（光学工程专业论文）数码显微镜图像采集处理系统的研制.pdf

摘要 摘要 显微镜在生物学和医学领域其有十分重要的地位，传统的光学显微镜直接用 肉眼观察，不便于长时间的连续观测，并且对图像信息没法存储。而数字显微镜 是把传统光学显微镜和数码多媒体技术、数字处理技术一体化设计集成，内置高 分辨率的c c o 或c m o s 感光芯片，将光学显微镜头捕获的光学图像转换成数字光 学影像数据，通过不同的传输总线直接输入到计算机中进行各种处理，甚至可以 输入到彩色电视屏幕上进行动态观察，灵敏捕捉细致影像，方便了图像的存储和 分析处理。 本图像采集处理系统实现了在上位机中对图像数据的采集、显示和处理的可 视化操作，与自行设计的基于u s b 2 0 的c m o s 数码显微镜硬件相匹配，分析解决 了u s b 接口的数据传输和c m o s 图像采集匹配，图像采集与实时显示的实现与交 互以及图像后续的通用处理操作，并且通过测试实验验证了系统工作的稳定性和 可靠性。 本论文的主要工作： 1 在分析数码显微镜图像采集处理系统各功能模块以后，提出了整个系统 的总体设计方案。 2 介绍了系统硬件的实现，主要包括图像采集和图像传输的实现。 3 在上位机中实现了图像数据的采集、存储和显示以及图像采集和显示双 线程的交互。 4 完成了通用性的图像处理软件，给出对显微图像的图像预处理、闽值分 割、边缘检测、轮廓提取等通用算法。 5 对图像采集卡进行了单帧图像和连续动态图像采集测试，并测试了速率 匹配结果，得到了满意的结果，同时给出了显微镜图像处理操作的一些 结果。 关键词：图像采集图像处理c m o s 多线程二值化 a b s t r a c t a b s t r a c t t h em i c r o s c o p e sp l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l do fb i o l o g ya n dm e d i c a l s c i e n c e d i g i t a lm i c r o s c o p ei n t e g r a t e sc l a s s i c a lo p t i c a lm i c r o s c o p e ，d i g i t a lm u l t i m e d i a t e c h n i q u ea n dd i g i t a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u ei n t oo n e i tt r a n s f o r m so p t i c a li m a g e c a p t u r e db yt h el e n so fo p t i c a lm i c r o s c o p ei n t od i g i t a lo p t i c a li m a g ed a t aw i t l lt h e h i 曲r e s o l u t i o nc c d o rc m o ss e n s i t i v ed r i p sa n dp r o c e s s e st h ed a t aw h i c hh a sb e e n i n p u t t e dt op cb yd i f f e r e n tk i n d so fc o m p u t e rb u s t h ed a t ac a ne v e nb ei n p u t t e dt o t h es c r e e no fc o l o rt e l e v i s i o nf o rd y n a m i co b s e r v a t i o na n dd e t a i li m a g ec a p t u r i n g w h i c hb r i n gc o n v e n i e n c et os t o r e ，a n a l y s i sa n dp r o c e s si m a g e s t i l i si m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mr e a l i z e dt h ev i s u a lo p e r a t i o no ft h ea c q u i s i t i o n d i s p l a ya n dp r o c e s s i n go fi m a g ed a t a i nu p p e rc o m p u t e r n l em a t c ho ft h e s e l f - d e s i g n e dh a r d w a r es y s t e mo fc i v l o sd i 【g i t a lm i c r o s c o p eb a s e do nu s b 2 0h a s b e e nr e a l i z e d t h er e a l i z a t i o na n di n t e r a c t i o no fi