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专利摘要

本发明涉及一种三维微观形貌斜扫描方法及装置。该方法是通过计算机控制三个步进电机调整聚焦物体位置，保证在斜扫描的过程中始终保持聚焦观察对象在中心位置，并得到物体焦平面内的图像纹理和高程信息，再通过图像合成和重构得到比较大的尺度的三维形貌图。该装置包括计算机、显微镜和设置在显微镜上的摄像头(1)；显微镜的载物平台(13)装有载物楔形台(14)；载物楔形台与显微镜载物平台β＝5～40度的倾角构成斜焦平面视场，其三维运动空间坐标与摄像头在该坐标下的图像同时输入到计算机数据库中，在此基础上重构三维微观形貌高程和纹理信息。本发明避免了在不聚焦的区域做无用的工作，减少扫描时间，提高了扫描速度和效率。 ......

基本信息

专利类型:
发明专利
申请/专利号:
CN200810046840.6
申请日期:
2008-01-31
专利申请人:
武汉交通科技研究院有限责任公司
分类号:
G01B11/24 ; G06T17/00
发明/设计人:
吕植勇，严新平，彭雅芳
权利要求: 1.一种三维微观形貌斜扫描方法，其特征是：放置在显微镜的载物楔形台(14)上的样品，其微观形貌图像经显微镜在摄像头(1)成像后，由图像采集卡(2)输送到图像处理计算机(3)分析该微观形貌图像中的焦平面范围所在的位置，然后通过计算机控制X、Y和Z轴步进电机或伺服电机驱动载物平台(13)沿着载物楔形台(14)移动，在载物楔形台(14)移动过程中，由位移记录仪将载物平台(13)的移动信号传输到计算机中，得到载物平台的三维坐标的值，并将该坐标的值与采集微观形貌图像序列号建立一一对应关系；并通过计算机利用聚焦评价函数对每幅图像聚焦区域进行划分，每幅图像的聚焦区域作为该图像三维定位坐标的高程区域的范围，每幅聚焦区域范围内图像纹理构成整个重构大尺度图像纹理；非聚焦区域范围内图像纹理去掉，不构成整个重构大尺度图像纹理；然后将每幅聚焦范围的高程信息和图像纹理集成到整个重构大尺度高程图和图像纹理，使焦平面中每个像素颜色值与空间坐标值重新建立一一对应关系进行重构，得到一个更大范围的三维微观形貌。2.根据权利要求1所述的三维微观形貌斜扫描方法，其特征是具体采用包括以下步骤的方法：第一步，将样品放置在显微镜的载物楔形台(14)上，载物平台(13)由计算机控制的X、Y和Z轴步进电机在X、Y、Z轴三个方向上带着样品作平移，并且通过人工确定初始基准坐标，记录第一帧的空间位置P、L、H的值，P、L、H分别是原点O坐标下的X、Y、Z坐标；其中在X轴方向按照显微镜景深的1/2～1/100进行平移，在Y轴方向按照在Y轴方向的图像与图像重叠1/5～1/20进行平移，在Z轴并保持该聚焦范围的图像在采集图像移动方向上的中间的2/3～3/4区域内；第二步，对样本采集微观图像：利用摄像头(1)将物体表面纹理图像传输到图像采集卡(2)；第三步，图像采集卡(2)将图像信息输送到图像处理计算机(3)进行图像处理，利用梯度算子对采集的图像进行卷积运算，得到焦平面的评价矩阵；第四步，对卷积运算得到图像进行二值化，再对二值化图像进行膨胀图像形态学处理，得到焦平面的范围二值化图像，然后对二值化图像进行膨胀图像形态学处理，得到焦平面的范围；第五步，如果将H高程与焦平面的范围二值化图像矩阵进行矩阵相乘，得到焦平面的高程矩阵；如果将原始图像的矩阵与焦平面的范围二值化图像矩阵相乘，得到焦平面纹理图像矩阵；第六步，将上一次得到H高程矩阵和焦平面纹理图像矩阵，与新得到H高程矩阵和焦平面纹理图像矩阵，按照坐标P、L的值将新的高程信息添加到上次合成的高程信息和焦平面纹理图像中，得到新的合成新得到H高程矩阵和焦平面纹理图像矩阵；第七步，升高载物平台的空间位置，分析焦平面作在的空间位置，焦平面范围是否会脱离焦平面图像T；第八步，如果焦平面范围会脱离焦平面图像T，通过调整载物平台Y轴坐标，将焦平面范围移到中间，并记录坐标P、L、H的值；第九步，判断是否处理完所有的采集的焦平面图像，如果是，提交微观物体的微观新貌的高程信息图和微观新貌纹理图，否则按下述第十步进行；第十步，将新合成的高程信息图和纹理图矩阵赋给上一次合成矩阵中，作为下一次循环处理的初始矩阵。