，t h ev i d e oc a p t u r e db y e l e c t r i c a le y e p i e c ei st r a n s f e r r e dt ot e l e v i s i o nm o n i t o rf o ro b s e r v a t i o n ，m e a n w h i l e t h ei m a g i n gs i g n a li sd e c o d e di n t od i g i t a ld a t a a st h ec o r eo ft h es y s t e m ，t h ed s p s a m p l e st h ed i g i t a ld a t aa n ds t o r a g e si ta c c o r d i n gt ot h ed e s i g no fs a m p l i n gw i n d o w , a n dt h e ni tc a l c u l a t e st h ed a t a , a n a l y z e st h ei m a g i n gb yt h em e r i tf u n c t i o na n d s e a r c h i n ga l g o r i t h mt og e tt h es e a r c hd i r e c t i o na n dt h ef o c u sp o s i t i o n b yu s i n gt h e s t e pm o t o r , t h ed s p c o n t r o l st h eb u i l d i nm e c h a n i c a ls t a g et ot h ef o c u sp o s i t i o nt o f i n i s ht h ea u t o - f o c u s i n g i nt h i sd e s i g n ，谢t l lt h em a s t e r l yd e s i g no f s a m p l i n gw i n d o w , d s pc a ns a m p l e t h ei m a g i n gd a t ad i r e c t l y , w h i c hh a ss a v e dt h ec o m m o ns a m p l i n gc o n t r o l l e ra n d m e m o r y , a n dr e d u c e dt h ed e v e l o p m e n tc o s t s t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ea u t o f o c u sa l g o r i t h m i nt h er e s e a r c h , am e t h o do f p r e j u d g i n gt h ed i r e c t i o no fs e a r c hi su s e di nt h es e a r c h i n ga l g o r i t h m , w h i l ean e w s e a r c h i n gs t r a t e g yb a s e do nh i l l - c l i m b i n gs e a r c h i n ga l g o r i t h mi sp r e s e n t e d w i t ht h e i m p r o v e dm e r i tf u n c t i o n ，t h es e a r c h i n ga r e ai se x p a n d e d ，t h er a t eo fs e a r c h i n gi n t o l o c a lp e a l 【i sr e d u c e da n dt h es u c c e s sr a t eo fa u t o - f o c u si si m p r o v e d i nt h ef i e l do fp r o g r a m m i n g ，t h es o f t w a r ee f f i c i e n c yi sg r e a t l yi m p r o v e dw i t h t h ep o w e r f u lc o m p u t i n ga b i l i t yo ft h ed s pa n dc o d eo p t i m i z a t i o n t h ea u t o f o c u ss y s t e ms h o w sg o o dp e r f o r m a n c ei ns e a r c h i n gs c a l e ，f o