CN101630061A - 工具痕迹光学共聚焦三维数据采集系统及其采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种工具痕迹光学共聚焦三维数据采集系统及其采集方法，所述的采集系统包括：一显微镜，其包括一显微镜载物台、一显微镜光学系统及一显微镜微调旋钮；一数码成像设备，其置于所述显微镜光学系统上方，用于采集图像；一移动控制模块，其与所述显微镜微调旋钮相连，用于调节所述显微镜光学系统移动；一图像融合装置，其接收所述数码成像设备采集到的图像序列，并提取各图像中的清晰部位，融合为一全清晰图像。

Description

工具痕迹光学共聚焦三维数据采集系统及其采集方法

技术领域

本发明涉及一种影像数据采集系统及其采集方法，特别涉及一种犯罪现场工具遗留痕迹的影像数据采集系统及其采集方法，其可有效提高痕迹物证取证工作的精度和效率。

背景技术

工具痕迹是指犯罪分子在作案的过程中，使用工具破坏客体时在接触部位留下的痕迹。工具痕迹在刑事案件现场上出现率较高，这种痕迹在刑事侦查中和其他痕迹(手印、足迹)一样，在揭露和打击犯罪、为侦破工作提供线索、确定侦查方向方面具有重要的作用。

目前，工具痕迹的取证通常采用直接相机拍照或者显微镜一次成像拍照的方式，当用相机直接拍照时，其分辨率十分有限，对于微米级的痕迹细节难以清晰成像；当用显微镜成像拍照的方式时，所产生的问题是景深太小，当痕迹物证实体的纵深范围接近或超过毫米级时，就难以在整个拍照范围内清晰成像了。

如今，还有一种扫描电镜方法，扫描电镜是一个兼顾分辨率和景深需求的设备，但其高昂的购置和维护成本及对操作人员的专业需求严重阻碍了设备的广泛应用，多年来也仅限于少数高级别的物证鉴定单元在少数重要案件中应用。

因此，如何设计一种价格低廉并且可克服相机直接拍照或者显微镜拍照提取痕迹物证所带来的缺点，即为本领域技术人员所需解决的课题。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种工具痕迹光学共聚焦三维数据采集系统及其采集方法，其同时满足高分辨率和大景深成像的要求，其采用普通的光学显微镜和数码拍照设备，以等间距顺序多聚焦层面拍摄方法和多焦点序列图像融合技术为核心，获得超常规的清晰图像数据，解决了普通相机和显微镜拍照所面临的大景深和高分辨率相矛盾的问题，同时相对于扫描电镜又大幅提高了性价比及易用性，使之能被广大基层单位接受和使用。

为了达到上述目的，本发明提供一种工具痕迹光学共聚焦三维数据采集系统，其包括：

一显微镜，其包括一显微镜载物台、一显微镜光学系统及一显微镜微调旋钮；

一数码成像设备，其置于所述显微镜光学系统上方，用于采集图像；

一移动控制模块，其与所述显微镜微调旋钮相连，用于调节所述显微镜光学系统移动；

一图像融合装置，其接收所述数码成像设备采集到的图像序列，并提取各图像中的清晰部位，融合为一全清晰图像。

较佳的实施方式中，还包括一步进拍照控制装置，所述的步进拍照控制装置分别与所述的移动控制模块及所述的数码成像设备相连，用于协同所述显微镜光学系统调焦移动与所述数码成像设备拍照。

