采用殘差反饋的slm顯微視覺數(shù)據(jù)重構(gòu)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及一種采用殘差反饋的SLM顯微視覺數(shù)據(jù)重構(gòu)方法，特別是涉及以針孔攝像機模型為基礎(chǔ)通過建立殘差補償模型對其進行改進而提升SLM顯微視覺系統(tǒng)重構(gòu)精度的方法。
【背景技術(shù)】
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[0002]光學體式顯微鏡是一種精密的光學儀器，主要分為CM0型SLM(stere0 lightsystemhGreenough型SLMXM0型SLM的兩套子光路共享前端大物鏡，共包含三條光軸，并且相互平行。在CM0型SLM的子光路像面處安裝CCD相機可構(gòu)成SLM顯微立體視覺系統(tǒng)，SLM顯微視覺系統(tǒng)屬于典型的計算機雙目立體視覺系統(tǒng)，擁有較大的工作空間，而且屬于非接觸式光學測量，通過相機可實時拍攝物空間的整個場景，不存在類似電子顯微鏡的信號延時，這些特點使其逐漸在微操作，微測量，微裝配等領(lǐng)域中廣泛使用。對微小物體進行微操作，微測量需對其三維物空間進行準確重構(gòu)，高效準確的視覺建模是進行工作的關(guān)鍵所在。
[0003]視覺建模是SLM顯微視覺系統(tǒng)在進行微操作，微測量過程中的重要研究內(nèi)容之一。針孔模型為線性模型，在宏觀立體視覺中廣泛應(yīng)用，是一種成熟簡便的視覺模型，但并不適合直接用于SLM顯微視覺坐標的重構(gòu)。由于CMO-styleSLM的成像過程不符合針孔成像的原理，直接使用針孔攝相機模型進行三維重構(gòu)時會產(chǎn)生較大定位誤差。極易造成誤匹配，誤操作，降低微測量，微操作，微裝配，過程中的工作效率。Kim(1990)使用了簡易的視覺模型，比較早的把量化的SLM顯微視覺系統(tǒng)應(yīng)用到微觀世界測量中，很有意義，但是模型使用了較少的參數(shù)對透鏡畸變抵抗能力較弱。Danuser( 1999)建立了一個高精度的視覺模型，比較系統(tǒng)的論述了參數(shù)的標定過程，很有代表性，但是模型引入大量的參數(shù)來擬合畸變，需要設(shè)計復雜的標定過程估計參數(shù)，如果選擇了不合適的優(yōu)化過程，大量參數(shù)的引入往往會導致標定結(jié)果的不穩(wěn)定性，Danuser (1999)提出的模型使用起來比較困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述重構(gòu)方法標定過程復雜，精度低，直接使用針孔模型在SLM顯微視覺系統(tǒng)中由圖像坐標重構(gòu)物空間世界坐標時存在的較大定位誤差問題，本發(fā)明推出了采用殘差反饋的SLM顯微視覺數(shù)據(jù)重構(gòu)方法，其目的是在保留針孔模型優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，降低參數(shù)標定難度，通過建立殘差補償方法，克服現(xiàn)有針孔模型在微光領(lǐng)域應(yīng)用時的不足，提高微結(jié)構(gòu)三維形貌數(shù)據(jù)重構(gòu)精度，新方法具有更強的實用性。
[0005]本發(fā)明所涉及的采用殘差反饋的SLM顯微視覺數(shù)據(jù)重構(gòu)方法，是建立在針孔攝相機模型之上，對SLM顯微視覺重構(gòu)數(shù)據(jù)的殘差進行分析補償。所述的方法包括以下步驟:
[0006]1、等間距采集SLM立體圖像對
[0007]通過SLM顯微視覺系統(tǒng)在世界坐標系中沿X軸，y軸，ζ軸等間距采集立體圖像對，輸出X軸圖像序列，y軸圖像序列，ζ軸圖像序列。獲取圖像格點世界坐標真值集合Pu
[0008]2、圖像對準與視差畸變矯正
[0009]在x軸圖像序列中，利用擬合算法，分別對所采集到的左圖像、右圖像中圖像特征點行進軌跡進行擬合，估計左右圖像相對旋轉(zhuǎn)角及相對偏移，進行左右圖像對準，矯正左右圖像視差曲面畸變。
[0010]3、建立初始視覺模型