c u s i n g t i m ea n df o c u s i n gp r e c i s i o n t h es y s t e mi sn m n i n gh i g hs t a b i l i t y , e f f e c t i v ea n df u l l y c a p a b l eo fc o m m o n l yu s e dm i c r o s c o p e sa u t o - f o c u st a s k s k e y w o r d s ：a u t o - f o c u s ，m i c r o s c o p e ，v i d e od e c o d i n g ，c i r c u i to p t i m i z a t i o n ，s a m p l i n g d e s i g n ，s e a r c h i n ga l g o r i t h m ，m e r i tf u n c t i o ni m p r o v e m e n t ，p e r f o r m a n c et e s t 浙江大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 什么是自动对焦? 自动对焦是一种通过电子、机械装置以及图像处理手段 自动地完成对被拍摄物体对焦并获取清晰图像的技术。其主要优点是对焦准确 度高、操作方便、人为干扰少，同时具备快速、高效以及自动化等特点。 上世纪6 0 年代，半导体微电子技术和超大规模集成电路的快速发展，带动 了传统光学产业的发展，自动对焦技术在传统的光学器件上得到应用，促使各 类图像采集设备革命性地更新换代。自动对焦首先被应用于照相机，并在发展 中得到了不断地改进和提高。随后，这项技术又被广泛应用于其他光学仪器， 如摄像机、光刻机、显微镜、内窥镜及其他测量仪器中。 显微镜l l j 从它被发明以来一直是一种应用广泛的光学仪器，通过光学系统 的放大作用，显微镜可以显示被观察对象的微观组织结构，从而让观察者能够 更好的认识和了解对象的微观特性。显微镜无论是被用于医学研究如生物学、 病理学、细胞组织、临床诊断、地质考古，还是被用于工业生产如材料检测、 电子元器件检测分析等，在获取清晰图像之前，都要对显示图像进行调焦。如 果仅仅依靠人为的主观判断来完成显微镜的调焦，很容易使调焦过程引入一些 人为干扰，带来一定的人为误差，而且获取图像过程缓慢，自动化程度低。 现代仪器的发展方向是自动化、智能化，那么自动对焦技术运用于图像采 集设备不仅能够提高仪器的自动化和智能化，而且对仪器的精确度等方面也会 有很大的提升。根据网络等各方面的调查，我们发现，自动对焦在显微镜上的 应用不是特别的广泛，市面上能见到的或者在出售的自动对焦显微镜只有少量 集中，而且大多是国外进口的，价格昂贵，而真正在大量使用的，如医院检测、 学校教学的显微镜都是以手动调焦为主。因此，设计一套能够运用于多种显微 镜的自动对焦系统非常符合当前市场的需要。 1 2 自动对焦技术历史 自动对焦技术的研究可追溯到1 9 世纪末，早在1 8 9 8 年【2 】法国就有人对放 大镜头的自动对焦进行过研究。 浙江大学硕士学位论文 其后自动对焦技术开始应用，首次的应用出现在照相机上1 3 】【4 】，1 9 6 3 年， c a n o n 公司在原西德的科隆博览会上展出了一架自动聚焦照相机的样机，但是 这个时期的自动对焦技术仍相当原始，虽然自动曝光技术已经逐步成熟，但对 焦能力不良； 1 9 7 4 年，n i k o n 公司也在这一个博览会上展出了一架样品，其设计仍十分 依赖机械结构，它的最大缺点是体积大、反应慢，因此同样未能成为商品。 2 0 世纪7 0 年代，微电子技术的突破性发展，尤其是大规模集成电路和c p u 的出现，给自动对焦技术的发展带来了新的生机。 1 9 7 5 年，美国h o n e y w e l l 公司的v i s t r o n i ca f 自动对焦组件问世； 1 9 7 7 年，k o n i c a 推出c 3 5 a f ，它是世界上第一台实用化、商品化的1 3 5 m m a f 相机，采用的是被动式自动对焦技术。 接踵而至，1 9 7 8 年美国p o l a r o i d 公司利用超声波s o n a r 主动对焦技术的 s x 7 0s o n a r a f 相机登台，这次采用的是主动式自动对焦系统。 1 9 7 9 年，c a n o n 推出了第一架采用红外线测距的自动聚焦照相机a f 3 5 m ， 该系统结构简练、精度较高，其后许多公司纷纷采用。1 9 8 0 年c a n o n a f 5 1 4 x l s 的推出宣告了第一架采用三角测距原理、s s t ( 固态三角测量法) 技术袖珍机的诞 生。 