斑马鱼作为模式生物,不仅与人类有高达87%的相似基因,而且产卵量大（单次产卵100-200枚）、发育迅速,只需约24小时就可以从受精卵发育成完整的胚胎,适合高通量实验,如药物筛选等工作。此外,斑马鱼的胚胎完全体外发育,幼鱼体长只有3-4 mm,在胚胎和幼鱼阶段,身体透明,可观察到内部器官,这为以图像反馈为基础的研究方案提供了其他模式生物难以比拟的便利。有研究发现斑马鱼在心脏病发作后,心肌可以进行分裂和增殖,从而使心脏受损的部分再生并且愈合。因此,对斑马鱼幼鱼的心脏注射并不会对幼鱼造成永久性的损伤。然而,传统的针对斑马鱼幼鱼的显微注射是由人工完成的,该工作需要接受过良好训练并且有经验的技术人员来完成,通常工作量较大,而且效率相对较低。另外,目前绝大多数显微操作系统是面向胚胎、细胞等形态规则的样本,极少有针对斑马鱼幼鱼的自动显微注射系统的研究。本文从显微操作中生物样本的可观性、可控性、和安全性角度出发,对开放区域斑马鱼幼鱼心脏注射自动化进行了具有创新性且深入的研究,提出了在开放区域中,基于视觉伺服控制的幼鱼心脏注射自动化的解决方案。本文的主要内容可以归纳如下:针对显微操作中显微镜低倍率、宽视野下对生物样本的可观性和可控性,提出了在显微镜低倍率、宽视野下完成斑马鱼幼鱼的视觉检测和方向调整的算法。其中,可观性体现在通过图像对斑马鱼幼鱼的位置和方向进行检测,并且在对前景和背景的分割过程中,提出了根据灰度直方图自适应选取分割阈值的算法,其结果明显比传统的自适应阈值OTSU方法稳定并具有更广的使用范围。可控性体现在通过视觉检测得到的幼鱼角度作为幼鱼方向调整的反馈,可以在10秒内完成对幼鱼的快速调整,并且平均误差小于±5°。综上,这里提出了在开放区域对显微操作样本进行定位和姿态检测的方案,可以针对单一目标和多目标进行操作,并且在保证视觉识别和调整精度的前提下,提升操作效率。针对显微镜高倍率下的生物样本可观性,提出了基于视觉反馈的对斑马鱼幼鱼和注射针的自动聚焦算法,以及对注射针针尖的定位和跟踪算法。在低倍率、宽视野下完成了方向和位置的调整后,显微镜倍率切换至高倍率,可以实现对幼鱼特定部位或器官的更多、更丰富细节的图像采集,从而使得通过图像对幼鱼特定部位或器官的识别更快、更准确。本文通过对几种具有代表性的图像清晰度评价算法进行对比,选取了合适的图像清晰度评价算法,并结合实际情况开发出了适合该系统的聚焦值搜索算法。针对幼鱼和注射针的聚焦算法可以在10秒内完成对两者聚焦,并且与人工操作相比,物镜高度的平均误差小于40μm。在对注射针完成聚焦后,提出了注射针针尖的定位和视觉跟踪算法,实现了通过视觉对注射针快速（11.85毫秒/帧）和准确（3.5像素）跟踪,并且该方法可被用在显微操作中对其他目标跟踪的应用中。从显微操作中生物样本的安全性角度考虑,研究了面向大形变的生物样本的自适应柔顺、无损捕捉控制算法。通过对生物样本表皮动力学特性进行建模,以自适应鲁棒控制方法实现了对斑马鱼幼鱼表皮形变的稳定控制,并且可以将表皮形变误差控制在±1.5像素内。通过文中提出的无损捕捉方案,实验中实现了对幼鱼吸持100秒内无脱落、死亡,并且在释放后35秒内由吸持引起的表皮形变可以恢复原状。另外,通过Maxwell-Wiechert模型作为指导,通过实验统计对注射针的破膜速度进行优化,得到不同注射针移动速度与注射成功率的关系,通过降低破膜时对幼鱼带来的损伤,将破膜后斑马鱼幼鱼的24小时成活率控制在90%。从显微操作中生物样本的可观性考虑,建立了对斑马鱼幼鱼心脏快速且准确的三维定位方案。由于心脏的外形为三维外形,通过二维信息对其定位,不论精度多高,在缺少一个维度信息的情况下难免会产生较大的误差。因此,本文开发了基于图像的斑马鱼幼鱼心脏二维定位算法及基于渐进动态检测的幼鱼心脏高度定位,以此实现了对斑马鱼幼鱼心脏的三维定位。其中,根据心脏周期性跳动的特点,提出了局部增强的连续帧动态累积的心脏检测算法,实现了在平面内对心脏定位,该算法平均可以在2.7秒内实现对斑马鱼幼鱼心脏的二维定位,平均误差为2.2像素。然后,通过渐进动态检测结合心脏二维坐标,完成幼鱼心脏的三维定位。