数字CMOS自动对焦系统研究

摘要

自动对焦是一种保障成像系统获取高清晰度图像的技术，最早应用在照相系统中，随着精密仪器向高精度、自动化方向的发展，它的应用范围也迅速扩大，并成为显微成像系统中不可缺少的部分。 本文详细讨论了一种应用于显微镜的自动对焦系统，该系统利用计算机控制整个自动对焦过程。计算机在控制步进电机带动显微镜镜头上下移动的同时，计算从数字CMOS图像传感器获取的视频信号，判断图像的清晰度(即对焦评价函数)，绘制出评价函数基于镜头移动距离的曲线，找出曲线的峰值，即最佳对焦点，驱动步进电机将镜头移动到最佳对焦点处，完成自动对焦。 本文采用的基于图像技术的自动对焦方法是从与传统的自动对焦技术完全不同的角度出发，它是直接针对图像采用图像处理技术，对图像进行成像质量分析，得到系统当前的对焦状态，然后通过驱动步进电机调整成像系统的物距，从而实现自动对焦。 本系统采用软件的方式控制整个对焦过程，包括从电子目镜进行视频采集、图像清晰度的评价以及控制步进电机转动等，并在计算机上实时显示对焦过程和相关信息，可以在软件界面上修改一些必要的参数，可操作性好。整个系统除了电机和驱动器直接安装在显微镜上之外，其他都为软件，可移植性强，方便使用，并且因此减少了外部器件的累赘，降低了成本。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1课题意义

1.2自动对焦技术的发展现状

1.2.1国外自动对焦研究现状

1.2.2国内自动对焦研究现状

1.3本课题的对焦系统设计方案

1.4本课题的研究内容

第二章自动对焦的原理和方法

2.1自动对焦技术的原理

2.1.1显微镜成像原理

2.1.2成像系统模型

2.1.3显微镜自动对焦原理

2.2自动对焦技术的基本方法

2.2.1传统的自动对焦方法

2.2.2基于图像处理的自动对焦方法

第三章系统的硬件组成及具体实现

3.1系统的整体硬件设计

3.2 USB通信

3.3显微镜参数介绍

3.4视频采集设备

3.4.1图像传感器的结构

3.4.2固体图像传感器的主要性能参数

3.4.3视频采集设备的选取

3.5步进电机及其驱动器

3.5.1步进电机的分类

3.5.2步进电机的选取

3.5.3步进电机的加速

3.5.4步进电机驱动器的细分

3.5.5步进电机驱动器的选取

3.6系统实物图

第四章系统的软件设计及具体实现

4.1系统的整体软件设计

4.2 CMOS视频采集

4.2.1 DirectX简介

4.2.2 DirectShow的系统组成

4.2.3基于DirectShow进行视频采集和播放

4.3对焦评价函数

4.3.1对焦评价函数的分类及选取

4.3.2对焦评价函数的改进

4.4对焦窗口的选择

4.5搜索算法的选择

4.5.1 Fibonacci搜索法

4.5.2函数逼近法

4.5.3爬山搜索算法

4.5.4爬山搜索算法的优化

4.6搜索算法的软件实现

4.7软件界面及使用说明

4.7.1软件使用方法简述

4.7.2软件界面说明

4.7.3参数设置说明

4.7.4使用注意事项

第五章实验结果与分析

5.1系统的各项测试

5.1.1不同倍率物镜的对焦评价函数曲线分析

5.1.2对焦过程总时间的测试

5.1.3对焦准确度的测试

5.2系统的对焦精度和误差分析

5.3使用本系统的注意事项

第六章总结与展望

6.1本文完成的工作

6.2展望

参考文献

致谢