一種基于光學無損檢測的微結構低重疊度三維拼接方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于微結構光學無損檢測技術領域，特別是涉及一種基于光學無損檢測的 微結構大范圍拼接方法。
【背景技術】
[0002] 光學無損檢測技術是超精密檢測技術的重要內容，在航空航天、生物科技、通信、 微電子等尖端領域已得到廣泛應用。近年來，盡管大量的新技術和新產品在不斷被推向應 用，但隨著精密加工技術的發展，光學無損檢測技術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，如何同時實現大范圍與高分辨力就成為了微結構測量中的一項 重要問題。
[0003] 因光學無損檢測的高測量效率與參數的易于設定，所以在通常情況下，水平大范 圍測量可借助拼接方法實現。現今的主流商業設備一般要求相鄰結構的重疊區域保持在 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間的 增大在實際測量時非常可觀。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構的光學系統和掃描運動機構進行改造，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構水平大 范圍三維精密測量仍有較高的研宄價值。
【發明內容】
[0004] 為了解決上述問題，本發明的目的在于提出一種基于光學無損檢測的微結構大范 圍拼接方法，以成功實現大范圍測量，并通過降低重疊度減少測量過程中因重疊帶來的額 外測量時間的增加。
[0005] 為了達到上述目的，本發明提供的基于光學無損檢測的微結構大范圍拼接方法包 括按順序進行的下列步驟：
[0006] 步驟1 :根據實驗中測試系統位移臺的運動參數，設定特征匹配區域為兩相鄰待 拼接結構的重疊部分；
[0007] 步驟2 :采用SURF算法在所述的步驟1中設定的特征匹配區域內提取結構特征； [0008] 步驟3 :根據測試系統位移平臺不確定度，設定特征匹配點搜索范圍，并根據歐式 距離最近鄰域法得到特征匹配點；
[0009] 步驟4 :以重疊區域的局部連續性為依據，利用STLS算法計算校正矩陣，以校正測 量過程中環境擾動帶來的拼接結構錯動，由此得到最終拼接結果。
[0010] 在步驟1中，所述的根據實驗中測試系統位移臺的運動參數，設定特征匹配區域 為兩相鄰待拼接結構的重疊部分的具體方法是：
[0011] 根據光學精密無損測量系統中可精確獲得的載物平臺的水平及垂直運動位置和 相鄰結構間的相對位移，劃定特征匹配區域，以消除錯誤匹配并提高計算速度；所述的相對 位移關系如式（1)所示：
[0012] A1 (x, y) +L = A2 (x, y) (I)
[0013] 其中，（x，y)為兩相鄰待拼接結構重疊區域中點位置坐標，Ap ^為兩相鄰待拼接 結構；L為X或y方向位移量；
[0014] 兩相鄰鄰待拼接結構重疊度與相對位移的關系如式（2)所示：
[0015] (P-L/p) /P = a (2)
[0016] 其中，P為待拼接結構x方向像素總個數，p為像素等效尺寸，a為兩相鄰待拼接結 構重疊度；劃定待拼接結構A 1中匹配區域為X方向第P (Ι-a)列到第P列，劃定待拼接結構 A2中匹配區域為X方向第1列到第P(l-a)列，應用上述公式所得結果不為整數時，為保證 重疊部分包括在內，取使設定區域較大的整數值解；
[0017] y方向的測量過程與上述測量過程相同。
[0018] 在步驟3中，所述的根據測試系統位移平臺不確定度，設定特征匹配點搜索范圍， 并根據歐式距離最近鄰域法得到特征匹配點的具體方法是；
[0019] 所述的匹配點對范圍設定如式（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構V4中的匹配點對， (Lx, Ly)分別為相鄰待拼接結構x、y方向相對位移，（r x, ry)分別定義了 x、y方向特 征匹配點的搜索范圍，其值由測量設備不確定度決定。
[0023] 在步驟4中，所述的以重疊區域的局部連續性為依據，利用STLS算法計算校正矩 陣，以校正測量過程中環境擾動帶來的拼接結構錯動，由此得到最終拼接結果的具體方法 是：
