王菁+付娟+王青+張靜

摘 要：變焦顯微測量技術(shù)是物體微觀表面形貌的非接觸式高精度測量方法中的一個(gè)重要研究方向，因其測量精度高、效率高、魯棒性強(qiáng)、適合測量具有大傾角的表面的優(yōu)點(diǎn)，文章對(duì)該測量技術(shù)中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行挖掘和研究，包括聚焦評(píng)價(jià)、圖像融合、模型重構(gòu)、模型拼接和模型質(zhì)量評(píng)價(jià)幾個(gè)方面，意指找到最優(yōu)的算法組合。文章綜述了五個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)在國內(nèi)外的發(fā)展態(tài)勢，剖析了基于三維模型的變焦顯微測量技術(shù)的可行性，并從中尋找到有效的組合方法形成系統(tǒng)的基于三維模型的變焦顯微測量技術(shù)。

關(guān)鍵詞：變焦顯微測量；聚焦評(píng)價(jià)算子；三維模型重構(gòu)；圖像融合；模型拼接

1 概述

物體微觀表面形貌的高精度測量[1]是測量領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，屬于微納尺度上的測量方法，其目的主要是通過光學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，將測量物體的微觀表面重構(gòu)出真實(shí)、精確的三維模型，并從中提取輪廓、形狀偏差、位置偏差等重要信息。該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于包括精密工程、微制造、質(zhì)量檢測、生物科技、臨床醫(yī)學(xué)等方面的諸多領(lǐng)域，具有很大的科研價(jià)值與實(shí)用價(jià)值。

物體微觀表面形貌的測量方法分為接觸式測量方法和[2]非接觸式測量方法[3]兩大類。相比于接觸式測量方法易于損傷被測工件表面的缺點(diǎn)，非接觸式的表面形貌學(xué)測量方法是該領(lǐng)域中的主流測量方法，正向著速度更快、分辨率更高、測量范圍更高、適用范圍更廣的方向發(fā)展。而在非接觸式的表面形貌學(xué)測量方法中，本文所采用的變焦顯微測量相比于激光相移干涉法、掃描白光干涉法等其他幾種非接觸式測量方法具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。

由于該測量方法是一種較新的測量手段，已有的研究較多停留在二維圖像融合上，對(duì)該測量方法系統(tǒng)、統(tǒng)籌的研究工作還很少，對(duì)三維模型重構(gòu)、三維模型拼接的算法挖掘和改進(jìn)不足。以重構(gòu)后三維模型上的噪音問題為例，根據(jù)理論分析和已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過已知的先進(jìn)算法生成的三維模型易出現(xiàn)噪音和表面形狀上的失真，對(duì)模型重構(gòu)帶來了誤差，嚴(yán)重影響了測量的準(zhǔn)確性[4，5]。對(duì)于平面物體，三維模型的平面拼接可以滿足測量需求；對(duì)于螺釘、鉆刀等被測物，三維模型的柱面拼接是必不可少的。

本文基于二維圖像融合、三維模型重構(gòu)和三維模型拼接技術(shù)，通過對(duì)算法進(jìn)行挖掘和研究，找到可以實(shí)現(xiàn)理想效果的變焦顯微測量技術(shù)的具體方案。根據(jù)二維圖像的時(shí)域融合原理，尋找從二維變焦圖像序列生成三維立體模型的已有算法進(jìn)行創(chuàng)新性改進(jìn)，通過對(duì)不同物體表面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到多組三維模型，經(jīng)過定量的評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算，組合出的最優(yōu)算法準(zhǔn)確度高、抗噪性強(qiáng)。

2 變焦顯微測量技術(shù)

從歷年資料來看，國際上將變焦顯微測量技術(shù)應(yīng)用于精密測量領(lǐng)域的科研機(jī)構(gòu)里面，除了奧地利Alicona、德國Leica和日本Keyence幾家商業(yè)化公司而外，僅有德國紐倫堡大學(xué)、瑞士蘇黎世大地測量學(xué)和攝影研究所、捷克科學(xué)院等少數(shù)幾家；國內(nèi)從事相關(guān)研究工作的有中科院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心、山東大學(xué)、重慶大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等為數(shù)不多的幾所高校和科研院所。