较佳的实施方式中，所述的步进拍照控制装置控制所述数码成像设备及所述显微镜光学系统移动交替进行。

较佳的实施方式中，所述的图像融合装置包括：

一图像分区模块，其把图像按预定的行列数分成多个微区；

一清晰度评价模块，用于评价每幅图像上所有微区的清晰度值；

一图像融合提取模块，用于从序列图像中截取到各个微区的最清晰内容，以融合成一幅清晰的图像。

较佳的实施方式中，所述的图像融合装置还包括一移动平均模块，其进行移动平均处理，以克服马赛克效应。

较佳的实施方式中，所述的数码成像设备为一数码相机或一数码CCD或类似图像采集设备。

较佳的实施方式中，所述的移动控制模块为一步进电机，所述步进电机控制所述显微镜光学系统移动一调焦步距。

较佳的实施方式中，所述的调焦步距小于所述显微镜的景深范围。

为了达到上述目的，本发明提供一种工具痕迹光学共聚焦三维数据采集方法，其包括下列步骤：

801：将待检样品置于所述显微镜载物台上、设定显微镜载物台移动行程即拍照上下边界以及拍照数量；

802：移动控制模块控制显微镜光学系统行走一步；

803：判断步进是否到位，如到位，执行804，否则继续执行803；

804：数码成像设备拍摄一张图片；

805：检测是否到达拍照下边界，如果是，执行806，否则执行802；

806：执行图像分区步骤，即将图像分成多个微区；

807：执行清晰度评价步骤，对第N张图片的所有微区位置的清晰度评价，得到最清晰索引图；

808：执行图像融合提取步骤，在图像的每一位置，从序列图像中截取最清晰的那一张的内容置于该位置，形成最终结果图；

809：结束。

较佳的实施方式中，所述的图像分区步骤是从图像上感兴趣区域的左上点(x1，y1)开始，将图像分成M*N个微区。

较佳的实施方式中，所述的清晰度评价步骤包括下列子步骤：

8071：取聚焦序列图像的第一幅图像；

8072：计算每个微区的清晰度值，即微区中各个点的8个邻域梯度之和，得到对应这幅图的清晰度索引表D1；

8073：取聚焦序列图像的第N幅图像；

8074：计算每个微区的清晰度值，即微区中各个点的8个邻域梯度之和，得到对应这幅图的清晰度索引表DN；

8075：检测是否所有图像均处理过，如果是，执行8076步骤，如果不是，执行8073步骤；

8076：得到各个图像的对应索引表；

8077：在清晰度索引表的每个位置比较索引值的大小，找到最大值对应的图号，形成一张提取图索引表A1；

8078：结束。

较佳的实施方式中，还包括一移动平均步骤：其是将图像分区步骤中的左上点(x1，y1)的坐标都加1，成为左上点(x2，y2)，重复清晰度平均步骤807，得到清晰图像融合图R2，如此循环L次，得到L个清晰图像融合图，将这些图的对应像点位置值作算术平均，就得到一幅平滑的融合图。

与现有技术相比，本发明有如下有益效果：

1.本发明采用普通的光学显微镜和数码拍照设备，不仅价格相对于扫描电镜低廉，又能实现清晰的图像。

2.本发明以等间距顺序多聚焦层面拍摄方法，以移动控制模块步进控制显微镜移动，解决了普通相机和显微镜拍照所面临的大景深和高分辨率相矛盾的问题，确保数据不丢失。

3.本发明采用多焦点序列图像融合技术，以特定的清晰度评价模块对图像进行清晰度评价，获得超常规的清晰图像数据。

附图说明

图1为本发明工具痕迹光学共聚焦三维数据采集系统组成框图；

图2为本发明工具痕迹光学共聚焦三维数据采集系统组成示意图；

图3为本发明工具痕迹光学共聚焦三维数据采集系统一实施例组成框图；

图4为本发明工具痕迹光学共聚焦三维数据采集系统另一实施例组成框图；

图5为本发明工具痕迹光学共聚焦三维数据采集方法流程图；

图6为本发明工具痕迹光学共聚焦三维数据采集方法清晰度评价步骤流程图；

图7A至图7D为本发明拍摄一待检样品的实施例图；

图8A及图8B为本发明调焦步距大小的示意图。

附图标记说明：1-待检样品；10-显微镜；101-显微镜光学系统；102-显微镜微调旋钮；103-显微镜载物台；20-移动控制模块；30-数码成像设备；40-图像融合装置；401-图像分区模块；402-清晰度评价模块；403-图像融合提取模块；50-步进拍照控制装置；801～809-步骤；8071～8078-步骤；L1、L2、L3-层面；L′-信息遗失层面；h2调焦步距；h1-景深范围。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

参阅图1及图2，为本发明工具痕迹光学共聚焦三维数据采集系统组成框图及示意图，其包括一显微镜10、一移动控制模块20、一数码成像设备30及一图像融合装置40。

所述的显微镜10包括一显微镜光学系统101、一显微镜微调旋钮102及一显微镜载物台103；通过调节所述的显微镜微调旋钮102驱动所述显微镜光学系统101移动，以检测所述待检样品1。