1 9 8 1 年，o l y m p u s 在c - a f 袖珍相机里首次采用s e i k o 精工的f c m - a f m o d u l e ，实现了f c m - f o c u s i n gc e n t r a lm e m o r y ( 对焦中央存储器被动式测距对 焦技术) 。同年，日本p e n t a x 公司开发出采用1 阻e f c ( t t l 式电子对焦系统) 的m e f 自动对焦单反相机，这是世界上第一架a f 单反机，也是第一部实现 t t l a f 方式的单反机。 1 9 8 3 年，n i k o n 公司推出的f 3 a f 利用配套的自动对焦镜头a f - n i k o n 8 0 m m f 2 8 、2 0 0 m m f 3 5 以及d x - 1 自动对焦取景器实现了1 凡自动对焦，它 是采用检焦法中相位差检出法的首机。 1 9 8 5 年，采用二次成像式相位差检焦的m i n o l t a a 7 0 0 0 问世，标志着s l r a f 技术进入实用化阶段。 1 9 8 7 年，c a n o n 推出了第一架镜头一体化单反机e o s6 5 0 ，它将马达驱动 装在镜头内，它突破了常规自动对焦的速度。 一2 一 浙江大学硕士学位论文 1 9 8 8 年，美能达推出具有标志性的第二代a f 单反机o y n a x7 0 0 0 i ，它的焦 点预测功能成为之后a f 单反机的标准功能之一。同年7 月美能达公司则在 d y n a x 7 0 0 0 i 的基础上推出了简化型机o y n a x3 0 0 0 i 。该机实质上等同于可更换 镜头的袖珍相机，曝光方式只有程序自动曝光一种，重量只有4 2 0 克，是当时 最轻巧的a f 单反机之一。其特点是配备有先进的焦点预测a f 方式，a f 速度 是同类相机的约四倍。 1 9 8 9 年9 月佳能推出了其e o s 系列的顶级机e o s 1 。它第一次采用了佳 能新设计的新型c t - b a s i s a f 检测部件，使e o s 1 的a f 速度比以往的e o s 相机要快得多，a f 检测范围也扩展至e v - 1 。更为突出的是e o s 1 的焦点预测 a f 方式，第一次采用了三次测距来预测焦点，因此精度和速度均高于其他机 种，而且能预测出正在作加速运动的物体的焦点。 1 9 9 0 年，佳能推出了称之为“新一代e o s 相机”的e o s1 0 ，它首次装备 了可单独使用的三区域a f 系统，可以方便地拍摄主体偏离中心的照片。必要 时，可以由相机自动地选择其中一个a f 区域。 1 9 9 1 年，美能达推出了其第三代a f 单反机d y n a x7 x i 。这次的代表技术是 采用模糊逻辑推理系统，揭开了第五代智能化单反机争夺战的序幕。d y n a x7 x i 首次采用四组测距组件，使其a f 区域比以往的任何一架a f 单反机的都要大， 用户可以选择其中的任何一组来进行测距，也可以由照相机自动地选择。由于 a f 区域大，从而实现了多维焦点预测a f ，能够预测各方向以及突然改向的动 体的焦点。o y n a x7 x i 还第一次在单反机上实现了在变焦袖珍相机中常见的自动 变焦构图功能。 1 9 9 2 年1 1 月1 日佳能推出了更为夺目的e o s 5 。这架相机装备了五个测距 点，其特点是可以由用户自己选择其中任一个测距点，相机能自动跟随拍摄者 的眼球而选择相应的聚焦点，这就是所谓的“眼控对焦 功能，在取景器内向 眼球发射红外线，根据眼球反射红外线的方向来判断视线方向，并以此为方向 作为主体所在方向，从而完成对主体的聚焦和追踪。这是自动对焦新的突破。 1 9 9 8 年佳能推出了4 5 点区域自动对焦的e o s 3 ，它改进了眼控检测的算 法，增加的3 2 位微处理器大大提高了眼控对焦的速度，对焦范围也增大了几倍， 它为自动对焦技术树立了新的标准。 一3 一 浙江人学硕士学位论文 1 9 9 9 年，佳能公司在e o s l 型相机的配套镜头上安装了超声波马达，实现 了低噪声、快速并具有预测自动调焦功能。 2 0 0 3 年1 2 月，奥林巴斯发布了与柯达、富士两家公司联合研发的采用“4 3 系统 的e 1 。4 3 系统规定了c c d 感光器件的面积，c c d 与镜头之间的距离 以及镜头的直径，因此，凡是采用这一系统的数码单反都能轻松做到镜头的相 互兼容。 与此同时，自动对焦技术在激烈的竞争中不断的创新和完善，通过技术移 植开始应用于其他领域如精密检测、高精度投影、光刻机等等，逐步地融入到 光机电算一体化复杂控制系统中。今时今日，由于自动对焦技术的广泛应用， 以前专业级的仪器如自动对焦单反相机、投影仪等已经走入寻常百姓的生活。 1 3 自动对焦技术国内外现状 现代社会，图像作为一种高容量又最为直接的信息载体已经深入到每个人 的日常生活，各种各样的图像采集设备以及科研使用的各类仪器被广泛地开发， 并且具有广泛的需求前景。