一種基于光學(xué)無損檢測的微結(jié)構(gòu)低重疊度三維拼接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微結(jié)構(gòu)光學(xué)無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于光學(xué)無損檢測的 微結(jié)構(gòu)大范圍拼接方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)無損檢測技術(shù)是超精密檢測技術(shù)的重要內(nèi)容，在航空航天、生物科技、通信、 微電子等尖端領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。近年來，盡管大量的新技術(shù)和新產(chǎn)品在不斷被推向應(yīng) 用，但隨著精密加工技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)無損檢測技術(shù)的分辨力與測量范圍、測量效率之間的 矛盾變得更加突出。因此，如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)大范圍與高分辨力就成為了微結(jié)構(gòu)測量中的一項(xiàng) 重要問題。
[0003] 因光學(xué)無損檢測的高測量效率與參數(shù)的易于設(shè)定，所以在通常情況下，水平大范 圍測量可借助拼接方法實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)今的主流商業(yè)設(shè)備一般要求相鄰結(jié)構(gòu)的重疊區(qū)域保持在 10%-25%，較低的重疊度并不能保證良好的拼接效果，但高重疊度帶來的額外測量時(shí)間的 增大在實(shí)際測量時(shí)非?？捎^。國際上也有科研人員針對這一問題提出了新的掃描方式，但 是這些方法都需要對掃描機(jī)構(gòu)的光學(xué)系統(tǒng)和掃描運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，通用性較差，且無法 回避二維大范圍測量中的拼接問題。因此，高魯棒性、低重疊度的拼接方法對微結(jié)構(gòu)水平大 范圍三維精密測量仍有較高的研宄價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述問題，本發(fā)明的目的在于提出一種基于光學(xué)無損檢測的微結(jié)構(gòu)大范 圍拼接方法，以成功實(shí)現(xiàn)大范圍測量，并通過降低重疊度減少測量過程中因重疊帶來的額 外測量時(shí)間的增加。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的基于光學(xué)無損檢測的微結(jié)構(gòu)大范圍拼接方法包 括按順序進(jìn)行的下列步驟：
[0006] 步驟1 :根據(jù)實(shí)驗(yàn)中測試系統(tǒng)位移臺(tái)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，設(shè)定特征匹配區(qū)域?yàn)閮上噜彺?拼接結(jié)構(gòu)的重疊部分；
[0007] 步驟2 :采用SURF算法在所述的步驟1中設(shè)定的特征匹配區(qū)域內(nèi)提取結(jié)構(gòu)特征； [0008] 步驟3 :根據(jù)測試系統(tǒng)位移平臺(tái)不確定度，設(shè)定特征匹配點(diǎn)搜索范圍，并根據(jù)歐式 距離最近鄰域法得到特征匹配點(diǎn)；
[0009] 步驟4 :以重疊區(qū)域的局部連續(xù)性為依據(jù)，利用STLS算法計(jì)算校正矩陣，以校正測 量過程中環(huán)境擾動(dòng)帶來的拼接結(jié)構(gòu)錯(cuò)動(dòng)，由此得到最終拼接結(jié)果。
[0010] 在步驟1中，所述的根據(jù)實(shí)驗(yàn)中測試系統(tǒng)位移臺(tái)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，設(shè)定特征匹配區(qū)域 為兩相鄰待拼接結(jié)構(gòu)的重疊部分的具體方法是：
[0011] 根據(jù)光學(xué)精密無損測量系統(tǒng)中可精確獲得的載物平臺(tái)的水平及垂直運(yùn)動(dòng)位置和 相鄰結(jié)構(gòu)間的相對位移，劃定特征匹配區(qū)域，以消除錯(cuò)誤匹配并提高計(jì)算速度；所述的相對 位移關(guān)系如式（1)所示：