m a g ea c q u i s i t i o na n dr e a l t i m e d i s p l a ya n dt h es u b s e q u e n to p e r a t i o no fp r o c e s s i n gi m a g eh a sb e e na n a l y z e da n d s e t t l e d a n dt h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mh a sb e e np r o v e db yt e s t i n g e x p e r i m e n t t h em a i nw o r ki n c l u d e s ： 1 p u t t i n gf o r w a r dt h em a i nd e s i g np r o p o s a lf o rt h ew h o l es y s t e mo ft h ed i g i t a l m i c r o s c o p ea f t e ra n a l y z i n gt h ef u n c t i o n a lm o d u l e so f t h es y s t e m 2 i n t r o d u c i n gt h er e a l i z a t i o no f h a r d w a r es y s t e m ，m o s t l yt h er e a l i z a t i o no f i m a g e a c q u i s i t i o na n di m a g et r a n s m i s s i o n 3 r e a l i z a t i o nt h ea c q u i s i t i o n ，s t o r ea n dd i s p l a yo ft h ei m a g ed a t aa n dt h ed o u b l e t h r e a d i n gi n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ei m a g ea c q u i s i t i o na n dd i s p l a yi nt h eu p p e r c o m p u t e r 4 f i n i s h e dt h eu n i v e r s a li m a g ep r o c e s s i n gs o f t w a r e ，p u t t i n gf o r w a r dt h eu n i v e r s a l a l g o r i t h mo f t h eb i n a r i z a t i o n ，t h r e s h o l dp a r t i t i o na n do u t l i n ea h s 缸a c t i o n 5 t e s t i n gt h ea c q u i s i t i o no fs i n g l ef r a m ea n dc o n t i n u o u sd y n a m i ci m a g ew i 出t h e i m a g ea c q u i s i t i o nc a r d ，o b t a i n i n ga c c e p t a b l er e s u l t so f t h em a t c ho ft h es p e e d r a t ea n dg i v i n gs o m eo u t c o m e so ft h eo p e r a t i o no ni m a g ep r o c e s s i n go ft h e m i c r o s c o p e k e yw o r d s ：i m a g ea c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n g ，c o m s ，m u l t i t h r e a d i n g ，b i n a r i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：司昼 签字日期：坩年月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 司秀 签字日期： 一年，月扣日 名：徐j 签字日期：跏z 年月，口日 第一章绪论 第一章绪论 当我们跨入2 l 世纪，数码技术已经开始融入我们的生活，深深地渗透到各 个科学领域。高像数、图像清晰可鉴的数码显微镜应运而生，改写了传统显微镜 的历史。从原理上说，传统的光学显微镜是通过目镜和物镜的结合放大日标图像， 以便于用肉眼直接观察。相反，数码显微镜是结合了图像传感器和数字图像处理 全过程的新型显微镜，由它获取的图像可以在显示器上进行观察并可以随时记 录。它具有传统光学显微镜不能比拟的优势： 1 用图像传感器( c c d 或c m o s ) 代替人眼观察，大大降低了工作量。 