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数字显微网络互动教学系统应用方案

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2020年4月19日
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数字显微网络互动教学系统

应用方案

重庆光电仪器有限公司
二○一二年二月数字显微网络互动教学系统应用方案

一、原理介绍
显微镜下的微观形态学教学是生物医学专业学生必修的课程，特别是组织学、病理解剖学、胚胎学、细胞学、寄生虫学和微生物学的实验课程在教学计划中占有很大的比例。而显微镜下的观察是实验课教学的重要手段，学生只有经过自己观察镜下的显微结构，才能真正的理解和掌握理论知识，从而达到提高学生认识、分析和综合能力的目的。
重庆光电数字显微互动教学系统---由重光数字显微镜、显微图像处理软件和互动教学软件组成的网络教学系统,用于显微形态学的教学实践中,能将学生显微镜下的图像发送到教师的计算机屏幕上,从而有效地进行互动教学、方便各种多媒体课件的使用、具有开放性和可扩展性，使学校的显微形态学科的教学实验手段提高了档次，是医学形态学教学系统的发展方向。图1为系统效果图。
图1 系统效果图
数字显微互动教学系统用于形态学科的教学实验，主要特点是全部采用高品质专用数字摄像机和显微镜，使图像、语音、文件全向互动交流。千兆网络操作平台，功能强大的图像分析处理软件，多通道画面显示与监控。经过灵活的语言教学模式和全面的图像数据共享， 实现了在同一时间，同一界面，师生的高效沟通。

重庆光电数字显微互动教学系统能够解决的问题 ：
· 搭建实时和非实时的远程教学系统
· 利用网络进行大面积的教学，缓解师资压力
· 充分发挥优秀教师的示范作用
· 保存优秀教师的教学成果
· 可采用视频会议进行全方位的互动教学
· 实现对教学多媒体课件的数字版权加密
· 直播和重现教学现场较好的技术手段，适用与大范围教学的直播活动

重庆光电数字显微互动教学系统，是我公司最新开发的第二代显微互动教学系统。它充分利用了当今最先进的数字成像技术、网络传输及多媒体技术。其特点是功能齐全、结构简单、技术先进、图像质量佳、操作方便，是老师授课、学生实验的必备工具，在一定程度上代表了当前显微教学的最高水平；能够支持教师应用各种教学手段进行课堂教学活动,将各种媒体形式的教学资源以最佳的效果呈现给师生，让学生在一个更加方便、生动的环境中进行自主学习。工作原理：显微镜下的图像经过百万像素高清晰度数字摄像机采集到微机中进行图像处理，并经过网络互动教学软件实现教师与学生之间的双向教学活动。
二、设计标准及原则
1、设计标准
本系统所涉及的技术标准和规范，产品标准和规范，工程标准和规范，验收标准和规范等严格符合中华人民共和国有关条例及规范，其中包括：
1、中华人民共和国公共安全行业标准GB/T75-1996《安全技术防范工程程序与要求》
2、中华人民共和国公共安全行业标准GA/T70-94《安全技术防范工程费用概预算编制办法》
3、IEC574-7/GB12641《视听、视频和电视设备及系统维护操作的安全要求》
4、IEC574-3/SJ/Z9141-2《视听、视频和电视设备及系统：视听系统设备连接》
5、IEC65/GB8898-88《电网电源供电的家用和类似一般用途的电子有关设备的安全要求》
6、EIA/TIA568标准布线，验收测试遵循TIA/EIA TSB-67国际标准
2、设计原则
n 先进性
系统采用先进的数字多媒体技术、计算机图象处理技术和高速网络通讯技术。不但能够实现网络控制，监控学生操作情况，而且还能够有效辅助教学。
n 可靠性
系统采用成熟的技术与产品。在设备选型和系统设计中，充分考虑到设备的兼容性和软件的稳定性，在各方面都尽量减少故障的发生，超过20家以上的客户已使用一年以上，实际证明无故障现象发生。
n 可维护性
可维护性包含二层定义：易于故障的排除；日常管理操作简便
n 安全性
系统应具有安全运行管理等功能，采取授权方式，一切操作受控于教师机，有效阻止非法进入或破坏系统的行为。
n 应用性
系统设计，应首先考虑满足功能要求和实际应用的需要。
n 可扩充性
系统设计中，要考虑今后发展的需要，必须具有在系统产品、系统容量与处理能力等方面的扩充与换代的可能，这种扩充不但保护了原有投资、而且具有较高的综合性能价格比。
n 经济性
系统设计及设备选型要考虑到经济适用原则，避免华而不实。最重要的是要在根本上保证用户对本系统建设投资所应达到的长期利益，能够得到持久保护，避免不必要的资金浪费。
三、系统结构说明