[0024] 此步驟中結構校正并不涉及尺度變化與結構變形，給出所述的STLS算法中的矩 陣約束條件，設定所述的校正矩陣參數如式（5)所示：
[0025]
【主權項】
1. 一種基于光學無損檢測的微結構大范圍拼接方法，其特征在于：其包括按順序進行 的下列步驟： 步驟1 :根據實驗中測試系統位移臺的運動參數，設定特征匹配區域為兩相鄰待拼接 結構的重疊部分； 步驟2 :采用SURF算法在所述的步驟1中設定的特征匹配區域內提取結構特征； 步驟3 :根據測試系統位移平臺不確定度，設定特征匹配點搜索范圍，并根據歐式距離 最近鄰域法得到特征匹配點； 步驟4 :以重疊區域的局部連續性為依據，利用STLS算法計算校正矩陣，以校正測量過 程中環境擾動帶來的拼接結構錯動，由此得到最終拼接結果。
2. 根據權利要求1所述的基于光學無損檢測的微結構大范圍拼接方法，其特征在于： 在步驟1中，所述的根據實驗中測試系統位移臺的運動參數，設定特征匹配區域為兩相鄰 待拼接結構的重疊部分的具體方法是： 根據光學精密無損測量系統中可精確獲得的載物平臺的水平及垂直運動位置和相鄰 結構間的相對位移，劃定特征匹配區域，以消除錯誤匹配并提高計算速度；所述的相對位移 關系如式（1)所示： A1 (x, y) +L = A2 (x, y) (I) 其中，（x，y)為兩相鄰待拼接結構重疊區域中點位置坐標，ApA2S兩相鄰待拼接結構； L為X或y方向位移量； 兩相鄰待拼接結構重疊度與相對位移的關系如式（2)所示： (P-L/p)/P = a (2) 其中，P為待拼接結構x方向像素總個數，P為像素等效尺寸，a為兩相鄰待拼接結構重 疊度；劃定待拼接結構A1中匹配區域為X方向第P (Ι-a)列到第P列，劃定待拼接結構A 2中 匹配區域為X方向第1列到第P (Ι-a)列，應用上述公式所得結果不為整數時，為保證重疊 部分包括在內，取使設定區域較大的整數值解； y方向的測量過程與上述測量過程相同。
3. 根據權利要求1所述的基于光學無損檢測的微結構大范圍拼接方法，其特征在于： 在步驟3中，所述的根據測試系統位移平臺不確定度，設定特征匹配點搜索范圍，并根據歐 式距離最近鄰域法得到特征匹配點的具體方法是； 所述的匹配點對范圍設定如式（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構Αι、4中的匹配點對， (Lx, Ly)分別為相鄰待拼接結構x、y方向相對位移，（r x, ry)分別定義了 x、y方向特 征匹配點的搜索范圍，其值由測量設備不確定度決定。
4. 根據權利要求1所述的基于光學無損檢測的微結構大范圍拼接方法，其特征在于： 在步驟4中，所述的以重疊區域的局部連續性為依據，利用STLS算法計算校正矩陣，以校正 測量過程中環境擾動帶來的拼接結構錯動，由此得到最終拼接結果的具體方法是： 此步驟中結構校正并不涉及尺度變化與結構變形，給出所述的STLS算法中的矩陣約 束條件，設定所述的校正矩陣參數如式（5)所示：
其中，所述的B的表達式如式（6)所示：
所述的B為三維正交矩陣且模為1，Pi (i = 4, 8, 12)分別表示坐標原點沿X、y、z軸的 平移量，PiQ e [1，12] n i e Z)為最優解p-中的元素，其中P()pte R12X1。
【專利摘要】一種基于光學無損檢測的微結構低重疊度三維拼接方法。其包括基于實驗中測試機構位移平臺的運動參數將結構特征提取區域限制在測量過程中的重疊區域；在所述區域內，通過SURF算法進行特征提取；在特征點匹配階段，根據測量系統位移平臺的不確定度進一步提出縮小匹配點對搜索范圍的方法以提高特征點匹配可靠性并根據歐式距離最近鄰域法得到特征匹配點；以重疊區域的局部連續性為依據，通過STLS算法計算校正矩陣而得到最終拼接。本發明不但適用于特征豐富的結構，也適用于相似度高、特征不明顯的陣列型結構，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域而帶來的可觀的額外測試時間，成功地實現大范圍測量。
【IPC分類】G06T3-00
【公開號】CN104732476
【申請號】CN201510128067
【發明人】馬龍, 王丹, 張鴻燕, 蘇志剛, 張亞娟
【申請人】中國民航大學
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月23日