2 能够及时准确地把图像信息记录并存储下来以及进行信息交换。 3 可将显微结果进行打印。 4 能够实现长时间、全自动无人观测，节省人力物力。 显微镜本身的光学性能是实现能否清楚、真实地观察标本的基础。数字技术 的一些指标如分辨率等是关系到数码显微镜观察图像的大小、清晰度的重要指 标。所以，数字图像采集、存储和传输是数字显微镜的核心部分，它的优劣直接 影响到最终获取到的图像质量的好坏。 1 1 数码显微镜的发展现状 数码显微镜是随着图像采集卡和计算机接口技术的发展而被提出并且快速 发展起来的。图像传感器和计算机接口技术的革新是数码显微镜发展的根本，虽 然数码显微镜的理念很简单，但过去由于受到图像传感器分辨率、采集率和计算 机接口传输速率的限制，使得数码显微镜的实现不具有可用性。随着高分辨率、 高图像传感器的研制和高速接口( u s b 、皿e e l 3 9 4 ) 技术的日益成熟，使得实时 采集传输高分辨率图像成为现实，所以目前数字显微镜正在成为一个非常火热的 概念。 同时相对于普通的数码照相机，数码显微镜中的摄像可以在预览窗口中调节 好图像效果并将图像的最佳状态拍摄下来，即可保存或处理，能达到既真实又实 时的效果，而照相无法对图像进行预处理，特别是对于一些细节如色彩、局部结 构的清晰度等进行直接的调节，只有等图像输入电脑后才能知道图像的效果，如 不理想，须重拍，仍然只能进行盲操作，这样要想拍到一张符合自己要求的数码 图像，可能要经过多次的反复拍摄才可以。如果切片或标本移动了位置，要想复 位就更困难。这也正是许多科研、教育工作者尽管有了数码相机还是要购置数码 第一章绪论 显微镜的原因。 所以，将光学技术、数字技术和信息技术进行科学的整合，是以后显微镜发 展的主要方向。它打破了传统光学显微镜的观念，突破了传统光学显微镜的诸多 限制，将光学显微镜采集到的图像数字化，显示于液晶显示器或大投影上，便于 多人观察、研究，进行影像测量，存储打印：可广泛应用于生物教学、科研实验、 微小精密器件生产等诸多领域。随着数字图像采集卡的飞速发展数字显微镜也 得到越来越多的应用。 现有的数码显微镜主要分为几种，根据所用图像传感器的不同，分为c c d 和c m o s 的两种，根据传输接口的不同又可分为u s b 和m e e l 3 9 4 两种。根据 装配形式不同，又可分为台式的和手持式的。其中，最具有代表性的是麦克奥迪 公司，它的数码显微镜产品占有大量的市场份额。综观麦克奥迪公司的数码显微 镜产品可以看出已经量产的数码显微镜中一般的图像分辨率多为6 4 0 x 4 8 0 ，高端 的数码显微镜的图像分辨率也只在2 0 0 万像素左右，多以c c d 作为图像传感器。 多数数码显微镜使用u s b 接口，基本可满足小分辨率图像的实时获取的要 求，例如d m 3 9 系列，可实现8 - b i t 6 4 0 x 4 8 0 时1 5 帧秒的扫描速度。现在比较先 进的数码显微镜是通过i e e e l 3 9 4 线和电脑相连，扫描速度更快，在8 - b i t 6 4 0 x 4 8 0 时最大扫描速度为：4 0 巾贞秒。如：m o t i c a m l 3 0 0 。 现在有的产品只有模拟信号输出，只能连接电视机或监视器，应用范围比较 狭窄。而其中比较好的能输出数字信号和模拟信号，包含u s b 数字信号端口， r c a 端口和s 端口，而且是即插即用，数字系统和普通显微镜一体化设计，安 装在显微镜内部，用起来非常方便，且不容易损坏。如m o t i c 生产的d m b l - 2 2 3 ， d m 1 4 3 等均可直接输出数字信号或模拟信号。 数码显微镜最终是通过软件来实现其强大功能的，所以软件功能的多少、强 大与否是非常关键的。如是否可以实现动态实时预览，动静态搪捉，录音，录像， 目标的分割和计算，存储打印报告，远程共享和图像处理等功能。这些功能是在 生物教学和交流中经常用到的。生物的微观观察教学和交流完全可以并入校园多 媒体教学网。在国外和国内部分重点中学应用较多的有：m o t i c i m a g e 2 0 0 01 2 ， m o t i c i m a g ep l u s2 0 等软件。如麦克奥迪所有的数码显微镜都可以实现实时图 像预览。 作为一种新兴的数码产品，数码显微镜的技术还主要由国外厂商所具有，而 且由于国内厂商自行研制生产的数码显微镜种类很少，极少的一部分也是比较低 端的数码显微镜产品，而且配套的图像处理系统也不够完善，现在大多数应用的 数码显微镜产品还是国外产品，所以数码显微镜的价格相对来讲还很高。例如奥 林巴斯光学工业公司近日发表的一款针对教育市场的需求而推出的数码显微镜 2 第一章绪论 “m i c d ”。该机配备有3 1 万像素的c m o s 光传感器，图像尺寸v g a ( 6 4 0 x 4 8 0 像素) 、q v g a ( 3 2 0 x 2 4 0 像素) ，u s b 接口，市场销价为9 万9 8 0 0 日圆， 折合人民币约7 0 0 0 元。这对于普通的个人用户来讲绝对是一个不菲的价格，这 也是致使数码显微镜普及率不高的主要原因。 