【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及顯微鏡圖像處理，具體涉及一種基于高精度運動控制的共聚焦顯微鏡相機標定方法。
技術介紹
1、圖像測量技術可分為二維測量和三維測量兩大類。三維測量通常是基于立體視覺的測量方法，與二維測量相比，其在深度信息獲取方面具有明顯的優越性。然而，三維測量需要對兩臺甚至多臺相機的相互位置進行精確標定，還需要找到同一目標點在不同相機圖像中的對應關系，這涉及到復雜的立體匹配問題，從而影響了整體測量精度。此外，在顯微鏡平臺上安裝兩臺相機面臨一定困難。由于顯微鏡在微觀觀察方面有較高的要求，相機間距需保持極小，這對雙目立體標定的精度和難度提出了更高的要求。尤其在測量微小物體(毫米級別甚至微米級別)時，采用立體視覺方法會導致較大的測量誤差，同時雙相機安裝也會給設備的空間布局帶來很大壓力。
2、對于共聚焦顯微鏡平臺，其測量參數全部位于一個平面上，因此無需采用立體視覺測量方法。如果能夠將二維測量與高精度運動控制平臺相結合，就可以將三維測量問題轉化為二維測量問題，從而有效地提升測量精度。二維測量的核心技術問題在于確保相機光軸與被測物表面保持垂直關系，否則將導致圖像的幾何失真，影響測量結果的準確性。目前，共聚焦顯微鏡的運動控制平臺在x、y、z三個方向上的定位精度已經達到10微米以下，充分利用這一精密的運動控制可以實現高精度的二維測量。
3、如圖2所示，共聚焦顯微鏡系統包括觀察相機、測量相機以及激光測量設備。如圖3所示，觀察相機用于監控平臺上的整體視野，幫助用戶框選和定位平臺上的感興趣目標；測量相機則對準選定目標對焦，當被測物體
4、在實際應用中，當被測物處于觀察相機視野中心位置時，通過在觀察相機視野中對被測物進行框選，激光測量設備能夠自動對焦到被測物上，從而實現輪廓掃描和尺寸測量。然而，當被測物處于觀察相機視野邊緣位置時，即使進行框選，由于相機標定精度不足，激光測量設備很難準確對焦到被測物，導致測量失敗。
技術實現思路
1、技術目的：針對現有的共聚焦顯微鏡相機標定精度的不足，本專利技術公開了一種基于高精度運動控制的共聚焦顯微鏡相機相機標定方法，通過高精度相機校正技術，確保觀察相機和測量相機的標定精度，使得相機能夠精確框選目標。
2、技術方案：為實現上述技術目的，本專利技術采用了如下技術方案：
3、一種基于高精度運動控制的共聚焦顯微鏡相機標定方法，具體包括以下步驟：
4、建立四個坐標系，包括世界坐標系(xw，yw，zw)、相機坐標系(xc，yc，zc)、圖像坐標系(x，y)和像素坐標系(u，v)；
5、將棋盤格標定板放置于高精度運動平臺上，并確保棋盤格標定板位于相機的視野中心并完整顯示，拍攝標定圖像，記錄棋盤格標定板上的一個物體點p的圖像坐標，通過相機光心oc和物體點p的成像關系，確定各坐標系之間的映射關系；
6、基于物體點p的圖像坐標和實際坐標，建立相機的初步成像模型，包括相機的內參數和外參數，內參數包括焦距、主點坐標和畸變系數，外參數包括旋轉矩陣和平移向量；
7、對成像模型進行非線性校正，通過計算鏡頭引起的徑向畸變和切向畸變，消除相機鏡頭的畸變，并將校正后的標定圖像的圖像坐標轉換為像素坐標；
8、將棋盤格標定板置于不同視角，采集多個位置下的物體點數據，通過多視角數據計算投影差，用于優化非線性校正參數；
9、基于經過非線性校正后的成像模型進行線性校正，選取棋盤格標定板上的多個標定點，計算圖像平面與高精度運動平臺物理平面之間的映射關系，得到單應性矩陣h；
10、利用最小二乘法優化單應性矩陣，通過最小化線性校正階段的反向投影誤差，對標定點的坐標映射進行優化，以提高標定精度；
11、通過優化后的單應性矩陣將圖像中任意物體點的像素坐標轉換為平臺的物理坐標，從而完成相機標定，并基于最終標定結果用于共聚焦顯微鏡的自動對焦過程。
12、優選地，建立四個坐標系后還包括對相機坐標系做歸一化處理，具體公式如下：
13、
14、其中，x和y表示圖像坐標，xc、yc和zc表示相機坐標。
15、優選地，相機的初步成像模型具體如下：
16、
17、其中，u和v表示像素坐標，xc表示相機橫坐標，xw、yw和zw表示世界坐標，r和t分別表示世界坐標系與相機坐標系之間的正交旋轉變換矩陣和平移向量，fx＝f/dx和fy＝f/dy分別表示焦距在x和y方向的分量，其中f表示相機焦距，dx和dy表示每一個像素在x和y軸方向的物理尺寸，u0和v0表示相機光軸與圖像平面的交點坐標，即主點坐標。
18、優選地，相機的徑向畸變和切向畸變校正模型為：
19、