[0011]采用標定軟件通過針孔攝像機模型理論，對SLM視覺系統(tǒng)進行初始標定，輸出標定參數(shù)。利用沿ζ軸采集到的圖像序列，對左右立體圖像對視差數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，建立視差增量與ζ軸坐標增量線性關(guān)系，輸出視差增量比例系數(shù)E，給出初始的視覺模型。
[0012]4、重構(gòu)殘差計算
[0013]等間距采集圖像序列時，圖像由位置1移動到位置2時，所有格點具有相同的移動距離Di。利用初始模型重構(gòu)X軸圖像序列，y軸圖像序列，ζ軸圖像序列格點的世界坐標，獲得所有格點世界坐標的測量值集合P2，計算格點由位置1移動到位置2的相對重構(gòu)距離作為真值，D2作為測量值，對重構(gòu)格點間相對位移殘差參數(shù)進行計算。相對位移殘差參數(shù)包括重構(gòu)X軸圖像序列時沿X軸軸向偏移殘差，沿y軸徑向偏移殘差，沿ζ軸徑向偏移殘差;重構(gòu)y軸圖像序列時，沿y軸軸向偏移殘差，沿X軸徑向偏移殘差，沿ζ軸徑向偏移殘差;重構(gòu)ζ軸圖像序列時，沿ζ軸軸向偏移殘差，沿X軸徑向偏移殘差，沿y軸徑向偏移殘差。
[0014]5、重構(gòu)殘差精度評估
[0015]根據(jù)SLM顯微視覺系統(tǒng)數(shù)據(jù)重構(gòu)精度要求，選定殘差區(qū)間，為保證較高重構(gòu)精度，殘差區(qū)間可從(-5M1，5μπι)至(-200μπι，200μπι)范圍內(nèi)進行選取。殘差區(qū)間范圍越小則重構(gòu)精度越高，依用戶決定。統(tǒng)計位于該區(qū)間內(nèi)的殘差樣本點的數(shù)量Κ，參與統(tǒng)計的總的殘差樣本點數(shù)量記為U，定義有效比例系數(shù)S = K/U。當殘差區(qū)間設(shè)置越小，S越大，說明重構(gòu)精度越高，殘差數(shù)據(jù)發(fā)散度越小。記重構(gòu)殘差精度評估參數(shù)為M。根據(jù)有效比例系數(shù)S的值對重構(gòu)殘差精度進行評估。當S〈M時，認為重構(gòu)精度低，需進行殘差補償。當S>M時，認為重構(gòu)精度滿足要求。為獲得較高重構(gòu)精度，選定得重構(gòu)殘差精度評估參數(shù)Μ的值應(yīng)大于等于0.85。
[0016]6、殘差補償
[0017]采用線性補償法分別對重構(gòu)殘差精度低參數(shù)進行補償。在初始模型基礎(chǔ)上，首先對重構(gòu)X軸圖像序列時，重構(gòu)殘差精度低參數(shù)進行線性補償，輸出補償參數(shù)，得到第一次補償后世界坐標向量。在此基礎(chǔ)上，對重構(gòu)Ζ軸圖像序列時重構(gòu)殘差精度低參數(shù)進行線性補償，輸出補償參數(shù)，得到第二次補償后世界坐標向量。最后對重構(gòu)y軸圖像序列時，重構(gòu)殘差精度低參數(shù)進行線性補償，輸出補償參數(shù)，輸出高精度重構(gòu)數(shù)據(jù)。
[0018]本發(fā)明所涉及的采用殘差反饋的SLM顯微視覺數(shù)據(jù)重構(gòu)方法，首先，建立了視差畸變矯正的方法，從標定樣板圖像中獲取需要的各類數(shù)據(jù)，采用線性擬合、多項式擬合等方法矯正視差畸變;然后，在傳統(tǒng)針孔攝像機模型理論基礎(chǔ)上修正ζ坐標的重構(gòu)方法，建立初始的視覺模型；最后，對初始視覺模型進行誤差補償，建立殘差補償模型，輸出高精度的重構(gòu)數(shù)據(jù)。在以SLM顯微視覺系統(tǒng)為基礎(chǔ)的微操作，微裝配系統(tǒng)中的重構(gòu)誤差來自多種因素，如視覺模型本身的缺陷、透鏡畸變、驅(qū)動組件的定位精度等，重構(gòu)數(shù)據(jù)的殘差是所有誤差的綜合體，殘差補償模型對重構(gòu)數(shù)據(jù)的殘差進行擬合，補償重構(gòu)誤差。這種建模方法具有更強的適應(yīng)能力，對于任意一種SLM視覺系統(tǒng)，只要確定了殘差補償模型就可以輸出高精度的重構(gòu)數(shù)據(jù)。
[0019]附圖如下
[0020]圖1為本發(fā)明涉及的采用殘差反饋的SLM顯微視覺數(shù)據(jù)重構(gòu)方法流程圖
[0021]圖2為本發(fā)明涉及的圖像對準與視差畸變矯正方法的流程圖