所述移动控制模块20，其与所述的显微镜微调旋钮102相连，用于调节所述的显微镜光学系统101移动，使所述显微镜光学系统101执行聚焦移动动作。

所述的数码成像设备30，其设置于所述显微镜光学系统101上，用于采集来自显微镜10的样品图像；所述的数码成像设备30可为一数码相机或一数码CCD或类似图像采集设备。

所述的图像融合装置40，其与所述的数码成像设备30相连，用于将数码成像设备30采集到的图像融合一幅全清晰图像。

如图3所示，为本发明工具痕迹光学共聚焦三维数据采集系统一实施例组成框图，本发明还包括一步进拍照控制装置50，其与所述移动控制模块20及所述的数码成像设备30相连，用于协调聚焦移动与拍照的过程。聚焦移动与拍照两个过程在时间上是交替进行的，其要严格遵循时间顺序：即本次聚焦移动停止后才能进行本次拍照；本次拍照结束后才能进行下次聚焦移动，否则图像会产生模糊。

在实施时，所述的移动控制模块20可为一步进电机，所述的步进拍照控制装置50可驱动所述步进电机每次移动一预设的步长，从而步进电机带动显微镜微调旋钮102移动一固定的距离，然后所述的步进拍照控制装置50发出指令使所述数码成像设备30拍摄一张图片，然后再驱动步进电机行走，如此直到拍摄完整个待测样品。

所述的步进拍照控制装置50发出一聚焦移动命令后，不断查询步进电机的移动状态，当步进电机停止移动时，所述的步进拍照控制装置50控制所述的数码成像设备30，使数码成像设备30进行拍照，当查询到所述数码成像设备30拍摄完成后，所述的步进拍照控制装置50发出下一组命令驱动所述步进电机，使所述步进电机移动。由于上述的步进拍照控制装置50驱动所述步进电机，使所述步进电机控制显微镜微调旋钮102移动，从而使聚焦层次从样品顶部以足够小的间距一直延伸到底部，则这些序列图片已经包含了样品面上不同位置高度的所有信息。这些信息就是获得的等间距顺序多层面聚焦拍照系列图片，这些图片由于显微镜10本身的景深限制，使得只有一些局部是清晰的，而不同层面的图像清晰部位是不同的，因此需要通过一图像融合装置40融合成一幅清晰的图像。

如图4所示，图4为本发明工具痕迹光学共聚焦三维数据采集系统另一实施例组成框图；所述的图像融合装置40包括一图像分区模块401、清晰度评价模块402、一图像融合提取模块403；其中，

所述的图像分区模块401是把图像按预定的行列数分成若干个微区，可从图像上感兴趣区域的左上点(x1，y1)开始，将图像区域等分成M*N个边长成L的正方形微区；

清晰度评价模块402是用于评价每幅图像上所有微区的清晰度值，每个微区在序列图里面都有一个最大的清晰度值，具有该清晰度值的那幅图的对应微区内容就应是结构图上对应位置的内容；

图像融合提取模块403是将从序列图片里截取到各个微区的最清晰内容进行融合提取，从而得到一种清晰的图片。

但是有可能提取出来的图像还可能不够清晰，具有马赛克效应，因此，为了消除该影响，所述的图像融合装置40还可包括一移动平均模块404，该移动平均模块404是作移动平均处理，然后得到一幅全清晰的图片。