自动对焦技术在这些仪器设备上也得到了应用、改 进和发展。 早期的自动对焦技术，特别是在9 0 年代以前，主要是测距法和检焦法，如 最常见的三角测距法【5 1 ，使用被动式的双影重合或者主动式的红外网、超声波 投射辅助测距1 7 】以及检焦法中的对比度或相位差检测法【8 1 1 9 】，这些方法在使用 过程中需要比较庞大笨重的系统，相对于现在的发展不太适应，但是其中的红 外辅助等方法仍然在使用，主要是做辅助自动对焦功能。随着计算机技术的发 展以及集成电路如专用信号处理器d s p 等器件性能的不断提升，自动对焦技术 向着半数字化及全数字化方向发展。半数字式的自动对焦技术是使用计算机或 者高速集成电路芯片对采集图像的相关信息进行分析计算，利用一定的判据控 制并驱动电机完成机械结构运动，实现图像清晰采集，其主要采用的手段是以 图像信息处理为基础，以高速处理芯片为工具替代传统方式，这种方式实现的 对焦精度要高很多，同时这种方式也是目前最为广泛使用的方式。全数字式u o 】 自动对焦方式是在半数字式自动对焦方式的基础上，完全依靠图像信息分析计 算，对离焦的图像进行复原变换，并直接输出清晰的数字图像，而不用使用外 部运动结构便可以实现自动对焦，这种方法对缩小系统体积非常的有效。 - 4 - - - 浙江大学硕士学位论文 国外对于自动对焦方法的研究相对于国内来说要早很多，从自动对焦的发 展历史我们就可以清楚地看到。在自动对焦判据方面，也就是图像信息处理方 面，国外很早就提出来了，比如以图像边缘特征提取离焦信号通过调制阈值 梯度作为评价函数，以调制传递函数作为离焦判据等等，并且在9 0 年代， 国外研究机构对以前自动对焦领域的理论及评价函数进行了研究分析和对比。 国内对自动对焦系统的研究起步比较晚，主要是一些高校、科研院所与企业合 作开发，但是也取得了不错的成果，比如运用于相机的光学自准直自动对焦系 统1 1 3 1 等等。随着社会科技的高速发展，为满足人们生活需要，各式各样的成像 产品应运而生，这也不断的促进着自动对焦技术的发展。目前自动对焦技术还 处于高速发展阶段，因此有待于进一步地深入研究。 1 4 本论文研究的内容 本论文的主要目的是在对自动对焦技术原理和现状进行充分分析的基础之 上，提出一套基于d s p 芯片的显微镜自动对焦系统设计方案，并在设计方案的 基础上，通过不断的尝试，反复的试验，搭建d s p 开发平台，在d s p 上实现 自动对焦算法，完成自动对焦系统的样机，并为系统产品化做准备。具体的目 标是： 1 根据方案要求，绘制整体电路图，通过电路的优化，实现d s p 对图像 的采集，降低系统的开发成本。 2 分析并提出自动对焦的采样窗口设计，在保证强度和稳定性的前提下， 使自动对焦方案能在d s p 上更好地实现。 3 提出并实现自己设计的适合于本方案的显微镜自动对焦搜索算法。 4 改进自动对焦评价函数，扩大自动对焦的搜索范围，减少对焦时间，提 高对焦精度。 5 设计一套适合于多种显微镜使用的通用性强的自动对焦系统。 1 5 本论文的结构安排 本硕士学位论文的具体内容安排如下： 第一章介绍自动对焦技术的历史，自动对焦技术的国内外现状，确定本论 文的研究内容。 - - 5 - - 浙江大学硕士学位论文 第二章介绍显微镜的光学成像原理和自动对焦的原理，提出基于d s p 的显 微镜自动对焦设计方案。 第三章根据设计方案的要求分析自动对焦系统硬件部分的设计方案和具体 实现，包括基于c m o s 的电子目镜设计，视频解码电路的分析，d s p 控制电路 和供电系统的分析，以及步进电机驱动电路的设计。 第四章讨论显微系统的自动对焦实现。这一章主要分析在电路设计中的优 化，图像采样窗口的设计，搜索算法的分析和提出，评价函数的改进以及自动 对焦d s p 实现的程序设计和细节分析。 第五章介绍了系统的各项性能测试，对焦精度分析和误差分析。 第六章总结了课题完成的工作，对进一步研究提出了分析和展望。 一6 一 浙江人学硕士学位论文 第2 章自动对焦原理及设计方案 2 1 显微镜光学成像理论 2 1 1 显微镜的成像原理 显微镜1 4 】【1 5 】是一种是用来观察近距离微小物体的光学系统，是人类进入原 子时代的标志，它由物镜和目镜组成，物体经显微物镜放大成像后，其像再经 目镜放大以供人眼观察。当把待观察物体放在物镜焦点外侧靠近焦点处时，在 物镜后所成的实像恰在目镜焦点内侧靠近焦点处，经目镜再次放大成一虚像， 观察到的是经两次放大后倒立虚像。 b a 图2 - 1 显微镜成像原理 显微镜的二次成像过程如图2 - 1 所示。其视觉放大倍率是m 是物镜放大倍 数m o 和目镜放大倍数m e 的乘积： 肘= 心丝一会竽一嚣 亿， 其中，a 为光学筒长，z 是物镜的焦距，是目镜的焦距。显然，显微镜 的放大率和光学筒长成正比，与物镜和目镜的焦距成反比，且m 0 ，即对物体 浙江大学硕士学位论文 成倒像。 