李 澤，朱新澤，譚朗海，張 浩，曾亞光，周月霞

（佛山科學技術學院 自動化學院，廣東 佛山 528200）

0 引言

光學相干層析成像（OCT）是近10年迅速發(fā)展起來的一種成像技術，能夠對包括生物組織在內的強散射介質進行深度成像[1]。其成像基礎在于振鏡掃描，OCT系統(tǒng)通過控制振鏡對物體進行掃描，從而得到物體的二維或三維結構圖像。

為了獲得更高質量的圖像，通過采用STM32系列單片機精確控制振鏡掃描，模板匹配算法實時匹配目標圖像，實現(xiàn)良好的控制效果，完成對物體的實時掃描成像。

1 振鏡掃描跟蹤系統(tǒng)結構

振鏡掃描跟蹤系統(tǒng)由上位機、單片機控制電路、振鏡掃描系統(tǒng)、工業(yè)相機組成，其結構示意圖如圖1所示。系統(tǒng)啟動后，一方面上位機通過與單片機控制電路的串口通信方式，對單片機下達指令輸出不同掃描信號，控制振鏡偏轉，同時光束在經過準直鏡準直平行后，進入振鏡被反射偏轉，在半反半透鏡表面上再一次被反射后，實現(xiàn)對目標不同方式的掃描；另一方面，上位機實時接收工業(yè)相機拍攝到的目標圖像，通過目標跟蹤算法，獲得目標的位置信息后，通過單片機控制電路對掃描信號加入相應的偏置電壓，實現(xiàn)對運動目標的跟蹤掃描。

圖1 振鏡掃描控制系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure diagram of galvanometer scanning control system

圖3 正弦波信號Fig.3 Sine wave signal

2 單片機控制程序與PWM DAC電路設計

2.1 單片機控制信號程序設計

STM32F4系列單片機具有片上DAC外設，它的分辨率可配置為8位或12位的數(shù)字輸入信號[5]，具有兩個DAC輸出通道，這兩個通道互不影響，每個通道都可以使用DMA功能，都具有出錯檢測能力，可外部觸發(fā)。

圖2 信號產生程序框圖Fig.2 Block diagram of signal generation

圖4 余弦波信號Fig.4 Cosine wave signal

對于正弦波、余弦波、階梯波和三角波信號，利用STM32的DAC、定時器、DMA（直接存儲器訪問），編程實現(xiàn)定時器定時觸發(fā)DAC，對通過DMA高速傳輸?shù)男盘枖?shù)據(jù)進行數(shù)模轉換，在對應I/O口輸出頻率可控信號。程序框圖如圖2所示。

信號波形如圖3～圖6所示。

對于PWM信號，利用STM32的定時器，通過程序改變自動重裝載值（ARR）、時鐘預分頻系數(shù)（PSC）和比較寄存器（CCRx）中的值來改變PWM信號的頻率與占空比，在對應I/O口輸出頻率和占空比可控信號。PWM信號如圖7所示。

2.2 PWM DAC電路設計

如圖8所示為PWM DAC的電路框圖。

圖5 階梯波信號Fig.5 Ladder wave signal

圖7 PWM信號Fig.7 PWM signal

其工作流程為，單片機輸出的正極性PWM信號經過反相電路后產生負極性PWM信號，然后通過加法放大電路將單極性信號轉換為雙極性信號，再經低通濾波電路濾除PWM信號中的諧波分量[7]，得到所需要的模擬電壓。當物體運動時，該模擬電壓用于對信號的偏置，從而控制振鏡對物體進行跟蹤掃描。

整個電路主要采用雙運算放大器LM358，該芯片內部包含有兩個相互獨立的、高增益的運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，并具有內部頻率補償功能。本文采用雙電源供電工作模式，從而實現(xiàn)正負電壓的輸出[9]。

3 振鏡掃描系統(tǒng)

3.1 振鏡掃描原理

圖9為二維振鏡掃描原理圖。振鏡的機械部分是由X、Y兩個振鏡組成的振鏡頭，每個振鏡電機軸上都安裝了一個反射鏡片，通過控制振鏡電機，使得這兩個反射鏡相互配合偏轉不同的角度，帶動激光光束在掃描平面上偏轉，進而掃描出物體完整的圖形[10]。

圖6 三角波信號Fig.6 Triangle wave signal

圖8 PWM DAC電路框圖Fig.8 PWM DAC circuit block diagram

圖9 二維振鏡掃描原理圖Fig.9 Schematic diagram of two-dimensional galvanometer scanning

3.2 振鏡掃描跟蹤系統(tǒng)結構的建立

3.2.1 光學系統(tǒng)

在振鏡掃描系統(tǒng)中，必須在掃描平面上獲得盡可能小的激光高功率密度的光斑。因此，通過使用擴束鏡調節(jié)激光器發(fā)出的激光光束變?yōu)槠叫泄馐缓笸ㄟ^聚焦透鏡獲得符合要求的激光高功率密度光斑。

