面向复杂作业的微操作机器人系统视觉反馈与定位研究

论文摘要

微操作机器人是机器人技术向微细操作领域的延伸,它使微操作从繁复的手工操作中解放出来。随着微操作技术的发展和微观研究的深入,多目标操作和批量目标操作已逐渐成为微操作的研究重点。针对批量目标微操作存在的问题,本文将复杂作业的概念引入微操作领域,在原有面向生物工程的微操作机器人基础上,针对微操作复杂作业所需要的视觉反馈与定位问题进行了深入的研究。本文工作主要包括以下几个方面:显微镜狭小的视野范围给微操作复杂作业造成了诸多不便,是制约大范围微操作的主要因素,为此,本文提出了一种基于图像拼接的显微视野拓展方法。该方法结合基于区域和基于特征两类图像拼接方法,在保证拼接精度的前提下,可在线完成视野拓展。同时,本文借助不同放大倍数的显微镜物镜,建立分层递阶的体系结构,最终在线构建了具有厘米级范围、亚微米分辨率的全局视野,为微操作复杂作业提供了广阔的视觉反馈。在分析显微成像特征和显微成像模型的基础上,提出了一种适用于模糊显微图像的半盲图像复原方法。该方法将成像系统的点扩散函数建模为二维高斯函数,并将Canny边缘检测引入图像复原领域,最终实现了模糊显微图像的复原,为微操作复杂作业提供了清晰的视觉反馈。在现有目标定位方法基础上,提出了批量目标分层全局定位方法。该方法基于分层策略,将全局视野分块处理,有效缩短了目标定位的总体时间;同时,分层信息也可用于简化属于NP完全问题的目标排序问题,由此完成了微操作复杂作业的准备工作。针对批量生物目标微操作中特有的目标重定位问题,还提出了一种目标组重定位方法。该方法基于邻近目标构型,可在批量目标多次显微观察中找到同一目标,为进一步批量生物目标微操作的成功率与致死率的定量统计打下了基础。显微镜视野狭小表现在光轴方向就是景深小:只能在很小范围内成清晰的像,而离焦面只能得到模糊的显微图像。若以离焦显微图像作为视觉反馈,手工方式将无法完成微操作。但这种离焦显微图像本质上是一种“有规律”的模糊,只要理解人眼无法读懂之“规律”,便可解决微操作工具在离焦状态下的定位问题,微操作机器人系统在这种状态下的操作也成为了可能。本文在分析显微镜物镜成像原理的基础上,提出了一种基于离焦光学传递函数的深度方向定位方法。该方法在显微成像模型中加入了透镜参数与衍射效应的影响,具有较高的定位精度和较好的线性度。该方法实现了微操作工具的在线定位,可应用于高精度微操作复杂作业。最后,结合当前基因工程领域的前沿问题,设计并实现了针对批量生物目标的显微图像平面视野拓展与定位实验和基于离焦显微图像反馈的深度方向定位实验,由此验证了文中方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 第一节 微操作机器人系统概述
• 1.1.1 微操作的特点
• 1.1.2 微操作机器人的概念与组成
• 1.1.3 微操作机器人系统的发展与应用
• 1.1.4 面向生物工程的微操作机器人系统
• 第二节 微操作复杂作业
• 1.2.1 微操作复杂作业
• 1.2.2 微操作中的视野拓展技术研究现状
• 1.2.3 微操作中的定位技术研究现状
• 第三节 论文的主要研究内容
• 1.3.1 论文主要研究内容
• 1.3.2 论文章节安排
• 1.3.3 论文组织框架
• 第二章 基于图像拼接的显微视野拓展
• 第一节 引言
• 第二节 基于混合策略的显微图像拼接方法
• 2.2.1 基于混合策略的显微图像拼接方法
• 2.2.2 SIFT特征检测与图像特征匹配
• 2.2.3 基于SIFT特征的图像区域匹配
• 2.2.4 混合策略中的局部图像定位
• 2.2.5 图像拼接冲突与解决方案
• 2.2.6 简化的多波段图像融合
• 第三节 基于分层递阶结构的全局视野
• 第四节 显微视野拓展与全局视野构建实验
• 2.4.1 SIFT特征检测及参数分析
• 2.4.2 显微图像拼接结果
• 2.4.3 分层递阶结构的全局视野
• 第五节 小结
• 第三章 基于Canny边缘检测的显微图像复原
• 第一节 引言
• 第二节 模糊显微图像分析
• 第三节 基于Canny边缘检侧的半盲图像复原
• 3.3.1 基于Canny边缘检侧的半盲图像复原算法
• 3.3.2 图像复原算法的各向异性扩散特性
• 3.3.3 图像复原算法离散化
• 3.3.4 正则化参数分析
• 第四节 基于Canny边缘检测的图像复原实验
• 3.4.1 显微图像复原结果
• 3.4.2 常规图像的复原结果对比
• 第五节 小结
• 第四章 全局视野中的目标全局定位与重定位
• 第一节 引言
• 第二节 全局视野中的目标分层全局定位方法
• 4.2.1 目标的分层全局定位
• 4.2.2 图像块中目标局部定位
• 4.2.3 分层目标全局定位实验
• 第三节 全局视野中的目标组重定位方法
• 4.3.1 基于邻近目标构型的目标组匹配方法
• 4.3.2 基于邻近目标构型的目标组重定位方法
• 4.3.3 基于邻近目标构型的目标组重定位仿真实验
• 第四节 分层目标排序方法
• 4.4.1 分层目标排序方法
• 4.4.2 全局视野标准坐标系研究
• 第五节 小结
• 第五章 基于离焦显微图像反馈的微操作工具深度方向定位
• 第一节 引言
• 第二节 基于离焦光学传递函数的显微成像系统模型
• 5.2.1 光学显微镜物镜参数分析
• 5.2.2 显微镜物镜离焦光学传递函数
• 5.2.3 离焦光学传递函数离散化
• 5.2.4 显微数字成像系统的离焦成像模型
• 第三节 微操作工具深度方向在线定位方法
• 5.3.1 理论离焦量计算
• 5.3.2 条状物体快速辨识算法
• 5.3.3 微操作工具深度方向定位
• 第四节 微针深度方向定位实验
• 5.4.1 离焦光学传递函数模型参数
• 5.4.2 标定实验设计
• 5.4.3 微针深度方向定位
• 5.4.4 与高斯成像模型结果对比
• 第五节 小结
• 第六章 批量生物目标显微视野拓展与定位实验
• 第一节 面向复杂作业的微操作机器人系统
• 6.1.1 微操作机器人系统机械及硬件结构
• 6.1.2 微操作机器人系统软件平台
• 6.1.3 全自动的显微视觉系统
• 第二节 批量生物目标微操作复杂作业实验设计
• 第三节 基于全局视野的显微图像平面视野拓展与定位实验
• 第四节 基于离焦显微图像反馈的深度方向定位实验
• 第五节 小结
• 第七章 结论与展望
• 第一节 结论
• 第二节 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果