[發明專利]一種基于圖像融合來執行三維表面形貌測量的方法

有效

• 申請號: 201811434805.1
• 申請日: 2018-11-28
• 公開（公告）號: CN109579731B
• 公開（公告）日: 2019-12-24
• 發明（設計）人: 王健;趙文義;盧文龍;周莉萍;徐龍
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G06T5/50
• 代理公司: 42201 華中科技大學專利中心
• 代理人: 梁鵬;曹葆青

本發明屬于三維表面形貌測量相關技術領域，并公開了一種基于圖像融合來執行三維表面形貌測量的方法，其包括：針對待測量對象，分別獲得低分辨率的初始表面形貌圖像和高分辨率的灰度原圖；通過基于本征圖像分解的全局照明估計和局部照明估計，得到新的更接近真實照明的優化后灰度圖像；采用形狀恢復算法將初始表面形貌圖像與優化后灰度圖進行融合，生成分辨率獲得增強的優化后表面形貌圖像。通過本發明，不僅可獲得更高分辨率的表面形貌測量結果，而且具備高效率、便于操控和誤差率低等優點，同時很容易與高動態范圍表面的在線高速測量集成在一起。

技術領域

本發明屬于三維表面形貌測量相關技術領域，更具體地，涉及一種基于圖像融合來執行三維表面形貌測量的方法。

背景技術

近年來，具有功能性表面的產品在摩擦學、熱傳導、流體動力學、光學、太陽能、醫學植入、仿生學、仿生電子學和微電子學等科學研究和工程應用中引起了廣泛的關注。這些功能表面包括一系列工程產品中的的微納米結構。這些高動態范圍(HDR)表面幾何特征的測量對先進測量設備提出了一系列測量要求。

更具體而言，這些測量要求之一首先在于需要具備高分辨率的橫向測量能力。傳統的機械式探針和3D遠場光學測量系統分別由其尖端幾何形狀和光學傳遞特性決定了他們的物理橫向分辨率的極限，因此傳統的測量方式對于橫向尺寸小于1um的精細結構的測量比較困難。為了解決此技術問題，目前已經開發了譬如隨機光學重建顯微鏡(STORM)、受激發射損耗熒光顯微鏡(STED)、光敏定位顯微鏡(PLAM)、結構光照明顯微鏡(SIM)等一系列超分辨技術。然而，這些超分辨率技術仍面臨著一些局限，如必需對樣品進行額外的預處理、測量范圍偏小(通常為幾微米到幾十微米)等問題。

此外，為了提高測量范圍和視域，研究者們已經基于局部高分辨率測量數據的拼接，提出了一些HDR測量技術，如Z.Lei等人提出了一種基于相干掃描干涉測量(CSI)系統進行大面積表面測量的采樣抗噪拼接技術。M.Y.Liu等人開發了一種基于高斯建模的拼接和融合方法，可用于大面積測量，同時提供更高的拼接精度。但這些拼接技術需要在每個子區域上重復大量高分辨率的測量，相應要求對每個子區域測量重復設置操作，并且完整的拼接過程可能由于大量測量數據而導致耗時過多，成本過高等問題。

高動態范圍表面幾何特征的另一個重要要求在于提高測量效率。為此，現有技術中已提出了一些解決方案，如Preibisch開發了一種基于傅里葉變換定理的生物體圖像快速拼接與融合技術；Yu和Peng開發了一種基于多尺度配準的高速拼接技術，用于在千兆字節級別上進行三維生物體數據的拼接，等等。然而，以上方案通常需要復雜的附加操作，并且需要在每個局部測量中重復調整樣品并進行表面搜索，因此實用性有限。相應地，本領域亟需尋找針對性的解決方案，以便更好地滿足實際生產實踐中所面臨的以上方面的技術需求。

發明內容

針對現有技術的以上不足或改進需求，本發明提供了一種基于圖像融合來執行三維表面形貌測量的方法，其中通過緊密結合高動態范圍三維表面形貌測量工藝在高分辨率橫向測量能力和高測量效率這兩個重要方面的技術問題，引入了基于本征圖像分解的優化照明模型，同時采用陰影形狀技術(SFS)來進行圖像融合，相應與現有技術相比不僅可獲得更高分辨率的表面形貌測量結果，而且具備高效率、便于操控和誤差率低等優點，因而尤其適用于各類高動態范圍表面幾何特征的在線高精度高速測量應用場合。

為實現上述目的，按照本發明，提供了一種基于圖像融合來執行三維表面形貌測量的方法，其特征在于，該方法包括下列步驟：

(a)圖像采集步驟

針對待測量對象，采用表面形貌測量設備對其進行掃描，獲得具備第一分辨率的初始表面形貌圖像；同時采用視覺相機獲得與此初始表面形貌圖像保持對應且具備第二分辨率的灰度原圖，其中該視覺相機具備達到需求標準的較高分辨率，也即該第二分辨率被設定為大于該第一分辨率；

(b)照明估計步驟