系统主要特点：
l 系统完全建立在100M局域网平台上，结构简单，运行稳定，维护方便；
l 真正实现教师与学生、学生与学生的多方位的互动教学；
l 科学而合理的顶部摄像系统安装方法，确保了镜下和屏幕同时获得最佳的图像质量。
l 图像采集全部使用本公司自主开发的数字摄像机，分辨率高，色彩还原好；
l 软件界面友好，功能强大，运行可靠；
四、教师端设备技术参数说明
（一）、显微镜技术参数说明
教师端生物显微镜选用重庆光电生产的BA3000i实验室生物显微镜。该机型采用一体化结构设计，稳重大气。机架升级空间大，以后可根据需要配置相衬装置、荧光装置、偏光装置、暗场装置等。
1、性能特点：
◆ 无限远校正光学系统，成像更清晰；
◆ Φ22mm大视野，观察更舒适；
◆ 标准柯拉照明系统，视场更明亮均匀；
◆ 人机工程设计，操作更便捷；
◆ 一体化结构，工作更稳定。
2、技术参数
教师端生物显微镜具体技术参数详见表3。
表3 教师端生物显微镜BA3000i技术参数
名称
序号
技 术 参 数
备 注
教师端生物显微镜
1
型号：BA3000i

2
头部：转轴三目，30°倾斜，瞳孔距调节范围55-75mm，±5屈光度视度调节

3
目镜：10X高眼点大视野目镜，视场数Φ22mm，焦距25mm
※
4
物镜：无限远平场消色差物镜：4X/0.1，W.D.=7.576mm；10X/0.25，W.D.=4.81mm；20X/0.40，W.D.=2.582mm；40X(S)/0.65，W.D.=0.817mm；100X（Oil）/1.25，W.D.=0.194mm
※
5
总放大倍数：40X-1600X

