一种扫描电子显微镜成像系统的建模方法技术方案

本发明专利技术公开一种扫描电子显微镜成像系统的建模方法，属于计算机视觉领域，其包括S1:建立扫描电子显微镜成像系统的放大倍率m与在该放大倍率下扫描电子显微镜成像系统成像模型矩阵K间的关系，进而推算获得成像模型，S2：解算模型矩阵K，获得扫描电子显微镜成像系统的模型。本发明专利技术方法基于扫描电子显微镜成像系统的模型参数随着放大倍率的连续性变化原理，建立了基于扫描电子显微镜成像系统的模型参数与放大倍率之间的函数映射，在此基础上建立了成像模型，该模型可在实际工程中应用。

【技术实现步骤摘要】
一种扫描电子显微镜成像系统的建模方法
本专利技术属于计算机视觉领域，具体涉及一种扫描电子显微镜成像系统的建模方法。
技术介绍
随着纳米科技的发展，在生命科学、材料科学、质量检测与控制等领域，对微纳尺度下样品进行视觉测量、反馈和操纵的需求越来越大。扫描电子显微镜(SEM)在图像获取和采集有着其公认的优势，例如：具有较大的景深、纳米尺度级别的分辨率、易用性高并且放大倍率可由低倍(10×)到高倍(高达50000倍)调节，扫描电子显微镜(SEM)广泛应用在图像获取和采集的应用场景中。然而，由于扫描电子显微镜(SEM)是被以可视化为目的进行设计和制造的，在度量尺度方面并无优势。因此，对其进行成像建模便成为不可或缺的技术环节。L.Reimer曾指出SEM的成像过程可以近似为透视投影过程[L.Reimer.ScanningElectronMicroscopy:PhysicsofImageFormationandMicroanalysis.MeasurementScienceandTechnology.2000,11(12):1826]。在此模型中，图像的像素点对应的空间直线都会会聚在空间中的一点，基于此几何约束，Tasi[TsaiR.Aversatilecameracalibrationtechniqueforhigh-accuracy3Dmachinevisionmetrologyusingoff-the-shelfTVcamerasandlenses.IEEEJournalonRoboticsandAutomation,1987,3(4):323-344.]，张正友[ZhangZ.Aflexiblenewtechniqueforcameracalibration.IEEETransactionsonpatternanalysisandmachineintelligence,2000,22(11):1330-1334.]等人的经典的透视模型建模方法均可用于对扫描电子显微镜(SEM)进行建模标定。最近的研究表明：当扫描电子显微镜(SEM)成像系统的放大倍数较低时，视场和视角较大，可使用透视投影模型对成像系统进行建模；而当放大倍数较大时，视场和视角均非常小，扫描电子显微镜(SEM)成像系统的成像过程近似为平行投影过程，此时采用透视投影模型会存在严重的模型误差。部分研究单位此时使用平行投影进行建模。如，MASutton[M.Sutton,N.Li,D.Garcia,N.Cornille,J.Orteu,S.McNeill,H.Schreier,X.Li,A.Reynolds.ScanningElectronMicroscopyforQuantitativeSmallandLargeDeformationMeasurementsPartIi:ExperimentalValidationforMagnificationsfrom200to10,000.Experimentalmechanics.2007,47(6):789-804]认为在200×到1000×之间时候，选择透视模型较好。同时，TUBerlin[O.Sinram,M.Ritter,S.Kleindick,A.Schertel,H.Hohenberg,J.Albertz.CalibrationofanSem,UsingaNanoPositioningTiltingTableandaMicroscopicCalibrationPyramid.INTERNATIONALARCHIVESOFPHOTOGRAMMETRYREMOTESENSINGANDSPATIALINFORMATIONSCIENCES.2002,34(5):210-215]的研究表明，这个临界的数值应该在500×，即在500×以下的时候用透视模型建模，500×以上时候采用平行投影模型。但是，上述的建模方法均为离散建模方法，即针对不同的放大倍率分别利用透视或者平行投影模型对扫描电子显微镜(SEM)进行建模，但是，利用扫描电子显微镜(SEM)对某一样品进行基于视觉的三维重建时，既需要有整体形貌又需要有局部的细节，这便要求在同一测量场景下对不同的放大倍率进行建模标定。这为实际的使用带来极大困难。综上所述，现有扫描电子显微镜(SEM)成像模型在实际应用中仍存在着许多壁垒。因此，需要开发一种确实可行的针对扫描电子显微镜(SEM)的成像模型和其对应的模型解算方法。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种扫描电子显微镜(SEM)成像系统的建模方法，该方法基于扫描电子显微镜(SEM)成像系统的模型参数随着放大倍率连续性变化原理，建立了基于扫描电子显微镜(SEM)成像系统的模型参数与放大倍率之间的函数映射，在此基础上建立了成像模型以及对成像模型的关键参数进行解算。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种扫描电子显微镜(SEM)成像系统的建模方法，其包括如下步骤：S1：建立扫描电子显微镜的放大倍率m与在该放大倍率下扫描电子显微镜成像系统成像模型矩阵K间的关系，进而推算获得成像模型，所述成像模型如下：其中，分别为图像平面上像素点的齐次坐标和像素点在三维空间中对应的空间点的齐次坐标，A表示扫描电子显微镜的内部参数矩阵，[RT]表示扫描电子显微镜的外部参数矩阵，K为所述扫描电子显微镜(SEM)成像系统放大倍率下成像模型矩阵，即像素点的齐次坐标和在三维空间中对应的空间点的齐次坐标的映射关系，s表示尺度缩放因子，m为扫描电子显微镜(SEM)的任一放大倍率，(k1(m),k2(m),k3(m),...,k10(m),k11(m))表示利用径向基算子表达的模型矩阵K的11个参数。S2：解算模型矩阵K，获得成像系统的模型。进一步的，步骤S1中，建立扫描电子显微镜(SEM)的放大倍率m与在该放大倍率下扫描电子显微镜(SEM)成像系统成像模型矩阵K间的关系，进而推算获得成像模型的具体过程如下：对于扫描电子显微镜图像平面上任意一个像素点齐次坐标(为齐次坐标形式)在三维空间中对应点映射关系可表达为：其中，分别为图像平面上像素点的齐次坐标和在三维空间中对应的空间点的齐次坐标。K表示成像模型矩阵，即两者的映射关系，A表示扫描电子显微镜的内部参数矩阵，[RT]表示扫描电子显微镜的外部参数矩阵，s表示尺度缩放因子。采用了径向基算子来表达扫描电子显微镜放大倍率m和系统成像模型矩阵K的关系，具体的，将系统成像模型矩阵K的11个参数分别用扫描电子显微镜放大倍率m作为变元的径向基算子表示如下：其中，(k1(m),k2(m),k3(m),...,k10(m),k11(m))表示利用径向基算子表达的模型矩阵的11个参数，其中，对于(k1(m),k2(m),k3(m),...,k10(m),k11(m))中的一个算子表达k(m)，如下：其中，ci(i＝1...P)为随机选取的样本放大倍率，P表示样品放大倍率的个数。|.|表示绝对值，φ为径向基算子的核函数，a0,a1与w1,w2,…,wP均为径向基算子待求系数。所述的径向基算子的核函数φ为高斯函数φ(r)＝exp(-β2r2)或者multi-quadricsφ(r)＝(β2+r本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种扫描电子显微镜成像系统的建模方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1：建立扫描电子显微镜成像系统的放大倍率m与在该放大倍率下扫描电子显微镜成像系统成像模型矩阵K间的关系，进而推算获得成像模型，所述成像模型如下：

