[发明专利]一种基于图像融合来执行三维表面形貌测量的方法

说明书

本发明属于三维表面形貌测量相关技术领域，并公开了一种基于图像融合来执行三维表面形貌测量的方法，其包括：针对待测量对象，分别获得低分辨率的初始表面形貌图像和高分辨率的灰度原图；通过基于本征图像分解的全局照明估计和局部照明估计，得到新的更接近真实照明的优化后灰度图像；采用形状恢复算法将初始表面形貌图像与优化后灰度图进行融合，生成分辨率获得增强的优化后表面形貌图像。通过本发明，不仅可获得更高分辨率的表面形貌测量结果，而且具备高效率、便于操控和误差率低等优点，同时很容易与高动态范围表面的在线高速测量集成在一起。

技术领域

本发明属于三维表面形貌测量相关技术领域，更具体地，涉及一种基于图像融合来执行三维表面形貌测量的方法。

背景技术

近年来，具有功能性表面的产品在摩擦学、热传导、流体动力学、光学、太阳能、医学植入、仿生学、仿生电子学和微电子学等科学研究和工程应用中引起了广泛的关注。这些功能表面包括一系列工程产品中的的微纳米结构。这些高动态范围(HDR)表面几何特征的测量对先进测量设备提出了一系列测量要求。

更具体而言，这些测量要求之一首先在于需要具备高分辨率的横向测量能力。传统的机械式探针和3D远场光学测量系统分别由其尖端几何形状和光学传递特性决定了他们的物理横向分辨率的极限，因此传统的测量方式对于横向尺寸小于1um的精细结构的测量比较困难。为了解决此技术问题，目前已经开发了譬如随机光学重建显微镜(STORM)、受激发射损耗荧光显微镜(STED)、光敏定位显微镜(PLAM)、结构光照明显微镜(SIM)等一系列超分辨技术。然而，这些超分辨率技术仍面临着一些局限，如必需对样品进行额外的预处理、测量范围偏小(通常为几微米到几十微米)等问题。

此外，为了提高测量范围和视域，研究者们已经基于局部高分辨率测量数据的拼接，提出了一些HDR测量技术，如Z.Lei等人提出了一种基于相干扫描干涉测量(CSI)系统进行大面积表面测量的采样抗噪拼接技术。M.Y.Liu等人开发了一种基于高斯建模的拼接和融合方法，可用于大面积测量，同时提供更高的拼接精度。但这些拼接技术需要在每个子区域上重复大量高分辨率的测量，相应要求对每个子区域测量重复设置操作，并且完整的拼接过程可能由于大量测量数据而导致耗时过多，成本过高等问题。

高动态范围表面几何特征的另一个重要要求在于提高测量效率。为此，现有技术中已提出了一些解决方案，如Preibisch开发了一种基于傅里叶变换定理的生物体图像快速拼接与融合技术；Yu和Peng开发了一种基于多尺度配准的高速拼接技术，用于在千兆字节级别上进行三维生物体数据的拼接，等等。然而，以上方案通常需要复杂的附加操作，并且需要在每个局部测量中重复调整样品并进行表面搜索，因此实用性有限。相应地，本领域亟需寻找针对性的解决方案，以便更好地满足实际生产实践中所面临的以上方面的技术需求。

发明内容

针对现有技术的以上不足或改进需求，本发明提供了一种基于图像融合来执行三维表面形貌测量的方法，其中通过紧密结合高动态范围三维表面形貌测量工艺在高分辨率横向测量能力和高测量效率这两个重要方面的技术问题，引入了基于本征图像分解的优化照明模型，同时采用阴影形状技术(SFS)来进行图像融合，相应与现有技术相比不仅可获得更高分辨率的表面形貌测量结果，而且具备高效率、便于操控和误差率低等优点，因而尤其适用于各类高动态范围表面几何特征的在线高精度高速测量应用场合。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于图像融合来执行三维表面形貌测量的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)图像采集步骤

针对待测量对象，采用表面形貌测量设备对其进行扫描，获得具备第一分辨率的初始表面形貌图像；同时采用视觉相机获得与此初始表面形貌图像保持对应且具备第二分辨率的灰度原图，其中该视觉相机具备达到需求标准的较高分辨率，也即该第二分辨率被设定为大于该第一分辨率；

(b)照明估计步骤