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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:林昌黎
研究生(外文):Lin,Chang-Li
論文名稱:微動伺服生醫光學檢測系統之研製
論文名稱(外文):Prototyping of an Optical Servo Bio-Inspection System
指導教授:李福星李福星引用關係
指導教授(外文):Lee,Fu-Shin
學位類別:碩士
校院名稱:華梵大學
系所名稱:機電工程學系博碩專班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:154
中文關鍵詞:模糊控制生醫影像檢測自動對焦壓電致動光學切片
外文關鍵詞:fuzzy controlbiomedical image inspectionautofocuspiezoactuatoroptical sectioning
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本論文研究旨在,組立一套生醫檢測影像之控制微動系統,並結合自動化光學對焦控制平台,進行生物切片樣本之影像對焦分析,並利用模糊法則開發控制機制,進而達到觀測待測物微小特徵之目的。本論文設計以MATLAB/SIMULINK為介面軟體,撰寫一自行開發模糊法則之控制器,經由資料擷取卡訊號驅動所研製之光學鏡組微動系統,並採用自動化光學對焦控制平台,其控制平台包括:影像自動對焦子系統,可辨識由CCD檢知器所擷取生物切片樣本之影像清晰度;共軛焦機制子系統,利用微小針孔濾除非焦距之影像,進而修正焦點位置,達到可擷取較清晰影像座標;壓電致動光學子系統,可藉由非接觸性微小位移測量儀做為迴授機制,利用驅動壓電致動器產生微位移量改變物鏡聚焦之深度,進而獲得擷取不同平面微結構影像以觀察各層光學切片之效果。本論文主要採用MATLAB工具箱撰寫程式,如透過資料擷取工具箱(Data Acquisition Toolbox),影像擷取工具箱(Image Acquisition Toolbox),影像處理工具箱(Image Processing Toolbox)等協助,主要以CCD檢知器擷取影像訊號,設計自動對焦之控制迴授程序,判定影像清晰度,並配合模糊控制器,自動化控制該光學對焦機構,藉以完成該檢測系統自動對焦。
The object of this research is to build an optical servo bio-inspection system and integrate optical acquisition mechanism for auto image focusing and biomedical specimen inspections. The optical bio-inspection system basically utilizes a fuzzy control system to exercise optical sectioning functions for the inspected specimens. The research is designed utilizing a MATLAB/SIMULINK platform to implement the fuzzy logic controller, and a data acquisition multi-function card delivers controlling signals to minutely displace the lenses of the optical system during autofocusing. The optical system includes an image focusing subsystem, which receives processed sharpness of captured images using a CCD chip, a confocal pinhole aperture subsystem, which sets a pinhole only to allow specimen images on the in-focus planes with high-resolution to pass through, and a piezoactuator, which employs to minutely displace a plate with a pinhole in order to perform the optical biopsy function. As a result, it is feasible to capture the sample images on slightly differentiated focus depth planes using the CCD chip to accomplish the optical biopsy goal.
Also in the programming aspect, this research takes advantage of the utilities provided by the data acquisition, the image acquisition, and the image processing toolboxs in the MATLAB. To fulfill the optical autofocusing and biopsy requirements, the research employs the bio-specimen images as feedback resources, and implements the fuzzy logic controller to determine movements of the optical inspection mechanism using the calculated image sharpness.