1 2 本课题的研究目的和意义 1 2 1 本课题的研究目的 本文的研究目的是设计数码显微镜的图像采集处理系统，完成从前端的 c m o s 图像传感器得到的数字图像数据，通过u s b 接口传入计算机中并实现单 帧图像的显示和动态图像的实时显示，以及图像的处理操作，从而实现基于 u s b 2 0 总线的数码显微镜图像数据实时采集、传送、存储和显示。 本课题开发的图像采集与处理系统采用当前流行的u s b 总线，迎合了市场 需求的发展；各种笔记本电脑或台式电脑都可以方便地与仪器连接，彻底告别了 传统的板卡连接方式；硬件电路基本实现t d , 型化、高精度、全自动化和实时采 集，而其用于仪器控制和图像处理的工作软件，不仅界面变得美观、便捷，而且 做到了在m i c r o s o f tw i n d o w s 环境下从设备获取图像操作简单快捷，并能对图 像进行多种处理，让用户使用起来更加得心应手。该系统不但可用于将数码显微 镜的图像信号传送、转换和输入计算机进行处理，而且对于解决其它快速高分辨 率图像的采集与处理问题具有同样的借鉴意义。 使用计算机实现图像实时采集处理系统，设计上位机的应用程序完成图像数 据的采集、转换、传输及显示，将数据传送到计算机内存中。本文在熟悉图像采 集原理和数字图像处理方法的基础上，利用v c + + 完成了数码显微镜上位机应用 软件实现了图像数据的采集处理工作，完成 j s b 图像采集系统的研制工作，构成 了以微机为核心的图像实时采集处理系统。 1 2 1 本课题的意义 观察显微世界，比如分子结构、细胞结构，显微镜已显示了它高超的能力。 然而，如何摄入从显微镜中得到的显微图像，如何对这些显微图像加以分析值得 我们去认真研究。例如在生物医学图像中，需要测定神经纤维的长度，各种细胞 内颗粒大小及分布频率：在进行细胞诊断，特别是需要细胞识别时，需要得出定 性和定量的结果。在完成这些工作时，人眼就难以胜任，利用计算机图像处理， 模式识别的技术，就可以很好地完成这些工作。 目前，针对细胞等有关生物方面处理的显微图像分析处理系统已经逐渐在行 第一章绪论 业中盛行。例如珠海黑马医学仪器有限公司的g s m 一2 0 0 0 系列显微图像分析管理 系统：太原光学仪器厂的彩色显微图像分析系统：四川大学图像图形研究所的敏 视医用图像分析仪等等。但是，真正使用这种数字图像处理装置的究竟有多少昵? 据了解，大多数涉及显微方面的实验室、企业单位等，都仍在使用传统的方 法进行处理分析。即配备一个光学显微镜，根据检测员肉眼的观察直观的去识别 样片或标本的各种形态、特征，从而记录下当时的数据。这样的操作过程不仅使 检测员的工作强度较大，同时对检测员的技术要求也有了一定的限制；此外，这 种高强度的工作很容易引起身心疲惫，而且也经常会因主观因素而导致计算分析 的偏差。因而，利用计算机技术用数字的方式将显微图像摄入并进行存储和处理 已经是势在必行。然而显微图像处理系统没有普及使用的原因，除了宣传推广不 足外，更主要的是不菲的仪器或系统的价格，少则几万，多则十几万至几十万， 使很多的普通用户望而却步。因此，如何能设计一个价位较低且能普及推广使用 的数字显微图像采集处理系统就显得尤为重要。 1 3 本论文的主要内容 本文介绍一种性价比良好的基于c m o s 图像传感器的数字显微图像采集处理 系统，并对整个系统的图像采集处理的实现各方面进行了详细的阐述。本论文的 主要工作是： 1 在分析数码显微镜图像采集处理系统各功能模块的选择以后，提出整个系统 的总体设计方案。 2 介绍了系统硬件的实现，主要包括图像采集和图像传输的实现。 3 在上位机中实现了图像数据的采集、存储和显示以及图像采集和显示双线程 的交互。 4 完成了通用性的图像处理软件，给出对显微图像的图像预处理、阈值分割、 边缘检测、轮廓提取等通用算法。 5 对图像采集卡进行了单帧图像和连续动态图像采集测试，并测试了速率匹配 结果，得到了满意的结果，同时给出了显微镜图像处理操作的一些结果。 4 第二章系统的总体设计方案 第二章系统的总体设计方案 本章对数码显微镜图像采集处理系统的总体设计方案进行了分析，并将整个 系统划分成四大功能模块，逐一进行论述，并整合出一套基于己有的实验条件的 性价比较高可以满足数码显微镜需求的总体设计方案。 2 1 系统功能模块的划分 整个显微镜图像采集处理系统，总体上说是由两个部分组成，即系统的硬件 组成部分和软件的处理部分，如果按功能分可以分成四个功能模块：光学成像模 块，图像采集模块，传输接口模块和图像存储显示模块。下面就这四个部分进行 具体的分析。 2 1 1 光学成像模块 传统的光学显微镜已经相当成熟，并且应用已经相当普及，成像设计已经十 分成熟，在本数码显微镜的光学成像模块中我们不再自行设计显微镜成像系统， 而是直接使用现有的光学显微镜作为光学成像源，即简化了开发，也给光学像源 的质量提供了可靠的保证。我们使用的是一台x s z - a 生物显微镜，它配有四种 放大倍率的物镜，固定的1 0 倍目镜，双目物镜。由于图像传感器需要感光才能 采集数据，所以要求显微镜成实像在图像传感器的像面上，而经过物镜和目镜两 次成像所成的为虚象，不能把图像传感器直接放到目镜上。