一種應用圖像處理技術的顯微鏡自動控制系統

明 亮，伊力哈木·亞爾買買提

1.中國科學院國家天文臺烏魯木齊天文站，新疆烏魯木齊 830011 2.新疆大學電氣工程學院，新疆烏魯木齊 830047

當前，顯微鏡作為常用儀器，已經被社會各界運用到企業生產、科學研究、各類檢測及專業教學等方面，特別是在生物領域的應用。但是，由于長久以來顯微鏡操作當中的圖像信息的存儲、處理與打印等受到很大限制，使用起來極為不便。同時，部分物品不適宜于開展近距離的觀測，導致顯微鏡的使用范圍具有較大的局限性。為解決這一問題，部分國內顯微鏡生產企業在產品中增加了CCD，讓成像能夠顯示在與之相連的電視機上。然而，這種模式還是存在頗多不便之處，特別是圖像的清晰度不高。

1 顯微鏡自動控制系統的基本特點

根據以上情況，近期，一種利用計算機來控制顯微鏡載物臺的顯微鏡自動控制系統正式研制成功，使計算機能夠對圖像實施收集、存儲及處理。與此同時，對顯微鏡的調焦系統進行了精細化設計，使觀察的便利性和準確性得到充分提高。這樣，在計算機顯示器中所觀察到的物品圖像，與直接運用顯微鏡觀測到的圖像相比較，不但圖像顯得十分清楚、分辨率得到提高，而且在調整觀察位置時能夠變得更加隨意而且方便。

2 顯微鏡自動控制系統的組成

這一系統主要由操縱桿和計算機接口、電動機和計算機接口、CCD和計算機接口等3個部分組成。其操作過程主要如下：使用者可結合計算機中的圖像情況，通過調節操縱桿手柄，讓計算機運行操縱桿傳遞的信息，并根據這些信息來帶動電動機，接著由電動機來控制載物臺，最終實現隨時調整焦距的控制目的。顯微鏡中的攝像頭將圖像采集回到計算機中。這樣，就將原來的操作人員和顯微鏡之間的直接式交互，轉化為間接式交互，從而讓人能夠離開顯微鏡進行較遠距離的觀測。如果用來觀測有害物質，這是非常必要的，同時，由于采取了計算機采集圖像的模式，圖像的保存、處理和打印等各個環節變得更為順暢。

2.1 操縱桿和計算機接口的組成

這一顯微鏡自動控制系統采用的是應用已經十分廣泛的標準操縱桿。操縱桿的位置信息采取Windows標準形式加以發送。當一個操縱桿直接連接上計算機時，它的ID是JOYSTICKID 1，其后，由于使用了oySetCapture()API函數，就可以在設置的程序中更加便捷地接收操縱桿傳遞來的消息。如此一來，當使用人員在調節手柄之后，其發生的消息就會立即被發送到這一窗口函數之中，隨即就能獲得操縱桿狀態信息。當然，使用者還可以根據具體操作的需要來進行合理的選擇處理。現以MM＿JOYIMOVE為例子加以說明。當調節手柄時，Windows系統就會自動發送出MM＿JJOYIMOVE消息。這個消息一般都有兩個參數：其中之一是wParam，它有4.個取值，分別對應于與之有關的按鈕。另一參數就是Iparam，這是一個32位的數值，高、低16位分別表示目前手柄上的Y坐標以及X坐標。（xPos，yPos）就是手柄的所在位置，之所以會向右移動8位，完全是為了和之后的D/A轉換相互之間進行匹配。

2.2 電動機和計算機接口的組成

電動機和計算機之間的接口是這一套顯微鏡自動控制系統的關鍵性環節，可利用步進電機來調節載物臺，使其向著Z方向運動，以實現調焦之目的。在載物臺的水平方向運動上，則應由直流電機進行驅動，這樣就有利于最大限度地調節好載物臺的速度，讓使用人員的手感更加舒適。首先是用直流電機進行控制。操作者在確認了操縱桿的位置信息之后，先要作出換算，并及時輸出，從而控制著載物臺向水平方向運動。具體來說，可運用8位D/A轉換器DAC0832，把位置信號換算到0256這個范圍以內。因為載物臺可作出往復運動，所以D/A一定是雙極性輸出。其次是用步進電機進行控制。隨著載物臺向Z方向運動，這時完全可以采取步進電機驅動的方式，這種控制也相對比較簡單。要結合顯微鏡的放大倍數進行認真計算，從而得到所需要的調焦精度，下一步，再計算出步進電機更加精確的步距角，隨后再依據步距角來選擇對其相對應的驅動器，再把計算機當中的脈沖信號轉換到步進電機驅動器之中。最后是限位保護。從安全的角度來觀察，載物臺向各方向的作出運動都要進行限位式保護。在Z方向上可以安裝機械開關或者是霍爾器件，在水平方向則因為載物臺比較小，不便進行走線或者再安裝另外的器件，那么就可以進行限流保護，也就是在載物臺運動到某一個具體位置后，假如遇到了直流電機的堵轉，電流就會馬上開始增加，電路立即就會知道這一突然變化，并作出反應，在第一時間反饋到計算機系統當中，而計算機也會馬上停止輸出。

2.3 CCD和計算機接口的組成

CCD的視頻信號一旦輸入到計算機系統的圖像采集卡以后，就能夠立即在計算機中成像了。使用者可以根據自身需要，選擇分別具有不同照度的CCD和采集卡。在采集卡上，一般都會有亮度、對比度和飽和度等相應的調節功能，這些采集卡同時還具備了圖像的采集和存儲功能，能夠較為方便地對圖像加以處理，再進行打印。與現在國內同類在顯微鏡上安裝數碼相機的自動控制系統進行比較，該方法不僅更加便捷，而且成本也更加低。

3 結論

目前，這一顯微鏡自動控制系統已在醫院中進行了實踐，使用效果十分理想。這一系統所具有的靈活性能夠讓它十分方便地應用到其它各類系統當中，例如，一旦在醫院的檢驗科里使用，完全可以與負責診斷的醫生加以連接，通過資源共享來提高工作效率，并建立起患者數據庫，而將圖像信息作為病歷的一部分加以存儲，還可作為對患者進行后續診斷的參考資料。可以說，運用圖像識別技術，并建立專家系統，還能實現智能診斷或者半智能診斷。總之，本系統具有十分廣闊的應用前景。

[1]姚進.電視顯微鏡自動控制系統的研制[J].醫療設備信息，1996(4).

[2]李賀橋.CCD圖像采集自動生物顯微鏡系統的研究[J].儀器儀表學報，1997(2).

[3]瞿蓬.一種基于圖像處理的自動調焦系統[J].電子技術應用，2002(11).