圖10 振鏡掃描控制系統(tǒng)界面Fig.10 Galvanometer scanning control system interface

圖11 串口通信程序流程圖Fig.11 Serial port communication program flow chart

3.2.2 振鏡頭

振鏡頭由X、Y兩軸上的反射鏡、掃描電機和伺服電路兩部分構成。反射鏡安裝在掃描電機的軸上，電機帶動反射鏡偏轉；掃描電機不能旋轉，只能有限角度地偏轉，它內部集成了位置傳感器實時測量掃描電機的偏轉角度；伺服電路接收驅動器生成的模擬電壓信號，控制掃描電機按要求偏轉。

4 振鏡掃描控制系統(tǒng)上位機設計

上位機控制程序主要是通過人機交互程序設置參數(shù)并輸入字符、數(shù)字、字母等，形成相應的振鏡掃描規(guī)劃，得到相應掃描圖形的數(shù)據(jù)。

4.1 界面設計

界面設計是利用Visual Studio 2015的MFC來實現(xiàn)的，MFC（Microsoft Foundation Class Library）基礎類庫提供了一種在Windows平臺上編程的框架，該框架是一個編寫高效更專業(yè)應用的強大工具，縮短了開發(fā)時間，增強了代碼的可移植性，在不減少編程的自由和靈活性的情況下提供了更多的支持。

如圖10所示，界面主要包含有串口通信參數(shù)設定模塊、掃描信號設定模塊、USB相機開啟及數(shù)據(jù)反饋模塊和其他功能模塊。界面打開后，設置串口參數(shù)，實現(xiàn)與單片機的通信，然后發(fā)送物體掃描方式的數(shù)據(jù)，同時打開相機得到掃描后的物體圖像，在物體運動時，偏置電壓值實時發(fā)送給單片機，從而控制振鏡偏轉角度變化，實現(xiàn)目標跟蹤掃描。

4.2 通信設計

串口是一種單片機間通信非常通用的設備端口，因其結構簡單、適合遠距離傳輸，而得到廣泛應用。本文中上位機與單片機采用串口通信方式進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送與反饋[11]。

上位機串口通信模塊程序包括串口初始化，Comm事件響應，串口數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)處理，其具體流程如圖11所示。

在串口初始化中，設定串口號和通信協(xié)議中所需的波特率、校驗位、數(shù)據(jù)位、停止位，通過發(fā)送控件觸發(fā)Comm事件，將掃描控制信號數(shù)據(jù)按照一定規(guī)則發(fā)送給單片機，同時接收并處理單片機反饋回來的數(shù)據(jù)。

4.3 目標跟蹤算法設計

本文采用基于特征的目標跟蹤算法，適用于具有突出特征的目標圖像。算法初始化時在選定的目標區(qū)域內提取特征點，跟蹤過程中通過對前后兩幀的特征點進行匹配，計算出目標的位置、尺度和旋轉變化，進而實現(xiàn)對目標的跟蹤。

針對基于特征的目標跟蹤算法主要通過兩個步驟來實現(xiàn)，分別是特征提取和特征匹配。

1）特征提取

特征提取是將圖像的移動目標的特征點找到并有效地提取處理，屬于特征識別范疇[12]。這些特征需要具有突出的代表性，不僅能夠較好地區(qū)分目標和背景，還可以應對目標被部分遮擋或形狀的變化。

圖12 （a） 物體原始位置圖像Fig.12 (a) Object original position image

2）特征匹配

特征匹配是在得到目標圖像特征點的基礎上，通過相似性判定準則，尋找到與目標特征點最相似的坐標，同時獲取目標信息，標記目標位置進而實現(xiàn)目標的有效跟蹤的過程[12]。

5 實驗結果分析

為了驗證該系統(tǒng)對物體實時跟蹤掃描的實現(xiàn)效果，利用Sun Time FX30工業(yè)相機采集640×480大小的圖像，以每秒60幀的速率進行采集，同時采用步進電機控制物體運動，在上位機窗口實時顯示目標圖像和掃描區(qū)域，結果如圖 12（a）（b）（c）所示。

其中，圖12（a）為物體原始位置圖像，在原始圖像中設定需要跟蹤掃描的具有明顯特征的區(qū)域，此時設定為紅色方框區(qū)域；通過步進電機控制物體運動后，得到如圖12（b）、圖12（c）所示的運動時部分位置圖像，振鏡掃描區(qū)域時刻處于紅色方框內。實驗表明，該系統(tǒng)能夠很好地控制振鏡掃描，實現(xiàn)了對物體實時跟蹤掃描成像。

圖12 （b） 物體運動位置圖像aFig.12 (b) Object moving position image a

圖12 （c） 物體運動位置圖像bFig.12 (c) Object moving position image b