专利名称：基于相关识别的三维表面重建方法
技术领域：
本发明涉及一种三维表面的重建方法，尤其适用于利用扫描电镜而进行 的三维表面重建方法。
技术背景三维重建是计算机视觉领域中的一个重要研究方向，主要是由两幅或者 多幅两维图像恢复物体的三维几何形貌。目前由两个普通摄像机分别获取的 两维图像进行三维重建的技术已经比较成熟，扫描电镜下的三维重建也在20世纪90年代开始起步并得到发展。由于扫描电镜具有分辨率高、景深大 和可以直接观察试样等特点，特别适合于对断口的分析研究，从而使显微断 口扫描电镜成像技术成为一种广泛用于研究断裂的方法。但是，扫描电镜的 成像技术是将立体的样品经过透视投影在二维平面上，损失了样品的深度信 息，这给样品图像的平面分析带来很大的局限性，使得样品重建后的三维图 像与真实样品的差距较大，不利于对样品的分析。发明内容本发明是为了克服现有技术中的不足之处，提供一种基于相关识别原 理，利用扫描电镜成像技术，确定样品的高度信息，从而进行三维表面重建 的方法。本发明通过下述技术方案实现一种基于相关识别的三维表面重建方法，其特征在于，包括下述步骤(1) 将样品放在扫描电镜下采集样品表面的二维照片；(2) 旋转载物台，将观察的样品倾斜一定的立体角，采集倾斜后样品表 面的二维照片；倾斜的立体角一般为3°~ 15°。(3) 将倾斜前和倾斜后的二维图像通过相关识别方法匹配像点，确定出 样品表面上各点在倾斜前和倾斜后图像中的像点坐标；(4 )根据倾斜前和倾斜后图像中的像点坐标和立体角计算出图像中各点 的相对高程，之后依据各点的高程重建样品表面的三维图像。基于相关识别的匹配像点的过程如下首先在倾斜前图像中选定一个子区域，作为参考子区域，即X义，力，(x,力为参考子区域内任一点的坐标；然后在倾斜后图像中寻找与参考子区域相对应的那个子区域g(f, (JC*，,)为倾斜后图l象中子区域内任一点的坐标；计算子区域g( ,,)与参考子区域Xx,力之间的互相关系数，该互相关系数为<formula>formula see original document page 5</formula>式中w， v为参考子区域中心点的位移；相关系数取最大值时的位移值w和v 即为参考子区域的真实位移值。高程计算公式为<formula>formula see original document page 5</formula>其中，/z为样品上某点pa和参考点pb之间的高程差，6为立体角，《为pa 和PB两点在倾斜前图像上沿着与倾斜轴垂直方向的投影距离，由倾斜前图 像上Pa和PB两点的像点坐标之差得到。如果点Pa和参考点PB点在倾斜后 图像中的对应点为P'a和P'b,则^为P，a和P，b两点沿着与倾斜轴垂直方向 的投影距离，由倾斜后图像上P，a和P，b两点的像点坐标之差得到。 本发明具有下述技术效果本发明提供了一种基于相关识别原理的三维表面重建方法，该方法通过 扫描电镜得到物体表面不同立体角下的二维图像，通过相关识别对倾斜前和 倾斜后图像进行匹配像点，然后根据视差理论进行三维重建，从而可以得到 样品的高度信息，能够使重建后的三维图像与真实样品的差距较小，有利于 对样品的分析。尤其适用于断口形貌的三维重建，为进一步进行断口的定量 分析提供了基础数据。
图1是相关识别的原理示意图，其中(a)和(b)分别表示样品倾斜前和倾斜后的二维图像；图2为样品倾角为0。时的示意图； 图3为样品倾角为W时的示意图； 图4为高程计算方法的示意图；图5为一岩石试样的表面扫描电镜照片图(立体角为0。时)； 图6为岩石试样三维重建之后的表面等高线图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明详细说明。 本发明是基于相关识别的三维表面重建方法，包含以下步骤(1) 将样品表面放在扫描电镜下进行观察，调整放大倍数、对比度和 亮度等指标，使样品的图片清晰的显示在电脑的屏幕上，这时采集一幅样品 的二维图像，称为图像l,即倾斜前图像。(2) 旋转扫描电镜载物台，使观察的样品表面倾斜一定的角度，此角 度称为立体角， 一般在3。 15。之间(当样品表面比较平滑是，取较小的值， 当样品表面比较粗糙是，取较大的值)，采集此时样品的二维图像，称为图 像2,即倾斜后图像。(3) 以上两幅二维图像构成了样品在不同立体角下的二维图像对。通 过相关识别方法匹配^象点，确定出真实样品表面上某一点在倾斜前和倾斜后 图像中的像点坐标。图l是相关识别的原理示意图，其中(a)和(b)分别表示不同立体角 下拍摄的二维图像。基于相关识别的匹配像点的过程如下设/, g分别表示不同立体角下的两幅图像的灰度分布，灰度值的范围 在0-255之间，即空间同一点g(jc,力在不同立体角下图像中的灰度可以写 成<formula>formula see original document page 6</formula>假设物体表面上的每一点在不同立体角下的图像中的灰度值是不变的，即<formula>formula see original document page 7</formula> 用相关方法进行匹配像点时，首先要在图像l中选定一个子区域，作为参考子区域，即Xjc，力，(x,力为参考子区域内任一点的坐标。然后在图像2中寻找与参考子区域相对应的那个子区域g(^， y*)， (x*，,)为图像2中 子区域内任一点的坐标。为了判断所找到的子区域g(/, /)是否与参考子区 域/x,力相对应，必须从数学上建立一个衡量图像相似程度的标准，这个标准可选用g(^, z)与y(义，力的相关系数。