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）中負(fù)責(zé)“尺寸與產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范”的第213學(xué)術(shù)委員會(huì)（TC 213）在2010年編制的ISO25178標(biāo)準(zhǔn)第6部分中描述[6，7]，包括接觸式和非接觸式測量方法在內(nèi)，目前列入該標(biāo)準(zhǔn)的表面形貌測量方法共計(jì)有12種。圖1列出了部分測量方法、原理及其特性。

3 聚焦評(píng)價(jià)與三維模型重構(gòu)

聚焦評(píng)價(jià)技術(shù)也被稱為聚焦合成技術(shù)（Depth from Focus，DFF），它是由自動(dòng)聚焦技術(shù)[8，9]演變而來。拍攝的圖像隨著放大倍數(shù)增大，景深會(huì)隨著減小，這使得物體不可能在一幅圖像中完全聚焦清晰。而生物醫(yī)學(xué)及材料科學(xué)的成像要求顯微鏡既要有更高的分辨率又要有足夠的景深，這是傳統(tǒng)光學(xué)硬件的矛盾。為解決此矛盾，聚焦評(píng)價(jià)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

高贊[9]等研究經(jīng)典的基于梯度的自動(dòng)聚焦評(píng)價(jià)函數(shù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些經(jīng)典的基于梯度的自動(dòng)聚焦算法在計(jì)算梯度的時(shí)候僅僅計(jì)算了一個(gè)或者二個(gè)方向上的梯度，實(shí)際的梯度方向可能與算法指定的梯度方向不一樣。鄭媛媛[10]在聚焦區(qū)域選擇方面，針對(duì)評(píng)價(jià)函數(shù)有多個(gè)極值導(dǎo)致的聚焦失敗提出了基于群智能優(yōu)化算法的聚焦窗口選擇方法，搜索前景和后景的最佳分割閾值。Ikhyun Lee[11]等提出了一種窗口具有一定延展性的三維形貌重構(gòu)算法，可以將聚焦評(píng)價(jià)窗口的形狀進(jìn)行改變，根據(jù)一定的指標(biāo)調(diào)整矩形的長寬大小，從而得到精確度更高的三維模型。

綜合以上有關(guān)聚焦評(píng)價(jià)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，可知對(duì)于聚焦評(píng)價(jià)窗口進(jìn)行自適應(yīng)的形狀改良方法未見于文獻(xiàn)，所以通過對(duì)現(xiàn)有算子進(jìn)行公式上的適度改良，結(jié)合具有自適應(yīng)功能的窗口模型，可在保證軟件處理效率的前提下提高計(jì)算精度。

4 圖像融合技術(shù)

圖像融合技術(shù)對(duì)同一景物的用不同傳感器獲得的不同圖像，或用同種傳感器以不同的成像方式或在不同成像時(shí)間獲得的不同圖像，融合為一幅高清晰圖像。這幅融合圖像包含了一系列原始圖像的信息，以達(dá)到對(duì)該景物更準(zhǔn)確，更全面和更可靠的描述。對(duì)三維模型重構(gòu)和拼接理論的研究當(dāng)中，將顯微圖像序列生成二維高清晰的融合圖像是有利于實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行被測物的測量和觀察的。為了保證融合的精度[13]，選取基于像素點(diǎn)的圖像融合可以得到高精度的融合圖像，且使用先進(jìn)的聚焦評(píng)價(jià)算子可以提升時(shí)域融合圖像的精度，對(duì)模型的拼接也會(huì)有幫助。

