斑马鱼是三大脊椎模式动物之一,与人类的基因相似度高达70%。由于其生长周期短、幼鱼通体透明且价格低廉,吸引了广大生命科学工作者的注意。斑马鱼幼鱼显微操作系统是辅助生命科学研究者进行斑马鱼幼鱼操作的自动化或半自动化设备,主要集中在“控制”和“观察”两个方面。其中,“控制”相关的显微操作系统能够帮助人们进行斑马鱼胚胎注射、胚胎分拣等操作;而与“观察”相关的显微操作系统往往是对斑马鱼幼鱼在特定的角度进行图像采集,或者集成一些图像分析的软件帮助科研人员更好地分析斑马鱼各个阶段的生长发育情况。本文对斑马鱼幼鱼成像系统进行分析,提出了一种高性价比、高效的图像采集系统,可以对斑马鱼幼鱼身体进行三维重构,进而帮助科研人员进行更好地研究。考虑到现有的斑马鱼幼鱼三维重构的实验设备过于昂贵或者结构较为复杂,本文的目的就是设计一种简单高效高性价比的斑马鱼幼鱼三维重构系统。论文的主要内容概括如下:本文首先从斑马鱼幼鱼全方位成像的角度出发,设计了一套四自由度的高精度可控机械臂,该机械臂除了常用的显微操作机械臂具有的三维平动自由度之外,还具有围绕滚转轴转动的自由度。利用这一特殊结构,本文进一步提出了一种简易的斑马鱼幼鱼滚转控制方法。该方法需要首先对斑马鱼幼鱼进行尾部吸持从而达到控制斑马鱼幼鱼的目的,然后通过预先设计好的滚转自由度对斑马鱼幼鱼进行滚转控制。为了抑制斑马鱼幼鱼在滚转过程中的摄动问题,进一步在控制和图像两个方面出发,分别提出了基于极值搜索算法的滚转控制方法和一系列图像预处理方法,可以得到依赖于角度序列的斑马鱼幼鱼图像,然后按照侧影轮廓法对斑马鱼幼鱼进行三维重构。考虑到设计的四自由度机械臂滚转过程中的摄动问题,本文进一步提出了基于模型预测控制的斑马鱼幼鱼三维重构方法。该方法需要控制设计的四自由度机械臂将幼鱼吸入透明玻璃管内部,然后通过“活塞-空气-水”模型对幼鱼在玻璃管方向的位置进行控制。这种方法可以有效地抑制机械臂滚转轴转动过程中的摄动问题,因此极大地简化了上一方法中的图像预处理环节,实现了高效三维重构的目标。