20、其中，xd和yd表示物體點p的實際坐標，k1，k2，k5表示徑向畸變參數，k3，k4表示切向畸變參數，和分別表示x和y方向的切向畸變。
21、優選地，圖像坐標轉換為像素坐標的具體公式如下：
22、
23、其中，xd和yd表示物體點p的實際坐標，fx＝f/dx和fy＝f/dy分別表示焦距在x和y方向的分量，α表示像元兩邊夾角，實際像素坐標系與圖像坐標系之間存在角度為(π/2-α)*180/π，u0和v0表示相機光軸與圖像平面的交點坐標，即主點坐標。
24、優選地，投影差的計算公式如下：
25、
26、其中，proje表示投影差，xi和yi表示非線性模型下的物體點在棋盤格標定板不同位姿下的圖像坐標，和表示物體點在棋盤格標定板不同位姿下的實際圖像坐標，i表示棋盤格標定板在相機中每個位姿的圖像編號，n表示棋盤格標定板選取的位姿總數量。
27、優選地，基于經過非線性校正后的成像模型進行線性校正，選取棋盤格標定板上的多個標定點，計算圖像平面與高精度運動平臺物理平面之間的映射關系，得到單應性矩陣h的具體過程包括：
28、選取棋盤格標定板上的四個標定點p0，p1，p2，p3，記錄其像素坐標及平臺物理坐標；
29、建立圖像平面坐標與高精度運動平臺平面坐標對應的單應性矩陣h，其關系可表示為x＝hx′，其中x表示圖像平面坐標，x′表示高精度運動平臺平面坐標，單應性矩陣
30、根據選取的標定點的圖像平面坐標與高精度運動平臺平面坐標之間的關系以及反向投影錯誤率計算公式，利用最小二乘法求解單應性矩陣h，并對單應性矩陣求逆運算，得到h′，
31、優選地，反向投影錯誤率公式如下：
32、
33、其中，ereproj表示反向投影錯誤率，c00、c01、c03、c10、c11、c12、c20、c21和c22均為單應性矩陣h中的元素，xj和yj表示標定點的平臺物理坐標，j表本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于高精度運動控制的共聚焦顯微鏡相機標定方法，其特征在于，具體包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于高精度運動控制的共聚焦顯微鏡相機標定方法，其特征在于，建立四個坐標系后還包括對相機坐標系做歸一化處理，具體公式如下：
3.根據權利要求1所述的一種基于高精度運動控制的共聚焦顯微鏡相機標定方法，其特征在于，相機的初步成像模型具體如下：
4.根據權利要求1所述的一種基于高精度運動控制的共聚焦顯微鏡相機標定方法，其特征在于，相機的徑向畸變和切向畸變校正模型為：
5.根據權利要求1所述的一種基于高精度運動控制的共聚焦顯微鏡相機標定方法，其特征在于，圖像坐標轉換為像素坐標的具體公式如下：
6.根據權利要求1所述的一種基于高精度運動控制的共聚焦顯微鏡相機標定方法，其特征在于，投影差的計算公式如下：
7.根據權利要求1所述的一種基于高精度運動控制的共聚焦顯微鏡相機標定方法，其特征在于，基于經過非線性校正后的成像模型進行線性校正，選取棋盤格標定板上的多個標定點，計算圖像平面與高精度運動平臺物理平面之間的映射關
8.根據權利要求7所述的一種基于高精度運動控制的共聚焦顯微鏡相機標定方法，其特征在于，反向投影錯誤率公式如下：
9.根據權利要求8所述的一種基于高精度運動控制的共聚焦顯微鏡相機標定方法，其特征在于，通過優化后的單應性矩陣將圖像中任意物體點的像素坐標轉換為平臺的物理坐標的具體步驟如下：
...【技術特征摘要】
1.一種基于高精度運動控制的共聚焦顯微鏡相機標定方法，其特征在于，具體包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于高精度運動控制的共聚焦顯微鏡相機標定方法，其特征在于，建立四個坐標系后還包括對相機坐標系做歸一化處理，具體公式如下：
3.根據權利要求1所述的一種基于高精度運動控制的共聚焦顯微鏡相機標定方法，其特征在于，相機的初步成像模型具體如下：
4.根據權利要求1所述的一種基于高精度運動控制的共聚焦顯微鏡相機標定方法，其特征在于，相機的徑向畸變和切向畸變校正模型為：
5.根據權利要求1所述的一種基于高精度運動控制的共聚焦顯微鏡相機標定方法，其特征在于，圖像坐標轉換為像素坐標的具體公式如下：
6.根據...
【專利技術屬性】
技術研發人員：趙圣杰，錢豪，張亞，徐清平，李恒，鄭洋洋，李超，
申請(專利權)人：南京木木西里科技有限公司，
類型：發明
國別省市：
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