顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

HYPERLINK[2]．劉義鵬《顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用》自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用于各種成像系統(tǒng),無(wú)論是在日常生活、科學(xué)研究、軍事應(yīng)用等等只要涉及到成像系統(tǒng)的地方都有重要應(yīng)用.目前,自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)的各種理論和方法開(kāi)展很快,然而,其在一些成像系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用并不成熟,仍需要進(jìn)行大量的研究.實(shí)用自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電源和用戶界面等方面的設(shè)計(jì).本文在以往自動(dòng)對(duì)焦方面工作的根底上,設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用在顯微鏡中的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng).此系統(tǒng)基于單片機(jī)控制和CCD模擬視頻信號(hào)處理.系統(tǒng)通過(guò)對(duì)CCD輸出的模擬視頻信號(hào)進(jìn)行濾波,提取出代表圖像清晰程度的高頻成分,并以此作為對(duì)焦評(píng)價(jià)值,由單片機(jī)控制對(duì)焦過(guò)程,驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成對(duì)焦.測(cè)試結(jié)果顯示,系統(tǒng)對(duì)焦結(jié)果的穩(wěn)定性和對(duì)焦時(shí)間都很好滿足了設(shè)計(jì)要求.此系統(tǒng)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)焦速度快、對(duì)焦結(jié)果穩(wěn)定、本錢低,因此實(shí)用性極強(qiáng).本文包含了以下一些內(nèi)容:(1)介紹了自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)的現(xiàn)狀、原理和方法.(2)設(shè)計(jì)出一種基于視頻信號(hào)模擬濾波的對(duì)焦評(píng)價(jià)方法.(3)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于視頻信號(hào)濾波和單片機(jī)控制的顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu).(4)設(shè)計(jì)了此顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)的軟件局部.(5)對(duì)此顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)性能進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試.(6)最后,本文對(duì)自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)在顯微成像系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了展望,分析了今后需要研究的方向.本文在理論分析的根底上,著重進(jìn)行了工程設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),將自動(dòng)對(duì)焦的相關(guān)理論應(yīng)用于顯微鏡系統(tǒng),并結(jié)合實(shí)際需求,設(shè)計(jì)出穩(wěn)定、實(shí)用的系統(tǒng).1.2自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)現(xiàn)狀自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)于20世紀(jì)70年代最初應(yīng)用于照相系統(tǒng)。傳統(tǒng)的對(duì)焦技術(shù)大局部是基于測(cè)距原理的1，如超聲波測(cè)距法、反射能量法2,3和一些基于三角測(cè)距原理的方法4。隨著電子技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)的開(kāi)展，產(chǎn)生了基于視頻信號(hào)分析的自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)，并應(yīng)用于攝像系統(tǒng)5,6。