相机自动对焦项目 · 总方案（唯一权威文档）

最后更新：2026-06-13
用途： 相机自动对焦/自动拍摄校正项目的需求、技术方案、代码结构、当前状态的唯一权威记录。
阅读建议： 想快速了解进度 → 直接看第十节"现状与下一步"。

一、项目背景

1.1 设备与场景

设备： 10舱室时差培养箱（成都艾伟孚，川械注准20232180053）
用途： 相机在显微镜下对胚胎进行延时拍摄
核心问题： 现有"自动选清晰层"算法效果差，7组测试全部选错

1.2 项目目标

开发独立C#小软件，实现"拍出一张可用图"的全自动校正流程：

曝光校正 → XY皿孔居中 → 空皿检测 → Z对焦（选层/搜索）

二、硬件架构（真机确认）

2.1 设备组成

10舱室整机 + 1缓冲瓶(11号)
每舱独立：CCD相机 + 光源LED + Z轴电机 + 水平旋转电机

2.2 相机

型号： Microview MVC2000
接口： USB2.0
分辨率： 2592×1944（必须用这个，曾误用1600×1200导致well被裁出画面）
枚举： 全局0-9台，通过序列号(CCDSN)桥接到舱室
曝光单位： 100µs，增益RGB各0-255
数据： 上下颠倒需FlipY

2.3 运动机构（关键）

相机： 只做Z轴垂直运动拍不同焦平面
培养皿： 水平电机旋转，让16个well圆形布局逐个对准相机
单位： 步进电机脉冲(步)，非µm
Z参数： 层间距默认128脉冲，行程上限125000
Well间距： 约9000脉冲（如舱9: well1=70200, well2=79200...well16=205300）

2.4 下位机通信

串口： 每舱独立COM口，9600/8N1
协议： 5E CMD 00 LTH 数据累加和校验，无帧尾，回复长度固定
EEPROM： 每个well的"水平位置"+"Z焦准零点"存下位机
LED： 只能开关+读亮度，无写亮度命令

三、技术方案

3.1 清晰度评价（核心算法）

指标： Tenengrad（梯度平方和），纯C#实现
ROI： 只在well圆内计算，排除背景干扰
预处理： 统一尺寸、去噪
归一化： 分数除以像素数，可跨帧比较

3.2 标定流程（四步）

①粗对焦（中央40% ROI） → ②旋转居中（粗扫+细扫） → ③曝光二分（well内ROI） → ④精对焦（0.95r ROI + 平滑插值）

关键技术点：

粗对焦： 使用中央40% ROI避免被培养皿边缘带偏
居中： 只优化Y偏移（旋转控制），X偏移~5%是硬件局限
曝光： 每次设置后丢弃第1帧使用第2帧（解决帧延迟）
精对焦： 0.95r ROI保留边缘 + 3点平滑 + 抛物线插值

3.3 居中判据

目标： Y偏移 < ±12% + well完整
检测： Otsu阈值化 + 连通域 + 圆度过滤
阈值： aspect < 1.5, boxFill > 0.6, rConsist > 0.65, rFrac ∈ [0.10,0.28]
延时： 细扫用800ms确保稳定

四、代码结构

4.1 目录结构

C:\claudeFile\TL\AutoFocusTool\    （WPF/.NET 8/x64）
├── Camera/                         相机封装（MVCAPI P/Invoke）
├── Serial/                         串口协议（Protocol/SerialMotor/HouseMotor）
├── Imaging/                        图像处理（Sharpness/WellDetector/ExposureMeter）
├── Calib/                          标定引擎（CalibrationEngine/CalibrationFile/CalibrationManager）
├── Devices/                        设备扫描（DeviceScanner/HouseDevice）
├── MainWindow.*.cs                 主窗口（分部类：连接/相机/电机/扫描/标定）
├── CalibWindow.xaml                标定独立窗口（4x4=16格实时显示）
├── Survey/Survey.cs                巡检工具（已集成CalibrationManager）
├── Calibrate/Calibrate.cs          命令行标定工具
├── SelfTest/Program.cs             硬件自检工具
└── calibration.json                标定结果（16个well参数）

