数码显微镜三维测量技术研究

作者:范胜利 刊名: 上传者:黄硕

【摘要】近年来,随着科学技术的发展,生物医疗、精密制造、材料科学和工业微操等领域的对象逐步从宏观领域过渡到微观领域,也就要求与之对应的测量向微测量发展。光学显微镜作为经典微观仪器,主要用于人眼观察微观对象,存在操作复杂、自动化程度低、分辨率低和成本高等问题,无法满足现代科技发展的需求。因此研究基于光学显微镜的测量技术,尤其是三维测量技术,实现低成本、高分辨率和智能化的微测量系统具有积极的现实意义。以三维微测量为目标,本文着重从以下几个方面入手进行了研究和探索:(1)基于数码体视显微镜的三维测量技术:针对体视显微镜的成像特点,提出了一种基于仿射变换的微小物体深度测量方法。首先使用光学成像几何推导出物体深度和匹配点对仿射变换偏差之间的关系表达式,接着使用标定板和电控垂直升降平台标定出表达式参数,最后通过求取图像匹配点对仿射变换偏差来估计物体的深度信息。实验结果验证了深度偏差关系表达式,并且重建了一奥氮平药片表面深度。由于光学显微图像具有景深浅、失真严重和清晰度低的特点,误匹配是一个普遍现象。本文提出一种用于体视显微镜立体匹配的误匹配检测方法,利用精密实心圆点标定板和电动滑台标定了仿射变换矩阵和匹配约束条件。选用仿射变换偏差矢量作为判据来进行误匹配检测。实验结果表明,与RANSAC和极线校正方法相比,该误匹配检测方法在拒真率和认假率上都有较大优势。(2)显微图像清晰度:从如何被动消除图像清晰度的影响到主动利用图像清晰度信息。被动消除方面:使用图像复原技术来提高显微图像质量,重建清晰图像。为了解决图像复原过程中的病态问题,通过多幅不同光圈条件下的离焦图像,提取离焦“方向权重”信息,抑制振铃现象,使用极大似然估计,恢复出清晰图像。主动利用清晰度方面:针对光学显微镜离焦问题,提出了一种基于聚焦测度的显微图像3D深度估计方法。首先,为了使清晰度评价对象一致,使用图像连通区域算法提取标定板圆点区域作为清晰度评价区域;然后,使用聚焦测度对不同深度图像进行清晰度评价,得到清晰度-深度关系曲线;接着使用曲线拟合技术求取曲线峰值点,其横坐标为深度,实现三维深度测量;最后,通过测量标定板上3D圆点的共面性及平面倾角来评价测量结果,结果表明所提出方法能够较好地测量出3D深度。该方法可以用在倾斜度测量和自动调平上。(3)基于计算摄像学的显微三维测量方法:为突破光学显微镜图像景深范围的限制,提出了一种超大景深三维测量方法,利用移动光阑获取不同角度的光场信息进行计算重构来进行场景三维重建。首先对不同光阑位置图像进行立体匹配,得到多光圈成像偏差,估计清晰成像面移动距离,然后结合图像坐标确定图像坐标和清晰面移动距离之间的变化关系表达式,接着利用表达式系数得到空间点2D坐标,最后计算出深度坐标,实现了空间点的三维重建。利用该方法对不同倾斜角度的标定板和电路板进行三维测量,实验结果表明该方法距离测量最大误差控制在0.84%之内,最大角度测量误差控制在4.56%之内。本文针对光学显微镜图像处理和三维测量过程中存在的问题,进行了系统的研究,构建了若干比较完整的三维测量系统。具体研究内容包括显微图像预处理、建立成像模型、系统标定、立体匹配、离焦深度估计和计算成像等,这些都是目前显微三维测量过程中的难点问题,具有一定的应用价值和创新性。

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宁波大学 博士 2018 TN911.7 数码显微镜三维测量技术研究 Research on the 3D Measurement Technology of Digital Microscopy 范胜利 蒋刚毅 通信与信息系统 近年来,随着科学技术的发展,生物医疗、精密制造、材料科学和工业微操等领域的对象逐步从宏观领域过渡到微观领域,也就要求与之对应的测量向微测量发展。光学显微镜作为经典微观仪器,主要用于人眼观察微观对象,存在操作复杂、自动化程度低、分辨率低和成本高等问题,无法满足现代科技发展的需求。因此研究基于光学显微镜的测量技术,尤其是三维测量技术,实现低成本、高分辨率和智能化的微测量系统具有积极的现实意义。以三维微测量为目标,本文着重从以下几个方面入手进行了研究和探索:(1)基于数码体视显微镜的三维测量技术:针对体视显微镜的成像特点,提出了一种基于仿射变换的微小物体深度测量方法。首先使用光学成像几何推导出物体深度和匹配点对仿射变换偏差之间的关系表达式,接着使用标定板和电控垂直升降平台标定出表达式参数,最后通过求取图像匹配点对仿射变换偏差来估计物体的深度信息。实验结果验证了深度偏差关系表达式,并且重建了一奥氮平药片表面深度。由于光学显微图像具有景深浅、失真严重和清晰度低的特点,误匹配是一个普遍现象。本文提出一种用于体视显微镜立体匹配的误匹配检测方法,利用精密实心圆点标定板和电动滑台标定了仿射变换矩阵和匹配约束条件。选用仿射变换偏差矢量作为判据来进行误匹配检测。实验结果表明,与RANSAC和极线校正方法相比,该误匹配检测方法在拒真率和认假率上都有较大优势。(2)显微图像清晰度:从如何被动消除图像清晰度的影响到主动利用图像清晰度信息。被动消除方面:使用图像复原技术来提高显微图像质量,重建清晰图像。为了解决图像复原过程中的病态问题,通过多幅不同光圈条件下的离焦图像,提取离焦“方向权重”信息,抑制振铃现象,使用极大似然估计,恢复出清晰图像。主动利用清晰度方面:针对光学显微镜离焦问题,提出了一种基于聚焦测度的显微图像3D深度估计方法。首先,为了使清晰度评价对象一致,使用图像连通区域算法提取标定板圆点区域作为清晰度评价区域;然后,使用聚焦测度对不同深度图像进行清晰度评价,得到清晰度-深度关系曲线;接着使用曲线拟合技术求取曲线峰值点,其横坐标为深度,实现三维深度测量;最后,通过测量标定板上3D圆点的共面性及平面倾角来评价测量结果,结果表明所提出方法能够较好地测量出3D深度。该方法可以用在倾斜度测量和自动调平上。(3)基于计算摄像学的显微三维测量方法:为突破光学显微镜图像景深范围的限制,提出了一种超大景深三维测量方法,利用移动光阑获取不同角度的光场信息进行计算重构来进行场景三维重建。首先对不同光阑位置图像进行立体匹配,得到多光圈成像偏差,估计清晰成像面移动距离,然后结合图像坐标确定图像坐标和清晰面移动距离之间的变化关系表达式,接着利用表达式系数得到空间点2D坐标,最后计算出深度坐标,实现了空间点的三维重建。利用该方法对不同倾斜角度的标定板和电路板进行三维测量,实验结果表明该方法距离测量最大误差控制在0.84%之内,最大角度测量误差控制在4.56%之内。本文针对光学显微镜图像处理和三维测量过程中存在的问题,进行了系统的研究,构建了若干比较完整的三维测量系统。具体研究内容包括显微图像预处理、建立成像模型、系统标定、立体匹配、离焦深度估计和计算成像等,这些都是目前显微三维测量过程中的难点问题,具有一定的应用价值和创新性。 In recent years,with

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