6
无限远校正光学系统，一体化主机结构，稳固性好，低位操作

7
五孔转换器（内倾式），黑色带齿护圈，双插片座

8
机械移动载物台，外形尺寸：180×150毫米，纵横移动行程：80X55mm

9
聚光镜组：摆出式聚光镜组，N.A.=0.92/0.13，中心可调节
※
10
内置式孔径光栏，带Φ38绿、蓝、黄、灰色滤色片

11
标准柯拉照明系统，后置灯箱，视场光栏Φ2-Φ35
※
12
调焦装置：粗微动同轴调节，粗动调焦行程：25mm，微调增量0.002mm

13
主机电压输入AC85V-265V，保险丝管 3A φ5X20

14
照明：12V50W卤钨灯，亮度可调

说明：“※”表示关键参数。
（二）、摄像机技术参数说明
YM500数字摄像机：
500万纯物理像素高分辨率数码摄 像系统，1/2英寸逐行扫描图像传感器；图像输出分辨率： 2048×1536或2560×1920；USB2.0数字传输接口，标准C-MOUNT机械接口，数据传输速率最高达480MPS，调整分辨率后可使传输速率达到30帧/秒；色彩还原性强，信噪比高，画面细腻清晰；具有手动/自动曝光、手动/自动白平衡，保证目镜下和电脑屏幕的显微镜图象同步清晰；
（三）、图像处理软件技术参数说明
软件名称：MiPrd数字显微图像处理软件
教师端图像处理软件为一套专业版图像处理软件，能够完成以下功能：统计学和形态自动分析、测定的领域，如组织细胞形态学分析、测量与统计分析、边缘监测分析及打印报表等。凡是与图像形态学有关的各种监测与分析都能够利用该软件来完成。
l 本图像分析系统是在多年科研实践基础上开发出来的24位真彩色通用图像检测与分析软件；
l 强大的图像处理功能与分析功能；
l 与形态学有关的各种检测与分析功能；
l 完备的图像几何参数测量工具，真实比例尺图像输出功能，功能完备的彩色图文报告生成与管理器，分析过程自动完成功能，独特的晶界重建算法；
l 集成先进的图像拼接与融合功能；
l 能够对X、Y两方向的尺寸进行定标，任意图形的几何参数测量；手动测量图形的长度、点、圆、三点圆、角度、任意几何图形等几何参数，并可对测量的值进行多次调整
l 可经过屏幕染色选择预分析的目标，并对选取的目标进行自动分析，自动分析功能包括：个数统计，所有目标的几何参数测量、位置参数测量、形态学参数测量、光密度参数测量、外接几何参数测量、孔洞参数测量、各测量参数的最大值、最小值、平均值统计等；
l 量数值导出表格功能，经过EXCEL表格打印输出；
l 将图像与测量、标注的文字融合为一张图像的功能；
l 可实现图像融合功能，可将同一视野下多张不清晰的图像提取每张图片清晰的部分融合为一张完全清晰的部分；
l 大图拼接功能；可将不同视野下的几张图片自动无缝拼接成一张完整的大面积的图片；
l 图像中的黑斑去除、黑斑增强功能，马赛克功能等；可将图像分离为YUV或RGB单色图片、可将分离的单色图片合成为一张彩色图片；
l 完全图文混排的打印报告功能；
【主要处理与分析功能】
Ü 图像采集：可对实时视频图像进行拍照保存、自动间隔拍照、录像等；
Ü 几何尺寸检测:直线、曲线、圆、椭圆、矩形、任意形的长度、角度、面积、周长不点与直线位置测量、直线与直线、直线与圆弧、圆弧与圆弧等几何参数测量。测量单位微米、毫米、厘米、分米、英寸任选；
Ü 图像变形及几何矫正: 水平镜像、垂直镜像、平移、倾斜，缩放、旋转、透视、漫游、任意、网状变形等；
Ü 区域选取工具: 魔杖、套索、椭圆、矩形、圆形工具、方形工具；
Ü 区域处理:区域反选，区域扩大，区域缩小，边界圆滑、平移、缩放、旋转、任意变形；
Ü 图像处理:
（1） 色调处理:负像、灰值化、色调调整、颜色平衡、亮度反差调整；
（2） 图增像强:照明场均匀、直方图拉伸、直方图均衡，灰值函数变换等；
（3） 边缘检测:Roberts、Laplace、Kirch、Prewitt、水平、垂直、左45、右45等边缘检测；
（4） 图像平滑:均值、中值、低通滤波等；
（5） 灰值形态学:腐蚀、膨胀、开、闭，开闭、波峰、波谷、形态学梯度、混合滤波等；
（6） 图像常数运算:RGB各通道加、减、乘、除、乘方、指数等运算；
（7） 图像间运算:RGB各通道加、减、乘、除、与、或、非、与非、或非、最大、最小、距离、特征与等运算；
（8） 其它滤波器:自定义滤波器、马赛克、黑斑去除、黑区增强等；
Ü 分析目标处理:分析目标扩大，分析目标缩小，边界圆滑、分析目标删除、孔洞填充、内外轮廓抽取、形态学梯度，骨架化，骨架纯化，分支修剪，断点修复等；其中个体参数100多项，统计参数100多项，分析参数总数达10000多项；
Ü 分析参数可视化处理:分析结果与图像之间直接影射显示。特定目标及其长轴、质心、外接矩形、凸包，编号等抽取显示。分析目标不同透明度颜色叠层显示；
Ü 其它功能:系统还提供了吸管、画笔、填充、直线、移动、剪裁、标尺、测量等几十种交互式处理工具，可完成图像变形、加注标尺、箭头、文字、绘制各种图形等操作；
Ü 软件系统结构：
1．图像处理部分
2．区域选取与处理部分
3．分析目标选取与处理部分
4．目标分析部分
5．图像输入输出部分
6．系统参数设置
7．交互式工具
8．图文报告生成器
五、学生端设备技术参数说明
（一）、显微镜技术参数说明
学生端生物显微镜选用重庆光电生产的BS203D生物显微镜。该款机型采用一体化结构设计，刚性好，轻便可靠。
1、性能特点：
◆ 低位操作系统使长时间工作不致疲倦；
◆ 一体化整体设计，刚性及防震性更好；
◆ 确保高清晰度的成像质量。
2、技术参数
学生端生物显微镜具体技术参数详见表4。
表4 学生端生物显微镜BS203D技术参数
名称
序号
技 术 参 数
备 注
学生端生物显微镜
1
型号：BS203D

