基于三维模型的变焦显微测量技术综述

作者:王菁;付娟;王青;张静 刊名:科技创新与应用 上传者:郭武欣

【摘要】变焦显微测量技术是物体微观表面形貌的非接触式高精度测量方法中的一个重要研究方向,因其测量精度高、效率高、鲁棒性强、适合测量具有大倾角的表面的优点,文章对该测量技术中的几个关键技术进行挖掘和研究,包括聚焦评价、图像融合、模型重构、模型拼接和模型质量评价几个方面,意指找到最优的算法组合。文章综述了五个关键技术点在国内外的发展态势,剖析了基于三维模型的变焦显微测量技术的可行性,并从中寻找到有效的组合方法形成系统的基于三维模型的变焦显微测量技术。

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1概述从历年资料来看,国际上将变焦显微测量技术应用于精密测量物体微观表面形貌的高精度测量[1]是测量领域的一个重要研究领域的科研机构里面,除了奥地利Alicona、德国Leica和日本方向,属于微纳尺度上的测量方法,其目的主要是通过光学技术和Keyence几家商业化公司而外,仅有德国纽伦堡大学、瑞士苏黎世大计算机技术,将测量物体的微观表面重构出真实、精确的三维模型,地测量学和摄影研究所、捷克科学院等少数几家;国内从事相关研并从中提取轮廓、形状偏差、位置偏差等重要信息。该技术已经成功究工作的有中科院空间科学与应用研究中心、山东大学、重庆大学、应用于包括精密工程、微制造、质量检测、生物科技、临床医学等方南京航空航天大学等为数不多的几所高校和科研院所。面的诸多领域,具有很大的科研价值与实用价值。根据国际标准化组织(InternationalOrganizationforStandard-物体微观表面形貌的测量方法分为接触式测量方法和[2]非接触ization,ISO)中负责“尺寸与产品几何技术规范”的第213学术委员式测量方法[3]两大类。相比于接触式测量方法易于损伤被测工件表会(TC213)在2010年编制的ISO25178标准第6部分中描述[6,7],包面的缺点,非接触式的表面形貌学测量方法是该领域中的主流测量括接触式和非接触式测量方法在内,目前列入该标准的表面形貌测方法,正向着速度更快、分辨率更高、测量范围更高、适用范围更广量方法共计有12种。图1列出了部分测量方法、原理及其特性。的方向发展。而在非接触式的表面形貌学测量方法中,本文所采用的变焦显微测量相比于激光相移干涉法、扫描白光干涉法等其他几种非接触式测量方法具有明显的技术优势。由于该测量方法是一种较新的测量手段,已有的研究较多停留在二维图像融合上,对该测量方法系统、统筹的研究工作还很少,对三维模型重构、三维模型拼接的算法挖掘和改进不足。以重构后三维模型上的噪音问题为例,根据理论分析和已有的实验结果,通过已知的先进算法生成的三维模型易出现噪音和表面形状上的失真,对模型重构带来了误差,严重影响了测量的准确性[4,5]。对于平面物体,三维模型的平面拼接可以满足测量需求;对于螺钉、钻刀等被测物,三维模型的柱面拼接是必不可少的。本文基于二维图像融合、三维模型重构和三维模型拼接技术,通过对算法进行挖掘和研究,找到可以实现理想效果的变焦显微测图1基于变焦显微测量的改进测量方法研究思路量技术的具体方案。根据二维图像的时域融合原理,寻找从二维变3聚焦评价与三维模型重构焦图像序列生成三维立体模型的已有算法进行创新性改进,通过对聚焦评价技术也被称为聚焦合成技术(DepthfromFocus,不同物体表面进行实验得到多组三维模型,经过定量的评价指标计DFF),它是由自动聚焦技术[8,9]演变而来。拍摄的图像随着放大倍数算,组合出的最优算法准确度高、抗噪性强。增大,景深会随着减小,这使得物体不可能在一幅图像中完全聚焦2变焦显微测量技术清晰。而生物医学及材料科学的成像要求显微镜既要有更高的分辨 率又要有足够的景深,这是传统光学硬件的矛盾。为解决此矛盾,聚焦评价技术应运而生。高赞[9]等研究经典的基于梯度的自动聚焦评价函数时,发现这些经典的基于梯度的自动聚焦算法在计算梯度的时候仅仅计算了一个或者二个方向上的梯度,实际的梯度方向可能与算法指定的梯度方向不一样。郑媛媛[10]在聚焦区域选择方面,针对评价函数有多个极值导致的聚焦失败提出了基于群智能优化算法的聚焦窗口选择方法,搜索前景和后景的最佳分割阈值。IkhyunLee[1

参考文献

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