因此，我们利用物镜 一次成像原理，直接把图像传感器放到物镜的像面上，这样图像传感器可以采集 到物镜所成的一次成像【2 n 。 显微镜的物镜，主要参数包括：放大倍数、数值孔径和工作距离。各国生产 的通用显微镜物镜从物平面到像平面的距离( 共轭距) ，不论放大率如何都是相。 同的，大约等于1 8 0 r a m 。对于生物显微镜，我国规定为1 9 5 r a m 。x s z a 生物显 微镜配备有4 个倍率的物镜4 x 、1 0 、4 0 、1 0 0 x 。 2 1 2 图像采集模块 图像传感器的功能就是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏面 上按空间分布的光强信息，转换为按时序串行输出的电信号视频信号，该视 频信号能再现入射的光学图像。6 0 年代前，摄像的任务主要都是用各种电子束 摄像管( 如光导摄像管、飞点扫描管等) 来完成。6 0 年代后期，随着半导体集成 第二章系统的总体设计方案 电路技术，特别是m o s 集成电路工艺的成熟，各种固体图像传感器得到迅速发展。 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 是7 0 年代发展起来的新型半导体器件，它是 在m o s 集成电路技术基础上发展起来的。由于它具有光电转换、信息存储和延时 等功能，而且集成度高，功耗较小，因而广泛应用于光电信号转换、处理及数字 信号存储等高科技领域。 但是，c c d 也有一些非常明显的缺点：c c d 光敏单元阵列难与驱动电路及信号 处理电路单片集成，不易处理一些模拟与数字功能，这些功能包括：a d 转换器、 精密放大器、存储器、运算单元等元件的功能。c c d 阵列驱动脉冲复杂，需要使 用相对高的工作电压。 近年来吸引人们注意的一种c c d 替代技术是互补金属氧化物半导体 ( c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ，c m o s ) 。c m o s 传感器并不是对 光线特别敏感，而且它的信噪比也没有更高的优势。当然，和其他技术前沿一样， 技术的改进是飞快的。然而，与c c d 图像传感器相比，c m o s 图像传感器具有一 些明显的优势。 ( 1 ) c c d 存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取， 电荷信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电 路较为复杂，速度较慢。c m o s 光电传感器经光电转换后直接产生电压信号，信号 读取十分简单，还能同时处理各单元的图像信息，速度比c c d 快得多。 ( 2 ) c m o s 最大的优势是具有高度系统整合的条件，因为采用数字模拟信 号混合设计，从理论上讲，图像传感器所需的所有功能，如垂直位移、水平位移 暂存器、传感器阵列驱动与控制系统( c d s ) 、模数转换器( a d c ) 接口电路等完 全可以集成在一起，实现单芯片成像，避免使用外部芯片和设备，极大地减小了 器件的体积和重量。 表lc c d 与c s 图像传感器比较 类别 c c d c m o s 成本 高 低 集成状况低，需外接芯片单片高度集成 系统功耗高( i )低( 1 1 0 - 1 1 0 0 ) 电源多电源单一电源 抗辐射 弱强 电路结构复杂简单 信噪比优良 图像顺次扫描同时读取 红外线灵敏度低灵敏度高 第二章系统的总体设计方案 考虑到c m o s 的集成度、价格优势和发展的潜力，同时我们所设计的数码显 微镜需要能支持百万像素分辨率即可，现在百万像素的c m o s 芯片已经比较普及， 所以c m o s 芯片也已经可以满足数码显微镜对图像分辨率的要求，因此，在系统 中选择c m o s 图像传感器作为主要的图像传感器件。 2 1 3 传输接口模块 在图像传感器采集图像后，如何把图像数据传递到计算机中，这就涉及到接 口技术的问题。 图像传感器采集到的图像信号有两种：模拟图像和数字图像。 对于模拟信号，有两种方案可以实施：l 、用p c i 的图像采集卡：2 、用一个专 门的模拟数字转换装置( 市场上可方便购置) ，把模拟信号转化为数字信号，从 u s b 口输入。 对于数字信号，目前考虑到r s 2 3 2 串行接口的速率过慢，不能达到实时的视 频显示，一般采用u s b 接口。当然，当前还正悄然兴起一种i e e e1 3 9 4 接口，可 以进行更大带宽的视频数据传输。 本系统采集到的是数字信号，需要支持高速的接口技术。所以本文比较一下 u s b 接口和i e e e l 3 9 4 接口，并详细介绍一下u s b 接口技术，对于传输速率很 低的各种传统的接口方式不再赘述【2 i 】。 2 1 3 1u s b 接口和i e e e l 3 9 4 的比较 一u s b 接口和i e e e l 3 9 4 简介 1 u s b 接口 u s b 的全名为u m v e r s a ls e r i a lb u s ，中文为“通用序列界面”。它的特点就是 将所有周边装置连接埠统一了，各种不同的插头、插座都设计为统一规格，就不 会产生哪一个装置插头要接在哪个连接埠的问题。