目錄

致謝 ………………………………………………………… I
摘要 …………………………………………………………II
ABSTRACT..................................III
目錄 ………………………………………………………IV
表目錄 ……………………………………………………VII
圖目錄 ………………………………………………………XI

第一章 緒論……………………………………...………………….………………1
1.1研究動機 ………………………………………..…………………………..1
1.2研究目的………………………………………….………………………….2
1.3文獻回顧………………………………………………………….………….3
1.4研究內容……………………………………………………………………..6
1.5結論…………………………………………………………………………..7
第二章 生醫檢測之微動系統軟硬體架構 ...………………..……...……..………..8
2-1硬體系統架構介紹…………………………………………………………..8
2-1-1 光學變焦檢測系統………………………………………….………9
2-1-2 微動硬體平台驅動系統……………………………………...……12
2-1-2-1馬達驅動元件………………………………………….……12
2-1-2-2壓電驅動元件……………………………………………….15
2-1-3物理量感測迴授機制……………………….………………………18
2-1-4影像擷取分析機制…………………………….……………………19
2-2軟體環境介紹…………………………………………………………...….21
2-2-1 MATLAB軟體………………………………….…………………..21
2-2-2 SIMULINK軟體……………………………………………………22
2-3系統控制流程基本架構…………………………..….…………………….23
2-4結論…………………………………….…………..……………………….29
第三章 生醫檢測之微動系統控制器設計…………………………………………30
3-1 模糊控制器系統之基礎理論………………………….…………………..31
3-1-1 模糊集合……………………………...……………………………32
3-1-2歸屬函數(membership function)……………………………………33
3-2模糊控制器設計流程…………………………………...………………….34
3-2-1模糊控制器(FLC)建立………………………..…………………….35
3-3生醫檢測系統模糊控制器策略建立………………………………………43
3-4 生醫檢測系統模糊控制器驗證……………………………….…………..48
3-5 結論……………………………………………………………...…………55
第四章 生醫檢測之影像控制系統…………………………..…………….……….56
4-1生醫檢測之影像控制系統架構……………………………………………56
4-2 幾何光學基礎理論………………………………………………...………57
4-2-1清晰度成像原理……………………………………………..……..58
4-2-2基礎光學變焦理論分析……………………………………..……..59
4-2-3基礎共軛焦光學原理………………………………………………59
4-2-4 基礎景深光學原理……………………………………….......……61
4-3 壓電致動基本理論………………………………………………………...62
4-4 影像處理基礎理論………………………………………………….......…64
4-4-1 影像前置處理流程……………………………………………...…72
4-4-2 影像對焦之清晰度辨識…………………………………………...78
4-5結論…………………………………………………………………………85
第五章 生醫檢測之微動系統組立與實驗……………………………....................86
5-1微動系統雛型組立測試……………………………………………………86
5-1-1直流無刷馬達模組……………………………………………..…..86
5-1-2直流無刷馬達選定與參數計算量測………………………………87
5-1-3 壓電材料之微移平台驅動電路測試………………………….......91
5-1-4各種構件位移之訊號量測………………………………………….96
5-2光學檢測系統硬體與介面軟體控制器實作……………………………..104
5-3光學變焦檢測系統實驗…………………………………………………..109
5-4影像對焦實驗…………………………………………………………......113
5-5光學切片實驗……………………………………………………………..130
5-6結論………………………………………………………………………..139
第六章 實驗結果與討論………………………………………………………......140
6-1 光學檢測系統架構探討………………………………………………….140
6-2光學檢測系統硬體與介面軟體控制器實作結果與討論…. ……………141
6-3 光學變焦實驗結果與討論……………………………………………….142
6-4影像對焦實驗結果與討論………………………………………………..142
6-5 光學切片驗證實驗探討…………………. ……………………………...143
6-6結論………………………………………………………………………..144
第七章 總結………………...……………………………………………...............145
7-1 微動伺服生醫光學檢測系統研製過程之優缺失……………………….145
7-2 未來方向與結論………………………………………………………….148
參考文獻……………………………………………………………………………151
個人簡歷……………………………………………………………………………154


































表目錄

表2-1 本文採用高倍浸油物鏡規格……………….……………………………….10
表2-2 壓電致動器規格………………………………………….………………….17
表2-3 非接觸性微小位移測量器規格………………………….………………….18
表2-4 PCI-6259規格……………………………………………………….……….19