我们设计的显微镜自动对焦系统，使用模拟电子目镜来采集视频图像信号， 它使用c m o s 图像传感器替代人的眼睛获取显微图像信息，在光路上需要发生 了一些改变，如图2 - 2 所示： l 2 c m o s 靶面 图2 - 2 显微镜电子目镜成像光路 由于电子目镜使用的c m o s 是感光器件，它是以光注入的方式将图像成像 在c m o s 的感光面上，因此c m o s 实际感应到的像只能是显微镜光路中的实 像，而非像人眼观察时获得的虚像。图中二次成像为缩小过程，其放大倍率为 o 3 3 ，经过二次成像，物体的中间像有效地投射到c m o s 的靶面上，实现图像 信号的采集。 2 1 2 显微镜的齐焦条件 显微镜的物镜和目镜各有数只组成一套。通常物镜有四只，倍率分别为4 ， l o ，4 0 和1 0 0 ，都装在镜筒下面的物镜转换器上，可通过旋转方便地选用。目 镜通常有三只，倍率分别为5 ，1 0 和1 5 ，是插入式的。这样，总共可获得自低 倍到高倍的1 2 种倍率。 显微镜在使用过程中要经常地调换物镜和目镜，因此它必须满足显微镜齐 焦条件，即当调换物镜后，不需要重新调焦就能看到物体的像。为此，不同倍 率的物镜需有不同的光学筒长，并在光学和机构尺寸上满足如下要求： 1 不同倍率的物镜有相同的物像共轭距。对于生物显微镜，我国规定这个 一8 一 浙江人学硕士学位论文 值为1 9 5 毫米。 2 物镜的像面到镜筒的上端面，即目镜的支承面的距离是固定的。我国规 定为1 0 毫米。 3 为在调换目镜后也不需要重新调焦，目镜的物方焦面要与物镜的像面重 厶 口。 当然这些尺寸不可能做得很准确，但至少在调换物镜后不需要粗动调焦， 只需微调就可以了。 2 1 3 显微镜的景深 当显微镜调焦于物面即对准平面时，如果位于其前和后的物面仍能被看清 的话，则该二平面之间的距离称为显微镜的景深。 出瞳 图2 3 显微镜景深 如图2 - 3 所示，4 口是对准平面被显微镜所成的像，即景像平面，4 矗是 对准平面之前的物平面的像，与景像平面相距出。设显微镜的出瞳与像方焦面 重合，则4 点的成像光束被景像平面截得一弥散圆，其直径z 由下式决定： z 出 _ 2 = = 焉。一一a ( 2 - 2 ) 一x + 出 如果弥散圆对出瞳中心的张角不大于眼睛的极限分辨率e ，眼睛看它时犹 似点像。此时2 出就是像方能同时看清景像平面前后二像平面间的深度。考虑 一9 一 浙江大学硕士学位论文 到i 出i qx i ，可导出2 d r 的表达式；再利用轴向放大率口= n p 2 n 将此换算到 物方，可得 2 出= 耸 ( 2 - 3 ) a 7 其中口是显微镜的出瞳，n a = 2 5 0 a m ，根据公式m = 2 5 0 i f 。，上式还可 表示为 2 出= 2 5 0 n 6 (24)ma 叶， 可见，显微镜的倍率越高，物镜的数值孔径a 越大，景深就越小。 2 2 自动对焦原理 2 2 1 光学成像理论 根据透镜成像理论，物距u ，像距v 和焦距f 之间的关系是： 111 一+ 一= “v f ( 2 - 5 ) 理想情况下，物平面上每一个点发出的全部光线，经过透镜折射后仍交于 一点。即每一个物点都对应一个想点，且是唯一的像点。当物平面到透镜的距 离为u ，观察面到透镜的距离为v 时，可以得到清晰的聚焦图像，此时的观察 面就是系统的聚焦平面。如果观察面与焦平面的偏离量为6 ，在观察面上产生 一个半径为r 的模糊圆，如图2 _ 4 所示。所以r 的大小可以用来表征图像的离焦 程度，r 越大，离焦越大，r 越小，聚焦越好【1 6 】【1 7 】。那么，模糊圆半径r 与观察 偏离量之间的关系是 6 r 厂= v ( 2 6 ) 其中r 是透镜的半径，因此r 与物的位置p 无关。其成像原理如图2 4 所 不。 一l o 浙江大学硕士学位论文 p 物平面 2 2 2 自动对焦原理 图2 - 4 透镜成像原理 光轴 q 观察面焦平面 在早期的相机应用，甚至于到现在的显微镜应用中，大部分都使用手动对 焦的方式。上世纪六十年代后期，微电子技术的大发展以及其在相机上加以应 用后，才出现了自动对焦的概念。自动对焦实际上是一个复杂的光机电一体化 的过程，简单说其原理是将物体反射的光让光电图像传感器接受，然后通过智 能芯片或者计算机处理，带动电机对焦装置完成对焦过程。 一个典型的自动对焦系统应具备以下几个部分：成像光学镜头，成像器件， 自动对焦控制器，电机驱动，如图2 5 所示。 如果系统处于非对焦状态，那么在成像器件上获得的是模糊的图像，自动 对焦控制器根据所获取的图像数据，计算得出对焦点位，通过控制电机运行， 使整个系统运行到对焦清晰位置。 浙江人学硕士学位论文 成像光学镜头 图2 5 自动对焦系统原理图 自动对焦控制器模块一般分为四个部分：图像数据采集、对焦数据计算、 外部命令应答以及电机驱动控制。 