4.2 关键类

CalibrationEngine: 标定引擎核心，可复用，带回调
CalibrationManager: 优先读JSON标定结果，降级到EEPROM
WellDetector: 圆检测（连通域+圆度过滤）
Sharpness: Tenengrad清晰度计算（纯C#）
ExposureMeter: 曝光评价+二分搜索
HouseMotor: 电机语义层封装（支持delayMs重载）

五、关键修复记录（2026-06-13）

5.1 P0致命问题（全部已修复）

问题	根因	修复方案	效果
曝光不可重复	SetExposure后返回旧帧	延时+丢弃第1帧用第2帧	7倍偏差→0
居中成功率低	aspect阈值过严+延时短	1.35→1.5 + 细扫800ms	62.5%→100%
well2系统性偏差	真正居中位置被拒绝	同上	28.1%→1.1%
业务未闭环	Survey不读JSON	集成CalibrationManager	✅
异常处理薄弱	错误被忽略	检查返回值+质量判断	✅
相机旧帧缓冲	未清空缓冲	每次移动后丢第1帧	✅
粗对焦被背景带偏	使用全图清晰度	改用中央40% ROI	✅

5.2 P1算法优化（已完成）

优化	方案	效果
对焦ROI不一致	精对焦0.7r→0.95r保留边缘	峰比提升
峰值检测无插值	3点平滑+抛物线插值	提升精度

5.3 真机验证结果（9号舱16个well）

测试日期： 2026-06-13
测试轮次： 3轮

指标	修复前	修复后	改善
曝光可重复性	3/16相差7倍	16/16完全一致(exp=58)	100%
居中成功率	10/16 (62.5%)	16/16 (100%)	+60%
well2偏移	28.1%	1.1%	-96%
最大Y偏移	28.1%	5.9%	-79%
对焦峰比	全部<1.2	1.09~1.20	空well预期

可重复性验证（两轮对比）：

曝光：0偏差
居中：<0.1%偏差
对焦Z：<20脉冲偏差

5.4 第二轮修复（2026-06-13 · 针对同事审查报告 CODE_REVIEW_AND_ANALYSIS.md）

对审查报告逐条核查后，修复了 5 项真实缺陷，其余条目要么已在第一轮修过、要么属非必要的架构重构（见 5.5）。

编号	问题（核查属实）	根因	修复
P0-1	标定结果"只存不用"	`CalibrationManager` 从未被调用；无 Survey 目录；转well直读EEPROM	GUI `BtnGoWell` 接入 `CalibrationManager`，优先用JSON(合格才用)，存档后刷新缓存
P0-2/3	手动路径运动模糊/旧帧	手动Z扫描、手动设曝光后立即抓帧=旧帧	Z扫描每层丢第1帧用第2帧；设曝光后等待`max(200,e/5)`ms并丢帧
P0-4	精对焦圆未检出用全图	roi=null → 全图清晰度被背景/反光干扰	圆未检出降级到中央40% ROI（与粗对焦一致），绝不用全图
P0-6	电机移动无重试	下位机偶发不回复即放弃整个well	新增 `RetryMove`，关键定位移动重试3次
P0-5	误导性死代码	`GrabWithRollingExposure`/`FullMean` 写好但零调用	删除，避免后人误以为有自适应曝光（固定曝光60真机已验证16/16可靠）
P0-7	JSON反序列化静默失效（真机测试发现，比审查报告更严重）	`CalibrationFile`等用public字段，`System.Text.Json`默认不反序列化字段→`Load`返回空对象(舱数0)	`Load`的`JsonSerializerOptions`加`IncludeFields=true`。此bug导致即便P0-1接线正确，标定结果仍永远读不到、静默降级EEPROM——闭环形同虚设

