金相显微镜上实现三维微观形貌恢复.pdf

第38卷第5期光学仪器Vol 38. No2016年10月OPTICAL INSTRUMENTSOctober, 2016文章编号:1005-5630(2016)05-0388-05金相显微镜上实现三维微观形貎恢复宋琨鹏,于瀛洁,牟柯冰(上海大学机电工程与白动化学院,上海200072)摘要:金相显微镜是一种经典的测量分析仪器,已经实现了金相显微镜图像的数字化采集,并恢复了三维微观形貌。首先,对金相显微镜的載物台加装电机,利用电机带动载物台进行精密移动,在载物台移动过程中,对被测物体等步距拍摄序列图像。然后,根据聚焦形貌恢复的原理,采用修正的拉普拉斯算子进行聚焦程度判断,利用高斯插值方法获取聚焦程度最大值以及此时被测表面的高度信息,恢复三维形貌。最后,利用金相显微镜对粗糙度样块进行测量,获得了相符的测量结果。该方法对于扩展金相显微镜的测量范围具有积极意义关键词:金相显微镜;聚焦形貌恢复;三维徽观形貌恢复中图分类号:TP394.1文献标志码:Adoi:10.3969/.issn1005-5630.2016.05.003Recovery of three-dimensional microscopic morphology by metalloscopeSONG Kun peng, YU Yingjie, MOU KebingSchool of Mechatronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)Abstract: Metalloscope is a classical measurement instrument. The images of the object arecollected digitally and the 3D microscopic morphology is acquired. Firstly, a motor is added todrive it with highTheolecaptured by the moving stage at a constant interval. Then based on the principle of shape fromfocus, the modified Laplacian operator is used to judge the quality of the focused images. Themaximum focus degree and the corresponding height information are calculated by the Gaussianinterpolation algorithm and the three-dimensional profile is obtained. At last, the surfaceroughness specimens are measured and the results are consistent with the standard values.The method is of great significance for extendmg the application of metalloscopeKeywords: metalloscope; shape from focus; recovery of threc-dimensional microscopic1言金相显微镜是一种应用广泛的光学仪器,可以及早发现材料加工生产中的问题,改善热处理操作,防止产生废品,提高产品质量。该设备已成为钢铁治炼、材料加工等行业重要的测量分析仪器,也广泛应用在高校的实验研究教学中。数字化是提升测量能力、满足现代生产要求的有效手段。因此国内外许多研究人员已经对普通的金相显微镜进行了数字化2,用CCD采集图像,然后进行图像分析与处理。目前商收稿日期:201512-16作者简介:宋現鹕(1992-),男,倾十研究生,主要从事光学千涉拼接检测方師的研究。E-mail:litzdxtx(c163.com通信作者:于瀛清(1969-)?女,研究员,主要从事精密光学检测技术及仪器方向的研究。 C mail: yingjie( a staff. shu. edu.cn万方数据第5期宋鹏,等:金相显微镜上实现三维微观形貌恢复89品化的金相显微镜多以二维测量分析为主,但实际应用中对同时获得三维信息也有很多需求。金相显微镜本身的结构具有三维运动功能,为实现三维测量提供了必要条件。在载物台可以精密移动的基础上,基于一些新的图像处理技术还可以实现微观形貌的恢复。木文采用单目视觉方法,对光学系统成像部分不做改动,成本较低,而且容易实现器。在单目视觉方法中,采用聚焦形貌恢复方法对被测物体进行恢复,原理简单,鲁棒性较好。本文简要介绍了聚焦形貌恢复技术,并通过实验对金相显微镜进行改造,实现了粗糙度样块三维表面形貌的恢复,测量了表面粗糙度,与标准值比对后可得实验结果正确可靠。实验系统扩大了金相显微镜的使用范围。聚焦形貌恢复技术1.1基本原理聚焦形貌恢复技术最早在20世纪90年代初由 Nayar等-提出。初始阶段计算量大、硬件性能不足的缺点限制了它的应用。但随着计算机技术的发展,聚焦形貌恢复技术已经得到了实践的验证,具有较高的实用价值。对一个光学系统,根据高斯定理,物距焦距/像距之间的关系为当焦距和像距固定时,被测物体成像最清晰的物距也是固定且唯一的。图1中用椭圆表示成像系统,实线表示被测表面。当成像系统位于d。位置时,物距的对准平面在n。处。在景深L范围内,被测表面能成较为清晰的像,但只有对准平面与被dddd测表面的交点所成的像没有误差。等步距d成像系统移动成像系统至d1,cd2,d处,对准平面也分别移动到n1,12,处;1对准平面与被被测表面测表面的交点为P1,P1所成的7幅图像中,在dl1位置所成的像最为清晰,因此P1点的相对对准平面高度信息为a。同理,P2,P3,P,P。点的相图1聚焦形貌恢复原理图对高度信息为21,3,4l,5l。经过插ig. 1 Principle of shape from focus值获得被测表面所有点的相对高度信息之后即可恢复被测表而的三维形貌1.2聚焦测度算子/聚焦评价函数聚焦测度算子或者聚焦评价函数用来判断物体上成像点的聚焦程度,即清晰程度。判断图像的清晰程度是聚焦形貌恢复方法的重要一步,只有获得图像的聚焦位置或者最清晰的图像,才能够得到物体上各点的相对深度,获得物体的三维形貌自从 Nayar等提出聚焦形貌恢复思想以来,聚焦形貌恢复技术的研究方法没有发生太大变化,各国的学者主要针对 Nayar算法加以改进,尤其在评价函数的选择等方面进行了深入的研究。文献11分析了聚焦测度算子,得出的结论是综合情况下基于小波变换和拉普拉斯算子的性能相对较好。如果考虑计算时问,频域中的算子比空域和统计特征的计算量大得多,对使件性能的要求更高因此本文采用修正的拉普拉斯算子进行聚焦程度的判断。br