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，以CCD獲取圖像借助于圖像分析與處理的對(duì)焦方法得到了開(kāi)展。國(guó)際上自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)比擬成熟，特別是應(yīng)用在數(shù)字照相機(jī)、監(jiān)控系統(tǒng)方面，但也存在一定的局限性，甚至有誤對(duì)焦等情況的出現(xiàn)7，而應(yīng)用在顯微鏡上的自動(dòng)對(duì)焦相對(duì)較少，Nikon公司已經(jīng)推出了這方面的產(chǎn)品，但價(jià)格比擬昂貴。在自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)領(lǐng)域的研究中，人們提出了多種多樣的自動(dòng)對(duì)焦評(píng)價(jià)方法。文獻(xiàn)8提出了一種基于嫡函數(shù)的自動(dòng)對(duì)焦方法;文獻(xiàn)9提出了基于能量和嫡的對(duì)焦評(píng)價(jià)方法;文獻(xiàn)10提出了一種基于小波變換的多分辨率分析方法來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像自動(dòng)聚焦的新算法;文獻(xiàn)11提出了一種基于圖像清晰度的自動(dòng)聚焦算法。文獻(xiàn)12提出了一種基于尺度變化的DCT自動(dòng)聚焦算法。浙江大學(xué)對(duì)數(shù)字成像系統(tǒng)的自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)進(jìn)行了研究。在圖像非均勻采樣’3、圖像預(yù)處理’14、自動(dòng)對(duì)焦區(qū)域設(shè)計(jì)15、自動(dòng)對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)方面進(jìn)行了深入研究，提出了基于分辨力空間變化16、基于彩色圖像RGB分析17、基于頻譜分析的離焦深度等的自動(dòng)對(duì)焦法18，以及用于數(shù)碼相機(jī)系統(tǒng)中的瞳孔控制自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)19；基于皮膚探測(cè)的自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)20;并設(shè)計(jì)了幾種用于數(shù)字成像的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)21.22華中科技大學(xué)的楊少波等對(duì)曲面成像的自動(dòng)聚焦方法進(jìn)行了研究23，浙江科技學(xué)院的鄭玉珍等人研究了實(shí)時(shí)自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)24。目前，自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)在數(shù)碼相機(jī)/攝像機(jī)中得到了普遍應(yīng)用，也在投影系統(tǒng)25、紅外成像系統(tǒng)26、顯微成像系統(tǒng)27,28,29,30中得到了應(yīng)用。文獻(xiàn)27,28,29,30對(duì)自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)在顯微成像系統(tǒng)方面的應(yīng)用進(jìn)行了一些研究。文獻(xiàn)27討論了適用于顯微系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)焦的幾種實(shí)用對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)。文獻(xiàn)28,29通過(guò)CCD采集視頻信號(hào)，由PC機(jī)作為運(yùn)算控制中心，文獻(xiàn)28采用圖像的灰度差分絕對(duì)值之和算子作為評(píng)價(jià)函數(shù)，文獻(xiàn)29采用八鄰點(diǎn)平方差之和作為評(píng)價(jià)函數(shù)。文獻(xiàn)30設(shè)計(jì)了基于視頻信號(hào)模擬濾波和單片機(jī)控制的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)。 本碩士學(xué)位論文的具體內(nèi)容如下:第一章介紹了課題的研究意義、自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)現(xiàn)狀，確定本論文的研究?jī)?nèi)容。第二章探討了自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)的原理和方法。第三章設(shè)計(jì)了一種基于CCD視頻信號(hào)處理與單片機(jī)控制的顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)。