一种基于机器视觉的探针与样品精确控制方法及控制系统

1.本发明涉及机器视觉测量技术领域，更具体的说是涉及一种基于机器视觉的探针与样品精确控制方法及控制系统。


背景技术：

2.近年来，太赫兹成像技术由于很好的生物安全性以及对生物分子和组织进行无标记检测的特点，因此在生物医学领域具有极好的应用前景。
3.相较于传统的成像技术对于生物组织层次的研究，如今的近场扫描成像技术可突破衍射极限的限制获得亚波长尺度的高分辨率，在现有技术中，利用探针距离样品表面3-10μm位置对针尖下方对应的样品表面信号进行探测、收集与检测。
4.然而，因生物样品的复杂性及缺乏有效精确控制探针-样品相对位置的手段，现有技术中在外形平坦且性质稳定的超材料和半导体材料研究较多，对于生物样品研究较少，并没有很好的精确控制探针的方法来推动近场扫描成像技术对生物样品成像检测的方法。
5.因此，如何提供一种基于机器视觉的探针与样品精确控制方法及控制系统是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种基于机器视觉的探针与样品精确控制方法及控制系统，基于机器视觉方法快速测量太赫兹近场系统探针-样品距离并反馈给位移台调控针尖-样品距离，实现对扫描探针到样品距离的实时快速检测，并反馈给三维位移台实现距离的调控。
7.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一方面，本发明提供一种基于机器视觉的探针与样品精确控制方法，包括以下步骤：
9.s100：设置平行光源位置以及激光的照射位置；
10.s200：获取探针及样品的灰度图；
11.s300：将所述探针及样品的灰度图转化为探针及样品的二值图；
12.s400：获取探针及样品的二值图中探针到样品的目标边缘点，得到探针到样品轮廓；
13.s500：遍历探针及样品的二值图中探针及样品的点集，得到探针及样品的二值图中针尖到样品的距离；
14.s600：基于标定系数，将探针及样品的二值图中针尖到样品的距离转换为实际距离值并显示；
15.s700：根据实际距离值改变针尖到样品的间距，对探针与样品进行控制。
16.优选的，还包括在获取探针及样品的灰度图的同时进行计时，当得到所述实际距离值的同时计时结束并显示测量距离所用的时间。
17.优选的，所述s300，具体包括：
18.s310：获取探针及样品的灰度图的直方图并归一化，得到归一化后的直方图；
19.s320：基于大律法二值化对归一化后的直方图的阈值进行分割，得到探针及样品的二值图。
20.优选的，其特征在于，所述s320，具体包括：
21.计算背景像素占比ω1：
[0022][0023]
式中，n1为背景像素个数，n为像素总数；
[0024]
前景像素占比ω2：
[0025][0026]
式中，n2为前景像素个数；
[0027]
计算背景平均灰度值μ1：
[0028][0029][0030]
式中，pi为对应灰度级为i的像素数占总共像素数n的概率，
[0031]
前景平均灰度值μ2：
[0032][0033]
式中，m为固定系数，m＝256；
[0034]
计算0-m区间灰度累计值μ:
[0035]
μ＝u1*ω1 u2*ω2[0036]
计算内间方差g:
[0037]
g＝ω1*(μ-μ1)2 ω2*(μ-μ2)2[0038]
最终化简为：
[0039]
g＝ω1*ω2*(μ
1-μ2)2。
[0040]
化简是为了说明类间方差只与前景、背景的占比和平均灰度值有关，便于计算方便。
[0041]
类间方差最大时，将最大值g对应的灰度级i作为图像的全局阈值，从而根据阈值将图像划分为二值化图像。
[0042]
优选的，所述s400，具体包括：
[0043]
s410：利用canny算子作为卷积核对探针及样品的二值图进行卷积，计算梯度，得到探针到样品的目标边缘点；
[0044]
s420：通过非极大值抑制方法对图像中探针与样品的粗边缘变为细边缘，对针尖到样品的边缘点进行细化中的抑制删除。沿着梯度方向，粗边缘每个点都有对应的梯度，保留最大梯度对应的点，其余的点删除，从而将粗边缘点变为细边缘点。
[0045]
s430：利用双阈值进行强弱边缘连接，获取完整的探针到样品轮廓信息。
[0046]
优选的，所述s500，具体包括：
[0047]
s510：遍历探针到样品轮廓像素点坐标的点集，保留距离坐标；
[0048]
s520：根据两个坐标计算得到探针及样品的二值图中针尖到样品的距离。
[0049]
优选的，所述s600：
[0050]
s610：获取标定板棋盘格图像；
[0051]
s620：通过角点检测方法检测棋盘格图像中的角点亚像素坐标；
[0052]
s630：计算所述亚像素坐标的实际距离及坐标像素距离比值；
[0053]
s640：根据实际距离及坐标像素距离比值计算探针到样品实际距离，将二值图中针尖到样品的距离转换为实际距离值并显示。