u s b 是一新型界面规格，支 持主系统与不同外设问的数据传输。是电脑系统接驳外围设备( 如键盘、鼠标、 打印机等) 的输入输出接口标准。现在电脑系统接驳外围设备的接口并无统一 的标准，如键盘的插口是圆的、连接打印机要用9 针或2 5 针的并行接口、鼠标 则要用9 针或2 5 针的串行接口。u s b 把这些不同的接口统一起来，使用一个4 针插头作为标准插头。通过这个标准插头把所有的外设连接起来，并且不会损失 带宽。也就是说，u s b 将取代当前p c 上的串口和并口。 u s b 允许外设在开机状态下插拔使用，u s b 具有易于使用、高带宽、可接 多达1 2 7 个外设、数据传输稳定、支持即时声音播放及影像压缩等特点。目前在 国内市场可以见到的u s b 设备主要有扫描仪、数码相机、打印机、集线器和外 7 第二章系统的总体设计方案 置存储设备等。 u s b 就是设备插架的一种规范。在u s b 方式下，所有的外设都在机箱外连 接，连接外设不必再打开机箱；允许外设热插拔，而不必关闭主机电源。u s b 采用“级联”方式，即每个u s b 设备用一个u s b 插头连接到一个外设的u s b 插 座上，而其本身又提供一个u s b 插座供下一个u s b 外设连接用。通过这种类似 菊花链式的连接，一个u s b 控制器可以连接多达1 2 7 个外设，而每个外设间距 离( 线缆长度) 可达5 米。u s b 能智能识别u s b 链上外围设备的插入或拆卸， u s b 为p c 的外设扩充提供了一个很好的解决方案1 5 1 。 2 i e e e l 3 9 4 接口 i e e e l 3 9 4 总线是一种目前为止最快的高速串行总线，最高的传输速度为 4 0 0 m b p s s 。对于各种需要大量带宽的设备提供了专门的优化，接口可以同时连 接6 3 个不同设备，i e e e l 3 9 4 同u s b 一样，支持带电插拔设备。i e e e l 3 9 4 支持 即插即用，现在的w i n 9 8s e 、w i n 2 0 0 0 、w i nm e 、w 矾x p 都对i e e e l 3 9 4 支 持的很好，在这些操作系统中用户不用再安装驱动程序，也能使用i e e e l 3 9 4 设 备【6 】。 火线( i e e e l 3 9 4 ) 支持的传输速率有1 0 0 m b p s ，2 0 0 m b p s ，4 0 0 m b p s ，将来会 提升到8 0 0 m b p s ，1 g b p s ，1 6 g b p s 。不需要控制器，可以实现对等传输，最大连 线4 5 米，大于4 5 米可采用中继设备支持，同样支持即插即用。火线是目前唯 一支持数字摄录机的总线。i e e e l 3 9 4 既可作为外部总线，又可成为内部总线使 用，不过由于已经有了p c i 这样历史悠久的总线存在，而且现在p c i 正向6 4 位 过渡，各厂商并不愿意做总线上的调整改动，所以市面上的i e e e l 3 9 4 是作为外 部总线连接外设使用。 它的缺点主要表现于两个方面：( 1 ) 应用少。现在支持i e e e l 3 9 4 的设备也 不太多，只有一些数码相机与m p 3 等一些使用高带宽的设备使用i e e e l 3 9 4 。其 它的设备其实也用不了那么高的带宽。( 2 ) i e e e l 3 9 4 总线需要占用大量的资源， 所以需要高速度的c p i j 。 二 u s b 接口和i e e e l 3 9 4 的区别 两者的区别主要有以下三点： 1 两者的传输速率不同：过去，很多人都会选用i e e e l 3 9 4 作传输文件用， 因为其流量比u s b l 1 版本快百倍。u s b 的传输速率现在只有1 2 m b p s s ，只能连 接键盘、鼠标与麦克风等低速设备，而i e e e l 3 9 4 可以使用4 0 0 m b a p s ，可以用 来连接数码相机、扫描仪和信息家电等需要高速率的设备。而后来，推出了 i j s b 2 0 ，虽然有所赶上i e e e l 3 9 4 ，但是火线的流量还可以增加至1 g 。 第二章系统的总体设计方案 2 两者的结构不同：u s b 在连接时必须至少有一台电脑，并且必须需要h u b 来实现互连，整个网络中最多可连接1 2 7 台设备。i e e e l 3 9 4 并不需要电脑来控 制所有设备，也不需要h u b ，i e e e l 3 9 4 可以用网桥连接多个i e e e l 3 9 4 网络，也 就是说在用i e e e l 3 9 4 实现了6 3 台i e e e l 3 9 4 设备之后也可以用网桥将其他的 i e e e l 3 9 4 网络连接起来，达到无限制连接。 3 两者的智能化不同：i e e e l 3 9 4 网络可以在其设备进行增减时自动重设网 络。u s b 是以h u b 来判断连接设备的增减了。两者的应用程度不同。现在u s b 已 经被广泛应用于各个方面，几乎每台p c 主板都设置了u s b 接口，u s b 2 0 也会进 一步加大u s b 应用的范围。