附带统一： 手动Z扫描ROI也改为"先检well圆→圆内0.95r，检不出→中央40%"，与标定引擎一致。

离线验证： 用合成图（中心清晰+四周噪声）实测 Tenengrad —— 全图焦/糊比值仅1.61（被边缘噪声淹没），中央40% ROI比值达∞（完美区分），证明 P0-4 降级策略有效。编译0错误0警告，GUI启动冒烟通过。

真机验证（2026-06-13 第二轮，SmokeTest工具，现场无1号舱→回退2号舱）： 4项全过——

设备扫描：发现7舱(2/4/6/7/8/9有相机, 11缓冲瓶无相机)，相机/COM映射正确，全分辨率2592×1944
P0-2/3 实证：设曝光30→亮度75.1，设曝光150→亮度228.8，丢帧后第2帧亮度正确跟随曝光，确认无旧帧污染
P0-7 实证：修复前Load读出舱数0(静默失效)，修复后正确读出house9；当前9号皿为空皿，16个well峰比全≤1.2，按PeakRatio>1.2判据会全部降级EEPROM——符合空皿预期，待放真胚胎重标(峰比>1.5)后闭环才会启用JSON参数

5.5 审查报告中未采纳的条目（评估为非必要）

报告 P1-3/4/5、P2-1/2/3 主张：详细子步骤进度、续标/重标UI、参数热加载配置、仿真模式、单元测试框架、状态机重构。这些属"锦上添花"的架构升级，真机已验证16/16通过，贸然重构反而引入回归风险。经与用户确认后本轮不做（用户原话："UX/仿真/单元测试/状态机，改动太大，就不弄，且非必要"）。如未来需要再单独立项。

六、踩过的坑（重要教训）

6.1 画面分辨率被裁剪（最坑）

问题： 硬编码1600×1200，相机原生2592×1944 → well被裁出画面
教训： 所有图像处理尺寸必须取自cam.Width/Height，绝不硬编码

6.2 居中优化错了方向

问题： 曾优化X偏移，但旋转只能控制Y
真相： X的~5%固定偏移是相机/转盘硬件偏移，旋转修不了
正确： 只优化Y偏移，X偏移接受

6.3 圆检测被斜纹反光骗

问题： well间大块斜纹反光被误判成圆
方案： 增加判据aspect<1.5 + boxFill>0.6 + rConsist>0.65 + rFrac∈[0.10,0.28]

6.4 曝光必须只看well圆内ROI

问题： 用全图均值被黑边拉低 → 一路过曝
方案： 只在检测到的well圆内ROI计算亮度

6.5 对焦与居中耦合

洞察： 焦不对→画面糊→检不出圆→无法居中
方案： 先粗对焦让well清晰，再居中

七、编译与运行

7.1 编译

cd "C:\claudeFile\TL\AutoFocusTool"
dotnet build -c Debug

7.2 运行GUI

./bin/Debug/net8.0-windows/AutoFocusTool.exe

7.3 命令行标定

./Calibrate/bin/Debug/net8.0-windows/Calibrate.exe [舱号] [起始well] [结束well]
# 例如：./Calibrate.exe 9 1 16

7.4 查看结果

标定参数：calibration.json
标定终图：calib/cal_h9_w*_FINAL.bmp
测试日志：test_fix/*.log

八、GUI功能

8.1 设备连接

点击"扫描设备" → 发现6个带相机舱(2/4/6/7/8/9)
选择舱室（如9号舱）
点击"连接"

8.2 手动控制

开/关光源LED
抓帧实时预览（显示曝光/增益/Z/水平/well值）
调整曝光/增益（自动抓帧看效果）
Z轴上下移动
水平旋转（选well 1-16，读EEPROM位置并转过去）
Z扫描选层（显示清晰度曲线）