[0054]
优选的，所述s700，具体包括：
[0055]
s710：当扫描探针工作时，判断显示的实际距离值，针尖及样品距离小于设置阈值时，控制针尖到样品的间距远离；
[0056]
s720：当针尖及样品距离大于设置阈值时，控制针尖到样品的间距靠近。
[0057]
另一方面，本发明还提供了应用于一种基于机器视觉的探针与样品精确控制方法的系统，包括：
[0058]
ccd相机(1)，用于获得探针及样品的灰度图；
[0059]
双远心镜头(2)，与所述ccd相机(1)连接；
[0060]
探针及固定装置3；
[0061]
生物样品4，所述探针及固定装置3与所述生物样品4相对设置；
[0062]
三维移动台控制装置(5)，与所述探针及固定装置(3)连接，并在所述三维移动台控制装置(5)控制的位移台(10)上放置所述生物样品(4)；
[0063]
计算机数据处理系统(6)，与所述ccd相机(1)以及所述三维移动台控制装置(5)连接；
[0064]
平行光源设备(7)，用于给所述ccd相机(1)提供光源；
[0065]
光源控制器(8)，与所述平行光源设备(7)连接；
[0066]
激光器(9)，用于产生激光并照射在所述生物样品(4)上。
[0067]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于机器视觉的探针与样品精确控制方法及控制系统，具有如下有益效果：
[0068]
1.本发明无论对于表面光滑还是复杂的生物样品，可以达到良好的测量精度，纳米位移台可以很好地反馈控制微小距离的变化；
[0069]
2.本发明可实现对样品的回收，因太赫兹波能量低，机器视觉非接触检测过程不会破坏生物样品分子结构，距离检测后可回收重复实验，避免样品资源的浪费与损耗；
[0070]
3.本发明提供的机器视觉系统，搭建较为简单，可视化便于观测、检测速度快等，极大的提高了测量效率；
[0071]
4.通过本发明实现对扫描探针-样品距离的实时快速检测，并反馈给三维位移台实现距离的调控，使得检测结果客观准确。
附图说明
[0072]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0073]
图1为本发明提供的基于机器视觉系统的探针与样品精确控制方法流程示意图；
[0074]
图2为本发明实施例1提供的基于机器视觉系统的探针与样品精确控制系统结构示意图；
[0075]
图3为本法明实施例2提供的针尖-样品像素距离转为实际距离显示于计算机数据处理显示图。
具体实施方式
[0076]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0077]
实施例1
[0078]
参见附图1所示，本发明实施例1公开了一种基于机器视觉系统的探针与样品精确控制方法，包括：
[0079]
s100：平行光源照射到安装双远心镜头的ccd相机上，激光照在固定探针针尖与放置在三维位移台上的样品表面；
[0080]
s200：相机获取探针-样品图像时，计时开始；
[0081]
s300：通过ccd相机拍摄的探针-样品的灰度图转为二值图；
[0082]
s400：根据边缘检测算法获取目标的边缘点，通过目标检测的方法寻找探针样品轮廓；
[0083]
s500：遍历图像两部分所有的点集，得到图像中针尖-样品的最短距离；
[0084]
s600：基于机器视觉系统图像尺寸与实际尺寸之间的标定系数，将图像最小距离转换为实际最小距离值并显示，同时，计时结束，显示耗时时间；
[0085]
s700：根据距离值调控三维位移台改变针尖样品的间距，对探针与样品进行控制。
[0086]
在一个具体实施例中，步骤s100中：
[0087]
平行光源可以更好观测探针-样品的轮廓；
[0088]
双远心镜头安装ccd相机，获取图像几乎不会产生畸变。
[0089]
在一个具体实施例中，步骤s300具体方法为：
[0090]
获取图像的直方图并归一化；
[0091]
基于大律法二值化对图像阈值进行分割，将图像待测目标根据阈值分为背景和目标两部分，得出最佳阈值来区分两类像素，其中m＝256，s为像素总数，具体过程为：
[0092]
计算背景像素占比
ω1
：
[0093][0094]
前景像素占比
ω2
：
[0095][0096]
计算背景平均灰度值μ1：
[0097][0098]
前景平均灰度值μ2：
[0099][0100]
计算0-m区间灰度累计值μ:
[0101]
μ＝u1*ω1 u2*ω2[0102]
计算内间方差g:
[0103]
g＝ω1*(μ-μ1)2 ω2*(μ-μ2)2[0104]
最终化简为：
[0105]
g＝ω1*ω2*(μ
1-μ2)2[0106]
在一个具体实施例中，步骤s400具体方法为：
[0107]
利用canny算子作为卷积核对图像进行卷积，计算梯度；
