CN109099857B - 一种基于surf特征匹配的子孔径拼接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于SURF特征匹配的子孔径拼接方法，包括以下操作方法，a、根据干涉仪口径A1、待测元件口径A2、导轨分别在x、y方向的移动距离D_x、D_y，规划子孔径拼接路径；b、使用干涉仪对待测元件测量获得子孔径面形图；c、曲面拟合获得只含高频信息的子孔径高频面形；d进行特征点匹配，获得特征匹配点对集合；e、计算匹配点对在x，y方向的位移量集合；f、获得子孔径高频面形图；g、计算子孔径高频面形图在x，y方向的相对位移，获得子孔径面形图绝对位移量；h、通过子孔径拼接，计算相邻子孔径之间的拼接系数；i、获得整体面形w。本技术方案能够避免相机和标记点本身使用引入的误差，且不需要给出机械平台位移量基准值。

Description

一种基于SURF特征匹配的子孔径拼接方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，具体涉及一种基于SURF特征匹配的子孔径拼接方法。

背景技术

子孔径拼接干涉是测量大口径光学元件的有效方法。其中机械定位误差会影响重叠区域的对准，导致子孔径间相对调整系数的误差，从而影响拼接精度。目前子孔径拼接的精确定位方法主要通过提高机械运动平台的精度来实现，但这种方法会大大增加检测成本，且很难达到亚像素级的定位精度。其他一些辅助措施如标记点法、立体视觉法可以降低测量对机械平台精度的要求，但这类辅助定位方法使得测量变得复杂化，并且会引入相机和标记点本身的误差。以机械平台运动值为基准，再使用算法对机械误差进行补偿优化，该类方法精度较高，并且无需辅助措施，得到了广泛的应用，但该方法需要给出机械平台位移量基准值才能进行计算，如果基准位移量与实际位移量相差较大，优化可能出错。

基于上述测量方法的缺陷，研究并开发设计一种基于SURF特征匹配的子孔径拼接方法。

发明内容

本发明针对上述问题之一，提供一种基于SURF特征匹配的子孔径拼接方法，该子孔拼接方法采用的SURF算法是一种尺度、旋转不变性的特征点探测器，具有计算速度快，抗噪性强的特点，能满足实时性的拼接要求，能够解决上述提出机械定位误差影响重叠区域对准，导致子孔径间相对调整系数的误差，影响拼接精度的技术问题，本方法可脱离对机械装置精度的依赖，且无需测定机械平台的位移量。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于SURF特征匹配的子孔径拼接方法，包括以下操作步骤：

a、根据干涉仪口径A1、待测元件口径A2、导轨分别在x、y方向的移动距离Dx、Dy，规划子孔径拼接的路径；

b、按照步骤a中规划的子孔径拼接路径，使用干涉仪对待测元件按顺序进行子孔径1、子孔径2、……、子孔径n的测量，并分别获得子孔径面形图1、子孔径面形图2、……、子孔径面形图n，n≥2；

c、使用Zernike拟合或曲面拟合的方法，去掉子孔径面形图1、子孔径面形图2、……、子孔径面形图n中的低频信息，获得只含高频信息的子孔径高频面形图1、子孔径高频面形图2、……子孔径高频面形图n；

d、以n个子孔径中的两个子孔径为例，使用SURF算法，对子孔径高频面形图1、子孔径高频面形图2分别进行特征点匹配，获得由匹配度由高到低的特征匹配点对集合，并取前M项，M≥20；

e、计算步骤d中M对匹配点对之间在x，y方向的位移量集合B＝{Bx₁，Bx₂，……，Bx_M；By₁，By₂，……，By_M}，并去除与x，y方向位移量均值之间标准差大于设定值的位移量，获得正确匹配的位移量集合C＝{Cx₁，Cx₂，……，Cx_N；Cy₁，Cy₂，……，Cy_N}，N≤M；