[0012] A1 (x, y) +L = A2 (x, y) (I)
[0013] 其中，（x，y)為兩相鄰待拼接結(jié)構(gòu)重疊區(qū)域中點(diǎn)位置坐標(biāo)，Ap ^為兩相鄰待拼接 結(jié)構(gòu)；L為X或y方向位移量；
[0014] 兩相鄰鄰待拼接結(jié)構(gòu)重疊度與相對位移的關(guān)系如式（2)所示：
[0015] (P-L/p) /P = a (2)
[0016] 其中，P為待拼接結(jié)構(gòu)x方向像素總個(gè)數(shù)，p為像素等效尺寸，a為兩相鄰待拼接結(jié) 構(gòu)重疊度；劃定待拼接結(jié)構(gòu)A 1中匹配區(qū)域?yàn)閄方向第P (Ι-a)列到第P列，劃定待拼接結(jié)構(gòu) A2中匹配區(qū)域?yàn)閄方向第1列到第P(l-a)列，應(yīng)用上述公式所得結(jié)果不為整數(shù)時(shí)，為保證 重疊部分包括在內(nèi)，取使設(shè)定區(qū)域較大的整數(shù)值解；
[0017] y方向的測量過程與上述測量過程相同。
[0018] 在步驟3中，所述的根據(jù)測試系統(tǒng)位移平臺(tái)不確定度，設(shè)定特征匹配點(diǎn)搜索范圍， 并根據(jù)歐式距離最近鄰域法得到特征匹配點(diǎn)的具體方法是；
[0019] 所述的匹配點(diǎn)對范圍設(shè)定如式（3)和式（4)所示：
[0020] X 2^： X i+Lx+rx (3)
[0021] y^Ly-r^ y y !+Ly+ry ⑷
[0022] 其中，（Xl，yi)與（x2, y2)是一組分別屬于兩相鄰待拼接結(jié)構(gòu)V4中的匹配點(diǎn)對， (Lx, Ly)分別為相鄰待拼接結(jié)構(gòu)x、y方向相對位移，（r x, ry)分別定義了 x、y方向特 征匹配點(diǎn)的搜索范圍，其值由測量設(shè)備不確定度決定。
[0023] 在步驟4中，所述的以重疊區(qū)域的局部連續(xù)性為依據(jù)，利用STLS算法計(jì)算校正矩 陣，以校正測量過程中環(huán)境擾動(dòng)帶來的拼接結(jié)構(gòu)錯(cuò)動(dòng)，由此得到最終拼接結(jié)果的具體方法 是：
[0024] 此步驟中結(jié)構(gòu)校正并不涉及尺度變化與結(jié)構(gòu)變形，給出所述的STLS算法中的矩 陣約束條件，設(shè)定所述的校正矩陣參數(shù)如式（5)所示：
[0025]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于光學(xué)無損檢測的微結(jié)構(gòu)大范圍拼接方法，其特征在于：其包括按順序進(jìn)行 的下列步驟： 步驟1 :根據(jù)實(shí)驗(yàn)中測試系統(tǒng)位移臺(tái)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，設(shè)定特征匹配區(qū)域?yàn)閮上噜彺唇?結(jié)構(gòu)的重疊部分； 步驟2 :采用SURF算法在所述的步驟1中設(shè)定的特征匹配區(qū)域內(nèi)提取結(jié)構(gòu)特征； 步驟3 :根據(jù)測試系統(tǒng)位移平臺(tái)不確定度，設(shè)定特征匹配點(diǎn)搜索范圍，并根據(jù)歐式距離 最近鄰域法得到特征匹配點(diǎn)； 步驟4 :以重疊區(qū)域的局部連續(xù)性為依據(jù)，利用STLS算法計(jì)算校正矩陣，以校正測量過 程中環(huán)境擾動(dòng)帶來的拼接結(jié)構(gòu)錯(cuò)動(dòng)，由此得到最終拼接結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)無損檢測的微結(jié)構(gòu)大范圍拼接方法，其特征在于： 在步驟1中，所述的根據(jù)實(shí)驗(yàn)中測試系統(tǒng)位移臺(tái)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，設(shè)定特征匹配區(qū)域?yàn)閮上噜?