一种基于移动光阑的显微三维测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于移动光阑的显微三维测量系统及方法，其通过在光学显微成像系统中加入光阑，通过限制成像过程中光的照射角度来减小弥散斑的大小，从而扩大了成像系统的景深和深度测量范围，实现了大尺寸观测物体的三维测量；通过改变加入的光阑的位置得到不同光入射方向的两幅图像，与双目立体视觉类似，利用两幅图像之间的视差对应关系来预测深度，进行场景三维重建；由于成像系统的景深得到扩大，成像模型呈现一定的非线性特性，因此本发明专利技术采用二次函数来表达这种非线性，减小了测量误差。

A microscopic 3D measurement system and method based on moving diaphragm

The invention discloses a micro three-dimensional measurement system and method based on a moving diaphragm. By adding an aperture to the optical microscopic imaging system, the size of the dispersion spot is reduced by limiting the illumination angle of the light in the imaging process, thus expanding the depth of field and depth measurement of the imaging system and realizing the large size observation. Two images of different light incidence are obtained by changing the position of the added aperture. Similar to binocular stereovision, the depth of the scene is predicted by the parallax relationship between the two images, and the 3D reconstruction of the scene is carried out. The imaging model presents a certain non line because the depth of the imaging system is enlarged. Therefore, the invention uses the two function to express this nonlinearity and reduces the measurement error.

【技术实现步骤摘要】
一种基于移动光阑的显微三维测量系统及方法
本专利技术涉及一种显微三维测量技术，尤其是涉及一种基于移动光阑的显微三维测量系统及方法。
技术介绍
光学显微镜是一种常用的三维微测量仪器，其在生物医学、质量检测和工业微操等中，用来测量空间点的三维坐标，取得实验数据，方便进行定量的分析，以提高产品质量、改进制造工艺和保证科学研究的准确性。目前，常常使用数码体视显微镜来实现显微三维测量。计算机获取数码体视显微镜拍摄的左图像和右图像，使用现有的立体视觉测量方法，进行参数标定、立体匹配和三维重建，最终达到三维测量的目的。但是，由于光学显微镜存在视场小、离焦现象严重、景深浅等缺点，因此若三维待观测物体的尺寸超出光学显微镜的浅景深范围，则三维待观测物体的清晰左图像和清晰右图像难以获得，最终导致三维测量无法实现。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于移动光阑的显微三维测量系统及方法，其利用光阑扩大了景深和深度测量范围，从而能够实现大尺寸观测物体的三维测量。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于移动光阑的显微三维测量系统，包括光学显微镜、加装于所述的光学显微镜上且对准所述的光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于移动光阑的显微三维测量系统，包括光学显微镜、加装于所述的光学显微镜上且对准所述的光学显微镜的目镜的相机、用于水平放置圆点标定板的升降台、计算机，所述的光学显微镜布置于所述的圆点标定板的正上方使所述的光学显微镜的目镜正对所述的圆点标定板，所述的相机的输出端与所述的计算机连接，所述的升降台的驱动电机与所述的计算机连接，其特征在于：所述的光学显微镜的目镜与所述的圆点标定板之间布置有可水平左右移动的光阑，所述的光学显微镜的光轴与所述的升降台的移动轨迹一致，所述的光学显微镜的光轴与所述的圆点标定板垂直，所述的光学显微镜的光轴与所述的光阑的移动轨迹垂直。