【技术特征摘要】
1.一种扫描电子显微镜成像系统的建模方法，其特征在于，其包括如下步骤：S1：建立扫描电子显微镜成像系统的放大倍率m与在该放大倍率下扫描电子显微镜成像系统成像模型矩阵K间的关系，进而推算获得成像模型，所述成像模型如下：K＝A[RT]，其中，分别为图像平面上像素点的齐次坐标和该像素点在三维空间中对应的空间点的齐次坐标，A表示扫描电子显微镜成像系统的内部参数矩阵，[RT]表示扫描电子显微镜成像系统的外部参数矩阵，K为扫描电子显微镜成像系统的成像模型矩阵，即像素点的齐次坐标和在三维空间中该像素点对应的空间点的齐次坐标的映射关系，s表示尺度缩放因子，m为扫描电子显微镜成像系统的任一放大倍率，(k1(m),k2(m),k3(m),...,k10(m),k11(m))表示利用径向基算子表达的模型矩阵K的十一个参数，S2：解算模型矩阵K，获得扫描电子显微镜成像系统的模型。2.如权利要求1所述的一种扫描电子显微镜成像系统的建模方法，其特征在于，步骤S1中，建立成像系统的放大倍率m与在该放大倍率下扫描电子显微镜成像系统成像模型矩阵K间的关系，进而推算获得成像模型的过程包括首先推算获得参数矩阵Hwa，接着解算参数矩阵Hwa。3.如权利要求2所述的一种扫描电子显微镜成像系统的建模方法，其特征在于，推算获得参数矩阵Hwa的过程如下：对于扫描电子显微镜图像平面上任意一个像素点齐次坐标在三维空间中对应点的像素坐标间映射关系可表达为：其中，分别为扫描电子显微镜图像平面上像素点的齐次坐标和在三维空间中该齐次坐标对应的空间点的齐次坐标，K表示模型矩阵，A表示扫描电子显微镜成像系统的内部参数矩阵，[RT]表示扫描电子显微镜成像系统的外部参数矩阵，s表示尺度缩放因子，采用径向基算子来表达扫描电子显微镜成像系统放大倍率m和模型矩阵K的关系，具体的，将模型矩阵K的十一个参数分别用扫描电子显微镜放大倍率m作为变元的径向基算子表示如下：其中，(k1(m),k2(m),k3(m),...,k10(m),k11(m))表示利用径向基算子表达的模型矩阵的十一个参数，其中，对于(k1(m),k2(m),k3(m),...,k10(m),k11(m))中的一个算子k(m)表达如下：其中，ci(i＝1...P)为随机选取的样本放大倍率，P表示样品放大倍率的个数，|.|表示绝对值，φ为径向基算子的核函数，a0,a1与w1,w2,…,wP均为径向基算子待求系数，所述的径向基算子的核函数φ为高斯函数或者multi-quadrics，将径向基算子待求系数a＝(a0,a1)与w＝(w1,w2,…,wP)合并表示为hwa，称之为系数矩阵，Φ(m)＝[φ(m-c1),φ(m-c2),...,φ(m-cP)]表示核函数矩阵，p(m)＝(1,m)。则，对于扫描电子显微镜放大倍率m所对应的系统成像模型矩阵K的十一个参数可表示为：

【专利技术属性】
技术研发人员：李中伟，刘行健，史玉升，钟凯，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42