結(jié)合顯微鏡的原理與特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)方案和各個(gè)局部硬件結(jié)構(gòu)，包括模擬信號(hào)處理、單片機(jī)控制于A/D局部數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。最后給出系統(tǒng)實(shí)物圖。第四章為軟件設(shè)計(jì)。介紹了對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)的設(shè)計(jì)，對(duì)爬山搜索算法進(jìn)行了改良，并設(shè)計(jì)出系統(tǒng)運(yùn)行流程圖和各局部子程序。第五章為實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)精度分析。實(shí)驗(yàn)局部包括對(duì)焦曲線測(cè)試、濾波器通帶選擇、步長(zhǎng)選擇、搜索算法實(shí)驗(yàn)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)空回測(cè)試、系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試、系統(tǒng)對(duì)焦時(shí)間測(cè)試:精度分析對(duì)系統(tǒng)對(duì)焦精度進(jìn)行了估算。第六章總結(jié)了全文的研究?jī)?nèi)容，并對(duì)課題的后續(xù)研究進(jìn)行展望。第二章自動(dòng)對(duì)焦的原理和方法圖2-1顯示了光學(xué)成像的根本原理。理想成像時(shí)有 〔2-1〕聚焦時(shí)，物體上的一個(gè)點(diǎn)在成像平面上聚成一個(gè)點(diǎn)，此時(shí)的成像平面又稱為聚焦平面。假設(shè)成像平面距鏡頭的距離不是v而是s，那么該物體點(diǎn)在成像平面上不是聚成一個(gè)點(diǎn)，而是擴(kuò)散成具有半徑為舶勺圓形光斑，這樣圖像就變得模糊。成像平面距聚焦平面的距離:一v越大，散焦程度越大，R也就越大，圖像就越模糊?？捎檬?一2表示:〔2一2〕理想成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)PSF(PointSpreadFunction)可以用式(2-3)表示:〔2-3〕在非相干光源下，圓形孔徑的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)為：〔2-4〕式中是一階貝塞爾函數(shù)，，D為物鏡入瞳直徑，f為物鏡焦距，為窄帶非相干光源的中心波長(zhǎng)，為像面內(nèi)距中心距離〔〕。 由于貝塞爾函數(shù)比擬復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中常用二維高斯函數(shù)來(lái)近似表示此時(shí)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)： 〔2-5〕式中為點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差的擴(kuò)散參量，它與模糊半徑成正比〔2-6〕那么光學(xué)傳遞函數(shù)〔OpticalTransferFunction〕為：〔2-7〕光學(xué)傳遞函數(shù)反映成像系統(tǒng)對(duì)物體不同頻率成分的傳遞能力。其傳遞效果是頻率不變但比照度下降，相位發(fā)生推移，并在某一頻率處截止，即比照度為零。根據(jù)以上分析可知，光學(xué)成像系統(tǒng)等價(jià)于一個(gè)低通濾波器，不同的離焦情況下濾波器對(duì)應(yīng)的截止頻率不同。對(duì)焦愈準(zhǔn)確，截止頻率愈高；離焦量愈大，那么截止頻率愈低。此時(shí)空域上表現(xiàn)為點(diǎn)光源成像后形成的一定大小的模糊圓，相鄰的像素相互影像，頻域上表現(xiàn)為高頻分量流失造成的圖像細(xì)節(jié)模糊。所謂自動(dòng)對(duì)焦，就是用某種手段使光學(xué)成像系統(tǒng)成像時(shí)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)使圖像探測(cè)器位于理想成像位置上。隨著現(xiàn)代成像系統(tǒng)逐漸向智能化的方向開(kāi)展，自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)已成為成像系統(tǒng)中必不可少的一個(gè)局部。2.2自動(dòng)對(duì)焦的根本方法2.2.1傳統(tǒng)的對(duì)焦技術(shù)1.像偏移法像偏移法利用三角測(cè)距原理，由被攝物體發(fā)出的光線，同時(shí)進(jìn)入測(cè)距器的左、右兩端，并成像在接收元件上，通過(guò)兩組間的信號(hào)比擬，求得適宜的對(duì)焦位2.PSD測(cè)距法PSD測(cè)距系統(tǒng)是另一種基于三角測(cè)距原理的自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)31。