常用的基于空間域的圖像融合算法主要分為兩類：

4.1 基于像素點(diǎn)的融合算法

4.2 基于圖像塊的融合算法

這種算法不是針對(duì)單個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行操作，而是以一塊圖像區(qū)域作為處理對(duì)象。該方法對(duì)圖像的處理方法較為簡便，首先將待融合圖像分塊，比較對(duì)應(yīng)圖像塊的清晰度指標(biāo)特征，如果清晰區(qū)域和模糊區(qū)域差距明顯，就直接選取清晰的部分進(jìn)行融合；如果清晰區(qū)域和模糊區(qū)域的界限不明顯，處于兩者的交界區(qū)，則兩部分加權(quán)組合形成融合圖像，原理如圖2所示。

5 模型拼接技術(shù)

學(xué)術(shù)界對(duì)于三維模型拼接的研究成果較少，主要是根據(jù)三維形貌的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配拼接的。尤其是對(duì)于柱面模型拼接方法的研究，國內(nèi)仍然是一片空白。

徐巧玉[14]等為了實(shí)現(xiàn)工件的大范圍高精度測量，在被測物四周設(shè)置輔助測量控制點(diǎn)，基于單位四元數(shù)法建立測量控制網(wǎng)，通過其在不同測位獲取的測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到整體空間坐標(biāo)系下，獲得全局測量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的三維拼接。

于瀛潔[15]在確保較高分辯率的前提下，提出了一種相位拼接技術(shù)以解決數(shù)字全息技術(shù)中擴(kuò)大測量面積的瓶頸問題。以平面物體的測量為例建立了數(shù)字全息相位拼接技術(shù)的理論模型，完成了對(duì)相位物體的2×2拼接模擬，并在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)相位板2×2的拼接實(shí)驗(yàn)中獲得了較好的拼接效果。雖然該模型拼接算法用在干涉測量領(lǐng)域，但對(duì)本文的算法選取有一定的借鑒意義。

綜合以上有關(guān)與模型拼接相關(guān)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，可知現(xiàn)有的模型拼接技術(shù)主要應(yīng)用于干涉測量方法中，應(yīng)用于變焦顯微測量的模型拼接方法還鮮有文獻(xiàn)提及?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中有通過圖像拼接指導(dǎo)模型拼接的方法，但本文提升了圖像拼接的精度，從而間接提升模型拼接的精度。

6 結(jié)束語

本文綜述了國外基于三維重構(gòu)的變焦測量方法研究現(xiàn)狀，對(duì)該測量技術(shù)幾種關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析與比較，對(duì)機(jī)床刀具、螺紋、鉆頭等具有大傾角和斜面的工具，該方法具有傳統(tǒng)監(jiān)測方法所不具備的優(yōu)點(diǎn)，但國內(nèi)在此領(lǐng)域缺乏創(chuàng)新動(dòng)力，需要更多投入以實(shí)現(xiàn)日后需要。綜合有關(guān)聚焦評(píng)價(jià)和三維重構(gòu)的國內(nèi)外成果，可知聚焦評(píng)價(jià)窗口自適應(yīng)的形狀改良方法仍存在很大的改良空間。從關(guān)于圖像融合的文獻(xiàn)中來看，融合圖像的質(zhì)量越高，從中計(jì)算得到的特征角點(diǎn)越多，圖像拼接的準(zhǔn)確性也會(huì)越高?，F(xiàn)有的模型拼接方法主要應(yīng)用于干涉測量方法當(dāng)中，通過對(duì)各關(guān)鍵技術(shù)算法進(jìn)行選取與定量比較，給出實(shí)現(xiàn)該種測量目的的計(jì)算方案和算法類型，可以形成一套實(shí)用的測量手段。

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作者簡介：王菁（1980-），女，山東青島，工程師，中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，主要從事軌道車輛產(chǎn)品質(zhì)量策劃、質(zhì)量體系審核工作。

付娟（1983-），女，山東青島，助理工程師，中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，主要從事軌道車輛質(zhì)量管理工作。

王青（1983-），男，山東青島，工程師，主要從事軌道車輛電氣質(zhì)量檢驗(yàn)工作。

張靜（1982-），女，山東青島，工程師，中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，主要從事軌道車輛產(chǎn)品質(zhì)量策劃、控制工作。