配合参阅图5所示，为本发明工具痕迹光学共聚焦三维数据采集方法：该数据采集方法是通过下列步骤来实现的：

801：将待检样品置于所述显微镜载物台103上、设定显微镜载物台103移动行程即上下边界以及拍照数量；

802：移动控制模块30控制显微镜光学系统101行走一步；

803：检测步进是否到位，如到位，执行804，否则继续执行803；

804：数码成像设备40拍摄一张图片；

805：检测是否到达拍照下边界，如果是，执行806，否则执行802；

806：执行图像分区步骤，即将图像分成若干个微区；

807：执行清晰度评价步骤，对第N张图片的所有微区位置的清晰度评价，得到最清晰索引图；

808：执行图像融合提取步骤，在图像的每一位置，从序列图像中截取最清晰的那一张的内容置于该位置，形成最终结果图；

809：结束。

其中，所述的图像分区步骤806是从图像上感兴趣区域的左上点(x1，y1)开始，将图像区域等分成M*N个边长为L的正方形微区；

如图6所示，图6为本发明工具痕迹光学共聚焦三维数据采集方法清晰度评价步骤流程图；由此可知，所述的清晰度评价步骤807包括下列子步骤：

8071：取聚焦序列图像的第一幅图像；

8072：计算每个微区的清晰度值，即微区中各个点的8个邻域梯度之和，得到对应这幅图的清晰度索引表D1；

8073：取聚焦序列图像的第N幅图像；

8074：计算每个微区的清晰度值，即微区中各个点的8个邻域梯度之和，得到对应这幅图的清晰度索引表DN；

8075：检测是否所有图像均处理过，如果是，执行8076步骤，如果不是，执行8073步骤；

8076：得到各个图像的对应索引表；

8077：在清晰度索引表的每个位置比较索引值的大小，找到最大值对应的图号，形成一张提取图索引表A1；

8078：结束。

所述的进行图像融合提取步骤808，是借助A1的索引图号可在各个微区位置上找到具有最清晰内容的那幅上的微区，将其粘贴至新图上，即获得以左上点(x1，y1)起始的清晰融合图R1。

在上述融合图像的过程中有可能会出现马赛克效应，为消除该影响，还可包括一移动平均步骤，即把图像分区步骤806中的左上点(x1，y1)的坐标都加1，成为左上点(x2，y2)，重复清晰度评价步骤807，得到清晰图像融合图R2，如此循环L次，得到L个清晰图像融合图，将这些图的对应像点位置值作算术平均，就得到一幅平滑的融合图。

如图7A-图7D所示，为本发明拍摄一待检样品1的实施例图，如7A所示，本系统在拍摄待检样品1时，当显微镜的镜头聚焦在第1个层面时所拍摄的样品图片，可见待检样品1只有A和H部分是清晰的(如7B所示)。

镜头下降一定距离，在第2个层面时所拍摄的待检样品图片，可见待检样品1只有B、E、D、G是清晰的(如图7C所示)。

镜头再下降一定距离，在第3个层面时所拍摄待检样品图片。可见待检样品1只有C、F部分是清晰的。

因此，本系统可利用各个聚焦面的图像合成一幅全清晰图像，但是此示例只是原理介绍，实际拍摄远不止这三个层面，通常需要数十上百的聚焦层面图像，才能融合一张清晰的图片。因此系统需要以电控步进的方式来获得精细的调焦移动量(微米级)，来驱动镜头准确达到各个聚焦层面进行拍摄。

如图8A、8B所示，为本发明调焦步距大小的示意图，本系统移动控制模块是以电控步距的方式来获得精细调焦移动量(微米级)，来驱动显微镜光学系统的镜头准确达到各个聚焦层面进行拍摄。如图8A所示，L1、L2、L3为三个层面，当调焦步距h2小于景深范围h1时，可不丢失任何层面的信息。

如图8B所示，如果聚焦层面数量不足，调焦步距h2大于景深范围h1(即各个聚焦层面之间的间距太大，超出了镜头景深范围)，就会丢失一些层面的有效图像信息，层面L2丢失，形成一信息遗失层面L′，此时一些局部图像内容就不是清晰的；因此，层面L1与L3之间的层面L2未能被拍摄，层面L2所应该具有的一些局部清晰图像内容就没有被记录，则在最终的融合图像里这些部位就会是模糊的。

因此，本发明的移动控制模块可精确调节调焦步距，使调焦步距h2大于h1，以确保不丢失任何层面的信息。

本发明实施时，具有如下优点：

1.本发明采用普通的光学显微镜和数码拍照设备，不仅价格相对于扫描电镜低廉，又能实现清晰的图像。

2.本发明以等间距顺序多聚焦层面拍摄方法，以移动控制模块步进控制显微镜移动，解决了普通相机和显微镜拍照所面临的大景深和高分辨率相矛盾的问题，确保数据不丢失。

3.本发明采用多焦点序列图像融合技术，以特定的清晰度评价模块对图像进行清晰度评价，获得超常规的清晰图像数据。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改，变化，或等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (12)