紅外發(fā)光管經(jīng)準(zhǔn)直透鏡向被攝目標(biāo)發(fā)射紅外輻射，用接受透鏡收集經(jīng)物體漫反射后的輻射，并會(huì)聚在位置檢測(cè)器件PSD上。通過(guò)對(duì)PSD輸出電流比值的探測(cè)和運(yùn)算得到被測(cè)物體的物距，從而通過(guò)鏡頭控制系統(tǒng)到達(dá)自動(dòng)對(duì)焦的目的。3.比照度法當(dāng)系統(tǒng)對(duì)焦時(shí)，圖像比照度最強(qiáng)；系統(tǒng)離焦時(shí)，圖像比照度下降，離焦量越大，比照度越低。因此，可以通過(guò)一維CCD作比照度檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判別是否對(duì)焦，并對(duì)離焦情況進(jìn)行對(duì)焦處理。2.2.2視頻信號(hào)分析法前述的對(duì)焦方法一般用于傳統(tǒng)的照相系統(tǒng)，隨著新一代成像器件CCD的出現(xiàn)，自動(dòng)對(duì)焦所需要的信息也越來(lái)越豐富。對(duì)于對(duì)焦準(zhǔn)確的圖像，畫(huà)面清晰，輪廓清楚，圖像高頻成分的電平幅度大;離焦時(shí)，畫(huà)面不清晰，輪廓不清楚，高頻成分的電平幅度小.視頻信號(hào)分析法采用圖2-2所示的結(jié)構(gòu)分析信號(hào)成分。視頻信號(hào)分析法通對(duì)CCD輸出的視頻信號(hào)的高、中、低頻分量進(jìn)行測(cè)試分析，根據(jù)不同離焦程度時(shí)各頻率成分的變化來(lái)判斷是否對(duì)焦，并驅(qū)動(dòng)鏡頭或CCD實(shí)現(xiàn)對(duì)焦。視頻信號(hào)分析法的特點(diǎn)是運(yùn)算量小，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，用單片機(jī)系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)分析于控制30,32，在一些攝像系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。2.2.3基于數(shù)字圖像處理的對(duì)焦方法在數(shù)字成像系統(tǒng)中，可以通過(guò)數(shù)字圖像處理的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦。基于數(shù)字圖像處理的對(duì)焦方法分為兩大類:對(duì)焦深度法和離焦深度法331.對(duì)焦深度法對(duì)焦深度法簡(jiǎn)稱DFF(DepthfromFocus)，是一種建立在搜尋過(guò)程上的對(duì)焦方式。它通過(guò)一系列對(duì)焦逐漸準(zhǔn)確的圖像來(lái)確定物點(diǎn)至成像系統(tǒng)的距離。這個(gè)搜尋過(guò)程需要不同成像參數(shù)下的多幅圖像，所用圖像越多那么對(duì)焦精度越高。理想的對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)要求是單峰值，單調(diào)的，在最正確對(duì)焦位置獲得最大值。為了能夠準(zhǔn)確地探測(cè)峰值的位置，減少由于噪聲產(chǎn)生的局部極大值己經(jīng)邊緣凸出效應(yīng)的干擾，可以使用Fibonacci搜尋法以及高斯曲線擬合法342.離焦深度法離焦深度法簡(jiǎn)稱DFD(DepthfromDefocus)，與DFF不同的是，是一種從離焦圖像中取得深度信息從而完成自動(dòng)對(duì)焦的方法。這種方法只需要獲得2-3幅的不同成像參數(shù)下的圖像，就可以完成自動(dòng)對(duì)焦過(guò)程35,36，37。這種方法要求事先用數(shù)學(xué)模型描述成像系統(tǒng)，然后根據(jù)少量的成像位置獲取的圖像來(lái)計(jì)算最正確對(duì)焦位置。因?yàn)橛?jì)算所需要圖像數(shù)少，大大減少了驅(qū)動(dòng)電機(jī)等機(jī)械結(jié)構(gòu)所需要時(shí)間，所以離焦深度法快，但是對(duì)焦精度不及DFF方法高。DFD方法主要有兩類。其一是SangKuKim等人提出的基于圖像恢復(fù)的離焦深度法，根據(jù)圖像中的某些有代表性的信息來(lái)計(jì)算出成像系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，利用圖像的退化模型，反演計(jì)算出模糊圖像的原圖38。這種方法的關(guān)鍵在于從圖像中獲取一定的有代表性的信息，因?yàn)樗⒉皇腔谌我饽繕?biāo)物體的，有一定局限性。例如:SangKuKim等人提出的方法就要求被恢復(fù)圖像中有較明顯的邊緣信息。