f、对步骤e中x，y方向的位移量分别取均值，得到子孔径高频面形图1、子孔径高频面形图2之间在x，y方向的相对位移Cx、Cy；

g、重复步骤d至步骤f，计算剩余n-2项子孔径高频面形图之间在x，y方向的相对位移，设定绝对坐标系原点，将相对位移换算到统一的绝对坐标系下，获得子孔径高频面形图1、子孔径高频面形图2、……、子孔径高频面形图n对应的绝对位移量d₁、绝对位移量d₂、……、绝对位移量d_n；

h、通过子孔径拼接方法，使用子孔径面形图1、子孔径面形图2、……、子孔径面形图n，和绝对位移量d₁、绝对位移量d₂、……、绝对位移量d_n，计算相邻子孔径之间的拼接系数；

i、计算剩余子孔径之间的相对拼接系数，并换算为各子孔径相对基准孔径的拼接系数，将各子孔径检测数据校正到基准坐标系中，获得整体面形w。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤d中采用SURF算法对子孔径高频面形图进行特征点匹配，具体操作步骤为：

d1、特征点提取，具体方法为在积分图像的基础上，利用方框滤波计算待选特征点及其周围点的Hessian值，将在方框范围内Hessian值最大点作为特征点；

d2、特征点描述，在特征点周围区域上计算Harr小波，并计算其4种和以构成特征描述；

d3、利用特征点描述向量进行配准。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤h中，计算相邻子孔径之间拼接系数的操作方法为：

以两个子孔径为例，w₁(x，y)、w₂(x，y)分别表示两个子孔径的面形，可建立如式下方程组：

w₁(x,y)＝a₁x+b₁y+c₁+w₁₀(x,y)

w₂(x,y)＝a₂x+b₂y+c₂+w₂₀(x,y)

其中，w₁₀和w₂₀均表示同一个子孔径的实际面形，a_i、b_i分别表示孔径i沿x，y方向的倾斜量；c_i表示子孔径i沿光轴方向的平移量，则

w₂(x,y)-w₁(x,y)＝ax+by+c

其中，a＝a₂-a₁，b＝b₂-b₁，c＝c₂-c₁，理论上由两个子孔径重叠区域内三个点即可拟合出a，b，c的数值。

进一步地，为了实现本发明，所述步骤h中，在重叠区域内选取多个点利用最小二乘拟合a，b，c的数值，来计算子孔径之间的相对拼接系数。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本技术方案中采用SURF算法，将其应用于子孔径的拼接中相对于现有技术中采取辅助措施降低测量对机械平台精度的方法，本方法能够避免相机和标记点本身使用引入的误差，无需辅助措施；且相对于现有采用以机械平台运动值为基准，然后使用算法补偿优化机械误差的现有操作，本方案不需要给出机械平台位移量基准值，整个方法可以使子孔径拼接脱离对机械装置精度的依赖，且该方法能够满足实时性的拼接要求，具有较大的市场推广应用价值。

附图说明

图1为本发明操作流程图；

图2为本实施例中的子孔径拼接路径规划图；

图3-1为使用干涉仪测量得到的子孔径1面形图；

图3-2为使用干涉仪测量得到的子孔径2面形图；

图3-3为使用干涉仪测量得到的子孔径3面形图；

图3-4为使用干涉仪测量得到的子孔径4面形图；

图3-5为使用干涉仪测量得到的子孔径5面形图；

图3-6为使用干涉仪测量得到的子孔径6面形图；

图4-1为去除低频信息前的子孔径面形图；

图4-2为去除低频信息后的子孔径高频面形图；

图5为两幅子孔径高频面形图特征点匹配示意图；

图6-1为初始匹配点对在x，y方向的位移量集合；

图6-2为去除错误位移量后的匹配点对在x，y方向的位移量集合；

图7为拼接得到的整体面形图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

本实施例所述一种基于SURF特征匹配的子孔径拼接方法按照图1所示的流程进行操作，使用口径为150mm的4D Fizcam 2000干涉仪，对一个口径200mm经飞切处理后的平面铜件进行子孔径拼接测量，被测平面铜件可在导轨上沿x，y两个方向运动，干涉仪保持不动。测量路线规划如图2所示，x方向导轨每次位移100mm，y方向导轨每次位移70mm，标号表示测量的先后顺序。

