[发明专利]基于光流算法测量显微镜下纳米尺度三维形变的方法

权利要求书

1.一种基于光流算法测量显微镜下纳米尺度三维形变的方法，其特征在于，包括：

分别获取材料形变前的正投影图像和形变后的正投影图像；

利用光流算法获得形变前后的两幅图像之间的面内位移场；

根据楔面数学关系，由所述面内位移场得到材料形变的离面位移场；以形变发生源点位置为原点建立直角坐标系，根据测量点所处象限、面内位移场水平分量符号、竖直分量的符号，判断离面位移场的矢量方向；

所述的利用光流算法获得形变前后的两幅图像之间的面内位移场；根据楔面数学关系，由所述面内位移场得到材料形变的离面位移场，具体包括：

将形变看作楔面形变，根据楔面数学关系，材料形变的离面位移场w由式(1)计算得到：

w＝Rsinθ       (1)

式(1)中，R为图像宽度；θ为形变楔角，其由式(2)计算得到：

式(2)中，d为变前后的两幅图像之间的面内位移场；R为图像宽度且已知；θ为形变楔角；u和v分别为形变前后的两幅图像之间的面内位移场的两个分量，其中，u和v利用光流算法计算得到。

2.根据权利要求1所述的基于光流算法测量显微镜下纳米尺度三维形变的方法，其特征在于，所述光流算法为Horn-Schunck光流算法，经Horn-Schunck光流算法计算得到u和v，其分别为式(3)和式(4)迭代所得到的uⁿ⁺¹和vⁿ⁺¹：

式(3)和式(4)中，和分别为以(x,y)为中心的子区域内u和v的平均值，α为平滑参数；I_x、I_y和I_t分别为图像I对于x、y和t的偏导数；I(x,y,t)为t时刻像素点(x,y)处灰度值；n迭代次数。

3.根据权利要求1所述的基于光流算法测量显微镜下纳米尺度三维形变的方法，其特征在于，形变前后的两幅图像之间所有点的面内位移均小于3个像素。

4.根据权利要求1所述的基于光流算法测量显微镜下纳米尺度三维形变的方法，其特征在于，两幅图像的尺寸均在256*256至512*512之间。

5.根据权利要求1所述的基于光流算法测量显微镜下纳米尺度三维形变的方法，其特征在于，所述的利用光流算法获得形变前后的两幅图像之间的面内位移场，包括：

先利用光流算法形变前后的两幅图像之间的面内运动场，然后将得到面内运动场乘以时间因子，得到三维形变的面内位移场，再根据显微镜的放大倍数将离面位移的单位由像素单位转换成长度单位，得到离面位移尺寸，其中，时间因子为形变前后的两幅图像之间的时间间隔。

6.根据权利要求1所述的基于光流算法测量显微镜下纳米尺度三维形变的方法，其特征在于，所述的分别获取材料形变前的图像和形变后的正投影图像，具体包括：

将光源、三维透光载物台、显微镜和工业相机同轴放置并封装在暗箱之中，开启光源，将待测量的固体材料置于光源上方的透光载物台上，调节显微镜的放大倍数和工业相机的焦距，使固体材料的上表面的图像能够清晰地被工业相机拍摄到；先拍摄固体材料形变前的正投影图像，然后根据形变的速度设定拍摄时间间隔，拍摄固体材料形变后的正投影图像。

7.根据权利要求6所述的基于光流算法测量显微镜下纳米尺度三维形变的方法，其特征在于，所述显微镜为纯光学放大显微镜。

8.根据权利要求1所述的基于光流算法测量显微镜下纳米尺度三维形变的方法，其特征在于，所述的基于光流算法测量显微镜下纳米尺度三维形变的方法采用Matlab软件进行处理。

9.根据权利要求1所述的基于光流算法测量显微镜下纳米尺度三维形变的方法，其特征在于，具体步骤包括：

1)开启光源，将光纤传像材料置于光源上方的透光载物台上，调节显微镜的物镜的放大倍数和工业相机的焦距，使光纤传像材料的上表面的像能够清晰地被工业相机拍摄到；

使用压电陶瓷使光纤传像材料倾斜，高度为2800nm，方向是向上，图像尺寸均为400*400像素，每个像素的尺寸为0.08微米，分别在50倍光学放大显微镜下拍摄到的变形前与变形后的二维图像；

2)根据形变速度设定拍摄时间间隔，获得形变前后的两幅图像，运用Horn-Schunck光流算法得到形变前后的两幅图像的面内运动场，用面内运动场乘以时间因子可以得到面内位移场；

对两幅图像的面内位移场进行预测试，保证两幅图像之间所有点的面内位移最大值小于3个像素，若不满足该条件，则需要减少设定的时间间隔，直到两幅图像之间所有点的面内位移最大值小于3个像素再开始后续步骤；

3)利用Horn-Schunck光流算法获得两幅图像之间的面内位移场后，将在显微镜下得到的物体的形变均看做楔面形变，根据楔面形变数学关系式可以由物体的面内位移场得到物体离面位移场；

4)以形变发生源点位置为原点建立直角坐标系，通过观察位置所处象限、面内位移场水平分量符号、竖直分量的符号可以判断离面运动矢量场的方向。