电驱动微流体粒子图像测试系统

为了研究微米量级管道机械特性对小雷诺数流体运动传质机理的影响,建立了电驱动微流体粒子图像测试系统,系统包括倒置荧光显微镜、致冷图像传感器、微流体驱动高压电源及微流场位移矢量识别算法.通过实验测试及理论分析给出了系统的关键技术参数;通过测量示踪粒子表面电荷特性,以消除粒子电泳运动对电驱动流体PIV方法产生的测量偏差;测量了水力直径为30μm微管道中电渗流场,测量结果与理论分析的塞状流型一致;分析了布朗运动、粒子电泳运动以及相关算法误差,对粒子图像测速方法不确定度的影响.     

微装配机器人系统

研制一种具备多操作手协调工作的微装配机器人系统,该系统包括两个4自由度的主微操作手和一个3自由度的辅助微操作手,并采用双光路正交显微视觉作为获取机器人和微对象的位姿与环境信息的主要手段.为适应不同形状和材质微目标的操作需要,分别设计真空和压电陶瓷两类微夹钳,以微夹钳工作原理分析为基础,给出微夹钳的控制依据.就显微图像获取和视觉伺服等问题进行研究,包括基于维纳滤波的模糊图像逆滤波器复原,基于图像分析的显微镜自动调焦,以及基于距离和角度图像特征的显微视觉伺服控制等.以人机交互的半自主方式控制机器人进行微装配作业.装配结果表明,系统工作可靠,能够完成具有复杂工艺要求的微装配任务,目前微零件最小装配精度可达30 μm.     

微流体运动的试验研究

微流体运动特性研究是微流量控制系统设计和性能完善的基础。本文对微管道流体运动进行了分析,采用液面图像显微观测研制的微流量测量系统可以对微流体运动的有关参数进行方便、较精确的测量。进行了以去离子水和直径为φ24～8μm直圆管为对象的试验,并对试验结果进行了分析。     

投影特征峰匹配的快速电子稳像

提出了一种基于投影最大特征峰匹配的稳像算法来进一步提高灰度投影稳像算法的实时性。首先,将参考帧与当前帧图像等分为若干区域子块,根据灰度投影计算公式分别计算每个子块的水平投影和垂直投影;依次计算两帧图像相应子块中对应的垂直和水平投影最大特征峰的位置差值,作为相应子块的水平和垂直运动矢量。然后,根据帧间运动矢量变化程度进行运动矢量修正。最后,根据各子块的运动矢量统计结果进行全局运动估计。将该最大特征峰匹配算法运用到多光谱成像系统进行实验,并与较经典的灰度投影算法做了比较。结果表明:在保证相同的稳像效果前提下,对于分辨率为1 024pixel×1 024pixel的图像序列在(-60,60)搜索范围内进行运动估计时,前者比后者的运算时间节省了近20%。提出的算法突破了现有投影稳像算法需要对可能的区域逐一搜索的繁琐匹配过程,具有较好的实时性和良好的稳像效果。     

基于机器微视觉的MEMS平面微运动测试技术

随着微电子机械系统(MEMS)研究的深入和产业化的需求,检测技术在MEMS中的重要性越来越大。基于机器微视觉原理组建MEMS动态测试系统,在此系统之上,提出模糊图像合成技术对MEMS器件的平面微运动特性如谐振器的运动幅度、谐振频率等重要参数进行了测试,给出了测量结果,并对测试结果进行了分析和讨论。     

计算机微视觉微运动测量系统图像噪声分析

对计算机微视觉微运动测量系统采集的图像噪声及处理方法进行了研究.分析了各种在微运动测量时引起测量误差的图像噪声.在此基础上,通过对一幅典型的由计算机微视觉微运动测量系统采集的MEMS图像进行分析,给出了减少这些噪声的常用方法.分析表明了对于这种微结构图像以下噪声处理方法的有效性:首先采用中值滤波器减少散粒噪声以及采用一个低通滤波器减少高频噪声,然后采用两点修正法可以减少固定图像噪声;此外,在采集图像时适当增加曝光时间可以减少机械噪声的影响.     

基于同态滤波的鲁棒多尺度微运动测量算法

针对光照变化、噪声、运动不连续及大位移量等影响基于计算机微视觉的微运动测量精度的问题,提出一种基于同态滤波的鲁棒多尺度微运动测量算法.首先采用同态滤波增强方法对显微视觉图像亮度不均匀进行了校正,并增强对比度,然后利用双权重函数,自动调节不同残差数据点的权重,去除残差过大的数据点,并采用多尺度金字塔由粗到精逐层迭代,精确地估计运动矢量.实验结果显示,新算法鲁棒性好,能有效地减弱光照不均匀的干扰,同时减少噪声和运动不连续而引起的界外值的影响,微运动测量精度达到0.01个像素.     