按照规划好的子孔径拼接路径，使用干涉仪对待测元件按顺序进行子孔径1、子孔径2、……、子孔径6的测量，并分别获得子孔径面形图1、子孔径面形图2、……、子孔径面形图6，如图3-1、图3-2、图3-3、图3-4、图3-5、图3-6所示；

其中，图4-1为去除低频信息前的子孔径面形图，使用Zernike或曲面拟合，去除子孔径面形图1、子孔径面形图2、……、子孔径面形图6中的低频信息，如图4-2所示，获得只含高频信息的子孔径高频面形图1、子孔径高频面形图2、……子孔径高频面形图6；

以6个子孔径中的两个子孔径为例，使用SURF算法，对子孔径高频面形图1、子孔径高频面形图2分别进行特征点匹配，如图5所示，获得匹配度由高到低的特征匹配点对集合，并取前30项；

计算前30项匹配点对之间在x，y方向的位移量集合B＝{Bx₁，Bx₂，……，Bx₃₀；By₁，By₂，……，By₃₀}，并剔除与x，y方向位移量均值之间标准差大于设定值0.8mm的位移量，获得正确匹配的位移量集合C＝{Cx₁，Cx₂，……，Cx₂₆；Cy₁，Cy₂，……，Cy₂₆}，如图6-2所示的，其中，0.8mm表示误差容忍程度，该数值可根据需要也可设置成其他数值，可减小子孔径间拼接系数的误差；

对上述x，y方向的位移量分别取均值，得到子孔径高频面形图1、子孔径高频面形图2之间在x，y方向的相对位移Cx、Cy；

类似地，采用上述从6个子孔径中计算两个子孔径高频面形图在计算x，y方向的相对位移Cx、Cy的方法，计算剩余4个子孔径高频面形图之间在x，y方向的相对位移量。如表1所示为SURF匹配、导轨标称的x，y方向相对位移量对比，设定绝对坐标系原点，将相对位移换算到统一的绝对坐标系下，从而获得子孔径面形图1、子孔径面形图2、……、子孔径面形图6对应的绝对位移量d₁、绝对位移量d₂、……、绝对位移量d₆；

通过子孔径拼接方法，使用子孔径面形图1、子孔径面形图2、……、子孔径面形图6，和绝对位移量d₁、绝对位移量d₂、……、绝对位移量d₆，计算相邻子孔径之间的拼接系数，具体的计算相邻子孔径之间拼接系数的方法，如下；

以两个相邻子孔径为例，w₁(x，y)、w₂(x，y)分别表示两个子孔径的面形，即两个相邻子孔径范围的相位值，可建立如式(1)的方程组：

其中，w₁₀和w₂₀均表示同一个子孔径的面形，a_i、b_i分别表示子孔径i沿x，y方向的倾斜量；c_i表示子孔径i沿光轴方向的平移量，则

w₂(x,y)-w₁(x,y)＝ax+by+c (2)

其中a＝a₂-a₁，b＝b₂-b₁，c＝c₂-c₁，a，b，c的数值理论上由两个子孔径重叠区域内任取不在一条直线上的三个点即求解出。为保证提高拟合精度，在重叠区域内选取多个点，即本例中使用重叠区的所有点，利用最小二乘拟合a，b，c的数值，可计算子孔径之间的相对拼接系数，减小误差对拼接精度的影响。