表2-5 本研究採用高感度灰階CCD檢知器之規格……………………………….20
表3-1 生醫檢測系統模糊控制器規則表(紅色字表示規則順序)………………...46
表3-2 定義規則庫之變數…………………………………………………………..48
表4-1 工具顯微鏡(Nikon MM-11)之規格…………………………………………75
表4-2 判定連續影像清晰度值之曲線關係圖……………………………………..81
表5-1 直流無刷馬達模組之規格…………………………………………………..89
表5-2 馬達轉速與電壓量測值……………………………………………………..90
表5-3 非接觸性微小位移測量器校正表…………………………………………100
表5-4 調整輸入電壓振幅產生之位移變化與漂移量……………………………103
表5-5 變焦鏡組放大倍率與各群組位置實驗結果………………………………111
表5-6 口腔黏膜細胞影像透過各種清晰度函數運算之數值……………………118
表5-7 青蛙血球影像透過各種清晰度函數運算之數值…. ………………….….119
表5-8 對焦後靜止影像之清晰度值變化量………………………………………132
表5-9 微動壓電產生之清晰度值變化量…………………………………………133
表5-10 調整輸入電壓振幅產生之位移變化與漂移量 …………………………137

















圖目錄

圖2-1 生醫檢測系統整體架構…………………………………………………..…..8
圖2-2 生醫光學檢測系統架構…………………………………………………...….9
圖2-3 研究採用高壓汞燈之光譜範圍……………………………………………..11
圖2-4 同軸光源電源供應器(OLMAK-222P150) …………………………………11
圖2-5 五相步進馬達………………………………………………………………..12
圖2-6 VEXTA控制器(UDK5114N) ………………………………………………..12
圖2-7 Maxon EC-max直流無刷馬達模組………………………………………….13
圖2-8 驅動微動硬體平台示意圖………………………………………..…………14
圖2-9 TSD聯軸器(MHS-27C) ……………………………………………………...14
圖2-10 壓電致動器…………………………………………………………………16
圖2-11 標準之驅動電壓大小和位移量之關係…………………………..………..16
圖2-12 結合壓電材料之微動平移台……………………………………...……….17
圖2-13 非接觸性微小位移測量器…………………………………………...…….18
圖2-14 National Instruments之PCI-6259資料擷取卡…………………………….19
圖2-15 高感度灰階CCD檢知器(CV-M50) ………………………………………20
圖2-16 影像擷取卡( Matrox Meteor-II ) …………………………………………..20
圖2-17 MATLAB工具箱控制系統架構………………………………………...….22
圖2-18 生醫檢測之控制微動系統整體結構………………………………………24
圖2-19(a)光學變焦模組………………………………………………………….….26
圖2-19 (b)對焦控制模組…………………………………………………………….27
圖2-20壓電控制模組……………………………………………………………….28
圖3-1 反饋模糊控制系統基本架構……………………………………………..…30
圖3-2 模糊控制器之設計架構…………………………………………………..…31
圖3-3 本文模糊系統之受控體…………………………………………………..…31
圖3-4 模糊控制器之基本結構…………………………………………………..…34
圖3-5 七個模糊子集分割一維論域空間………………………………………..…36
圖3-6 正規分佈型歸屬函數………………………………………………………..37
圖3-7 指數型歸屬函數…………………………………………………………..…37
圖3-8 三角型歸屬函數…………………………………………………………..…37
圖3-9 Min-Min-Max模糊推論法…………………………………………………...41
圖3-10 Min-Product-Max模糊推論法……………………………………………...42
圖3-11 Takagi與Sugeno模糊推論…………………………………………………42
圖3-12 生醫檢測系統模糊控制器(a)(b) (c)………………………………………..45
圖3-13 生醫檢測系統模糊控制器輸出入三維關係圖……………………………47
圖3-14 定義輸入及輸出變數及其演算法…………………………………………48
圖3-15 建立模糊規則庫……………………………………………………………49
圖3-16 生醫檢測系統模糊控制器之系統圖………………………………………50
圖3-17 輸入為[4 1]之模糊規則庫推論結果………………………………………54
圖3-18 生醫檢測系統模糊控制器控制介面………………………………………54
圖4-1 生醫影像之控制微動系統架構……………………………………………..57
圖4-2 聚焦及失焦影像與清晰度值關係圖………………………………………..58
圖4-3 共軛焦架構 ( The structure of biological confocal ) …………………….…60
圖4-4 景深產生原理光路圖………………………………………………………..61
圖4-5 (a) 對壓電致動器施加電壓而產生機械形變
(b) 對壓電致動器施加正負電壓不同之機電轉換特性……...……………63
圖4-6 正壓電效應與逆壓電效應……………………………………..……………64
圖4-7 灰階強度出現機率關係圖…………..………………………………………68
圖4-8小波分解與合成流程…………………………………………………………70
圖4-9 二維小波橫向轉換………………………..…………………………………71
圖4-10 二維小波縱向轉換…………………………………………………………71
圖4-11 影像前置處理流程…………………………………………………………73
圖4-12 (a)原始影像 (b)180*180 pixel裁取影像…………..………………………74