i e e e l 3 9 4 现在只被应用于音频、视频等多媒体方面。 以下是几种数据接口的列表比较： 表2u s b 接口与i e e e l 3 9 4 的比较 传输速度启动程序普及程度 u s b l i 1 2 m b p s 需要 每个主板上都有接口，普及率广泛 每个主板上都有接口，普及率广泛， u s b 2 0 4 8 0 m b p s 需要 i n t e l 8 1 5 或以下的主板不支持2 0 格式 4 0 0 m b p s大部分台式机主板不包括接口，需要另外 i e e e l 3 9 4 需要 - i g m b p s 购买p c i 卡，适用于媒体方面的数据传输 由上述可见，对于接口的方法有很多种，我们考虑到i e e e1 3 9 4 接口目前还 不够成熟，正在进步的发展之中，虽然计算机的主板有支持1 3 9 4 接口( 例如技 嘉的6 v x 7 1 3 9 4 主板) ，但不够普及；另一方面，它的价格也比较昂贵。因此对 这个接口的使用也只能停留在实验室研究上，但由于它明显的优点，在不久的将 来肯定会普及应用。在数码显微镜图像采集系统中我们选用u s b 接口实现图像数 据的传输，并且使用u s b 2 0 总线，在性价比上具有明显优势”1 。 2 1 4 图像存储显示模块 单色和彩色监视器是现代图像处理系统常用的显示设备，主要有t v ，投影仪， l e d 电子显示屏，计算机等等，另外，照相机、打印机、胶片记录仪和硬拷贝机 也可以用于输出图像，以满足不同的应用需求。本系统要求所有系统的控制以及 图像存储显示和处理都能在这一个终端上实现，所以要求具有强大的处理功能， 所以选择计算机作为本系统的终端处理平台。 9 第二章系统的总体设计方案 2 2 系统总体方案 2 2 1 系统工作流程 图2 - 1 所示为数码显微镜的整个系统工作的流程。 图2 1 系统流程 在四大模块中，我们分别选择了传统的光学显微镜作为系统光学成像源，图 像采集卡选用c m o s 图像传感器，数据传输接口选用u s b 2 0 接口，计算机作为 图像存储与显示处理终端。 从上图中我们可以初步地了解到数码显微镜图像采集处理系统的整个流程： 首先通过显微镜观察样片或标本，将样片或标本成像于c m o s 图像传感器的像 面上，然后通过c m o s 图像传感器采样捕捉图像直接将模拟图像信号输出为数 字图像信息，并利用u s b 2 0 接口直接输入到计算机中进行存储和显示，并在计 算机中进行各种相应的分析处理。 2 2 2 系统方案的实现 图2 2 数码显微镜系统原理框图 系统总体方案的实现就是将几个功能模块组合起来，让各个模块协调统一工 作。如图2 - 2 所示，光学显微镜中成像到c m o s 像面上，通过c m o s 图像传感 】o 第二章系统的总体设计方案 器转换成数字信号输出到c p l d ，c p l d 将图像数据通过数据缓存区f i f o 送入 到u s b 控制芯片的内部f w o 中，u s b 控制芯片可以直接将图像数据送入到p c 机中，系统与计算机连接时可以通过u s b 口进行交互，操作人员不仅可以通过 可视化的操作界面实现图像数据的采集、存储和实时的显示，还可以对系统的参 数进行控制，比如对c m o s 传感器进行配置等等，同时还可以对采集到的显微 镜图像进行一些通用的处理。 系统的设计只是完成系统的功能模块的功能定义以及功能模块搭配，具体各 个模块的软、硬件实现将在后续章节中仔细讨论。 第三章图像采集处理系统的硬件实现 第三章图像采集处理系统的硬件实现 本章首先简要地介绍数码显微镜图像采集处理系统的工作原理和整体结构 以及系统各个部分的功能，然后重点讨论了图像数据采集和图像数据传输两大模 块的实现，其中对c m o s 图像传感器的特性和控制以及u s b 接e l 数据传输模式的 实现进行了分析。 3 1 系统功能及工作原理 本系统的硬件部分是以m i c r o n 公司的m t 9 t 0 0 1 图像传感器芯片和c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 8 0 1 3 u s b 控制芯片为核心器件，根据c m o s 图像采集原理和u s b 协议， 所设计的图像采集硬件系统，如图3 - 1 所示。 图3 一l图像采集系统硬件结构原理图 系统的原理框图如图3 - 1 所示，主要由c m o s 图像传感器( m t 9 t 0 0 1 ) ，可编 程逻辑器件c p l d ( l a t t i c e 公司的l c 4 1 2 8 v ) ，f i f o ( 2 k 1 8 b i tf i f o ) ( t e x a s i n s t r u m e n t s 半导体公司的s n 7 4 v 2 3 5 ) ，和u s b 控制芯片( c y p r e s s 公司的 c y 7 c 6 8 0 1 3 ) 4 部分组成。各部分的主要功能为：c m o s 传感器将得到数字信号； c p l d 负责处理系统的时序，产生u s b 的中断，状态等控制信号以及f i f o 的控制 信号；f i f o 用来缓存采集的数字视频图像信号；u s b 控制芯片实现数据与主机问 的通信。 