8.3 自动标定

勾选要标定的well（1-16任选，支持全选/全不选）
点击"一键全自动初始化"
弹出全屏窗口，4x4=16格实时显示
正在标定的格：黄字进度+实时画面
完成的格：定格绿框
结果存calibration.json + 终图存calib_result/

九、业务闭环

9.1 标定结果使用（2026-06-13 第二轮修复后）

GUI 转well（MainWindow.Calib.cs · BtnGoWell_Click）： 已接入 CalibrationManager
逻辑： 优先读 calibration.json，标定合格（CircleFound && PeakRatio > 1.2）才用JSON的水平/Z/曝光；否则降级到EEPROM（曝光不动）
缓存刷新： 每次"一键全自动初始化"存档后调用 RefreshCache()，转well立即用最新结果
日志标注： 转well时打印参数来源 [标定结果] 或 [EEPROM(未标定/不合格)]，便于现场确认

⚠️ 更正历史记录： 此前文档曾声称"Survey.cs 已集成 CalibrationManager、业务已闭环"，经代码核查 该说法不实：项目中既无 Survey 目录，CalibrationManager 也从未被任何代码调用，标定结果实际"只存不用"。本轮（第二轮修复）已在 GUI 转well路径真正接通，业务闭环现已成立。

9.2 标定文件格式

{
  "tlSn": "house9",
  "date": "2026-06-13 13:54",
  "houses": [{
    "house": 9,
    "wells": [{
      "well": 1,
      "horizontalPulse": 70198,
      "exposure": 58,
      "focusZ": 79555,
      "centerOffsetPct": -0.0,
      "circleFound": true,
      "peakSharp": 0.0647,
      "peakRatio": 1.11,
      "note": "对焦峰弱;"
    }, ...]
  }]
}

十、现状与下一步（快速上手必读）

10.1 ★ 当前状态（2026-06-13 第二轮修复后）

✅ 代码层缺陷已清零，等待真胚胎验证

✅ P0致命问题全部修复（第一轮7项 + 第二轮6项，含真机才暴露的P0-7）
✅ 业务闭环真正接通：GUI转well已应用标定结果，且修复了底层JSON静默失效(P0-7)
✅ 真机冒烟测试4/4通过（设备扫描/相机通路/曝光丢帧/JSON读取）
✅ 曝光可重复性：0偏差；居中成功率：16/16
⏳ 尚未做真胚胎验证（计划过几天放胚胎后测，见10.2）

关键指标（空皿，9号舱）：

曝光：16/16 well = 58（完全一致）
居中：16/16成功，最大偏移5.9%
对焦：可重复，Z偏差<20脉冲
峰比：1.08~1.20（空皿预期就这么低，真胚胎应>1.5）

⚠️ 当前闭环对空皿"看似不生效"是正常的：calibration.json里16个well峰比全≤1.2，按合格判据PeakRatio>1.2会全部判不合格→转well时降级读EEPROM。这是空皿的正确行为。放真胚胎重新标定后峰比上去了，转well才会真正用JSON的标定参数。别误以为闭环坏了。

10.2 ★★ 下一步：真胚胎验证（过几天放胚胎后做，必读）

现场情况： 目前没有 1 号舱室（SmokeTest已确认，现场为2/4/6/7/8/9+11缓冲瓶）。 9号舱有培养皿但当前是空皿无胚胎。

测试舱室约定（用户指定）：

有胚胎 → 用 9 号舱（well 9 那个皿）
空皿/无胚胎的纯功能测试 → 用 1 号舱（但现场目前无1号舱，回退用其他空皿舱如2号）

放胚胎后要做的验证（按顺序）：

重新标定9号舱：GUI「一键全自动初始化」勾选有胚胎的well，或命令行 ./Calibrate/bin/Debug/net8.0-windows/Calibrate.exe 9 1 16
看峰比是否>1.5：有胚胎的well峰比应明显高于空皿的1.1。若仍<1.2需查ROI/对焦范围
验证选层准确：人工核对最清晰层Z是否选对（对比终图 calib_result/）
验证闭环真生效：标定后在GUI转到该well，日志应显示[标定结果]而非[EEPROM...]，且曝光自动设为标定值。这是P0-1+P0-7修复的最终验收点。
不同发育阶段：PN/卵裂/囊胚的对焦效果差异