2
头部：转轴三目，30°倾斜，瞳孔距调节范围53-75mm，±5屈光度视度调节

3
目镜：10X平场目镜，视场数Φ18mm

4
物镜：平场消色差物镜：4X/0.1、10X/0.25、40X(S)/0.65、100X（Oil）/1.25

5
总放大倍数：40X-1000X

6
一体化主机结构，稳固性好，低位操作
※
7
四孔转换器，外倾式，内定位，黑色带齿护圈

8
机械移动载物台，外形尺寸：135×130毫米，纵横移动行程：75X50mm，拨动式移动片夹
※
9
阿贝聚光镜组：N.A.=1.25，行程30mm，内置式孔径光栏，中心可调节

10
固定式Φ42蓝色滤色片
※
11
调焦装置：粗微动同轴调节，粗动调焦行程：20mm，微调增量0.002mm

12
主机电压输入AC85V-265V，保险丝管φ5X20 2A

13
照明：6V20W卤钨灯，亮度可调

说明：“※”表示关键参数。

（二）、摄像机参数说明
YM200数字摄像机
YM200数字摄像机：200万纯物理像素高分辨率数码摄像系统，1/2英寸逐行扫描图像传感器；图像输出最大分辨率：1600*1200；USB2.0数字传输接口，标准C-MOUNT机械接口，数据传输速率最高达480MPS，调整分辨率后可使传输速率达到30帧/秒；色彩还原性强，信噪比高，画面细腻清晰；具有手动/自动曝光、手动/自动白平衡，保证目镜下和电脑屏幕的显微镜图象同步清晰；
（三）、图像处理软件技术参数说明
软件名称：MiE显微图像分析处理软件V2.0
l 图像采集：实时采集学生端显微镜下图像，视野可达镜下图像的85%以上，清晰度高，色彩还原好，真实再现显微镜下微观图像，进行连续拍照保存、自动间隔拍照、录像、标记/标定等，具有录像和录像回放功能；
l 图像处理：调整、扩散、平滑处理、锐化处理、边沿检测、浮雕、锐化、马赛克、灰值化、图像合并、旋转、翻转、镜像、中值过滤及改变图像尺寸；
l 图像管理：对图像文件进行新建、打开、编辑、保存、打印及相册管理等功能；
l 校准与测量：校准尺度后对图像进行直线、矩形、圆、椭圆、不规则图形、多边形及角度等数据的测量及文字标注；
l 其它功能：
1） 能够设定摄像机的自动白平衡，分辨率和传输速度；
2） 可对动/静态图像能够进行测量、标记，测量和标记的文字色彩可选，并可对测量的值进行多次调整。
3） 可进行图文并茂的报表设计。
4） 可实现灰度、底片、重采样、旋转等常见图像处理功能。