2 2 3 自动对焦方法 自从自动对焦技术发明以来，人们在改进机械结构等各种方法的基础之上 创造发明了许许多多的对焦方法，包括测距法、检焦法、半数字式自动对焦、 全数字式自动对焦等等。按照不同的分类方式，如有无探测源、是否测距等等， 自动对焦的方法又分为很多类。有源方式是主动发射探测信号来测量距离，无 源方式则是利用被测物体的高频分量来计算对焦位置，目前无源对焦运用比较 广泛，当然也有将有源和无源方式有效地结合起来，使自动对焦性能更加的完 善。测距方式中有根据三角测距原理的测距法和超声波时间法等。而在检焦法 中使用焦屏上影像模糊量和偏移量来判断对焦精度，可分为对比度法和相位法 等等。 简单的自动对焦方法分类如表2 1 所示。 一1 2 一 浙江大学硕士学位论文 表2 - 1 自动对焦方法 2 3 基于d s p 的自动对焦设计方案 本课题的主要任务是设计一套可以应用于各类常用显微镜的自动对焦外设 系统。通过设计基于c m o s 图像传感器的电子目镜，依托功能强大、运行速度 非常快的d s p 芯片，控制显微镜的微调机构，实现快速高效的显微镜自动对焦 过程。 本系统设计包括前端图像采集使用的模拟电子目镜、d s p 自动对焦控制器、 步进电机驱动器、机械运行机构和键盘控制五个部分。其整体的运行机制是由 外部按钮键盘启动和控制自动对焦系统以及倍率选择，通过c m o s 模拟电子目 镜采集显微镜图像，一路信号传输到电视监视器或投影仪进行观察显示，另外 一路信号通过解码芯片解码后提供显微镜图像的数字数据和各类同步信号，由 d s p 根据同步信号对图像数据进行采样处理，按照设定好的评价函数计算出图 一13 浙江大学硕士学位论文 像对焦的正确位置，通过给定的搜索算法控制步进电机搜索，使显微镜调节机 构运动到图像清晰位置，完成自动对焦。基于d s p 的自动对焦系统的框图如图 2 6 所示。 图2 - 6 自动对焦系统设计 一1 4 浙江大学硕士学位论文 第3 章自动对焦系统硬件设计及具体实现 3 1 图像传感器 3 1 1 图像传感器原理与结构 图像传感器是一种能将可视图像转化为电子信号的设备，主要应用于数码 照相机和其它成像设备中。图像传感器由一组c c d 或者c m o s 传感器组成， 因此一般分为c c d 图像传感器和c m o s 图像传感器两大类。 6 0 年代末期，美国贝尔实脸室发现电荷通过半导体势阱发生转移的现象， 提出了固态成像这一新概念和一维c c d 1 8 】【1 9 ( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e 电荷耦合 器件、模型器件。到9 0 年代初，c c d 技术已比较成熟，得到非常广泛的应用。 但是随着c c d 应用范围的扩大，其缺点逐渐暴露出来。首先，c c d 芯片技术 工艺复杂，不能与标准工艺兼容。其次，c c d 芯片需要的电压功耗大，因此 c c d 芯片价格昂贵且使用不便。在迂去的大约3 0 年时间里1 2 0 ，c c d 一直被用 于图像转换，作为一种成熟的技术，虽然它提供了上佳的图像质量和低噪声， 但是由于它是电荷耦合器件，因而c c d 在像素之间顺次传递其图像数据。为 此，c c d 需要多种工作电压、外部时钟发生器、精细复杂的驱动和评估电子电 路，从而产生了相当大的空间需求和功耗。于是，这些图像传感器的性能特征 和使用灵活性不再能够完全满足现今的系统要求。 目前，最引人注目，最有发展潜力的是采用标准的c m o s ( c o m p l e m e n t a r y m e t a lo x i d es e m i e o n d u c t o r 互补金属氧化物场效应管) 技术生产的图像传感器， 即c m o s 图像传感器1 2 1 1 1 2 2 。c m o s 图像传感器芯片采用了c m o s 工艺，可将 图像采集单元和信号处理单元集成到同一块芯片上。c m o s 传感器集各种市场 最急需功能于一身： 1 更加优越的系统集成。c m o s 摄像芯片允许采用相同的技术来实现图像 传感器、控制器、转换器和评估逻辑电路以及h f 发送器，因而可将它们置于 同一块芯片之上。将更多的系统功能集成到一个自主型光电传感器系统中是可 能的，并且基本上取决于指定的使用范围以及基本的经济条件，比如开发成本 和单位数量。 2 低功率要求。c m o s 技术在低功耗方面是具有优势的，因为c m o s 图 一15 浙江大学硕士学位论文 像传感器指定用于单独的低电源电压( 如5 v 、3 3 v 或2 5 v ) ，而大多数c c d 芯 片则需要采用多个并且数值较高的电源电压( 如1 2 v ) 。这些电压必须采用耗能 而且占用宝贵电路板空间的多种电源转换芯片来生成。如果将控制和系统功能 集成于c m o s 传感器中，那么整体性能将更加优越，这是因为在省却了连接其 它半导体元件的外部互连电缆的同时，功耗极高的驱动器也被免除了。 3 更加灵活的图像捕获。