预期风险点： 真胚胎透明、对比度低，Tenengrad峰可能仍不够尖。若验证不通过，优先怀疑：精对焦Z范围(ZHalf/ZLayers)、ROI半径(0.95r)、是否需要空皿检测先行。

10.3 可选优化（非阻塞）

优先级低：

空皿检测 - 需真实样本后设计（基于峰形或几何特征）
预测式居中 - 可提速70%（当前14秒可接受）
EEPROM降级 - zZero<0时改为跳过而非设0
曝光顺序 - 可移到精对焦之后（在清晰状态测定更准）

10.4 快速上手流程

初次使用：

1. cd "C:\claudeFile\TL\AutoFocusTool"
2. 阅读本文档第十节（当前节）
3. dotnet build -c Debug
4. ./bin/Debug/net8.0-windows/AutoFocusTool.exe
5. 扫描设备 → 选舱室 → 连接 → 手动测试
6. 一键全自动初始化 → 勾选well → 开始标定
7. 查看calibration.json和终图验证效果

继续工作（新会话无缝衔接）：

# 新会话开场说这句即可接上：
"继续相机自动对焦项目，读总方案文档第十节，代码在 C:\claudeFile\TL\AutoFocusTool"

# 当前进度一句话：第二轮代码缺陷已清零(P0-1~P0-7)，真机冒烟4/4过，
#   就差"放胚胎做真胚胎验证"(见10.2)。放了胚胎用9号舱，空皿功能测试用1号舱(现场暂无则用其他空舱)。

# 主要操作：
- 真机测试：GUI 或 Calibrate.exe 9 1 16
- 不动电机的快速回归：SmokeTest/bin/Debug/net8.0-windows/SmokeTest.exe
- 查看结果：calibration.json + calib_result/*.bmp
- 改算法：重点 Calib/CalibrationEngine.cs；改闭环：MainWindow.Calib.cs + Calib/CalibrationManager.cs
- 编译：cd AutoFocusTool && dotnet build -c Debug

10.5 关键文件速查

代码：

标定核心：Calib/CalibrationEngine.cs（四步：粗焦→居中→曝光→精焦；含RetryMove/CenterRoi40）
业务闭环：Calib/CalibrationManager.cs（优先JSON降级EEPROM）+ MainWindow.Calib.cs(BtnGoWell接线)
标定档案读写：Calib/CalibrationFile.cs（⚠️ Load必须IncludeFields=true，见P0-7）
圆检测：Imaging/WellDetector.cs　清晰度：Imaging/Sharpness.cs　曝光二分：Imaging/ExposureMeter.cs
命令行标定：Calibrate/Calibrate.cs
真机回归冒烟（本轮新增）： SmokeTest/SmokeTest.cs（不大幅驱动电机，验证扫描/相机/曝光/JSON）

注：文档旧版提到的 Survey/Survey.cs 实际不存在，已废弃该说法（见9.1更正）。

数据：

标定结果：calibration.json（当前为9号空皿数据，峰比全≤1.2）
标定终图：calib_result/house9_well*_标定后.bmp、calib/cal_h9_w*_FINAL.bmp

文档（唯一权威）： 相机自动对焦项目-总方案.md（本文） 审查报告（同事，已逐条评估）： AutoFocusTool/CODE_REVIEW_AND_ANALYSIS.md

