基於多質心相對位置不變性的測量微結構旋轉運動方法
2023-06-05 01:48:51
專利名稱：基於多質心相對位置不變性的測量微結構旋轉運動方法
技術領域：
本發明涉及一種基於多質心相對位置不變性的測量微結構旋轉運動方法，屬 於面向微機電系統的光電非接觸法的機械量測量技術。
背景技術：
微機電系統(MEMS)是在微電子技術的基礎上發展起來的，是由電子和機械元件組 成的集成化器件或系統，採用與集成電路兼容的大批量處理工藝製造，尺寸在微米到毫米 之間，將計算、傳感與執行融為一體，從而改變了感知和控制自然界的方式。微機電系統 (MEMS)的大部分製造工藝與微電子技術領域的加工工藝相兼容，但是相當數量的MEMS器 件包含可運動的結構，這是與微電子器件的最大區別。從測試角度來看，MEMS中可運動的結構必然帶來對運動參數測試的要求，依據運動的 坐標分布，微結構的三維運動可分為平面運動參數測試和離面運動參數測試。光學測試方法由於其非接觸、快速、精度高等優點，在MEMS測試領域中得到廣泛應 用。由於尺寸的縮小，絕大多數微結構的運動頻率都比較高， 一般在50K 500KHz，甚至 更高。利用光學方法進行微結構測試，最有效的方法是獲得其運動瞬間的位置變化，直接 的方法是採用高速攝像機進行瞬態運動狀態的圖像採集。然而，高速攝像機價格昂貴，難 以進行大範圍的應用推廣。另外一種解決方法是採用頻閃成像技術，該技術可採用每秒採 集圖像為十幾幀的普通攝像機。由於單次頻閃不能得到足夠的光強進行成像，因此需要對 相同運動瞬間進行若干次頻閃成像，攝像機得到的圖像來自於若干次頻閃照明下光強的總 和，這也就要求被測的微結構進行重複性很高的周期運動。通過高速攝像或頻閃成像的方法可得到包含微結構平面運動各個瞬間的運動信息的 圖像序列，運用計算機視覺中的圖像運動估計算法就可從該圖像序列中計算出微結構平面運動參數。微結構平面運動參數包括平面位移和旋轉角度。微結構平面位移的計算可直接借鑑宏觀圖像運動估計方法，測量解析度也同樣可達到1/100像素，由於微結構在測量時都是在顯微光學放大系統下成像的，因此位移測量解析度能達到10納米；圖像匹配和圖像相關是 位移量計算的主要方法，通過一些改進可用於實現角度測量；另外，旋轉角度的測量還可 通過邊緣提取算法獲得圖像中的邊緣來實現。通過對現有技術的綜合分析和比較，目前所 報導的技術方案在實際應用中主要存在以下幾方面的問題(1)圖像匹配是在一幅圖像中 選擇一個子區域，然後在其他圖像中搜索最匹配的子區域，兩個子區域的相對位置就是位 移量，由於搜索是通過平移子區域得到的，如果存在旋轉運動，還需要將子區域旋轉不同 角度，然後再進行平移搜索，運算量非常大；(2)圖像相關如果在時域中進行，那麼同樣 存在上述角度搜索遍歷，計算量很大，如果將圖像從空間坐標轉換成極坐標，計算量減小 了，但是從直角坐標系轉換到極坐標系，存在一個採樣不均勻問題，即靠近極坐標原點的 圖像像素採樣過密，而離原點較遠的採樣又過於稀疏，各個像素對變換域圖像的貢獻不同， 因此測量旋轉角度的解析度不高；(3)通過提取圖像邊緣來實現旋轉角度測量一般都要求 邊緣為直線，這限制了該方法的適應能力；(4)微結構旋轉角度一般很小，且要求測量分 辨率很高，目前沿用宏觀旋轉角度測量方法不能完全滿足微結構旋轉角度測量解析度的要 求，且這些測量方法未能考慮MEMS微結構上存在的普遍圖像特徵。所述的MEMS微結構上的圖像特徵來源MEMS的主要加工工藝有體矽加工工藝和表 面矽加工工藝，而具有運動能力的微結構都屬於懸空式結構，這樣必須採用相應的腐蝕工 藝將臨時支撐層腐蝕，所以一般都在運動微結構上設計一定數量的腐蝕孔，而在圖像中這 些腐蝕孔與微結構其他部分有明顯的灰度差異，可看作為孤立圖像特徵。發明內容本發明的目的在於，針對微機電系統(MEMS)，提供一種基於多質心相對位置不變 性的測量微結構旋轉運動方法，該方法測量微結構旋轉運動過程簡單，測量解析度 高。本發明是通過下述技術方案加以實現的。 