【技术特征摘要】
1.一种基于移动光阑的显微三维测量系统，包括光学显微镜、加装于所述的光学显微镜上且对准所述的光学显微镜的目镜的相机、用于水平放置圆点标定板的升降台、计算机，所述的光学显微镜布置于所述的圆点标定板的正上方使所述的光学显微镜的目镜正对所述的圆点标定板，所述的相机的输出端与所述的计算机连接，所述的升降台的驱动电机与所述的计算机连接，其特征在于：所述的光学显微镜的目镜与所述的圆点标定板之间布置有可水平左右移动的光阑，所述的光学显微镜的光轴与所述的升降台的移动轨迹一致，所述的光学显微镜的光轴与所述的圆点标定板垂直，所述的光学显微镜的光轴与所述的光阑的移动轨迹垂直。2.根据权利要求1所述的一种基于移动光阑的显微三维测量系统，其特征在于：该显微三维测量系统还包括用于带动所述的光阑水平左右移动的滑台，所述的滑台的驱动电机与所述的计算机连接。3.一种权利要求2所述的基于移动光阑的显微三维测量系统相应的方法，其特征在于：包括以下步骤：①使光学显微镜的光轴与升降台的移动轨迹一致；然后将一块圆点标定板水平放置于升降台的顶端平面上，并使圆点标定板与光学显微镜的光轴垂直；接着使装于滑台上的光阑的移动轨迹与光学显微镜的光轴垂直；再使光阑位于光学显微镜的目镜与圆点标定板之间；其中，圆点标定板中的相邻两个实心圆点的中心间距为e，圆点标定板中的实心圆点的直径为d，d<e，d和e的单位均为mm，光阑的小孔的直径为D，D∈[1,5]，D的单位为mm；②确定光阑的小孔的初始位置：控制滑台使光阑的小孔中心位于光学显微镜的光轴上；然后控制滑台使光阑水平左移L，即使得光阑的小孔中心与光学显微镜的光轴之间的距离为L，将光阑的小孔中心此时的位置确定为光阑的小孔的初始位置，并记为TL；其中，L∈[2,4]，L的单位为mm；确定圆点标定板的初始位置：控制升降台带动圆点标定板垂直移动，在观察者从计算机观察到的圆点标定板图像最清晰时控制升降台停止移动；然后控制升降台带动圆点标定板垂直上移，在观察者从计算机观察到的圆点标定板图像从最清晰转变为刚好模糊时控制升降台停止垂直上移，将升降台此次垂直上移的距离记为ZS，并将圆点标定板此时的位置确定为圆点标定板的初始位置，并记为P0；其中，ZS的单位为mm；③在圆点标定板处于初始位置P0时，在圆点标定板中的4个实心圆点上各放置一个微小标记物，并使得以4个微小标记物所在的实心圆点的中心为顶点构成的形状始终为矩形；然后观察者观察计算机显示的圆点标定板图像，移动4个微小标记物，使得以4个微小标记物所在的实心圆点的中心为顶点构成的矩形呈现在圆点标定板图像中且为面积最大的矩形，将该矩形记为A'；④控制滑台使光阑水平右移2L，将光阑的小孔此时的位置记为TR；然后观察者观察计算机显示的圆点标定板图像，移动4个微小标记物，使得以4个微小标记物所在的实心圆点的中心为顶点构成的矩形呈现在圆点标定板图像中且为面积最大的矩形，将该矩形记为A，并保存此时的圆点标定板图像，记为再控制滑台使光阑水平左移2L，使光阑的小孔处于位置TL，并保存此时的圆点标定板图像，记为其中，A包含于A'内，在圆点标定板上A在宽度方向上包含的实心圆点的列数为W，在圆点标定板上A在高度方向上包含的实心圆点的行数为H，即在圆点标定板上A包含的实心圆点的总个数为W×H，W和H均为正整数；⑤取圆点标定板上的A的左上角顶点为坐标原点O，指向同一行实心圆点的中心为X轴正方向，指向同一列实心圆点的中心为Y轴正方向，升降台垂直下移方向为Z轴正方向，建立三维坐标系OXYZ；分别对和进行二值化处理，对应得到和各自的二值化图像；然后采用连通区域标记算法对的二值化图像进行处理，提取得到中的每个实心圆点区域及每个实心圆点区域的中心的多个候选坐标位置；同样，采用连通区域标记算法对的二值化图像进行处理，提取得到中的每个实心圆点区域及每个实心圆点区域的中心的多个候选坐标位置；接着将中与A对应的矩形区域内的每个实心圆点区域的中心的多个候选坐标位置中的任一个候选坐标位置确定为该实心圆点区域的中心的最终坐标位置，将中与A对应的矩形区域内的第i列第j行的实心圆点区域的中心的最终坐标位置记为(ul,i,j,0,vl,i,j,0)；同样，将中与A对应的矩形区域内的每个实心圆点区域的中心的多个候选坐标位置中的任一