六、网络互动控制软件功能说明
1、软件选用
MiNet 数字显微网络互动软件 V4.0
2、网络互动控制软件功能介绍
【网络互动控制软件】是互动教室的核心软件，是由我公司自行研发的一套网络教学软件，该套软件提供清晰的多画面实时显示和丰富的交互手段。经过此软件教师只需一台电脑工作站就能够同时控制学生端多台数码显微镜的图像显示、捕捉和放大，以及教师端500万象素的数码显微镜的图像显示、捕捉；并可对每一台数码显微镜的实时图像进行单独调整；强大的语音功能能够方便师生之间的交流，使得讨论内容更明确，沟通更方便。教师端能够把自己的图像传送给全体学生，达到示教作用，也能够把任一学生图像传送给全体学生电脑上，达到示范作用，教师还能够启用远程关闭计算机功能；
【网络互动控制软件】的运行可完成如下的功能：教师广播教学、语音教学、语音对讲、学生演示、监控转播、屏幕录制/回放、联机讨论、分组教学、远程命令、远程设置、黑屏肃静、网络影院、电子点名、班级模型、系数设置等等众多教学控制功能。
【教师端】在互动系统硬件允许范围内，可显示多达256个学生端图像。
l 任选多个画面同时显示，可对任一实时画面单独提出进行单独施教；同时任意设定不同学生进行分组讨论、教学；白平衡：还原实时图像的真实色彩/RGB：进行实时图像的红、绿、蓝颜色调节/除噪声：去除由于数据传输过程中产生的噪声，得到最佳的图像效果/背景光平衡：对实时图像的背景光进行平衡处理，得到理想的图像效果/动态滤色：得到实时动态的滤波处理效果(反转、灰值化、红、绿、蓝处理)
l 各种捕捉方法，包括：
静态捕捉：对任一动态图象进行单帧捕捉，存储到硬盘/自动定时捕捉：能够按一定的间隔时间进行捕捉，捕捉的帧数和时间间隔可根据需要在软件中自由设置/动态录像捕捉：能够对任一动态图象进行录像，而且可对教师屏幕进行同步录像及录音；
l 配套教学功能
教师广播教学：即将教师机的图像、屏幕及声音适时传到学生端进行教学
学生屏幕转播（教师能够将任意一个学生机的屏幕转播给任意其它学生）
实时屏幕监视、控制（教师屏幕能够同屏监视多个学生机屏幕或直接取得任意学生机的鼠标控制权）；
网络影院：在网络上播放VCD等；
语音系统：实现教师和学生、学生和学生的语音对讲；
学生演示：将某学生端的图像声音转给其它学生；
屏幕录制/回放：能够将授课的屏幕过程全部录制下来，便于重复上课时回放使用；
文件分发：教师能够按一定的顺序发给学生相同或不同的文件（试题、练习等）；
作业提交：学生将做的作业（试卷等）以文档形式提交给教师；
电子考场：从题库中自动生成A、B卷，客观题自动评分、统计、档案保存，支持多种题型内置多种考试管理模块；
电子教鞭、联机讨论、分组教学、远程命令、远程设置、黑屏肃静、电子点名、班级模型、系数设置、教师端远程控制：可统一打开学生软件，关闭所有电脑，便于教师统一管理；
l 语音控制系统 语音问答互动系统可实现教师和学生间的双向沟通，学生借助该系统向老师提出问题，老师则能够选择通话模式与学生进行交流，具有以下功能：
Ü 全体广播模式：教师经过话筒讲话，全体学生用耳机收听，但不能够发言；
Ü 师生对讲模式：教师可与学生进行一对一对话，只有被选择的学生能够收听和发言；
Ü 学生示范模式：教师可选择一位对话，所有学生都能够收听到谈话内容，但其它学生不可发言；
Ü 取消呼叫模式：学生有问题能够呼叫教师，教师收到信息后，如无回答必要，可将呼叫信息清除；
Ü 分组练习模式：任意将学生分成几人1组，组内学生可互相通话，教师也可随时加入；
Ü 任意对话模式：教师可选择任意几个学生进行互相对话，教师也能够随时加入；
Ü 随意呼叫模式：学生随时能够与教师进行通话；
Ü 音量高低调节：能够对学生的耳机和话筒进行音量调节。
【所有功能都必须在老师的监控与授权的情况下才能实现，提高了网络的安全性。经过这一网络平台，能够将老师与学生联系在一起，使老师与学生间实现了真正意义的双向互动，有效提高教学质量。整套系统使得多媒体网络教室、语音教室、显微互动教室三个网络有效的结合，实现了三网合一，提高了整套系统的性价比】

自主研发教学考试系统软件