论文部分内容阅读
基于体视显微镜（Stereo Light Microscope，SLM）的显微立体视觉系统通过视觉反馈实现二维或三维的高精度自动定位、导航，挖掘微观领域的三维信息用于三维空间尺度的测量，在视觉引导、微操作、微装配及生物工程等领域有着广阔的应用前景。本文结合微流控芯片检测的科研任务，针对显微立体视觉测量中精度、速度、稳定性三大关键问题，以光学理论和数字图像处理为基础，研究了立体成像规律，形成了以基于非均匀有理B样条（Non-Uniform Rational B-Spline，NURBS）的透视二次投影显微立体匹配、SLM显微立体视觉双重折射变折射率校正、邻域临界SLM显微立体遮挡校正为核心的新SLM显微立体视觉算法。在研究弱视差显微立体视觉模型非线性透视投影耦合关系的基础上，首次提出了用具有透视投影不变性的NURBS曲线的二次投影作为匹配基元的立体匹配算法，该算法消除了透视畸变对立体匹配的影响，在搜索范围从60个像素缩小到10个像素的同时提高了系统的稳定性和鲁棒性。由于微流控芯片盖片的双重折射效应和显微立体视觉系统的复杂性，使芯片的精确测量面临新的挑战。鉴于此，研究了SLM双光路的相关性，提出并建立了SLM显微立体视觉双重折射变折射率校正算法，量化了SLM双光路和盖片对测量精度的影响，实现了对透明封闭容腔的非接触无损快速三维精确测量。邻域临界SLM显微立体遮挡检测校正算法是一种在真三维空间中将遮挡检测、遮挡校正、校正检验融于一体的算法。抓住了遮挡的本质特征及弱视差显微立体视觉的非线性特征，采用变支撑域遮挡临界点定位、局域灰度正反向立体匹配、空间遮挡临界点正交验位的迭代过程，在图像空间挖掘物空间的三维信息，尤其是遮挡部分的深度信息。在理论研究的基础上，开发了SLM显微立体视觉三维测量软件，实现了大视场同步观察、动态显示、非接触无损快速三维测量、微流控芯片实时检测。在物镜倍率0.7～9.0倍下，测量范围横向为31.43～3.49mm，深度方向为2.66～0.068mm。放大倍率为9.0倍时，扩展不确定度(U99)横向为3.4μm，深度方向为5.2μm，测量时间小于20秒。弥补了扫描电镜、原子力显微镜、轮廓仪等测量设备视场范围小、测量速度慢、有损、高成本等不足。本文的研究解决了微装配、微操作中的精确定位与三维测量的难题，为SLM显微立体视觉技术的广泛应用奠定了基础。