显微立体视觉系统标定与微结构半遮挡研究

论文摘要

基于体视显微镜（Stereo Light Microscope，SLM）的显微立体视觉系统在微观研究领域得到广泛应用，通过视觉反馈可实现高精度的三维测量和定位。半遮挡（Half-Occlusion）是影响立体匹配和三维重构的一个重要因素。为了分析微结构在显微立体视觉中的半遮挡情况，首先研究了视觉系统的标定方法，获得了内外参数，然后建立了分析模型，对微沟道在显微立体视觉中的半遮挡情况进行了初步分析与实验验证。本文借鉴张正友的线性视觉模型标定理论，考虑显微立体视觉的特性，建立了一种两步标定方法：①把多幅图像做为数据源，通过Harris算子获得图像的角点。进行一次标定，获得光学放大倍率。然后，在SLM定值工作距离的约束条件下，求解出焦距，从而获得了完整的内参数；最后通过第二步标定获得视觉系统的外参数；②在显微立体视觉系统的基础上搭建了视觉系统标定硬件平台，完成了标定样板的设计与制作。并且对相应部件进行了调平、对准等工作。实验中，验证了此标定系统的实用性；③对采用CMO-SLM的显微立体视觉系统进行了标定，对每个参数的标定值分别求解其均值、均方差以及相对误差，其中放大倍率和焦距的相对误差小于1.7％。分别针对G-SLM与CMO-SLM中微结构的半遮挡问题进行阐述，研究了实验验证方案，进行了实验验证。共开展五方面工作：①基于针孔视觉模型和共轴球面透镜成像模型，分别建立了G-SLM和CMO-SLM的微结构半遮挡分析视觉模型；②求取了单子光路的视野范围，半遮挡临界角与物点坐标、子光路半夹角、焦距、CCD靶面宽度等参数的关系式；③分析了微沟道的遮挡问题。分别针对理想微沟道与非理想微沟道，利用分析模型对特定内壁倾角的微沟道进行了半遮挡分析；④对半遮挡分析结果进行了实验验证。利用标定样板与硅模具热压而成的不存在半遮挡的微沟道来模拟各个连续内壁倾角的微沟道，实验中，求得9.0×时，视野中心的半遮挡临界角为82.6°，绝对误差的平均值为1.04°；⑤分析了对侧内壁遮挡的微沟道，求取了不发生对侧遮挡的微沟道深宽比的范围。视觉系统的标定为微结构的半遮挡提供了前提，而半遮挡的分析与实验验证为半遮挡的解决奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景及应用价值
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 显微立体视觉系统研究现状
• 1.2.2 立体视觉系统标定方法和半遮挡的发展
• 1.2.2.1 视觉系统中标定方法
• 1.2.2.2 视觉系统中的半遮挡
• 1.3 本文主要研究内容
• 2 显微立体视觉系统与标定理论基础
• 2.1 显微立体视觉系统
• 2.1.1 硬件系统
• 2.1.2 弱视差视觉模型
• 2.1.3 微结构的测量
• 2.1.4 观测对象
• 2.2 针孔视觉模型及其标定理论
• 3.1.1.1 像面坐标与摄像机坐标之间的关系
• 3.1.1.2 世界坐标与摄像机坐标之间的关系
• 3.1.1.4 内外参数的求解
• 2.3 本章小结
• 3 显微立体视觉系统标定方法研究
• 3.1 显微立体视觉两步标定方法
• 3.1.1 两步标定方法的基本思想
• 3.1.2 一次标定获得内参数
• 3.1.3 二次标定获得外参数
• 3.2 实验装置
• 3.2.1 旋转平台
• 3.2.2 标定样板
• 3.2.2.1 标定样板的用途
• 3.2.2.2 I型标定样板
• 3.2.2.3 II型标定样板设计与制作
• 3.3 显微立体视觉系统标定过程
• 3.3.1 实验准备工作
• 3.3.2 Harris角点提取
• 3.3.3 获得图像空间与物空间的数据
• 3.3.4 编译环境与OpenCV
• 3.3.1.1 编译环境与面向对象的程序设计
• 3.3.4.2 OpenCV简介
• 3.3.4.3 标定函数的设值
• 3.4 标定实验结果分析
• 3.4.1 内参数标定结果
• 3.4.1.1 放大倍率标定结果分析
• 3.4.1.2 焦距标定结果分析
• 3.4.2 外参数标定结果
• 3.4.2.1 旋转矩阵标定结果分析
• 3.4.2.2 平移向量标定结果分析
• 3.4.3 综合标定结果
• 3.4 软件系统
• 3.5 本章小结
• 4 显微立体视觉系统中微结构半遮挡分析
• 4.1 需求分析
• 4.2 半遮挡分析视觉模型
• 4.2.1 CMO-SLM显微立体视觉半遮挡分析模型
• 4.2.2 G-SLM显微立体视觉半遮挡分析模型
• 4.3 视野范围与遮挡角的求取
• 4.3.1 CMO-SLM下视野范围与遮挡角的求取
• 4.3.1.1 单目视野范围求取
• 4.3.1.2 遮挡角与物点位置的关系
• 4.3.2 G-SLM下视野范围与遮挡角的求取
• 4.3.2.1 单目视野范围求取
• 4.3.2.2 遮挡角与物点位置的关系
• 4.4 SLM中微沟道半遮挡分析与实验
• 4.4.1 微沟道半遮挡分析
• 4.4.1.1 G型SLM下微沟道半遮挡分析
• 4.4.1.2 CMO型SLM下微沟道半遮挡分析
• 4.4.2 模拟微沟道内壁倾角的实验方法与实验验证
• 4.4.3 SLM中产生对侧遮挡的微沟道深宽比求解
• 4.6 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