基于亚像素图像块匹配方法的压电陶瓷驱动特性测量

为了高精度地测量压电陶瓷的驱动特性,提出一种基于计算机视觉的亚像素图像块匹配位移测量方法.对困扰亚像素图像块匹配方法的三个重要因素:搜索区域大小、模板图像大小、亚像素拟合精度进行详细分析和试验,提出根据试验结果和微纳米图像序列的测量特点选择最佳的搜索区域、模板大小、匹配准则函数和亚像素拟合方法的原则;使用高精度纳米平台、高倍显微镜以及标准栅格所组成的试验系统对该方法进行位移测量精度的验证试验;使用改进的亚像素图像块匹配方法对实际的压电陶瓷驱动器的驱动特性曲线进行测量.结果表明,该方法得到的压电陶瓷驱动特性曲线符合物理分析结果;并且方法本身操作简单、测量结果可靠,能够满足高精度的微纳米测量要求.     

微间隙焊缝磁光成像卡尔曼滤波跟踪算法

在激光对接焊过程中,实时控制激光束准确对中焊缝是保证焊接质量的前提。针对紧密对接激光焊,研究一种用于微间隙(不大于0.1 mm)焊缝位置识别及跟踪的磁光成像卡尔曼滤波算法。采用磁光传感器实时获取焊接区域的微间隙焊缝磁光图像序列,利用微间隙焊缝磁光图像的灰度梯度特征提取焊缝位置坐标。以焊缝位置及位移量构成状态矢量,建立描述焊缝位置的状态方程和测量方程。同时,假设系统动态噪声和测量噪声为零均值随机分布的高斯白噪声,建立噪声环境下的卡尔曼滤波跟踪算法,计算最小均方差条件下焊缝中心最优预测值,减小系统噪声和过程噪声对焊缝位置测量的影响。试验结果显示,该方法能有效实现激光对接焊微间隙焊缝位置的识别与跟踪。     

面向微装配的零件识别定位方法研究

针对平板类微小零件装配问题,在搭建了微小型零件装配系统实验平台的基础上,开发了微装配控制系统,并对装配流程进行了分析研究。根据平板类微小型零件的特点,在微装配识别定位模块,对零件识别定位方法进行了研究,开发了基于形状模板的匹配算法。该模块首先将模板图像与目标图像进行高斯滤波,得到平滑图像,并对平滑图像二值化以及对模板二值图像进行去噪;其次,通过Sobel滤波器计算边缘点的方向向量,定义相似性度量;最后,通过图像金字塔加快匹配速度,并利用最小二乘法达到亚像素级定位精度。实验分析表明,此方法识别率高、匹配速度快、定位精度高,能够较好的满足实际要求。     

Video Image Block-matching Motion Estimation Algorithm Based on Two-step Search

Aiming at the shortcoming that certain existing blocking-matching algorithms, such as full search, three-step search, and diamond search algorithms, usually can not keep a good balance between high accuracy and low computational complexity, a block-matching motion estimation algorithm based on two-step search is proposed in this paper. According to the fact that the gray values of adjacent pixels will not vary fast, the algorithm employs an interlaced search pattern in the search window to estimate the motion vector of the object-block. Simulation and actual experiments demonstrate that the proposed algorithm greatly outperforms the well-known three-step search and diamond search algorithms, no matter the motion vector is large or small. Compared with the full search algorithm, the proposed one achieves similar performance but requires much less computation, therefore, the algorithm is well qualified for real-time video image processing.     

一种十字交叉六边形块运动估计搜索算法

在快速块匹配运动估计中,搜索模式对搜索速度和搜索质量有着很大的影响。基于现实视频序列中运动向量的分布特征,本文提出了一种十字交叉六边形搜索算法（NHEXS）：首先用小十字模式进行预搜索,找到最小块匹配失真点（MBD）;以MBD为中心构造大十字搜索模式,找到MBD;然后以大十字模式的MBD为中心,开始六边形搜索：首先搜索大六边形,如果MBD在中心,以小六边形方式搜索,找到的MBD点即为最终的块匹配失真点;否则继续大六边形搜索。十字交叉六边形搜索算法还采用了中途停止技术,对静止和半静止块的搜索速度有显著的提高。改进的部分块失真准则在不影响失真度的情况下大大降低了计算复杂度。实验结果表明：十字交叉六边形搜索算法比六边形搜索算法和新型十字菱形搜索算法在信噪比降低很少甚至不降低的情况下,分别节省32%和16%的搜索点,和其它流行的块匹配运动估计算法相比,本文算法有更快的搜索速度和更小的失真度。     

基于计算机微视觉的鲁棒多尺度平面微运动测量

提出一种将计算机微视觉与鲁棒多尺度运动估计算法相结合的测量微运动的方法.设计一种用于微运动测量的鲁棒多尺度运动估计算法.在该算法中,根据滤波器的不同特性,在多尺度金字塔的不同尺度层采用不同的滤波器估计运动.这种分层估计的方法不但可以提高测量精度,而且可以加快测量速度.分析计算机微视觉测量系统的组成,并对设计的微视觉测量系统进行标定.以精密定位平台为测量对象,采用计算机微视觉与鲁棒多尺度运动估计算法相结合的方法测量了精密定位平台的平面微运动.该方法用于测量2 000 nm左右的微运动时,最大测量偏差达到了12.5 nm.试验结果表明,这种将计算机微视觉与鲁棒多尺度运动估计算法相结合的方法能够实现高精度的平面微运动测量.     