由于c c d 图像传感器的顺序电荷转移，因此只 能读出其完整的图像内容( 即全帧) 。然后，必须采用一个单独的评估电路从中 提取所需的部分。而c m o s 图像传感器的结构则与存储器阵列相似，因此可通 过二次采样或选择图像区域的一部分( 即开窗) 来对单独的像素或像素区域进行 寻址和读出操作。 4 更高的动态范围。在采用线性传感器时，动态范围与信噪比( s n r ) 精确 对应，而c m o s 图像传感器的多斜率操作则使得动态范围能够在s n r 保持不 变的情况下大幅度增加。这一点从光强和输出电压之间的分段线性关系当中即 可看出，它在整个转换范围内产生了一种非线性特性。 5 更高的感光度。图像传感器的发展趋势是更高的感光度、更短的曝光时 间和越来越小的像素尺寸。因此，图像传感器必须充分利用其接收到的为数不 多的光子。填充因数与量子效率的乘积是判断像素感光度的关键标准，量子效 率表示在光子的作用之下所生成的电子数量，填充因数是感光像素面积所占的 百分比，这是因为一个c m o s 像素只有一部分能够“看见东西 ，这与c c d 传感器是不同的。因此，实现高填充因数是主要的目标之一。利用一项专利技 术，赛普拉斯公司使其c m o s 工艺有源像素传感器拥有了高填充因数。它把采 用标准c m o s 工艺硅芯片表面大多数惰性j 乍光敏部分变换成感光区域。小型 像素对呈任何入射角度的光线进行处理，并表现出低电平暗电流的特征。 综上所述，c m o s 将是今后图像传感器的发展方向。因此，我们应用于自 动对焦显微镜上的电子目镜采用c m o s 芯片进行设计。 一1 6 一 浙江大学硕士学位论文 图3 - 1c m o s 图像传感器结构 像素阵列 _ _ - - _ 模拟信号处理 4 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 a d 变换 一 列选择逻辑 一 图3 1 是c m o s 图像传感器的功能框图2 3 1 。首先，外界光线照射像素阵列， 发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。行选择逻辑单元根据需要，选 通相应的行像素单元。行像素单元内的图像信号通过各自所在列的信号总线传 输到对应的模拟信号处理单元以及a d 转换器，转换成数字图像信号输出。其 中的行选择逻辑单元可以对像素阵列逐行扫描也可隔行扫描。行选择逻辑单元 与列选择逻辑单元配合使用可以实现图像的窗口提取功能。模拟信号处理单元 的主要功能是对信号进行放大处理，并且提高信噪比。另外，为了获得质量合 格的实用摄像头，芯片中必须包含各种控制电路，如曝光时间控制、自动增益 控制等。为了使芯片中各部分电路按规定的节拍动作，必须使用多个时序控制 信号。为了便于摄像头的应用，还要求该芯片能输出一些时序信号，如同步信 号、行起始信号、场起始信号等等。 3 1 2 复合视频信号 复合视频信号【2 4 】，定义为包括亮度和色度的单路模拟信号，也即从全电视 一17 浙江大学硕士学位论文 信号中分离出伴音后的视频信号，这时的色度信号还是间插在亮度信号的高端。 复合视频信号也称为基带视频信号或r c a 视频信号，它使用p a l 或n t s c 电 视信号传送图像数据。复合视频信号包含色度( 色彩和饱和度) 和亮度信息， 并与声画同步信息、消隐信号脉冲一起组成单信号。在快速扫描p a l 或n t s c 电视中，高频( v h f ) 和超高频( u h f ) 载波通过复合视频信号进行振幅调制。 这会产生一个6 m h z 带宽的信号。某些闭路电视系统在短距同轴电缆中传输复 合视频信号；有些d v d 播放器和盒式磁带录像机( v c r ) ，通过屏蔽电缆插座， 即r c a 连接器，调节复合视频信号的输入和输出。在复合视频信号中，色度 和亮度之间的信号干扰是不可避免的，信号越弱干扰越严重。 哪一k 勉垒瑙l j 险仝叫 it 卜一矗嚣- 叶。 o 恼y n e 笆r 卜卜- 叫l 一生篓蚕蚕厂圜酉 卜一钿速f 一 i- 图3 - 2 水平时序图1 i 爱3 1 5 2 1 1 5 为l1i2l3i41 2 8 1 1 2 6 2 1 2 6 3 1 2 6 4 1 2 6 5 1 2 f 沁1 2 6 7 黧熬t 1 1 硼u l jlm 1 1 r r r 广唧l jl | l r r r r ii 嚣尝n 广 n 广1 广1 广 巾n n 一n n n n n 门 il 图3 - 3 垂直时序图 电视视频成像是通过电子束按一定的规律扫描成像光电靶来实现的。扫描 方式分为逐行扫描和隔行扫描两种，目前在广播电视系统中都采用隔行扫描方 式，即要获得一幅完整的视频图像需要扫描2 次才能完成。隔行扫描的意义在 于，在相同的视频带宽条件下，画面更加稳定，人眼观察不出视频画面的闪烁 一1 8 一 浙江大学硕士学位论文 抖动( p a l 制式为5 0 场秒，n t s c 制式为6 0 场秒) 。