一種基於多質心相對位置不變性的測量微結 構旋轉運動方法，其特徵在於包括以下步驟(1) 採用包括光學顯微鏡、數字攝像機、數字圖像採集卡和計算機的顯微光學系統，對具 有平面位移和旋轉運動的微結構的多個瞬時狀態攝像，獲得微結構運動序列圖像；(2) 在對步驟(1)獲得的微結構運動序列圖像的第一幅圖像上選擇兩個或兩個以上子區 域，形成的每個子區域圖像包含一個孤立圖像特徵，則在每個子區域圖像中外圍部分 的圖像灰度與內部孤立圖像特徵的圖像灰度不同；(3) 對步驟(2)選擇的每個子區域圖像進行插值放大，依據每個子區域圖像中外圍部分 灰度的不同，提取出各個孤立圖像特徵的亞像素級邊緣，並按照圖像幾何矩的比值求 取圖像邊緣所包容孤立圖像特徵的圖像質心位置；(4) 對步驟(2)選擇的微結構運動序列圖像的第一幅圖像上的子區域圖像分別在微結構運動序列圖像中的其他圖像上分別進行子區域圖像塊匹配，則可獲得子區域圖像平面位移量的像素級初值；(5) 按照步驟(4)獲得的第一幅圖像上選擇的子區域圖像平面位移量的初值，則能夠確 定在微結構運動序列圖像的其他圖像中子區域圖像的相對位置；(6) 按照步驟(3)的方法，對步驟(5)確定的微結構運動序列圖像的其他圖像中子區域
圖像所包含孤立圖像特徵的圖像質心位置進行計算，通過計算序列圖像中相同孤立圖 像特徵的圖像質心位置的變化則得到具有亞像素分辨力的平面位移量；(7) 在微結構運動序列圖像的每一幅圖像中，對任意兩個子區域圖像中孤立圖像特徵的圖 像質心進行連線，按照質心位置計算出該連線在本幅圖像中的斜率；(8) 按照步驟(7)所計算出微結構運動序列圖像各幅圖像中兩個質心連線的斜率，計算 各質心連線的斜率的差值則得到各幅圖像之間的旋轉角度；(9) 按照(1) 一 (8)步驟，兩個質心的連線得到一組旋轉角度數據，對於三個質心的情 況，則得到三組旋轉角度數據，三個以上的質心的情況以此類推，理論上各組旋轉角 度數據應該是完全相同，但在實際應用中會存在一些差異，則應對多組旋轉角度數據 進行平均值和均方差計算，與平均值的偏差超過均方差的數據為粗大誤差數據，則剔 除，剩餘數據再取平均則得到更為精確的旋轉角度測量結果。本發明的優點在於微結構在進行平面剛性運動時，其孤立圖像特徵的質心的空間位 置變化反映位移量，而兩個或更多質心之間的相對位置是不變的，質心之間連線的空間位 置變化則能反映出旋轉角度，利用微結構運動序列圖像中多個孤立圖像特徵質心的連線可 實現平面旋轉角度的精確提取，實現方法簡單，計算量小，測量解析度高。
圖1基於多質心相對位置不變性的微結構旋轉角度測量原理示意圖；圖2基於多質心相對位置不變性的微結構旋轉運動測量方法流程圖；圖3微陀螺的平面圖像；圖4微陀螺旋轉l.O。後的平面圖像；圖5微陀螺旋轉角度測量結果線圖；圖6微諧振器0。運動相位的平面圖像；圖7微諧振器卯°運動相位的平面圖像；圖8微諧振器平面位移測量結果曲線圖；圖9微諧振器旋轉角度測量結果線圖。
具體實施方式
實施例l:本實施例主要關注基於多質心相對位置不變性的微結構旋轉角度測量方法的原理和 在微陀螺旋轉角度測量中的實施。
MEMS的主要加工工藝有體矽加工工藝和表面矽加工工藝，而具有運動能力的微結構都 屬於懸空式結構，這樣必須採用相應的腐蝕工藝將臨時支撐層腐蝕，所以一般都在運動微 結構上設計一定數量的腐蝕孔，而在圖像中這些腐蝕孔與微結構其他部分有明顯的灰度差 異，可看作為孤立圖像特徵。圖1為基於多質心相對位置不變性的微結構旋轉角度測量原理示意圖。為了敘述和繪 圖簡單，圖中只列出了兩個質心的情況，且孤立圖像特徵為三角形，並且只計算兩幅圖像 之間的旋轉角度，而兩個以上的質心和任意形狀孤立圖像特徵及更多數量之間旋轉角度的 計算可以從下述方法類推得到。圖1中外圍實線方框表示原始圖像的空間位置，外圍虛線 方框表示原始圖像旋轉後新圖像的空間位置。在原始圖像的左上部和右下部有兩個三角形 的孤立圖像特徵，可選擇兩個子區域圖像，每個子區域圖像包含了一個孤立圖像特徵，子 區域圖像的外圍圖像部分與所包含的孤立圖像特徵在灰度上有明顯區別。