1、一种工具痕迹光学共聚焦三维数据采集系统，其特征在于，其包括：

一显微镜，其包括一显微镜载物台、一显微镜光学系统及一显微镜微调旋钮；

一数码成像设备，其置于所述显微镜光学系统上方，用于采集图像；

一移动控制模块，其与所述显微镜微调旋钮相连，用于调节所述显微镜光学系统移动；

一图像融合装置，其接收所述数码成像设备采集到的图像序列，并提取各图像中的清晰部位，融合为一全清晰图像。

2、根据权利要求1所述的工具痕迹光学共聚焦三维数据采集系统，其特征在于，还包括一步进拍照控制装置，所述的步进拍照控制装置分别与所述的移动控制模块及所述的数码成像设备相连，用于协同所述显微镜光学系统调焦移动与所述数码成像设备拍照。

3、根据权利要求2所述的工具痕迹光学共聚焦三维数据采集系统，其特征在于，所述的步进拍照控制装置控制所述数码成像设备及所述显微镜光学系统移动交替进行。

4、根据权利要求1所述的工具痕迹光学共聚焦三维数据采集系统，其特征在于，所述的图像融合装置包括：

一图像分区模块，其把图像按预定的行列数分成多个微区；

一清晰度评价模块，用于评价每幅图像上所有微区的清晰度值；

一图像融合提取模块，用于从序列图像中截取到各个微区的最清晰内容，以融合成一幅清晰的图像。

5、根据权利要求4所述的工具痕迹光学共聚焦三维数据采集系统，其特征在于，所述的图像融合装置还包括一移动平均模块，其进行移动平均处理，以克服马赛克效应。

6、根据权利要求1所述的工具痕迹光学共聚焦三维数据采集系统，其特征在于，所述的数码成像设备为一数码相机或一数码CCD或类似图像采集设备。

7、根据权利要求1所述的工具痕迹光学共聚焦三维数据采集系统，其特征在于，所述的移动控制模块为一步进电机，所述步进电机控制所述显微镜光学系统移动一调焦步距。

8、根据权利要求7所述的工具痕迹光学共聚焦三维数据采集系统，其特征在于，所述的调焦步距小于所述显微镜的景深范围。

9、一种工具痕迹光学共聚焦三维数据采集方法，其特征在于，其包括下列步骤：

(801)：将待检样品置于所述显微镜载物台上、设定显微镜载物台移动行程即拍照上下边界以及拍照数量；

(802)：移动控制模块控制显微镜光学系统行走一步；

(803)：判断步进是否到位，如到位，执行(804)，否则继续执行(803)；

(804)：数码成像设备拍摄一张图片；

(805)：检测是否到达拍照下边界，如果是，执行(806)，否则执行(802)；

(806)：执行图像分区步骤，即将图像分成多个微区；

(807)：执行清晰度评价步骤，对第N张图片的所有微区位置的清晰度评价，得到最清晰索引图；

(808)：执行图像融合提取步骤，在图像的每一位置，从序列图像中截取最清晰的那一张的内容置于该位置，形成最终结果图；

(809)：结束。

10、根据权利要求9所述的工具痕迹光学共聚焦三维数据采集方法，其特征在于，所述的图像分区步骤是从图像上感兴趣区域的左上点(x1，y1)开始，将图像分成M*N个微区。

11、根据权利要求9或10所述的工具痕迹光学共聚焦三维数据采集方法，其特征在于，所述的清晰度评价步骤包括下列子步骤：

(8071)：取聚焦序列图像的第一幅图像；

(8072)：计算每个微区的清晰度值，即微区中各个点的8个邻域梯度之和，得到对应这幅图的清晰度索引表D1；

(8073)：取聚焦序列图像的第N幅图像；

(8074)：计算每个微区的清晰度值，即微区中各个点的8个邻域梯度之和，得到对应这幅图的清晰度索引表DN；

(8075)：检测是否所有图像均处理过，如果是，执行(8076)步骤，如果不是，执行(8073)步骤；

(8076)：得到各个图像的对应索引表；

(8077)：在清晰度索引表的每个位置比较索引值的大小，找到最大值对应的图号，形成一张提取图索引表A1；

(8078)：结束。

12、根据权利要求9所述的工具痕迹光学共聚焦三维数据采集方法，其特征在于，还包括一移动平均步骤：其是将图像分区步骤中的左上点(x1，y1)的坐标都加1，成为左上点(x2，y2)，重复清晰度平均步骤(807)，得到清晰图像融合图R2，如此循环L次，得到L个清晰图像融合图，将这些图的对应像点位置值作算术平均，就得到一幅平滑的融合图。

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