圖4-13 工具顯微鏡(Nikon MM-11) …………………………….…………………75
圖4-14 棉花莖實際量測之放大倍率影像(a)(b)(c)(d)(e)………….………………76
圖4-15 水蚤實際量測之放大倍率影像(a)(b)…………………….……..…………77
圖4-16 量測有效觀測區域大小之流程(a)(b)(c)(d)(e) ……………………………78
圖4-17 影像銳利與導數關係………………………………………………………79
圖4-18 標準差演算法計算連續擷取影像定義清晰度值…………………………82
圖4-19 標準差梯度演算法計算連續擷取影像定義清晰度值……………………83
圖4-20 熵函數演算法計算連續擷取影像定義清晰度值…………………………83
圖4-21 平均梯度演算法計算連續擷取影像定義清晰度值………………………84
圖4-22 單層二維小波轉換演算法計算連續擷取影像定義清晰度值……………84
圖4-23 多層二維小波轉換演算法計算連續擷取影像定義清晰度值……………85
圖5-1 直流無刷馬達實體………………………………………………………..…87
圖5-2 生醫檢測系統之大平台與小平台………………………………………..…88
圖5-3 直流無刷馬達模組構造之示意圖………………………………………..…88
圖5-4 馬達轉速與電壓關係圖…………………………………………………..…90
圖5-5 正160 之穩壓電路…………………………………………………………92
圖5-6 負35 之穩壓電路………………………………………………………….92
圖5-7 OP141放大電路……………………………………………………………...93
圖5-8 壓電材料驅動電路整合模組………………………………………………..94
圖5-9 以±10 驅動未接上負載之電壓輸出………………………………………95
圖5-10 以±10 驅動接上負載之電壓輸出………………………………………..95
圖5-11 增量型編碼器接上SN75175晶片之理論量測圖形………………………96
圖5-12 A、B、I相輸出之理論波形……………………………………………..…97
圖5-13 實體測試圖…………………………………………………………………98
圖5-14 A、B、I相輸出之實際量測波形…………………………………………..98
圖5-15 非接觸性微小位移測量器之校正…………………………………………99
圖5-16 非接觸性微小位移測量器校正曲線圖(量測範圍0~0.5 )…………..100
圖5-17 非接觸性微小位移感測器校正曲線圖(量測範圍0~0.05 )…………101
圖5-18 非接觸性微小位移感測器量測架設示意………………………………..101
圖5-19 感測器量測介面…………………………………………………………..102
圖5-20 輸入電壓與平均位移量關係……………………………………………..103
圖5-21 直流馬達驅動介面………………………………………………………..104
圖5-22 步進馬達驅動介面………………………………………………………..105
圖5-23 壓電材料致動介面……………………………………………………..…106
圖5-24 影像擷取介面…………………………………………………………..…107
圖5-25 擷取180*180像素大小之影像執行視窗……………………………..…107
圖5-26 生醫檢測系統整體介面 (A)(B) …………………………………………109
圖5-27 該光學變焦鏡頭實測架構……………………………………………..…110
圖5-28 放大倍率與二鏡片群組之相對位置關係……………………………..…112
圖5-29 放大倍率和相對直流馬達位移量之關係……………………………..…112
圖5-30 光學變焦動作之流程圖………………………………………………..…113
圖5-31 影像自動對焦動作之流程圖……………………………………………..115
圖5-32 樣本剖面層………………………………………………………………..116
圖5-33 影像對焦搜尋路徑圖…………………………..…………………………116
圖5-34 口腔黏膜細胞清晰度圖……………………..……..……………………..120
圖5-35 青蛙血球清晰度圖………………………..……..……..…………………120
圖5-36 步進馬達驅動連續取得對焦影像……………………………………..…122
圖5-37 擷取判定區塊以及對映之清晰度值…………………………………..…123
圖5-38 清晰度與步進馬達改變步數關係圖…………………………………..…124
圖5-39 自動對焦搜尋之連續影像………………………………………………..127
圖5-40 自動對焦擷取影像判定區塊清晰度值…………………………………..129
圖5-41 自動對焦過程與影像清晰度值關係圖…………………………………..129
圖5-42 影像壓電致動光學切片流程……………………………..………………130
圖5-43 步進馬達對焦後之靜止影像…………………………………..…………132
圖5-44 壓電微動影像………………………………………………………..……133
圖5-45 靜止影像與壓電微動影像之清晰度差值圖………………………..……134
圖5-46 孔徑200 大小之針孔………………………………………………….135
圖5-47 未加入針孔機制之人血組織影像……………………………………..…135
圖5-48 加入針孔機制之人血組織影像………………………………………..…135
圖5-49 人血球切片無pinhole機制之清晰度值圖………………………………136
圖5-50 人血球切片有pinhole機制之清晰度值圖………………………………137
圖5-51 未改變物鏡聚焦深度之影像…………………………………………..…138
圖5-52 改變物鏡聚焦深度之影像(A) ……………………………………………138
圖5-53 改變物鏡聚焦深度之影像(B) ……………………………………………138
圖5-54 改變物鏡聚焦深度之影像(C)…………………………………………….138
圖6-1 黑色防塵箱…………………………………………………………………140
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