微装配系统的显微视觉系统的视场与景深数字化扩展方法及系统技术方案

一种微装配系统的显微视觉系统的显微视场与景深数字化扩展方法及系统，采用计算机显微视觉断层扫描技术、切片扫描技术获得的断层扫描图像序列和切片扫描图像序列实现显微视觉系统视场与景深的扩展，即通过精密定位系统控制显微视觉系统沿定义坐标系Z轴作断层扫描获得断层扫描图像序列；针对每个断层位置，通过二维正交运动的精密定位系统控制显微视觉系统沿定义坐标系的X轴、Y轴作切片扫描获得切片扫描图像序列，通过对不同断层位置的切片扫描图像序列数字化和重构实现显微视觉系统的视场与景深的扩展。该方法能同时得到高分辨率、大视场、数字化的显微视觉系统的显微视场空间，为显微空间下包含超视场的待装配或操作的任务提供了现实可能性。

【技术实现步骤摘要】
微装配系统的显微视觉系统的视场与景深数字化扩展方法及系统
本专利技术属于智能制造领域和科学研究领域，具体服务于微装配和微操作领域，具体涉及显微视场空间下包含多个同一尺度或多尺度的待装配或操作零件的技术解决手段。
技术介绍
在微装配系统中，显微视觉系统是使任务能够精确完成并实现闭环控制的关键环节。微装配系统视场是指显微视觉系统在广度上能够清晰成像的范围。显微视觉系统高分辨率、高放大倍数使其能够看清微小零件，但分辨率与视场成反比关系是其本身固有的特性。因此，高分辨率、小视场是显微视觉系统固有的特点。小视场就是在广度上无法获得待装配零件的全貌。小视场的缺点就会导致微装配系统在装配或操作零件时，限制零件的尺寸及放置位置。零件放置过于松散，定位系统的运动会使零件偏离显微视觉系统主视场；零件放置过于紧密，微装配系统对零件难以夹持；零件尺度不一，为了能看清小尺度的零件则必须提高系统分辨率但同时就会导致大尺度的零件超过显微视觉系统的视场，使装配无法顺利进行。基于以上问题，本专利技术提出了微装配系统的显微视觉系统的视场与景深的扩展方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种微装配系统的显微视觉系统的视场与景深的数字化扩展方法与系统，该方法可以克服高分辨率与大视场、大景深的矛盾，即在保证系统高分辨率的条件下，提高系统成像的视场范围，能同时得到高分辨率、大视场、数字化的显微视觉系统的显微视场空间，为显微空间下包含超视场的待装配或操作的任务提供现实可能性。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下：一种微装配系统的显微视觉系统的视场与景深的扩展方法，其是利用计算机显微视觉断层扫描技术、计算机显微视觉切片扫描技术获得的不同断层位置的切片扫描图像序列实现显微视觉系统视场与景深数字化扩展，具体实现步骤如下：步骤1、沿定义坐标系的Z轴方向进行断层扫描，确定显微视觉系统的焦平面所在的断层位置序列；针对每个焦平面所在的断层位置，利用精密定位系统控制显微视觉系统沿定义坐标系X轴、Y轴方向进行切片扫描，获取各个断层位置的切片扫描图像序列；步骤2、沿定义坐标系的X轴、Y轴方向上，在不同断层位置的切片扫描图像结合对应断层扫描的精密定位系统的步长重构切片图像的三维切片视场空间，计算各断层位置的三维切片视场空间的数字化信息、各断层位置经过视场扩展的三维断层视场空间数字化信息。在此基础上，计算显微视觉系统经过景深扩展、视场扩展的三维显微视觉空间，从而实现显微视觉系统的视场与景深同时扩展。(2.1)利用切片扫描图像序列，确定三维切片视场空间信息范围；(2.2)三维切片视场空间栅格化以及栅格数值化，获取三维切片视场空间数字化信息：(2.3)根据三维切片视场空间数字化信息，计算显微视场扩展三维断层视场空间的数字化信息。