基于块匹配的MEMS平面纳米精度运动测量

MEMS谐振器周期运动过程中各个时刻的运动特性及其动态特性参数, 为MEMS器件的设计提供重要参考。本文提出一种基于块匹配方法的灰度补偿亚像素运动估计算法。该算法可以对因图像灰度变化而引起的误差进行补偿,实现纳米级分辨力测量。利用该算法对MEMS器件的运动历程做分析,得到特定驱动频率下MEMS器件的幅度－相位曲线。实验结果表明,该方法测量重复性为5nm。     

基于相位相关技术的MEMS旋转角度的高分辨力测量方法

实现MEMS微结构周期运动过程中各个时刻的旋转角度及其动态特性参数的高分辨力测量, 为提高MEMS器件的性能和可靠性分析提供重要参考。针对频闪成像技术获得的微结构运动图像序列,提出了一种基于相位相关技术与Radon变换技术相结合的旋转角度测量方法。该方法通过Radon变换将图像的空间坐标转换为极坐标的参数空间,使得空间坐标的旋转投影为参数坐标得平移运动,再通过相位相关技术的亚像素运动估计算法,可得到物体旋转角度的高分辨力测量结果。实验结果表明,该方法旋转角度测分辨力优于0.01°。该方法可以有效的减少由于旋转产生形变对测量结果的影响,提高测量结果的稳定性和减少测量误差。     

基于梯度的鲁棒多尺度微运动测量算法

将鲁棒估计方法与多尺度方法相结合,给出了一种基于梯度的鲁棒分层估计多尺度运动估计算法。在该算法中,多尺度金字塔的不同尺度层采用不同的梯度滤波器来估计运动。在金字塔的每一层都使用鲁棒估计,这能够较好地解决估计中由于运动不连续和图像亮度变化引起的界外值问题,从而进一步提高运动估计精度。实验模拟表明提出的算法在测量MEMS噪声图像运动时不但估计精度高,而且执行速度快。     

基于多图像融合的MEMS显微三维形貌重构

针对微型机电系统(MEMS)的三维测量,显微镜或光学轮廓干涉仪等传统方法存在显微测量精度低、设备成本高等问题,且当结构含有较多断裂面时,解包裹算法效果欠佳。本文提出一种基于多图像融合的MEMS显微三维测量方法。不同于多角度显微三维测量方法,本研究首先利用单目显微镜,通过单一轴向移动获取一系列测量目标深度信息的单一角度图像,并利用去雾算法对图像进行预处理,实现了去噪和有效信息提取的目的;然后通过聚焦测度算法获取待测对象的深度信息;最后利用数据处理软件进行三维拟合。基于上述原理,本文以焦平面阵列(FPA)作为待测目标进行了测量实验。本文提出的三维测量方法和图像处理算法可获得更准确的FPA形貌,可清晰显示反射面与支腿部分及反射面上的释放孔,测得FPA的支腿长度为110.6μm,每个反射面的像元尺寸为120.8μm×70.8μm,与设计值基本吻合,解决了断裂面难以测量的问题,同时降低了微结构测量的难度和成本。单目显微镜单向移动的多图像融合测量技术对MEMS的三维形貌测量具有重要意义,去雾算法在图像融合与三维测量的图像处理也有很好的应用价值。     

A multiscale optimal filter method for micro-motion measurement with high accuracy

Micro-motion measurement plays an important role in technologies such as micro/nanomanufacturing and biomedicine. In this paper, micro-motion measurement is viewed as a signal processing problem, and the measured image gradients are estimated using the filter methods. A class of optimal filters for image gradient calculation is designed according to Parks-McClellan algorithm. In combination with multiscale approach, a multiscale optimal filter method for micro-motion measurement is proposed. In such a method, the larger motions are converted into multiple small motions to measure, thus the measurement accuracy can be further improved. The maximal bias magnitude of this proposed method reached 0.0064 pixels for the motions near 2 pixels. Experimental simulations show this proposed multiscale optimal filter method can measure the micro-motion with high accuracy.     

新型基于6—PSS三维平台机构的并联微动机器人

提出一种新颖的基于6－PSS并联三维平台机的微动机器人并介绍其结构布局特点,应用Jacobian矩阵和力Jacobian矩阵的子阵,分别对其线速度与角速度和力与力矩的各项同性进行了分析计算,并建立显式的微位移正解和反解方程,为其设计和使用提供理论依据。分析计算结果表明,该微动机器人算法与控制简单,微位移解耦和速度与力向向同性,具有最佳的运动和力传递性能。