基于显微镜聚焦的微装配视觉伺服研究

　　1　引　　言

　　为了克服微装配中器件小的问题,在交互式装配中普遍使用光学显微镜。光学显微镜虽然可以对器件进行放大,但它存在视场和景深小的问题,同时物体的深度信息被丢失。为了克服这一问题,文献[1～2]中利用变放大倍数来扩大微装配空间,同时利用立体成像技术来获取物体深度信息。变放大倍数能够扩大微装配的空间,但要求对显微镜精确标定,利用立体成像技术,只是操作人员观察到了深度变化,不利于视觉跟踪的完成。文献[3～4]中利用全局-局部视觉系统来扩大微装配空间,并利用聚焦技术产生深度信息,但在视觉跟踪的过程中,只是利用查找表格的形式来控制深度方向运动。文献[5～6]中利用扫描电子显微镜、光学显微镜综合控制移动机器人的运动,它利用位置传感器和对微装配环境进行结构化,获得三维空间信息。

　　利用显微镜聚焦理论获得微装配的深度信息,并将该信息应用于视觉跟踪中,从而完成微装配的立体视觉跟踪。与现有研究相比,算法、显微镜标定、交互简单。文中还利用卡尔曼滤波器的预测特性对跟踪的特征点位置进行预测,然后以预测点为中心,设置图像处理的窗口大小,从而减小图像处理的区域,提高跟踪系统的实时性。实验和仿真结果表明,利用上述方法,可以完成微装配中的立体视觉跟踪,提高系统的实时性。

　　2　深度信息的获取

　　设显微镜的成像平面是不变的,当空间一点的像正好处于成像平面时,这时点的像是最清晰的,称该点是聚焦的;而当点处于聚焦平面的两边时,点的像是模糊的,称该点是失焦的,点离聚焦平面越远则图像越模糊,可用下式表示点的像光强分布:

　　要判别点是否处于聚焦平面上,就是设计一估计器,计算图像的灰度变化之和F。移动该点,利用估计器不断计算对应图像的F值,当F值达到最大Fmax时,该点就处于焦平面上,用拉普拉斯算子作为估计器可实现这一目的:

　　3　视觉伺服控制方程

　　3.1　显微系统的视觉雅可比矩阵

　　基于图像的视觉伺服要求将图像上点的运动映射到任务空间上,这一映射称为视觉雅可比矩阵。图1为摄像机的成像模型,C为视觉空间坐标系;T为任务空间坐标系,设空间有一点P,它在C中的坐标为Cp(xcp,ycp,zcp),它在T中的坐标为Tp(xtp,ytp,ztp),它在像平面上的坐标为p(xp,yp)。设显微镜的放大倍数为m,则:

　　假设摄像机坐标经历了平移运动CV=[x。cy。cz。c]T和旋转运动CΩ=[ωxcωycωzc]T,则点P的复合运动为CP。=-CV-CΩ×CP,展开后得:

　　Jv与摄像机的内外参数有关,但当摄像机和显微镜选择好后,它随外参数的变化而变化。