將所選擇兩個子 區域圖像分別在原始圖像旋轉後的新圖像上搜索匹配的子區域圖像，由於微結構平面運動 方向一般可預知，搜索策略選擇最簡單的十字搜索法，圖像塊匹配的準則可選擇常規的最 小均方誤差準則、最小平均絕對差準則和絕對誤差和函數準則。由於原始圖像旋轉後的新 圖像中兩個孤立圖像特徵產生了旋轉，上述搜索匹配子區域圖像只能得到大致的位置，但 是這不影響後續計算過程。以搜索匹配子區域圖像得到的大致位置為中心，按照在原始圖 像選擇子區域圖像的大小在旋轉後的新圖像上建立兩個新的子區域圖像，對子區域的灰度 進行判斷，以確保原孤立圖像特徵仍包含在新的子區域圖像內部，如果因旋轉而導致不能 完全包含，以一個像素為增量擴大新建立子區域圖像的大小，直至在旋轉後新圖像上新的 子區域圖像能夠包含原孤立圖像特徵。通過上述過程，在原始圖像中存在兩個子區域，分別包含一個孤立圖像特徵，在旋轉 後圖像中同樣存在兩個子區域，分別包含一個旋轉後的孤立圖像特徵。由於下述計算過程 中求取的是其中孤立圖像特徵的質心，而不是子區域圖像的質心，因此子區域的大小對最 終計算結果沒有任何影響。對原始圖像中兩個子區域圖像運用邊緣提取算法，由於所包含 的孤立圖像特徵與外圍部分存在灰度差，兩個孤立圖像特徵就能提取出來，從而可分別計 算出各個孤立圖像特徵的質心，通過這兩個質心的位置就可計算出兩者連線的斜率。重複 利用上述方法同樣可計算出旋轉後圖像中兩個孤立圖像特徵的質心位置和質心連線的斜 率。通過比較原始圖像中質心和旋轉後圖像中質心的位置，就可得到平面位移量。通過比 較原始圖像中兩質心連線和旋轉後圖像中兩質心連線的斜率，就可得到旋轉角度。圖2為 基於多質心相對位置不變性的微結構旋轉運動測量方法流程圖。為了獲得質心的亞像素精確位置，在上述孤立圖像特徵質心計算過程中，首先用線性 插值法將圖像放大，其次使用梯度法和二次曲面對孤立圖像特徵邊緣進行擬合，以邊緣灰度變化的中點作為實際邊緣，減小了成像過程中照明強度波動的影響，從而獲得了孤立圖 像特徵的亞像素邊緣，再次對上述得到亞像素邊緣所包容孤立圖像特徵部分用相同的灰度 值進行填充，進行均一化處理，減少了照明不均勻的影響，最後依據均一化處理的孤立圖 像特徵按照圖像幾何矩的比值計算出圖像質心，計算步驟如下。第0階幾何矩 附oo = Z Z /(, ， 乂)J=1 ,.=1 w w第l階幾何矩 X方向附10^ZI^/(Z'J)fl沐l孤立圖像特徵質心坐標X方向^-Wjo/Wwy方向^=^nA%其中，i為子區域圖像x坐標，j為子區域圖像y坐標，f (i，j)為子區域圖像的灰度， 其中邊緣所包容的孤立圖像特徵的灰度是上述人為填充的值，邊緣外部區域的灰度為0。由於上述孤立圖像特徵邊緣提取具有亞像素精度，而質心計算本身也具備亞像素精 度，因此所計算出的孤立圖像特徵具有非常高的精確度，保證了旋轉角度的精確測量。圖3為一種微陀螺的顯微圖像，將該圖像以o.or為增量旋轉io次，得到io幅新圖像，然後再以0.1。為增量旋轉9次，再得到9幅新圖像，圖4為微陀螺最後旋轉得到的圖 像(與原始圖像存在1.0。的旋轉角度)。在圖3中選擇2個子區域，分別包含了一個釋放孔。 運用上述測量方法進行旋轉角度測量，圖5為旋轉角度測量的結果。從測量結果可看出，該方法具有o.or的角度測量解析度。實施例2:本實施例主要關注基於多質心相對位置不變性的微結構旋轉角度測量方法在微諧振 器中的應用。微諧振器為靜電型器件，在外界激勵電壓信號作用下將產生運動。在本實施例中，激勵電壓信號為頻率23 kHz的正弦波，幅度為10V，偏置電壓為40V，微諧振器將以激勵頻 率進行往復運動。雖然該往復運動的理想情況是只存在平移，但是由於加工過程中多種因 素的影響，可能會存在輕微的角度變化。將此正弦波的一個激勵周期以30。相位進行劃分， 一個周期共12個相位，在每個相位用頻閃成像技術獲得瞬時的運動圖像，那麼一個完整的 運動周期就採集了 13幅圖像。