经常采用的交叉互相关系数为<formula>formula see original document page 7</formula>，m, v为参考子区域中心点的位移。相关系数是反映两个图像子区域间的相似 程度的一个数学上的度量，相关系数取极大值时的位移值w和v即为样本子 区域的真实位移值。通过求相关系数的极大值，可实现匹配像点的目的。(4)不同立体角下的图像中的对应点立体匹配之后，则可以根据视差 原理计算出图像中各点的相对高程。高程计算过程的示意图如图2、图3和 图4所示，若一图像立体角为0°，另一图像立体角为一较小的^角(一般为 3°~15°)，则高程计算公式如下<formula>formula see original document page 7</formula>其中，/2为样品上某点Pa和参考点PB之间的高程差，0为立体角，^为PA 和PB两点在倾斜前图像上沿着与倾斜轴垂直方向的投影距离，由倾斜前图像上Pa和PB两点的像点坐标之差得到。如果点Pa和参考点Pb点在傾斜后图像中的对应点为P'a和P'b,则^为P，a和P，b两点沿着与倾斜轴垂直方向 的投影距离，由倾斜后图像上P，a和P，b两点的像点坐标之差得到 以下以岩石断口表面三维重建为例对本发明的方法进行说明。 图5为一岩石样品在立体角为0。时的表面扫描电镜照片图，该图是利用JSM-5410LV型扫描电镜获得的，放大倍数为350x,加速电压为15KV, 扫描电镜的工作距离为43mm。调整扫描电镜载物台，使该岩石试样旋转7。， 得到立体角为7。时的扫描电镜照片图。通过上述基于相关识别原理的匹配 像点方法，可以得到立体角为0。时的图像中的每一点在立体角为7°时的图 像中的对应点。在立体角为0。时的扫描电镜照片中选取一个参考点PB,假 设某一待测点为PA， PB和PA两点在立体角为7。时的图像中的对应点分别为 P'b和P'a，则Pb和PA两点之间的坐标差值即为高程计算公式中的P'b和P'a两点之间的坐标差值即为高程计算公式中的^，将^=7。、 ^和^的数 值带入高程计算公式，则可以计算出PA点相对于PB点的相对高度。重复此过程，则可以计算出试样表面上其它点相对于参考点PB的相对高度。图6为三维重建之后的试样表面等高线图。
权利要求
1、一种基于相关识别的三维表面重建方法，其特征在于，包括下述步骤(1)将样品表面放在扫描电镜下采集样品的二维照片；(2)旋转载物台，将观察的样品倾斜一定的立体角，采集倾斜后样品的二维照片；(3)将样品倾斜前和倾斜后的二维图像通过相关识别方法匹配像点，确定出样品表面上各点在倾斜前和倾斜后图像中的像点坐标；(4)根据倾斜前和倾斜后图像中的像点坐标和立体角计算出图像中各点的相对高程，之后依据各点的相对高程重建样品表面的三维图像。
2、 根据权利要求1所述的基于相关识别的三维表面重建方法，其特征 在于，倾斜的立体角为3°~15°。
3、 根据权利要求1或2所述的基于相关识别的三维表面重建方法，其 特征在于，基于相关识别的匹配像点的过程如下首先在倾斜前图像中选定一个子区域，作为参考子区域，即/x,力，(x, 力为参考子区域内任一点的坐标；然后在倾斜后图像中寻找与参考子区域相 对应的那个子区域g( , (x*， Z)为倾斜后图像中子区域内任一点的坐 标；计算子区域g(^, Z)与参考子区域/x，力之间的互相关系数，该相关 系数为<formula>formula see original document page 2</formula>其中<formula>formula see original document page 2</formula><formula>formula see original document page 2</formula>式中m, v为参考子区域中心A的位移；相关系数取最大值时的位移值w和v 即为参考子区域的真实位移值。
4、 根据权利要求3所述的基于相关识别的三维表面重建方法，其特征 在于，高程计算公式为<formula>formula see original document page 2</formula>其中，/z为样品上某点PA和参考点PB之间的高程差，0为立体角，《为P八 和PB两点在倾斜前图像上沿着与倾斜轴垂直方向的投影距离，由倾斜前图 像上PA和PB两点的像点坐标之差得到。如杲点PA和参考点PB点在倾斜后 图像中的对应点为P'a和P b ，则^为P， a和P，b两点沿着与倾斜轴垂直方向 的投影距离，由倾斜后图像上P，a和P，b两点的像点坐标之差得到。
全文摘要
本发明公开了一种基于相关识别的三维表面重建方法，旨在提供一种确定样品的相对高度信息从而进行三维表面重建的方法。包括下述步骤将样品放在扫描电镜下采集样品表面的二维照片；将观察的样品倾斜一定的立体角，采集倾斜后样品的二维照片；将倾斜前和倾斜后的二维图像通过相关识别方法进行匹配像点，确定出样品表面上各点在两幅图像中的像点坐标；计算出图像各点的高程建立样品表面的三维图像。本发明的重建方法通过相关识别对这两幅图像进行匹配像点，从而可以得到样品的相对高度信息，然后根据视差理论进行三维重建，能够使重建后的三维图像与真实样品的差距较小，有利于对样品的分析，尤其适用于断口形貌的三维重建。
文档编号G06T15/00GK101236659SQ20081005232
公开日2008年8月6日 申请日期2008年2月26日 优先权日2008年2月26日
发明者勇 王, 王怀文, 计宏伟 申请人:天津商业大学