[0108]
非极大值抑制抑制对针尖-样品边缘细化；
[0109]
利用双阈值进行强弱边缘连接，获取完整的边缘信息。
[0110]
在一个具体实施例中，步骤s500具体方法为：
[0111]
由于确定的轮廓及内部是有限个数的像素点构成，遍历探针-样品轮廓像素点坐标，保留最短距离坐标；
[0112]
根据两个坐标计算欧式距离p。
[0113]
在一个具体实施例中，步骤s600具体方法为：
[0114]
使用该系统拍摄标定板棋盘格图像；
[0115]
角点检测棋盘格角点亚像素坐标；
[0116]
计算亚像素坐标的实际距离及坐标像素距离比值k；
[0117]
探针-样品实际距离为l＝pk。
[0118]
可视化绘制步骤s500中两坐标的连接线，显示探针-样品实际距离，同时，计时结束，显示耗时时间。
[0119]
在一个具体实施例中，步骤s800具体方法为：
[0120]
根据显示的距离，当扫描探针工作时，针尖-样品距离小于3μm时，控制位移台z轴的间距远离，避免损坏针尖及破坏样品的形貌特征；
[0121]
根据显示的距离，当扫描探针工作时，针尖-样品距离大于3μm时，控制位移台z轴的间距靠近，避免无法获取高分辨率图像。
[0122]
另一方面，参见附图2所示，本发明实施例1还提供了一种基于机器视觉的探针与样品精确控制系统，包括：
[0123]
ccd相机1，用于获得探针及样品的灰度图；
[0124]
双远心镜头2，与所述ccd相机1连接；
[0125]
探针及固定装置3；
[0126]
生物样品4，所述探针及固定装置3与所述生物样品4相对设置；
[0127]
三维移动台控制装置5，与所述探针及固定装置3连接，并在所述三维移动台控制装置5控制的位移台10上放置所述生物样品4；
[0128]
计算机数据处理系统6，与所述ccd相机1以及所述三维移动台控制装置5连接；
[0129]
平行光源设备7，用于给所述ccd相机1提供光源；
[0130]
光源控制器8，与所述平行光源设备7连接；
[0131]
激光器9，用于产生激光并照射在所述生物样品4上。
[0132]
具体的，本发明所提供的系统装置中双远心镜头在拍摄过程中不会产生图像畸变，平行光源有利于目标边界部分的提取，激光器照射针尖产生探测激光，生物样品处于位移台水平位置，三维移动台控制装置可以精确控制移动。
[0133]
实施例2
[0134]
本实施例2以表面复杂粗糙的肺细胞生物样品为例，对本发明的实施例1进行详细的说明：
[0135]
(1)可视化快速测量针尖-样品距离
[0136]
1.运行太赫兹近场扫描系统，控制三维位移台让平台上生物样品移向探针(光电导探针)末端。
[0137]
2.该系统相机拍摄图像像计算机数据处理系统发送实时图像。
[0138]
3.图像处理阶段，转为灰度图像、大律法二值化、canny算子边缘检测、非极大值抑制抑制、双阈值滞后获取准确光电导探针针尖-生物样品精确的边缘图像。其中canny边缘检测算法不容易受到噪声的干扰。
[0139]
4.进行边缘检测和双阈值滞后，预先设置t1及t2阈值(t1＞t2)，其中像素梯度大于t1为强边缘，像素梯度小于t2则不是边缘点，两种之间称为弱边点。强边缘一定为边缘点，当弱边缘周围较近的像素有强边缘时，则通过双阈值滞后将弱边缘转为强边缘，通过这样的方式得到光电导探针针尖-生物样品所有的边缘点信息。
[0140]
5.参见附图3所示，遍历探针与样品两个轮廓里面所有的点集距离，保留最短的像素距离，基于标定板图像尺寸与实际距离之间的关系，将针尖-样品像素距离转为实际距离显示于计算机数据处理界面。
[0141]
(2)数据处理系统反馈调节间距
[0142]
1.预设安全距离a＝3μm，靠近距离b＝10μm。
[0143]
2.在太赫兹成像光电导探针扫描生物样品，获取特殊信息时。提高机器视觉的方法实时测量出实际距离l。
[0144]
3.通过计算机处理系统，将该距离l与a、b的值做比较。
[0145]
l《a，在扫描过程对探针针尖的安全造成潜在威胁，通过三维位移台控制装置对系统参数更改，保证针尖-样品分开。
[0146]
l＞b，在扫描过程对探针针尖获取生物样品信息时造成成像不清晰，无法准确获取目标值，通过三维位移台控制装置对系统参数更改，保证针尖-样品靠近。
[0147]
a≤l≤b，系统可以在稳定、安全的环境中达到扫描成像获取样品信息的目的。
[0148]
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述与说明，但本发明并不局限于以上揭示
的实施例，可以在形式和细节上对其进行各种各样的修改、等效组合。
[0149]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0150]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。