采用殘差反饋的slm顯微視覺數據重構方法
【技術領域】
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[0001]本發明涉及一種采用殘差反饋的SLM顯微視覺數據重構方法，特別是涉及以針孔攝像機模型為基礎通過建立殘差補償模型對其進行改進而提升SLM顯微視覺系統重構精度的方法。
【背景技術】
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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相機可構成SLM顯微立體視覺系統，SLM顯微視覺系統屬于典型的計算機雙目立體視覺系統，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，高效準確的視覺建模是進行工作的關鍵所在。
[0003]視覺建模是SLM顯微視覺系統在進行微操作，微測量過程中的重要研究內容之一。針孔模型為線性模型，在宏觀立體視覺中廣泛應用，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。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時會產生較大定位誤差。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顯微視覺系統應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，比較系統的論述了參數的標定過程，很有代表性，但是模型引入大量的參數來擬合畸變，需要設計復雜的標定過程估計參數，如果選擇了不合適的優化過程，大量參數的引入往往會導致標定結果的不穩定性，Danuser (1999)提出的模型使用起來比較困難。

【發明內容】

[0004]針對上述重構方法標定過程復雜，精度低，直接使用針孔模型在SLM顯微視覺系統中由圖像坐標重構物空間世界坐標時存在的較大定位誤差問題，本發明推出了采用殘差反饋的SLM顯微視覺數據重構方法，其目的是在保留針孔模型優勢的基礎上，降低參數標定難度，通過建立殘差補償方法，克服現有針孔模型在微光領域應用時的不足，提高微結構三維形貌數據重構精度，新方法具有更強的實用性。
[0005]本發明所涉及的采用殘差反饋的SLM顯微視覺數據重構方法，是建立在針孔攝相機模型之上，對SLM顯微視覺重構數據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視覺系統進行初始標定，輸出標定參數。利用沿ζ軸采集到的圖像序列，對左右立體圖像對視差數據進行統計，建立視差增量與ζ軸坐標增量線性關系，輸出視差增量比例系數E，給出初始的視覺模型。
[0012]4、重構殘差計算
[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的相對重構距離作為真值，D2作為測量值，對重構格點間相對位移殘差參數進行計算。相對位移殘差參數包括重構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、重構殘差精度評估
[0015]根據SLM顯微視覺系統數據重構精度要求，選定殘差區間，為保證較高重構精度，殘差區間可從(-5M1，5μπι)至(-200μπι，200μπι)范圍內進行選取。殘差區間范圍越小則重構精度越高，依用戶決定。統計位于該區間內的殘差樣本點的數量Κ，參與統計的總的殘差樣本點數量記為U，定義有效比例系數S = K/U。當殘差區間設置越小，S越大，說明重構精度越高，殘差數據發散度越小。記重構殘差精度評估參數為M。根據有效比例系數S的值對重構殘差精度進行評估。當S〈M時，認為重構精度低，需進行殘差補償。當S>M時，認為重構精度滿足要求。為獲得較高重構精度，選定得重構殘差精度評估參數Μ的值應大于等于0.85。
[0016]6、殘差補償
[0017]采用線性補償法分別對重構殘差精度低參數進行補償。在初始模型基礎上，首先對重構X軸圖像序列時，重構殘差精度低參數進行線性補償，輸出補償參數，得到第一次補償后世界坐標向量。在此基礎上，對重構Ζ軸圖像序列時重構殘差精度低參數進行線性補償，輸出補償參數，得到第二次補償后世界坐標向量。最后對重構y軸圖像序列時，重構殘差精度低參數進行線性補償，輸出補償參數，輸出高精度重構數據。
[0018]本發明所涉及的采用殘差反饋的SLM顯微視覺數據重構方法，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據，采用線性擬合、多項式擬合等方法矯正視差畸變;然后，在傳統針孔攝像機模型理論基礎上修正ζ坐標的重構方法，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，輸出高精度的重構數據。在以SLM顯微視覺系統為基礎的微操作，微裝配系統中的重構誤差來自多種因素，如視覺模型本身的缺陷、透鏡畸變、驅動組件的定位精度等，重構數據的殘差是所有誤差的綜合體，殘差補償模型對重構數據的殘差進行擬合，補償重構誤差。這種建模方法具有更強的適應能力，對于任意一種SLM視覺系統，只要確定了殘差補償模型就可以輸出高精度的重構數據。
[0019]附圖如下
[0020]圖1為本發明涉及的采用殘差反饋的SLM顯微視覺數據重構方法流程圖
[0021]圖2為本發明涉及的圖像對準與視差畸變矯正方法的流程圖
[0022]圖3為本發明涉及的建立初始視覺模型的流程圖
[0023]圖4為本發明涉及的殘差補償流程圖
[0024]圖5為采用殘差反饋的SLM顯微視覺數據重構方法重構后的殘差數據分布圖
[0025]圖6為本發明涉及的使用針孔模型重構方法的殘差數據分布圖
【具體實施方式】
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[0026]現結合附圖對本發明作進一步詳細闡述。圖1顯示本發明涉及的采用殘差反饋的SLM顯微視覺數據重構方法流程圖，如圖所示，采用殘差反饋的SLM顯微視覺數據重構方法包括以下步驟:
[0027]1、等間距采集SLM立體圖像對
[0028]通過MEMS工藝制作網格狀平面標定樣板，標定樣板上設計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，間隔設置為0.1mm通過SLM顯微視覺系統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角。以左圖像為基準，右圖像坐標旋轉_α角，實現對左右圖像序列對相對旋轉進行校正S25。輸出圖像格點坐標S26。記旋轉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與偏移進行校正實現左右圖像對準S32。輸出經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視覺系統中，視差是重構世界坐標系中ζ坐標的重要技術指標，需采用經圖像對準的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對應關系，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多項式關系，擬