整个系统可以分成两大功能模块：图像数据采集模块和图像数据传输模块。 以下分别介绍。 3 2 图像数据采集的实现 我们选择了数字式的c m o s 图像传感器，并且选用了m i c r o n 公司的m t 9 t 0 0 1 芯片，下面介绍m t 9 t 0 0 1 的特性及其硬件连接和控制。 1 2 第三章图像采集处理系统的硬件实现 3 2 1m t o t 0 0 1 的特性【9 】 m t 9 t 0 0 1 采用d i g i t a l c l a r i t yc m o s 技术，具有非常弱的暗电流、串话少、 高灵敏度和低噪声等特性。m t 9 t 0 0 1 表面像素能进行窗口截取，同时也能进行 行和列的跳跃读取。m t 9 t 0 0 1 有快门模式，曝光时间均匀，图像质量高。其重 要参数指标如下： 有效感光尺寸：6 5 5 4 m m ( 行) 4 9 1 5 m m ( 列) 有效像素：2 0 4 8 ( 行) 1 5 3 6 ( 列) 像素大小：3 2 u m x 3 2 u m 编码方式：r g b b a y e r 模式 最高驱动主频：4 8 m h z 帧率与分辨率有如下对应关系： 标准输出： q x g a 分辨率为2 0 4 8 1 5 3 6 ，帧率为1 2 帧秒： u x g a 分辨率为1 6 0 0 1 2 0 0 ，帧率为2 0 帧，秒； s x g a 分辨率为1 2 8 0 x1 0 2 4 ，帧率为2 7 帧秒； x g a 分辨率为1 0 2 4 7 6 8 ，帧率为4 3 帧秒； s v g a 分辨率为8 0 0 6 0 0 ，帧率为6 5 帧秒： v g a 分辨率为6 4 0 4 8 0 ，帧率为9 3 帧秒。 1 6 ：9 宽屏幕输出： h d t v1 9 2 0 x1 0 8 0 ，帧率1 8 帧秒； h d t v1 2 8 0 x 7 2 0 ，帧率3 9 帧秒 转换精度：1 0 位 工作电压：3 0 v 3 6 v 功耗：2 4 0 m w ( i 作状态) ，2 5 0 u w ( 空闲状态) 工作温度：0 - , 6 0 c m o s 图像传感器m t 9 t 0 0 1 为标准4 8 脚p l c c 封装，其引脚定义如图3 - 2 所示。可以通过设置内部的寄存器来输出不同分辨率的图像，输出图像格式b a y e r 颜色模式的图像数据。该c m o s 图像传感器的视频时序产生电路用于产生行同 步、场同步等多种同步信号和像素时钟等多种内部时序信号。 m t 9 t 0 0 1 的主要管脚有复位脚r e s e t ，编程脚有s c l k 和s d a ，数据输出 脚d 0 d 9 - 时序控制脚有输入时钟c l k i n ，时序同步脚有像素时钟输出p c l k ， 行同步信号l i n e ，帧同步信号f r a m e 。m t 9 t 0 0 1 在每次开始工作时需要复位。 该面阵c m o s 图像传感器芯片集成度高，大大简化了其外围电路设计，外 围电路仅由一些电阻、电容等元器件组成；芯片时钟由其它器件来提供，也省略 第三章图像采集处理系统的硬件实现 了晶振电路，同时也降低了系统的成本。 苎 竺呈竺望ll ；il 兰l 图3 2m t 9 t 0 0 1 引脚框图 3 2 2m t 9 t 0 0 1 的硬件连接 硬件电路的连接包括m t 9 t 0 0 1 与f i f o 的连接，中间通过c p l d 来转换时 序，以及c y 7 c 6 8 0 1 3 与m t 9 t 0 0 1 的连接。现分别详细介绍。 1 c y 7 c 6 8 0 1 3 与m t 9 t 0 0 1 的连接 m t 9 t 0 0 1 可编程来控制操作模式，上电时需要外部电路来复位。m t 9 t 0 0 1 的编程总线是1 2 c 总线，s c l k 是时钟脚，s d a t a 是数据脚，只需要将c y 7 c 6 8 0 1 3 具有输入输出功能的管脚连接即可，系统采用的c y 7 c 6 8 0 1 3 的第7 2 脚 p c 0 a d r 0 和第7 3 脚p c i a d r l ，复位脚是用第7 5 脚p c 3 a d r 3 来连接的，具 体连接电路如图3 - 3 所示。 c y 7 c 6 8 0 1 3 m t 9 t o o l p c 3 伽r 3 r e s e t p c i ，a d r s d a t a p c o 伽r 0 s c l k 图3 3c y 7 c 6 8 0 1 3 与m t 9 t 0 0 1 的连接 2 m t 9 t 0 0 i 与f i f o 的连接 m t 9 t 0 0 i 的数据总线为1 0 位，系统只连接其高8 位，f i f o 数据总线为1 6 位，可以用c p l d 将8 位数据拼接为1 6 位。m t 9 t 0 0 i 控制时序写入f i f o 数据。 具体连接电路如图3 - 4 所示。 1 4 第三章图像采集处理系统的硬件实现 m t 9 t 0 0 1c p l df i f o l