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作者：西北师范大学知行学院 郭奎 李厚骅 孟岩

指导教师：厉树忠 柴西林

　　作品简介

　　开发背景：金相显微镜发明二百多年以来，只能放大观察试样蚀雕表面呈现的灰度平面组织图像，据此二维形态及其灰度来判断分析混沌状态的多种金属晶体相及其组织，难度大、不全面、效率差。运用指导教师的两项中国发明专利技术——基于数字图像技术实现伪彩色增强金相显微组织的方法和三维重构金相组织微观浮凸的方法(ZL200610041975.4和ZL200610105318.1)，我们开发了金相显微镜图像伪彩处理/三维重构嵌入式系统。

　　系统结构：本系统由彼此可切换的伪彩处理子系统与三维重构子系统构成。本系统通过CCD光学图像传感器接入一台普通光学金相显微镜(4XC型，上海光学仪器厂制造)，如图1所示。

　　系统功能：金相试样被显微镜放大的灰度组织平面图像，通过本系统被实时转换成相应编码的伪彩色组织图像，或者实时转换成不同视角方向的三维组织图像，克服了用户单凭灰度深浅或切面形态认知金属晶体相及其组织的困难和片面性。下图是本系统对铝合金试样平面灰度组织图像(图2a)的伪彩处理图像(图2b)与三维构建图像(图2c)。

　　性能参数：图像放大倍率：200×、400×、800×; 图像灰度：256级; 图像伪彩：64色 ; 图像鉴别率：1360bit×860 bit;三维坐标精度：0.001mm ;三维图像可调范围：±90°;DM642处理速度：680MHz; Tiny6410处理速度：160MHz; DM642的RAM大小：1G;Tiny6410的RAM大小：2G;硬盘存储器：500G。

　　使用说明： 1)将金相显微镜观察目镜对试样的观察状态，切换为摄影目镜对CCD光学传感器的投影状态;2)在本系统表面的LCD屏幕上，设置有伪彩处理/三维重构的指令，用触摸笔分别点按,即可进入伪彩处理子系统或者三维重构子系统工作;3)稍等片刻，在高彩度LCD显示屏上，系统便可按指令自动显示原始图像及其转换的图像，而图像预处理(图像亮度调节、对比度调整、相区选择等)和后处理(插值等)都是在后台自动快速完成的;4)视需要用户点按触摸屏可以存储图像。

　　平台选型说明

　　1)DSP芯片(DM642)为高性能数字媒体处理器、高速指令处理器，支持定点和浮点运算，计算性能优越，还能够直接对高彩度液晶显示屏进行驱动。

　　2)嵌入式Tiny6410能够高速引导程序、高速加载数据、高速指令运行。

　　3)STC-IAP单片机是本次大赛指定芯片，性能优越，能够监控图像处理过程。高彩度液晶显示屏能够达到本系统所要求的数字图像。

　　设计说明

　　设计原理：依据伪彩色增强金相显微组织的专利技术所建立的金属相二维图像灰度——色度的匹配关系式，依据三维重构金相组织微观浮凸的方法所建立的金属相二维图像灰度——深度的函数关系式，本产品基于数字图像处理技术的原理，主要利用DM642图像处理芯片实现了灰度图像的伪彩处理和三维构建。

　　原理图：本系统原理如下图3所示。

　　设计方案：

　　金相显微镜图像伪彩处理/三维重构嵌入式系统，主要由五个模块部分组成：由STC单片机开发板、DSP-DM642图像处理开发板、Tiny6410嵌入式开发板、高彩度液晶显示屏、显微镜CCD光学图像传感器等如上图所示。

　　嵌入式ARM芯片从光学图像CCD传感器读取光学图像的数字信号，进行数字图像预处理，并把采集到的数字图像传送给DSP-DM642图像处理芯片，DM642图像处理芯片收到后与嵌入式ARM芯片进行地址交换，按照ARM芯片指令，一步一步进行图像伪彩处理/三维重构。最后，高端DSP-DM642图像处理芯片会把处理后的数字图像结果通过BNC数据线上传到高清液晶屏进行显示。此过程中，STC-IAP单片机会实时监控DSP-DM642图像处理芯片的工作状态，并通过RS232数据线反馈给嵌入式ARM芯片，对DSP-DM642图像处理芯片自动进行指令调节，使之正常工作。

　　作品特色

　　将本系统嵌入到普通光学金相显微镜，实现了机、光、电一体化设计，成功研制了金相显微镜图像伪彩处理/三维重构嵌入式系统。

　　其中伪彩处理嵌入式系统，能够将金相试样在金相显微镜上放大的256级灰度组织图像，实时转换成64色的伪彩色图像。其特点是：1)同相同色、异相异色;2) 相衬度高，易于识别; 3)相色稳定，便于比较;4)操作方便，转换快捷。

　　其中三维重构嵌入式系统能够将金相试样在金相显微镜上放大的二维组织图像，实时转换成三维组织图像，纠正了普通金相显微镜丢失金相浮凸第三维和以面代体的弊端。其特点是：1) 信息增多，分析全面;2)三维尺寸，测试精确;3)立体感强, 视角可变;4)操作方便，转换快捷。