10.6 常见问题

Q: 程序崩溃怎么办？ A: 检查Grab()方法的安全性，已加重试机制，正常不会崩溃

Q: 居中失败怎么办？ A: 检查aspect阈值(1.5)和细扫延时(800ms)，必要时用HScan工具诊断

Q: 曝光不一致怎么办？ A: 确认每次SetExposure后都丢弃第1帧使用第2帧

Q: 对焦峰比<1.2？ A: 空well正常，真胚胎会>1.5；若真胚胎也<1.2则检查ROI设置

Q: 标定明明做了，转well却不用标定参数(日志显示[EEPROM...])？ A: 两种可能：①该well峰比≤1.2被判不合格(空皿就是这样，正常)；②calibration.json没读进来。先跑 SmokeTest.exe 看【2】是否"舱数=1"。若舱数=0说明JSON反序列化失效—— 检查 CalibrationFile.Load 是否带 IncludeFields=true（P0-7的坑，字段非属性）。

Q: 测试该用哪个舱室？ A: 有胚胎用9号舱；空皿纯功能测试用1号舱。现场目前无1号舱，空皿测试回退用2号等其他空舱。

Q: 不想驱动电机只想快速回归核心逻辑？ A: 跑 SmokeTest/bin/Debug/net8.0-windows/SmokeTest.exe，验证设备扫描/相机/曝光丢帧/JSON读取，不跑标定。

Q: 如何调试特定well？ A: 命令行单well标定 ./Calibrate/bin/Debug/net8.0-windows/Calibrate.exe 9 2 2（舱9 well2），中间帧会存到 hscan/ 目录供排查。（注：文档旧版提到的独立 HScan.exe 工具现已不存在）

10.7 联系上下文

本项目解决的核心问题：

✅ 曝光帧延迟 → 丢帧策略
✅ 居中检测严格 → 放宽阈值+延时
✅ 背景干扰对焦 → 中央ROI
✅ 业务未闭环 → CalibrationManager
✅ 异常处理薄弱 → 完善检查

审查报告对应：

审查报告：评审报告/AutoFocusTool 自动校准工具代码审查报告.md
10/13问题已修复，高优先级8/8全部完成

测试报告对应：

测试报告：report/自动标定测试报告_2026-06-13.html
3个P0根因全部修复并验证通过

十一、Memory提示

如果需要更新memory：

---
name: autofocus-system-ready
description: 自动对焦系统两轮P0修复完成(P0-1~P0-7)，真机冒烟4/4过，业务闭环真正接通。待真胚胎验证。空皿用1号舱(现场暂无则2号)，胚胎用9号舱。
metadata:
  type: project
---

2026-06-13 两轮修复。第一轮:曝光丢帧/居中阈值/中央ROI。第二轮(针对同事审查报告):
P0-1转well接入CalibrationManager、P0-2/3手动路径补丢帧、P0-4精焦ROI降级、
P0-6电机重试、P0-5删死代码，外加真机才暴露的P0-7(JSON反序列化字段缺IncludeFields,
导致标定结果静默读不到、闭环形同虚设)。

**真机冒烟4/4过:** 设备扫描7舱、相机2592x1944、曝光丢帧无旧帧污染、JSON正确读取。

**关键坑(务必记住):**
- CalibrationFile用public字段非属性 → Load必须 IncludeFields=true，否则静默失效
- 空皿峰比全≤1.2 → 闭环按>1.2判据会全降级EEPROM，这是正常的，别误判闭环坏了
- 现场无1号舱；项目里无Survey目录(旧文档说法不实)

**系统状态:** 代码缺陷清零，等过几天放胚胎做真胚胎验证(峰比预期>1.5)

**唯一文档:** [[相机自动对焦项目-总方案]] 第十节

文档版本： V3.1（2026-06-13 第二轮修复+真机冒烟验证） 状态： 唯一权威，其他文档仅供参考 维护： 有重大变更时更新本文档第十节 下次衔接： 读10.1(现状)+10.2(真胚胎验证步骤)即可无缝接上

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