(2.4)根据沿Z轴方向上焦平面位置对应的视场扩展的三维断层视场空间，计算视场与景深同时扩展的数字化三维显微视场空间，实现显微视觉系统的显微视场与景深扩展。本专利技术进一步提出另一种微装配系统的显微视觉系统的视场与景深的扩展方法，其特征在于：所述方法采用计算机显微视觉断层扫描技术、计算机显微视觉切片扫描技术获得的不同切片位置的断层扫描图像序列实现显微视觉系统视场与景深数字化扩展，包括以下步骤：步骤1、沿定义坐标系的X轴、Y轴方向上进行切片扫描，确定显微视觉系统的焦平面所在的切片位置序列；针对焦平面所在的每个切片位置，利用精密定位系统控制显微视觉系统沿定义坐标系Z方向进行断层扫描，获取各个切片位置的断层扫描图像序列；步骤2、沿定义坐标系的Z轴方向上，在不同切片位置的断层扫描图像结合对应断层扫描的精密定位系统的步长重构显微视觉系统的断层扫描图像的三维断层视场空间，计算各切片位置的三维断层视场空间的数字化信息、各切片位置经过景深扩展的三维切片视场空间数字化信息。在此基础上，计算显微视觉系统经过景深扩展、视场扩展的三维显微视觉空间，从而实现显微视觉系统的视场与景深同时扩展。(2.1)利用切片断层图像序列，确定三维断层视场空间信息范围；(2.2)三维断层视场空间栅格化以及栅格数值化，获取三维断层视场空间数字化信息；(2.3)根据三维断层视场空间数字化信息，计算显微景深扩展三维切片视场空间的数字化信息；(2.4)根据沿X轴、Y轴方向上焦平面位置对应的景深扩展的三维切片视场空间，计算视场与景深同时扩展的数字化三维显微视场空间，实现显微视觉系统的显微视场与景深数字化扩展。本专利技术进一步还提出一种实现上述方法的微装配系统的显微视觉系统的视场与景深的数字化扩展系统，系统包括精密定位系统、显微视觉系统和主计算机。所述精密定位系统用于带动显微视觉系统沿显微视觉系统光轴方向运动以及进行精密定位；其包括实现一维、二维精密运动的运动装置，实现定位精度与显微视觉系统景深匹配的高精度定位运动驱动装置及控制器以及实现二维定位精度与显微视觉系统视场大小匹配的高精度定位运动驱动器及控制器。所述精密定位系统可配置位移量标准量系统，控制切片位置和记录所获得的切片的位置信息。所述显微视觉系统用于进行图像断层扫描和切片获得断层扫描图像序列和切片扫描图像序列；其包括显微放大单元，即通过光学显微镜或者电子显微镜实现对显微视场空间中成像物体的放大，成像单元，即通过CCD或CMOS相机完成对显微视场空间中的物体成像；所述主计算机用于对精密定位系统和显微视觉系统进行控制、计算，以及进行数字化显微视场空间结果显示。主计算机采用精密定位系统控制显微视觉系统沿Y轴方向运动采集的切片扫描图像序列，结合精密定位系统的运动步长以及显微视场大小重构对应的三维切片视场空间，并采用栅格化以及栅格数值化技术获取三维切片视场空间的数字化信息；针对显微视觉系统在Z轴方向上同一位置进行切片扫描获取的切片扫描图像对应三维切片视场空间计算视场扩展的三维断层视场空间，针对显微视觉系统在Z轴方向上不同位置的视场扩展的三维断层视场空间，计算景深扩展的三维显微视场空间数字化信息，从而得到视场与景深同时扩展的数字化三维显微视场空间。本专利技术是针对显微视场空间下包含多个同一尺度或多尺度的待装配或操作零件，存在高分辨率与大视场难以同时满足的矛盾问题而导致装配或操作的任务技术难度大、精度低、效率低甚至无法准确的完成等问题的技术解决方案。