个候选坐标位置确定为该实心圆点区域的中心的最终坐标位置，将中与A对应的矩形区域内的第i列第j行的实心圆点区域的中心的最终坐标位置记为(ur,i,j,0,vr,i,j,0)；其中，i和j均为正整数，1≤i≤W，1≤j≤H；⑥控制升降台带动圆点标定板垂直下移Δα，将圆点标定板此时的位置记为P1，并保存此时的圆点标定板图像，记为接着控制滑台使光阑水平右移2L，使光阑的小孔处于位置TR，并保存此时的圆点标定板图像，记为再控制滑台使光阑水平左移2L，使光阑的小孔处于位置TL；其中，Δα∈(ZS/100,ZS/50)，Δα的单位为mm；⑦分别对和进行二值化处理，对应得到和各自的二值化图像；然后采用连通区域标记算法对的二值化图像进行处理，提取得到中的每个实心圆点区域及每个实心圆点区域的中心的多个候选坐标位置；同样，采用连通区域标记算法对的二值化图像进行处理，提取得到中的每个实心圆点区域及每个实心圆点区域的中心的多个候选坐标位置；接着根据中与A对应的矩形区域内的每个实心圆点区域的中心的多个候选坐标位置，确定中与A对应的矩形区域内的每个实心圆点区域的中心的最终坐标位置，将中与A对应的矩形区域内的第i列第j行的实心圆点区域的中心的最终坐标位置记为(ul,i,j,1,vl,i,j,1)，(ul,i,j,1,vl,i,j,1)为中与A对应的矩形区域内的第i列第j行的实心圆点区域的中心的多个候选坐标位置中与(ul,i,j,0,vl,i,j,0)的欧氏距离最小的候选坐标位置；同样，根据中与A对应的矩形区域内的每个实心圆点区域的中心的多个候选坐标位置，确定中与A对应的矩形区域内的每个实心圆点区域的中心的最终坐标位置，将中与A对应的矩形区域内的第i列第j行的实心圆点区域的中心的最终坐标位置记为(ur,i,j,1,vr,i,j,1)，(ur,i,j,1,vr,i,j,1)为中与A对应的矩形区域内的第i列第j行的实心圆点区域的中心的多个候选坐标位置中与(ur,i,j,0,vr,i,j,0)的欧氏距离最小的候选坐标位置；计算升降台带动圆点标定板第1次垂直下移Δα后圆点标定板上的A内的每个实心圆点的中心在三维坐标系OXYZ上的三维坐标，将升降台带动圆点标定板第1次垂直下移Δα后圆点标定板上的A内的第i列第j行的实心圆点的中心在三维坐标系OXYZ上的三维坐标记为(xi,j,1,yi,j,1,zi,j,1)，xi,j,1＝(i-1)×e，yi,j,1＝(j-1)×e，zi,j,1＝1×Δα；然后计算升降台带动圆点标定板第1次垂直下移Δα后圆点标定板上的A内的每个实心圆点对应的多光圈成像偏差，将升降台带动圆点标定板第1次垂直下移Δα后圆点标定板上的A内的第i列第j行的实心圆点对应的多光圈成像偏差记为Δui,j,1，Δui,j,1＝ul,i,j,1-ur,i,j,1；其中，xi,j,1,yi,j,1,zi,j,1对应表示升降台带动圆点标定板第1次垂直下移Δα后圆点标定板上的A内的第i列第j行的实心圆点的中心在三维坐标系OXYZ上的X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标；⑧再重复执行步骤⑥和步骤⑦共N-1次，在升降台带动圆点标定板第k次垂直下移Δα后，将圆点标定板此时的位置记为Pk，将此时的圆点标定板图像记为将光阑水平右移2L后的圆点标定板图像记为将中与A对应的矩形区域内的第i列第j行的实心圆点区域的中心的最终坐标位置记为(ul,i,j,k,vl,i,j,k)，(ul,i,j,k,vl,i,j,k)为中与A对应的矩形区域内的第i列第j行的实心圆点区域的中心的多个候选坐标位置中与(ul,i,j,k-1,vl,i,j,k-1)的欧氏距离最小的候选坐标位置；将中与A对应的矩形区域内的第i列第j行的实心圆点区域的中心的最终坐标位置记为(ur,i,j,k,vr,i,j,k)，(ur,i,j,k,vr,i,j,k)为中与A对应的矩形区域内的第i列第j行的实心圆点区域的中心的多个候选坐标位置中与(ur,i,j,k-1,vr,i,j,k-1)的欧氏距离最小的候选坐标位置；将升降台带动圆点标定板第k次垂直下移Δα后圆点标定板上的A内的第i列第j行的实心圆点的中心在三维坐标系OXYZ上的三维坐标记为(xi,j,k,yi,j,k,zi,j,k)，xi,j,k＝(i-1)×e，yi,j,k＝(j-1)×e，zi,j,k＝k×Δα；将...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋刚毅，郁梅，范胜利，王一刚，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33