[0022]圖3為本發(fā)明涉及的建立初始視覺模型的流程圖
[0023]圖4為本發(fā)明涉及的殘差補償流程圖
[0024]圖5為采用殘差反饋的SLM顯微視覺數(shù)據(jù)重構(gòu)方法重構(gòu)后的殘差數(shù)據(jù)分布圖
[0025]圖6為本發(fā)明涉及的使用針孔模型重構(gòu)方法的殘差數(shù)據(jù)分布圖
【具體實施方式】
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[0026]現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細闡述。圖1顯示本發(fā)明涉及的采用殘差反饋的SLM顯微視覺數(shù)據(jù)重構(gòu)方法流程圖，如圖所示，采用殘差反饋的SLM顯微視覺數(shù)據(jù)重構(gòu)方法包括以下步驟:
[0027]1、等間距采集SLM立體圖像對
[0028]通過MEMS工藝制作網(wǎng)格狀平面標定樣板，標定樣板上設(shè)計7行X7列圓形圖案，直徑為0.15mm，相鄰標志圖案圓形間距為0.3mm，陣列格點的定位精度為土 0.25μηι，圓形圖案的中心點定義為格點。把標定樣板固定在驅(qū)動裝置上，圖像采集平面基本位于SLM的聚焦面處，SLM具有有效深度范圍，以聚焦面為中心，所使用SLM的有效深度范圍約為±1.13_。
[0029]標定樣板分別沿世界坐標系X軸，y軸，ζ軸等間距移動，間隔設(shè)置為0.1mm通過SLM顯微視覺系統(tǒng)等間距采集標定樣板立體圖像對Sll，x軸、y軸和ζ軸的采集長度范圍分別為4.1_1，2.9111111和3.1111111，輸出1軸圖像序列321，7軸圖像序列322，2軸圖像序列323。獲取圖像格點世界坐標真值集合S31，記為，zwl)。
[0030]2、圖像對準與視差畸變矯正
[0031](l)SLM顯微視覺的一項重要功能是利用視差估計物空間的深度，即世界坐標系的縱向坐標，為了建立線性度較高的視覺模型，需進行圖像對準與視差畸變矯正S41。輸入X軸圖像序列S21，格點在圖像中的運行軌跡近似為直線，運行方向沿圖像的X軸方向，但與X軸并不平行。利用擬合算法如:最小二乘法，分別對所采集到的左圖像、右圖像中每個圖像格點行進軌跡進行擬合S24，由左圖像序列獲得擬合直線斜率集合匕，各擬合直線相對X軸旋轉(zhuǎn)角為ai = arctanki，由右圖像序列獲得擬合直線斜率集合kr，各擬合直線相對X軸旋轉(zhuǎn)角為ar = arctankr。令(^與?作差并求其平均值α，作為左右圖像相對旋轉(zhuǎn)角。以左圖像為基準，右圖像坐標旋轉(zhuǎn)_α角，實現(xiàn)對左右圖像序列對相對旋轉(zhuǎn)進行校正S25。輸出圖像格點坐標S26。記旋轉(zhuǎn)后左圖像序列格點圖像坐標集合為(XI，yi)，右圖像序列格點圖像坐標集合為
(Xr’yr) Ο
[0032](2)輸入圖像格點坐標S26，輸入y軸圖像序列S22，輸入ζ軸圖像序列S23共同估計左右圖像在豎直方向上的相對偏移距離Τ。令每個圖像序列中左右圖像對應(yīng)格點圖像縱坐標yi與yr作差，所有差值求和后取平均值，即為左右圖像縱向相對偏移距離Τ。以左圖像為基準，右圖像在y軸方向平移T，實現(xiàn)對左右圖像縱向相對偏移進行校正。通過對左右圖像相對旋轉(zhuǎn)與偏移進行校正實現(xiàn)左右圖像對準S32。輸出經(jīng)對準后格點圖像坐標(X2，y2)。左圖像序列格點圖像坐標記為(χ2ι，y2i)，右圖像序列格點圖像坐標記為(x2r，y 2r)。
[0033](3)在SLM視覺系統(tǒng)中，視差是重構(gòu)世界坐標系中ζ坐標的重要技術(shù)指標，需采用經(jīng)圖像對準的X軸圖像序列對左右圖像視差畸變進行矯正。格點初始視差Ρ由公式P = y2r-y2i計算得出，在X軸圖像序列中，一個格點對應(yīng)一條視差軌跡曲線，使用直線擬合格點橫坐標X2與視差P對應(yīng)關(guān)系，擬合視差直線S33。輸出視差直線方程:Y = KpX2+B，式中KP為擬合視差直線斜率集合，Β為截距集合，Υ為擬合視差值。計算直線擬合殘差Ν，公式為:Ν = Υ-Ρ。利用擬合算法如:最小二乘法，擬合殘差Ν與格點橫坐標χ2多項式關(guān)系，擬