这种方式大大地降低了 电视设备制造的工艺要求和成本考虑。偶场扫描线必须准确地镶嵌在奇场扫描 线的中间，否则会发生并行现象，以至降低分辨率。在隔行扫描中，相邻两场 的扫描时间是相同的，并且扫描的行数必须是奇数。奇场最后一行只有半行， 偶场的第一行必须从视频的上部正中央开始扫描，才能保证正确的隔行扫描。 图3 _ 2 1 2 s 、图3 3 【2 5 】是视频扫描时的水平时序信号和垂直时序信号。 p a l 制式和n t s c 制式的全电视视频信号的行周期相差不大，但是行数相 差1 0 0 行，因此其帧周期相差较大。而且，p a l 制式和n t s c 制式电视视频信 号的行消隐信号、行同步信号、场消隐信号、场同步信号和前后均衡脉冲都是 有区别的，p a l 制式的前后均衡脉冲、行同步脉冲都是2 5 行，而n t s c 制式 的前后均衡脉冲、行同步脉冲都是3 行。p a l 制式和n t s c 制式视频信号的特 性和区别如表3 1 所示： 表3 1p a l 制式和n t s c 制式视频信号特性 制式 p a l n t s c 格式6 2 5 行帧，2 5 帧秒5 2 5 行帧，3 0 帧秒 扫描方式隔行扫描，2 场帧，隔行扫描，2 场帧， 3 1 2 5 行| 场2 6 2 5 符 场 颜色模型y u v v 行同步频率1 5 6 2 5 m 1 5 7 3 4 k h z 行周期 6 4 u s6 3 5 u s 帧同步频率 5 0 h z5 9 9 4 h z 帧周期 2 0 m s1 6 6 7 m s 载频 4 4 3 m h z3 5 8 m h z 3 1 3 电子目镜设计 根据设计要求，显微镜图像采集的一路信号输出到电视监视器或者投影仪 用于观察，另外一路视频信号经解码后由d s p 采集作后续处理。基于初步试验， 我们选择了美国豪威公司( o m n i v i s i o nt e c h n o l o g i e s ，i n c ) 的o v 7 9 1 0 作为电子目 镜设计中的图像采集芯片。o v 7 9 1 0 的主要特性1 2 5 1 如表3 2 所示： 一1 9 一 浙江大学硕士学位论文 表3 - 2 0 v 7 9 1 0 特性 成像器件单片1 3 英寸c m o so v 7 9 1 0 信号系统 p a l n t s c 有效像素6 2 8 x 5 8 2 5 l o x 4 9 2 感光面积5 7 8 m mx4 1 9 m m 4 6 9 m mx3 5 4 m m 扫描系统隔行扫描 同步系统内同步 水平同步 15 6 2 5 m l5 7 3 4 k h z 垂直同步 5 0 h z 6 0 h z 最小照度 5 l u x 视频输出 1 0 v p - p ，7 5 0 h m 信噪比 4 0 d b 电子快门1 6 0 st o1 15 0 0 s 自动增益 自动 白平衡自动 背光补偿自动 供电电压单一5 v d c 功耗需求2 0 0 m w 像素尺寸 9 2 u mx7 2 u m o v 7 9 1 0 的设置方式有两种，一种是采用o v 7 9 1 0 外部管脚上拉置高产生 逻辑信号“1 、下拉置低产生逻辑信号“0 的方式实现大部分片上功能的设置， o v 7 9 1 0 图像传感器在上电时会读取各个管脚的状态使能用户定义的初始化设 置；另外一种是通过o v 7 9 1 0 自带的串行控制总线s c c b ( s e r i a lc a m e r ac o n t r o l b u s ) 接口，使用外部控制器编程控制o v 7 9 1 0 图像传感器内部各个寄存器来完 成初始化设置，这种方式可以设置所有的o v 7 9 1 0 图像传感器功能。考虑到电 子目镜使用的独立性以及一般电子目镜设计的方式，我们采用方式一来设计初 始化电子目镜，具体电路设计如图3 - 4 所示： 一2 0 一 浙江大学硕士学位论文 图3 _ 4 电子目镜设计电路图 3 1 4 视频解码电路 根据设计方案的要求，显微镜图像经电子目镜采集后其中一路信号传输给 d s p 做后续处理，但是d s p 是数字信号处理器件，其输入数据要求是数字而非 模拟的，而基于o v 7 9 1 0 的电子目镜输出的是复合视频信号，是属于模拟信号， 因此需要通过解码来将复合视频信号转换为数字信号，同时解码产生图像信号 采集的各类同步信号，供d s p 采集1 2 6 j 使用。 最复杂的信号莫过于视频信号。视频信号中除了包含图像信号之外，还包 括了行同步信号、行消隐信号、场同步信号、场消隐信号、槽脉冲信号、前后 一2 1 浙江大学硕士学位论文 均衡脉冲等等，因此，对视频信号进行a d 转换的电路也非常复杂。通过对各 类视频解码芯片的对比分析以及系统设计方案的要求考虑，我们选择了p h i l i p s 公司生产的s a a 7 1ll a 作为我们方案的解码