本专利技术具有下述优点：(1)针对显微视觉系统高分辨率与视场范围小、景深范围小的矛盾，本专利技术在保持显微视觉系统高分辨率的情况下扩大的了显微视觉系统清晰成像视场的范围以及景深范围；(2)相对现有的显微视觉系统通过调整放大倍数提高景深范围以及视场范围的方法，本专利技术避免了调整放大倍数而使得相机模型内外参数发生变化而未重复进行相机标定而导致的计算误差问题；(3)利用数字化技术获取视场以及景深扩展后三维显微视场空间，避免了现有通过图像融合获取景深扩展而导致的整体图像清晰度下降的缺陷，避免了因提取图像特征点拼接融合的计算复杂度以及拼接精度问题；(4)通过视场以及景深扩展后三维数字化显微视场空间，得到零件对空间的占据情况，获取了零件三维信息，为零件的高精度重构提供了必要信息，为零件的操作提供了必要条件。附图说明图1是不同断层位置切片扫描的单目显微视觉系统的视场与景深扩展示意图；图2是具有位移传感器的精密定位系统构建的单本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微装配系统的显微视觉系统的显微视场与景深数字化扩展方法，其特征在于：所述方法采用计算机显微视觉断层扫描技术、计算机显微视觉切片扫描技术获得的不同断层位置的切片扫描图像序列实现显微视觉系统视场与景深扩展，包括以下步骤：步骤1、沿定义坐标系的Z轴方向进行断层扫描，确定显微视觉系统的焦平面所在的断层位置序列；针对焦平面所在的每个断层位置，利用精密定位系统控制显微视觉系统沿定义坐标系X轴、Y轴方向进行切片扫描，获取各个断层位置的切片扫描图像序列；步骤2、沿定义坐标系的X轴、Y轴方向上，在不同断层位置的切片扫描图像结合对应断层扫描的精密定位系统的步长重构切片图像的三维切片视场空间，计算各断层位置的三维切片视场空间的数字化信息、各断层位置经过视场扩展的三维断层视场空间数字化信息，在此基础上，计算显微视觉系统经过景深扩展、视场扩展的三维显微视觉空间，从而实现显微视觉系统的视场与景深同时扩展；(2.1)利用切片扫描图像序列，确定三维切片视场空间信息范围；(2.2)三维切片视场空间栅格化以及栅格数值化，获取三维切片视场空间数字化信息；(2.3)根据三维切片视场空间数字化信息，计算显微视场扩展三维断层视场空间的数字化信息；(2.4)根据沿Z轴方向上焦平面位置对应的视场扩展的三维断层视场空间，计算视场与景深同时扩展的数字化三维显微视场空间，实现显微视觉系统的显微视场与景深扩展。...

【技术特征摘要】
1.一种微装配系统的显微视觉系统的显微视场与景深数字化扩展方法，其特征在于：所述方法采用计算机显微视觉断层扫描技术、计算机显微视觉切片扫描技术获得的不同断层位置的切片扫描图像序列实现显微视觉系统视场与景深扩展，包括以下步骤：步骤1、沿定义坐标系的Z轴方向进行断层扫描，确定显微视觉系统的焦平面所在的断层位置序列；针对焦平面所在的每个断层位置，利用精密定位系统控制显微视觉系统沿定义坐标系X轴、Y轴方向进行切片扫描，获取各个断层位置的切片扫描图像序列；步骤2、沿定义坐标系的X轴、Y轴方向上，在不同断层位置的切片扫描图像结合对应断层扫描的精密定位系统的步长重构切片图像的三维切片视场空间，计算各断层位置的三维切片视场空间的数字化信息、各断层位置经过视场扩展的三维断层视场空间数字化信息，在此基础上，计算显微视觉系统经过景深扩展、视场扩展的三维显微视觉空间，从而实现显微视觉系统的视场与景深同时扩展；(2.1)利用切片扫描图像序列，确定三维切片视场空间信息范围；(2.2)三维切片视场空间栅格化以及栅格数值化，获取三维切片视场空间数字化信息；(2.3)根据三维切片视场空间数字化信息，计算显微视场扩展三维断层视场空间的数字化信息；(2.4)根据沿Z轴方向上焦平面位置对应的视场扩展的三维断层视场空间，计算视场与景深同时扩展的数字化三维显微视场空间，实现显微视觉系统的显微视场与景深扩展。