[发明专利]基于光学显微镜和变化光照的微观形貌三维测量方法

说明书

技术领域

本发明属于精密测量领域，具体涉及一种基于光学显微镜和变化光照的微观形貌三维测量方法。本发明将所提方法称为MPS方法。

背景技术

微观形貌三维测量是一个非常重要的研究领域，目前国内外的研究机构及企业已开发出多种原理的形貌形貌三维测量设备，使用比较广泛的有聚焦显微镜(Confocal microscopy)，白光干涉仪(white-light interferometry)，显微光栅投影(microscopic fringe projection)及显微立体视觉(light microscope stereo vision)等。其中，聚焦显微镜和白光干涉仪可以测量纳米尺度的三维数据；而显微光栅投影和光学显微镜能够快速、稳定地测量范围在1cm²-几个cm²内的微观物体。上述设备大多结构复杂且价格昂贵，不适合用于很多对精度要求不高、仅需要微观三维形貌的领域(如：缺陷检测、皮肤医学、金属腐蚀学等)。因此，开发一种易于实施且成本低廉的微观形貌测量方法具有非常明确的现实应用需求。

光度立体视觉技术(Photometric Stereo)是宏观领域里常用的一种光学三维测量方法，其基本原理是在不同的光照条件下，从同一视点拍摄多张图像，根据每个像素的强度变化计算物体表面的法线方向，最后根据法线方向计算出每个像素对应的三维坐标，从而得到被测物体表面完整密集的三维形貌。由于此方法非常简单且易于实施，目前已广泛应用于宏观尺度上的形状测量、缺陷检测以及物体分类上。但是，目前这一方法还没有被用于微观领域。本发明将光度立体法引入微观领域，提出一种新的基于光学显微镜和变化光照的微观形貌三维测量方法：Microscopic PhotometricStereo(MPS)。

现有的光度立体视觉方法可分为两类：已标定的光度立体视觉方法(calibrated photometric stereo，CPS)和未标定的光度立体视觉方法(uncalibrated photometric stereo，UPS)。在CPS中，应首先使用金属球和漫反射球标定光源方向和强度。使用这些额外的标定对象进行标定的过程较为复杂，且由于光学显微镜的视场很小，额外的标定对象会使有效测量区域变小，从而影响微观形貌测量。因此，不需要额外标定对象的UPS方法更适用于MPS。在UPS中，由于光照条件是未知的，会使得计算得到的法线方向存在歧义，因此，必须采用适当的约束来消除这种UPS中固有的歧义问题。在UPS中，表面法线和反射率可以利用奇异值分解(singular value decomposition，SVD)的方法恢复为一个有9个参数的线性变换，然后根据表面可积的约束性可使这个9个参数的线性变换减少为3个参数的广义浅浮雕(generalized bas-relief，GBR)模糊问题[文献：P.N.Belhumeur，D.J.Kriegman，A.L.Yuille.The Bas-Relief Ambiguity.International Journal of Computer Vision，1999，35(1)：33-44.]。GBR模糊问题是UPS中的重要问题，产生这一问题的原因在于不同的表面形貌和光源方向可能产生同样的灰度图像，因此当光源方向未知时，必须引入其它的约束来解决这一问题。比如：当光源强度和/或相对表面反射率已知时，可以消除GBR模糊；也可通过非朗伯反射模型，如托伦斯-斯帕罗模型或朗伯加镜面反散模型等，来解决。

现有的方法并不能直接适用于MPS，因为在MPS中，当光源任意移动时显微镜拍摄得到的多张显微图像的光强变化非常显著，且图像噪声非常严重。前一现象使得光源强度一致的假设变得不再可用；后一现象使得采用复杂的非朗伯反射模型时会产生严重的数值误差。因此，现有的依靠光源强度约束或非朗伯模型的GBR消歧法不适用于MPS。

“Fast approximate energy minimization via graph cuts”(Boykov Y，Veksler O and Zabih R.，IEEE Trans.Pattern Anal.Mach.Intell.2011，23：1222-1239)中公开了一种图割法，图割法是一种能量最小化的优化方法，被广泛应用于一阶马尔可夫随机场模型的计算和求解。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光学显微镜和变换光照的微观形貌三维测量方法，此方法能够将普通的光学显微镜转化为一种微观形貌三维测量工具。