3.根据权利要求2所述的三维微观形貌斜扫描方法，其特征是：第三步中，梯度算子采用Sobel算子、Krisch算子、Prewit算子、Laplacian算子或log算子。4.根据权利要求2所述的三维微观形貌斜扫描方法，其特征是：第四步中，通过计算所有焦平面区域范围的重心或形心，当焦平面区域范围图像(19)的重心偏移到显微镜景深范围图像(18)的中心位置的时候，通过计算机控制系统驱动X、Y和Z轴步进电机或伺服电机驱动载物平台(13)，保证焦平面区域范围图像(19)的重心在显微镜景深范围图像(18)的中心位置。5.根据权利要求2所述的三维微观形貌斜扫描方法，其特征是：第三步中，在图像采集卡2将图像信息输送到图像处理计算机3中的同时建立图像零点两个坐标体系，一个是以显微镜为参考的坐标体系O(X，Y，Z)的某点Fn(Xn，Yn，Zn)，另一个是从摄像头1采集的图像为坐标体系on(x，y，z)中的某点Fn(a，b，Hn)，两者的坐标转换关系为：Xn＝an+PnYn＝bn+LnZn＝Hn上述Xn、Yn、Zn为显微镜空间坐标，Pn、Ln、Hn为采集的第n幅图像的左上角在O(X，Y，Z)空间的坐标位置，a、b为焦平面区域范围图像(19)的某点在on(x，y，z)空间的坐标位置，依靠计算机对伺服电机控制来移动载物平台确立P、L、H值，a、b值则依靠计算机对焦平面图像分析得到焦平面的坐标范围来确立，然后将不同高程焦平面信息和纹理信息进行合成。6.根据权利要求5所述的三维微观形貌斜扫描方法，其特征是：如果相邻两帧焦平面图像有重叠的，则高程取两重叠的焦平面高程的均值。7.根据权利要求1或2所述的三维微观形貌斜扫描方法，其特征是：对于焦平面需要进行跟踪，方法是：需要不断的调整载物平台的Z轴的空间位置，将采集的图像划分为上、中、下三个警戒区，保证物体表面成像在被检测的中间区域，如果焦平面在上或下警戒区域，则由计算机向伺服机构发出控制信号，调整载物平台(13)的Y轴的位移，图像中焦平面所在的位置在中间，并且记录该平台的空间位置；或者在图像处理时，将焦平面的图像区域进行划分为上宏观偏移、宏观不偏移和下宏观偏移，并通过卡尔曼滤波技术对微观三维形貌进行航迹跟踪，当焦平面偏移出视场范围后，通过调节伺服机构，对宏观偏移进行补偿，保持斜焦平面在显微镜的采集图像装置的视场范围内，并计算宏观偏移量；最后，将微观偏移量与宏观偏移量，以及光学系统的畸变误差补偿进行耦合和图像重构，将每幅图像焦平面区域作为高程信息，将每幅焦平面的纹理作为整个图像的纹理，将所有采集到的图像焦平面的高程信息和纹理信息合成到一幅图像中，构成大尺度的的三维形貌。8.根据权利要求1所述的三维微观形貌斜扫描方法，其特征是：摄像头(1)采集路线按照回廊方式进行扫描，图像拼接方法也按照回廊方式进行拼接；或者摄像头采集路线按照之字方式进行扫描，图像拼接方法也按照之字方式进行拼接；或者摄像头采集路线按照回头重复方式进行扫描，图像拼接方法也按照回头重复方式进行拼接。9.一种实现权利要求1至8中任一权利要求所述三维微观形貌斜扫描方法的扫描装置，包括计算机、显微镜和设置在显微镜上的摄像头(1)，其特征是：显微镜的载物平台(13)装有载物楔形台(14)，载物楔形台与显微镜载物平台β＝5～40度，载物楔形台(14)与载物平台(13)一起由计算机控制的X、Y和Z轴步进电机或伺服电机驱动做平移运动，载物楔形台(14)的X、Y和Z轴三维运动空间坐标与摄像头采集到物体表面图像的同时输入到计算机数据库中，建立一一对应关系。10.根据权利要求9所述的扫描装置，其特征是：不使用载物楔形台(14)，在X、Y轴上可以移动的载物平台与水平面扫描方向呈β角，β＝5～40度，构成斜焦平面视场。