2.根据权利要求1所述的微装配系统的显微视觉系统的显微视场与景深数字化扩展方法，其特征在于：所述步骤1的获取各个断层位置的切片扫描图像序列具体过程如下：(1.1)确定作断层扫描的精密定位系统III(4)的步长、运动方向、运动方式、运动速度、初始位置以及初始位置时显微视觉系统焦平面在定义坐标系Z轴方向上的位置为DF；确定相应的显微视觉系统的视场分辨率大小、景深大小、像元尺寸、放大倍数，设置合适光源光强；(1.2)精密定位系统III(4)控制显微视觉系统I(1)沿着定义坐标系(12)的Z轴方向以一定的运动步长进行断层扫描获得Z轴方向的位移量序列，精密定位系统的步长为Δz，记录断层位置序列以及精密定位系统的位移量序列如下：其中zN为精密定位系统控制显微视觉系统沿Z轴方向扫描的次数，Tz为显微视觉系统焦平面所在的断层位置序列构建的向量；Dz为精密定位系统控制显微视觉系统进行断层扫描时的位移序列构成的向量，精密定位系统III(4)第zk次运动后位移量与其步长Δz的关系式如下：(1.4)精密定位系统II(3)控制显微视觉系统I(1)沿着定义坐标系的X轴方向进行扫描，记录精密定位系统II(3)的位移为精密定位系统I(2)控制显微视觉系统I(1)沿着定义坐标系的Y轴方向进行扫描，记录精密定位系统I(2)的位移为则：设置精密定位系统II(3)的步长为Δx，精密定位系统I(2)的步长为Δy，则精密定位系统的位移与步长的关系为：根据精密定位系统I、II(2、3)的位移量定义每个扫描获取的图像序列号为则获取的切片扫描图像序列建立的矩阵为：其中xN、yN表示精密定位系统在定义坐标系X轴、Y轴方向的扫描的最大次数；为显微视觉系统焦平面断层位置时精密定位系统II(3)和精密定位系统I(2)分别沿着定义坐标系X轴、Y轴方向运动时在xk、yk序号位置时的位移量；为显微视觉系统焦平面断层位置时沿着X轴、Y轴方向运动作切片扫描时的切片扫描图像序列构成的矩阵；为切片扫描图像矩阵中在xk、yk序号位置时的切片扫描图像。3.根据权利要求1所述的微装配系统的显微视觉系统的显微视场与景深的数字化扩展方法，其特征在于：切片扫描的精密定位系统II(3)的步长Δx以及精密定位系统I(2)的步长Δy，断层扫描的精密定位系统III(4)运动步长Δz需要满足：Δx≤WΔy≤HΔz≤DOF其中DOF为显微视觉系统的景深，W、H分别为显微视觉系统I(1)的显微视场的宽度和高度。4.根据权利要求1所述的微装配系统的显微视觉系统的显微视场与景深数字化扩展方法，其特征在于：步骤(2.1)利用切片扫描图像序列，确定三维切片视场空间信息范围方法如下：①根据显微视觉系统I(1)的视场高H，视场宽W以及精密定位系统III(4)的运动步长Δz，针对显微视觉系统焦平面断层位置沿X轴、Y轴方向上切片扫描的切片扫描图像对应的三维切片视场空间大小均为H×W×Δz，针对切片扫描图像序列构建的矩阵所重构的对应的三维切片视场空间序列矩阵如下：②针对显微视觉系统焦平面断层位置三维切片视场空间对应的精密定位系统II、I(3、2)的运动位移为此时在定义坐标系统中X轴方向上范围内，在Y轴方向上范围内，在Z轴方向上范围内均为三维切片视场空间的信息，三维切片视场空间信息范围为：Hc×Wc×Δz，Hc、Wc代表去除三维切片视场空间以外信息后的视场的高和宽。5.