待拼接結(jié)構(gòu)的重疊部分的具體方法是： 根據(jù)光學(xué)精密無損測量系統(tǒng)中可精確獲得的載物平臺(tái)的水平及垂直運(yùn)動(dòng)位置和相鄰 結(jié)構(gòu)間的相對位移，劃定特征匹配區(qū)域，以消除錯(cuò)誤匹配并提高計(jì)算速度；所述的相對位移 關(guān)系如式（1)所示： A1 (x, y) +L = A2 (x, y) (I) 其中，（x，y)為兩相鄰待拼接結(jié)構(gòu)重疊區(qū)域中點(diǎn)位置坐標(biāo)，ApA2S兩相鄰待拼接結(jié)構(gòu)； L為X或y方向位移量； 兩相鄰待拼接結(jié)構(gòu)重疊度與相對位移的關(guān)系如式（2)所示： (P-L/p)/P = a (2) 其中，P為待拼接結(jié)構(gòu)x方向像素總個(gè)數(shù)，P為像素等效尺寸，a為兩相鄰待拼接結(jié)構(gòu)重 疊度；劃定待拼接結(jié)構(gòu)A1中匹配區(qū)域?yàn)閄方向第P (Ι-a)列到第P列，劃定待拼接結(jié)構(gòu)A 2中 匹配區(qū)域?yàn)閄方向第1列到第P (Ι-a)列，應(yīng)用上述公式所得結(jié)果不為整數(shù)時(shí)，為保證重疊 部分包括在內(nèi)，取使設(shè)定區(qū)域較大的整數(shù)值解； y方向的測量過程與上述測量過程相同。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)無損檢測的微結(jié)構(gòu)大范圍拼接方法，其特征在于： 在步驟3中，所述的根據(jù)測試系統(tǒng)位移平臺(tái)不確定度，設(shè)定特征匹配點(diǎn)搜索范圍，并根據(jù)歐 式距離最近鄰域法得到特征匹配點(diǎn)的具體方法是； 所述的匹配點(diǎn)對范圍設(shè)定如式（3)和式（4)所示： Xi+LxTx^ X2^x i+Lx+rx ⑶ Yi+Ly-r^ y2^y !+Ly+ry (4) 其中，Ui，yi)與（x2，y；i)是一組分別屬于兩相鄰待拼接結(jié)構(gòu)Αι、4中的匹配點(diǎn)對， (Lx, Ly)分別為相鄰待拼接結(jié)構(gòu)x、y方向相對位移，（r x, ry)分別定義了 x、y方向特 征匹配點(diǎn)的搜索范圍，其值由測量設(shè)備不確定度決定。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)無損檢測的微結(jié)構(gòu)大范圍拼接方法，其特征在于： 在步驟4中，所述的以重疊區(qū)域的局部連續(xù)性為依據(jù)，利用STLS算法計(jì)算校正矩陣，以校正 測量過程中環(huán)境擾動(dòng)帶來的拼接結(jié)構(gòu)錯(cuò)動(dòng)，由此得到最終拼接結(jié)果的具體方法是： 此步驟中結(jié)構(gòu)校正并不涉及尺度變化與結(jié)構(gòu)變形，給出所述的STLS算法中的矩陣約 束條件，設(shè)定所述的校正矩陣參數(shù)如式（5)所示：
其中，所述的B的表達(dá)式如式（6)所示：
所述的B為三維正交矩陣且模為1，Pi (i = 4, 8, 12)分別表示坐標(biāo)原點(diǎn)沿X、y、z軸的 平移量，PiQ e [1，12] n i e Z)為最優(yōu)解p-中的元素，其中P()pte R12X1。
【專利摘要】一種基于光學(xué)無損檢測的微結(jié)構(gòu)低重疊度三維拼接方法。其包括基于實(shí)驗(yàn)中測試機(jī)構(gòu)位移平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)將結(jié)構(gòu)特征提取區(qū)域限制在測量過程中的重疊區(qū)域；在所述區(qū)域內(nèi)，通過SURF算法進(jìn)行特征提?。辉谔卣鼽c(diǎn)匹配階段，根據(jù)測量系統(tǒng)位移平臺(tái)的不確定度進(jìn)一步提出縮小匹配點(diǎn)對搜索范圍的方法以提高特征點(diǎn)匹配可靠性并根據(jù)歐式距離最近鄰域法得到特征匹配點(diǎn)；以重疊區(qū)域的局部連續(xù)性為依據(jù)，通過STLS算法計(jì)算校正矩陣而得到最終拼接。本發(fā)明不但適用于特征豐富的結(jié)構(gòu)，也適用于相似度高、特征不明顯的陣列型結(jié)構(gòu)，可有效地消除誤匹配，提高拼接精度，所述的低重疊度可大大減少因重疊區(qū)域而帶來的可觀的額外測試時(shí)間，成功地實(shí)現(xiàn)大范圍測量。
【IPC分類】G06T3-00
【公開號】CN104732476
【申請?zhí)枴緾N201510128067
【發(fā)明人】馬龍, 王丹, 張鴻燕, 蘇志剛, 張亞娟
【申請人】中國民航大學(xué)
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月23日