圖6和圖7分別為微諧振器0。和90°運動相位的平面圖像。 在圖6中選擇3個子區域，按照從左至右和從上至下的次序分別記為子區域l、子區域2、 子區域3，每個子區域包含一個孤立點特徵。將所採集的第1幅圖像作為參考，即0°相位， 首先選擇子區域1和子區域2，按照實施例1所述的方法就可得到其他運動相位下相對於0°相位的平面位移和旋轉角度，作為第一組數據；其次選擇子區域1和子區域3，計算得 到第二組數據；最後選擇子區域2和子區域3，計算得到第三組數據。理論上各組旋轉角 度數據應該完全相同，在實際應用中會存在一些差異，就可以對多組旋轉角度數據進行數 學統計分析，可以剔除可能出現的粗大誤差數據，剩餘數據取平均就可得到更為精確的旋 轉角度測量結果。在本實施例中將這三組數據取平均，得到的測量結果如圖8和圖9。圖8 是微諧振器平面位移的測量結果，圖9是微諧振器旋轉角度測量結果。
權利要求
1、一種基於多質心相對位置不變性的測量微結構旋轉運動方法，其特徵在於包括以下步驟(1)採用包括光學顯微鏡、數字攝像機、數字圖像採集卡和計算機的顯微光學系統，對具有平面位移和旋轉運動的微結構的多個瞬時狀態攝像，獲得微結構運動序列圖像；(2)在對步驟(1)獲得的微結構運動序列圖像的第一幅圖像上選擇兩個或兩個以上子區域，形成的每個子區域圖像包含一個孤立圖像特徵，則在每個子區域圖像中外圍部分的圖像灰度與內部孤立圖像特徵的圖像灰度不同；(3)對步驟(2)選擇的每個子區域圖像進行插值放大，依據每個子區域圖像中外圍部分灰度的不同，提取出各個孤立圖像特徵的亞像素級邊緣，並按照圖像幾何矩的比值求取圖像邊緣所包容孤立圖像特徵的圖像質心位置；(4)對步驟(2)選擇的微結構運動序列圖像的第一幅圖像上的子區域圖像分別在微結構運動序列圖像中的其他圖像上分別進行子區域圖像塊匹配，則可獲得子區域圖像平面位移量的像素級初值；(5)按照步驟(4)獲得的第一幅圖像上選擇的子區域圖像平面位移量的初值，則能夠確定在微結構運動序列圖像的其他圖像中子區域圖像的相對位置；(6)按照步驟(3)的方法，對步驟(5)確定的微結構運動序列圖像的其他圖像中子區域圖像所包含孤立圖像特徵的圖像質心位置進行計算，通過計算序列圖像中相同孤立圖像特徵的圖像質心位置的變化則得到具有亞像素分辨力的平面位移量；(7)在微結構運動序列圖像的每一幅圖像中，對任意兩個子區域圖像中孤立圖像特徵的圖像質心進行連線，按照質心位置計算出該連線在本幅圖像中的斜率；(8)按照步驟(7)所計算出微結構運動序列圖像各幅圖像中兩個質心連線的斜率，計算各質心連線的斜率的差值則得到各幅圖像之間的旋轉角度；(9)按照(1)-(8)步驟，兩個質心的連線得到一組旋轉角度數據，對於三個質心的情況，則得到三組旋轉角度數據，三個以上的質心的情況以此類推，理論上各組旋轉角度數據應該是完全相同，但在實際應用中會存在一些差異，則應對多組旋轉角度數據進行平均值和均方差計算，與平均值的偏差超過均方差的數據為粗大誤差數據，則剔除，剩餘數據再取平均則得到更為精確的旋轉角度測量結果。
全文摘要
本發明公開了一種基於多質心相對位置不變性的測量微結構旋轉運動方法。所述的測量方法包括微結構運動序列圖像的獲取，微結構圖像中孤立圖像特徵的選擇，孤立圖像特徵質心的提取，孤立圖像特徵在運動序列圖像中的跟蹤，多質心連線在運動序列圖像中空間位置的分析和旋轉角度的計算。本發明的優點在於在微結構在進行平面剛性運動時，其孤立圖像特徵的質心的空間位置變化反映位移量，而兩個或更多質心之間的相對位置是不變的，則質心之間連線的空間位置變化則能反映出旋轉角度，於是利用微結構運動序列圖像中多個孤立圖像特徵質心的連線可實現平面旋轉角度的精確提取，該方法過程簡單，計算量小，測量解析度高。
文檔編號G01B11/00GK101149251SQ20071006009
公開日2008年3月26日 申請日期2007年10月31日 優先權日2007年10月31日
發明者星 傅, 胡小唐, 胡曉東 申請人:天津大學