根据权利要求1所述的微装配系统的显微视觉系统的视场与景深的数字化扩展方法，其特征在于：步骤(2.2)三维切片视场空间栅格化以及栅格数值化，获取三维切片视场空间数字化信息的方法如下：针对三维切片视场空间设置一个n×n×n个像素点的栅格立方体，利用个栅格立方体对三维切片视场空间离散化，并根据栅格立方体位置以及栅格立方体的函数值，构建一个三维数字化矩阵表示；设置每个栅格立方体中像素点为1的个数设置栅格立方体赋值阈值为TH，若则此栅格立方体赋值为1，否则赋值为0；三维切片视场空间中(pk，qk，rk)位置的栅格立方体的赋值函数为即：其中：pk∈[12…p]，qk∈[12…q]，rk∈[12…r]，为三维切片视场空间数字化矩阵中位置为(pk，qk，rk)的栅格立方体中像素点为1的个数。6.根据权利要求1所述的微装配系统的显微视觉系统的视场与景深的数字化扩展方法，其特征在于：步骤(2.3)根据三维切片视场空间数字化信息，计算显微视场扩展三维断层视场空间的数字化信息的方法如下：利用三维切片视场空间数字化矩阵计算切片扫描的显微视觉系统的扩展显微视场空间得到的扩展后的三维显微视场空间的数字化信息用表示，则：此时数字化信息描述的视场扩展的数字化三维断层视场空间大小为：He×We×Δz，其中：We＝xNΔxHe＝yNΔy。7.根据权利要求1所述的微装配系统的显微视觉系统的显微视场与景深数字化扩展方法，其特征在于：步骤(2.4)根据沿Z轴方向上焦平面位置对应的视场扩展的三维断层视场空间，计算视场与景深扩展的数字化三维显微视场空间Se具体过程如下：①计算两相邻视场扩展的三维断层视场空间与的可拼接计算的数字化矩阵定义精密定位系统III(4)控制显微视觉系统I(1)沿Z轴正方向进行断层扫描(Flagz＝1)，根据两相邻三维断层空间与的数字化矩阵为则：当精密定位系统III(4)控制显微视觉系统I(1)沿Z轴负方向进行断层扫描(Flagz＝-1)时：②计算显微视觉系统(8)的扩展的显微视场空间Se的数字化信息Ge为：其中[]′表示矩阵转置，Flagz用于记录沿定义坐标系Z轴扫描的方向。数字化信息Ge描述的显微视觉系统I(1)视场与景深同时扩展后的显微视场空间Se大小为He×We×De，此时扩展后的显微视场空间的景深De以及视场大小为：De＝zN×ΔzWe＝xN×ΔxHe＝yN×Δy其中zN为精密定位系统(4)控制显微视觉系统(1)在沿定义坐标系Z轴方向上断层扫描的次数；xN、yN分别为在每个断层沿定义坐标系X轴、Y轴切片扫描的次数。8.一种微装配系统的显微视觉系统的视场与景深的数字化扩展方法，其特征在于：所述方法采用计算机显微视觉断层扫描技术、计算机显微视觉切片扫描技术获得的不同切片位置的断层扫描图像序列实现显微视觉系统视场与景深扩展，包括以下步骤：步骤1、沿定义坐标系的X轴、Y轴方向上进行切片扫描，确定显微视觉系统的焦平面所在的切片位置序列；针对焦平面所在的每个切片位置，利用精密定位系统控制显微视觉系统沿定义坐标系Z方向进行断层扫描，获取各个切片位置的断层扫描图像序列；步骤2、沿定义坐标系的Z轴方向上，在不同切片位置的断层扫描图像结合对应断层扫描的精密定位系统的步长重构显微视觉系统的断层扫描图像的三维断层视场空间，计算各切片位置的三维断层视场空间的数字化信息、各切片位置经过景深扩展的三维切片视场空间数字化信息，在此基础上，计算显微视觉系统经过景深扩展、视场扩展的三维显微视觉空间，从而实现显微视觉系统的视场与景深同时扩展；(2.1)利用切片断层图像序列，确定三维断层视场空间信息范围；(2.2)三维断层视场空间栅格化以及栅格数值化，获取三维断层视场空间数字化信息；(2.3)根据三维断层视场空间数字化信息，计算显微景深扩展三...

【专利技术属性】
技术研发人员：王代华，王坎，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50