另一類是基于模糊程度(彌散斑的大小)分析的方法39,40根據(jù)幾何光學(xué)的原理可以找到彌散斑大小與鏡頭成像參數(shù)之間的關(guān)系，從而計(jì)算出最正確成像位置。第三章顯微鏡自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1顯微鏡原理顯微鏡在生物研究、工業(yè)分析等方面有著非常重要的用途。它是比擬復(fù)雜的共軸光學(xué)系統(tǒng)。主要由光源、孔徑光欄、聚光鏡、物鏡和目鏡等局部構(gòu)成3.1.，顯微鏡的成像原理顯微鏡首先通過(guò)短焦距的物鏡對(duì)物體成像，然后再通過(guò)長(zhǎng)焦距的目鏡將物像放大并投影到屏幕(包括人類視網(wǎng)膜)上。其成像原理如圖3-1所示41圖3-1顯微鏡成像原理3.1.2顯微鏡的景深人眼通過(guò)顯微鏡調(diào)焦在某一平面(對(duì)準(zhǔn)平面)上時(shí)，在對(duì)準(zhǔn)平面前和后一定范圍內(nèi)物體也能清晰成像，能清晰成像的遠(yuǎn)、近物平面之間的距離稱作顯微鏡的景深。研究成像系統(tǒng)的景深對(duì)自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常重要。關(guān)于顯微鏡系統(tǒng)的景深，許多人給出了不同的計(jì)算公式。雖然大家的意見(jiàn)都不完全相同，卻都認(rèn)為景深應(yīng)該和光波長(zhǎng)、顯微鏡物鏡數(shù)值孔徑NA、介質(zhì)折射率n和顯微鏡放大率M這幾個(gè)參數(shù)相關(guān)。其中兩個(gè)最著名的公式是Born&Wolf提出的公式41(3-1)和Piller提出的公式42(3-2). (3一1) (3一2)I.T.Young等指出上述公式在高數(shù)值孔徑、衍射受限系統(tǒng)中與實(shí)驗(yàn)相差較大，并結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)給出了如下的經(jīng)驗(yàn)公式43(3-3)根據(jù)(3-1),(3-1),(3-1)式對(duì)本系統(tǒng)所用顯微鏡的景深進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表3-1所示。從表中可看出隨著物鏡數(shù)值孔徑的增大，景深變小，各物鏡下的景深從缺乏一個(gè)微米到幾十個(gè)微米不等。 3.1.3顯微鏡的齊焦差在顯微鏡一個(gè)鏡頭已對(duì)焦的情況下，更換物鏡觀察時(shí)，理論上不需要重新對(duì)焦，生產(chǎn)廠商已對(duì)各個(gè)鏡頭進(jìn)行了齊焦。然而，各鏡頭之間難免存在齊焦差，《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2985-1999生物顯微鏡》44對(duì)齊焦差允許范圍進(jìn)行了規(guī)定，如表3-2所示。3.2系統(tǒng)方案由第二章分析可知，光學(xué)成像系統(tǒng)可以看作一個(gè)低通濾波器，成像系統(tǒng)存在一個(gè)截止頻率，在截止頻率以上的信息經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后將喪失掉，截止頻率一下的成分被光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)制和傳遞。成像系統(tǒng)高頻輸出量和系統(tǒng)離焦量成反比。系統(tǒng)聚焦時(shí)，輸出圖像的高頻成分最多，也即圖像的細(xì)節(jié)最多；當(dāng)系統(tǒng)離焦時(shí)，系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)變差，高頻成分損失，離焦量越大，高頻成分損失越多，圖像越不清晰。據(jù)此，本文設(shè)計(jì)了一種基于視頻圖像高頻成分判別的自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)，如圖3-1所示。本系統(tǒng)包括光學(xué)系統(tǒng)，CCD視頻信號(hào)獲取，模擬視頻信號(hào)處理，單片機(jī)控制與對(duì)焦執(zhí)行機(jī)構(gòu)五個(gè)局部。其中光學(xué)系統(tǒng)和CCD負(fù)責(zé)視頻信號(hào)的獲取；模擬信號(hào)處理局部對(duì)獲得的視頻信號(hào)濾波，保存高頻成分，并對(duì)一幀圖像中高頻信號(hào)積分；單片機(jī)通過(guò)A/D器件采集積分信號(hào)，據(jù)此判斷是否處于最正確對(duì)焦位置，并根據(jù)一定的搜索算法控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)焦。3.3CCD與視頻信號(hào)13.1CCD成像器件電荷藕合器件CCD(ChargeCoupledDevice)是20世紀(jì)70年代新開(kāi)展起來(lái)的集成半導(dǎo)體器件。由CCD構(gòu)成的圖像傳感器是一種具有自掃描功能的攝像器件。