类似地，计算其他子孔径之间的相对拼接系数，并换算为各子孔径相对基准孔径的拼接系数，将各子孔径检测数据校正到基准坐标系中，获得如图7所示的整体面形w，此处各子孔径检测数据是指相邻子孔径之间测得的a，b，c数值。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于SURF特征匹配的子孔径拼接方法，其特征在于：包括以下操作步骤，

a、根据干涉仪口径A1、待测元件口径A2以及导轨分别在x、y方向的移动距离Dx、Dy，规划子孔径拼接的路径；

b、按照步骤a中规划的子孔径拼接路径，使用干涉仪对待测元件按顺序进行子孔径1、子孔径2、……、子孔径n的测量，并分别获得子孔径面形图1、子孔径面形图2、……、子孔径面形图n，n≥2；

c、使用Zernike拟合或曲面拟合的方法，去掉子孔径面形图1、子孔径面形图2、……、子孔径面形图n中的低频信息，获得只含高频信息的子孔径高频面形图1、子孔径高频面形图2、……子孔径高频面形图n；

d、使用SURF算法，对子孔径高频面形图1、子孔径高频面形图2分别进行特征点匹配，获得匹配度由高到低的特征匹配点对集合，并取前M项，M≥20；

e、计算M对匹配点对之间在x，y方向的位移量集合B＝{Bx₁，Bx₂，……，Bx_M；By₁，By₂，……，By_M}，并去除与x，y方向位移量均值之间标准差大于设定值的位移量，获得正确匹配的位移量集合C＝{Cx₁，Cx₂，……，Cx_N；Cy₁，Cy₂，……，Cy_N}，N≤M；

f、对步骤e中x，y方向的位移量分别取均值，得到子孔径高频面形图1、子孔径高频面形图2之间在x，y方向的相对位移Cx、Cy；

g、按照步骤d-f的方法计算剩余n-2项子孔径高频面形图之间在x，y方向的相对位移，设定绝对坐标系原点，将相对位移换算到统一的绝对坐标系下，获得子孔径面形图1、子孔径面形图2、……、子孔径面形图n对应的绝对位移量d₁、绝对位移量d₂、……、绝对位移量d_n；

h、通过子孔径拼接方法，使用子孔径面形图1、子孔径面形图2、……、子孔径面形图n和绝对位移量d1、绝对位移量d2、……、绝对位移量dn，计算相邻子孔径之间的拼接系数；

i、计算剩余子孔径之间的相对拼接系数，并换算为各子孔径相对基准孔径的拼接系数，将各子孔径检测数据校正到基准坐标系中，获得整体面形w。

2.根据权利要求1所述的一种基于SURF特征匹配的子孔径拼接方法，其特征在于：所述步骤d中采用SURF算法对子孔径高频面形图进行特征点匹配，具体操作步骤为：

d1、特征点提取，在积分图像的基础上，利用方框滤波计算待选特征点及其周围点的Hessian值，将在方框范围内Hessian值最大点作为特征点；

d2、特征点描述，在特征点周围区域上计算Harr小波，并计算其四种和以构成特征描述；

d3、利用特征点描述向量进行配准。

3.根据权利要求1所述的一种基于SURF特征匹配的子孔径拼接方法，其特征在于：所述步骤h中，计算相邻子孔径之间拼接系数的操作方法为：

w₁(x，y)、w₂(x，y)分别表示两个子孔径的面形，则

w₁(x,y)＝a₁x+b₁y+c₁+w₁₀(x,y)

w₂(x,y)＝a₂x+b₂y+c₂+w₂₀(x,y)

其中，w₁₀和w₂₀均表示同一个子孔径的面形，a_i、b_i分别表示子孔径i沿x，y方向的倾斜量；c_i表示子孔径i沿光轴方向的平移量，则

w₂(x,y)-w₁(x,y)＝ax+by+c

其中，a＝a₂-a₁，b＝b₂-b₁，c＝c₂-c₁，由两个子孔径重叠区域内三个点即可拟合出a，b，c的数值。

4.根据权利要求3所述的一种基于SURF特征匹配的子孔径拼接方法，其特征在于：所述步骤h中，在重叠区域内选取多个点利用最小二乘拟合a，b，c的数值，计算子孔径之间的相对拼接系数。

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