它與傳統(tǒng)的電子束掃描真空攝像管相比，具有體積小重量輕，使用電壓低(<20V)可靠性高和不需要強(qiáng)光照明等優(yōu)點(diǎn)，因此在軍用、工業(yè)控制與檢測(cè)、民用電器中均有廣泛應(yīng)用。CCD是一種成像光電器件，用集成電路工藝制成。它以電荷包的形式存儲(chǔ)和傳送信息，主要由光敏單元、輸入結(jié)構(gòu)和輸出結(jié)構(gòu)等局部組成。CCD有面陣和線陣之分，光敏元排列為一行的成為線陣CCD，像元數(shù)從128,5000至幾萬(wàn)不等構(gòu)成一個(gè)產(chǎn)品系列。面陣CCD器件像元排列為一平面，包含假設(shè)干行和列的結(jié)合。目前到達(dá)實(shí)用階段的像元數(shù)由25萬(wàn)至數(shù)千萬(wàn)不等(絕大多數(shù)在30萬(wàn)-500萬(wàn)之間)；按接受光面積尺寸的不同有1/4英寸、1/3英寸、1/2英寸、2/3英寸、1英寸之分；按使用場(chǎng)合的不同有彩色和黑白CCD之別。無(wú)論線陣CCD，還是面陣CCD，工作原理根本相同33CCD作為成像光電器件，其輸出模擬視頻信號(hào)，也就是全電視信號(hào)。3.3.2視頻信號(hào)的形成在電視圖像信號(hào)(即視頻信號(hào))中，景物亮度B是空間坐標(biāo)x,y,z和時(shí)間t的四維函數(shù)，即(3-2)上式為立體圖像信號(hào)表達(dá)式。對(duì)平面圖像而言由(3-3)因?yàn)槿我黄矫婢鶠闊o(wú)窮個(gè)點(diǎn)的集合，對(duì)任一時(shí)刻,都擁有無(wú)限大的信息量。仿“”技術(shù)，將平面圖像分解成假設(shè)干個(gè)小面積之和。當(dāng)這些小面積小到一定程度時(shí)，由于人眼分辨黑白細(xì)節(jié)的能力是有限的，故在人眼看來(lái)是一個(gè)點(diǎn)。它們成為組成圖像的根本元素，稱之為像素，用這些像素的亮度變化，代替整幅圖像的亮度變化，這實(shí)質(zhì)是對(duì)圖像信息的空間抽樣，將圖像信息從無(wú)限變成有限。我國(guó)電視制式，一幅電視圖像約包含48萬(wàn)個(gè)像素，視頻的傳輸采用順序傳送。平面圖像被分割為像素后，式(3-3)也即為像素的亮度方程。此方程表示平面x,y處的亮度隨時(shí)間變化。而要進(jìn)行傳輸，還必須將光信號(hào)變換為電信號(hào)。圖像信號(hào)的光電變換由攝像管或CCD,CMOS等光電成像器件完成。客觀景物連續(xù)變化，任一瞬間都是一幅圖像，在一段時(shí)間間隔內(nèi)是無(wú)窮維的。實(shí)際視頻傳輸是采用離散的圖像序列來(lái)傳送的，由于人眼的視覺(jué)惰性，只要傳輸?shù)膸?每秒鐘傳輸?shù)膱D像幀數(shù))大于某個(gè)數(shù)值，人眼就感覺(jué)不出圖像的間斷。研究說(shuō)明，人眼的視覺(jué)暫留時(shí)間(亮度消失時(shí)間)大約在0.1秒左右。這表示，只要每幅圖像出現(xiàn)時(shí)間小于0.1秒，眼睛在感覺(jué)后一幅圖像時(shí)，對(duì)前一幅圖像的印象雖然己經(jīng)減弱，卻不能完全消失，這樣，眼睛將產(chǎn)生圖像獲動(dòng)的感覺(jué)。要使圖像的活動(dòng)連續(xù)變化、沒(méi)有跳動(dòng)的感覺(jué)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每秒出現(xiàn)的圖像應(yīng)在24幅以上，我國(guó)電視采用的標(biāo)準(zhǔn)是每秒25幀453.3.3黑白全電視信號(hào)(視頻信號(hào))全電視信號(hào)包括圖像信號(hào)、行消隱信號(hào)、行同步信號(hào)、場(chǎng)消隱信號(hào)、場(chǎng)同步信號(hào)和前、后均衡脈沖，共七種信號(hào)。其中圖像信號(hào)為圖像傳送期，同步信號(hào)保證頻率和相位的一致，消隱信號(hào)提供黑色電平，防止回程期內(nèi)出現(xiàn)亮線，干擾圖像信號(hào)，均衡脈沖那么防止了并行現(xiàn)象。我國(guó)電視標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定幀頻為25hz，即每秒傳送25幀。一幀圖像包括625行，除去回掃的50行，實(shí)際為575行。每行周期為64us，掃描正程52us，掃描回程12us，在正程的52us時(shí)間內(nèi)獲得一行圖像信號(hào)。圖像信號(hào)是單值的。規(guī)定圖像信號(hào)高電平75%處對(duì)應(yīng)于圖像黑色‘稱為黑色電平:圖像信號(hào)低電平10%處對(duì)應(yīng)于圖像白色，稱為白色電平，那么此圖像信號(hào)稱為負(fù)極性信號(hào)。反之，規(guī)定圖像信號(hào)低電平10%對(duì)應(yīng)于圖像黑色，稱為黑色電平;圖像信號(hào)高電平75%對(duì)應(yīng)于圖像白色，稱為白色電平，那么此種圖像信號(hào)稱為正極性信號(hào)。我國(guó)電視標(biāo)準(zhǔn)給出正極性