CN110806407A - 一种基于Labview的二维材料扫描和视觉处理系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Labview的二维材料扫描和视觉处理系统及其方法，包括：在上位机上安装Labview、基于Labview控制的三轴步进电机和工业相机的上位机软件。将携带有目标样品的衬底放置在显微镜镜头下金属扫描底座中，由上位机软件控制三轴步进电机运动和显微镜上工业相机抓取图像。在上位机上设置好三轴步进电机运动和工业相机拍照的相关参数，触发运行按键，对携带有目标样品的衬底进行扫描，软件前面板实时输出衬底图片扫描结果。本发明集成了显微镜高通量扫描和智能识别功能，一次性扫描多张衬底，并对衬底上目标样品的层厚进行初步检测和识别，克服了传统二维材料寻样经验性要求高、速度慢、效率低的缺点。
Description
技术领域
本发明实施涉及二维材料智能制造和识别领域，特别涉及一种基于Labview的二维材料扫描和视觉处理系统及其方法。
背景技术
二维材料因其载流子迁移和热量扩散都被限制在二维平面内，使得这种材料展现出许多奇特的性质。其带隙可调的特性在场效应管、光电器件、热电器件等领域应用广泛；其自旋自由度和谷自由度的可控性在自旋电子学和谷电子学领域引起深入研究；不同的二维材料由于晶体结构的特殊性质导致了不同的电学特性或光学特性的各向异性，包括拉曼光谱、光致发光光谱、二阶谐波谱、光吸收谱、热导率、电导率等性质的各向异性，在偏振光电器件、偏振热电器件、仿生器件、偏振光探测等领域具有很大的发展潜力。
在制备高品质的二维材料薄层样品时，将二维材料晶体通过透明胶带机械剥离的方式撕到衬底上以后，需要结合工业相机在显微镜下对剥离结果进行目标样品检测，然而，检测过程不仅费时费力，并且对于目标样品的层数验证也是手工操作很难解决的问题。传统的寻找目标样品的方法是通过在显微镜视野下手工搜索，且无法获取衬底上样品详细的颜色及形态等信息进行样品层数鉴定，经验性要求高、速度慢、效率低，无法满足当代高效、精准的实验需求。
发明内容
为了减少手工操作的经验性和重复性，唯一的方法是使用自动化设备和程序，因此，基于Labview的二维材料扫描和视觉处理系统成为替代手工寻样的一种重要手段。通过自动寻样，可以获取硅片上更多的二维材料信息，更准确地分析和掌握不同层数的二维材料的信息特征。例如，通过检测衬底上二维材料的样品信息调整机械剥离参数；通过收集二维材料目标样品与不同SiO2厚度的衬底的对比度信息，作为层数鉴别的分类特征。
为了实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：
一种基于Labview的二维材料扫描和视觉处理系统，包括：上位机人机交互模块、运动控制模块、显微成像模块和图像处理模块；
上位机人机交互模块，Labview平台提供串口连接三轴步进电机和工业相机，在Labview前面板中设置输入参数实现对三轴步进电机和工业相机的集成控制；
运动控制模块，由驱动器、控制器、电源和三轴步进电机组成；其中控制器接受上位机信号，并传输给驱动器以驱动三轴步进电机运动，同时电源为驱动器提供电量；
显微成像模块，三轴步进电机上的位移滑台在显微镜的显微成像区域下移动，且位移滑台上放置有携带二维材料衬底的金属扫描底座，同时显微镜镜筒上方的工业相机拍摄二维材料衬底的图像；
图像处理模块，由操作面板和处理程序组成；在操作面板中选择图像路径将图像载入处理程序并设置图像处理参数；处理程序依次分析图像后，将目标样品的个数和具体位置反馈在操作面板上。
一种基于Labview的二维材料扫描和视觉处理方法，包括如下步骤：
步骤S1：制备二维材料样品，使用透明胶带将二维材料机械剥离到衬底上，并将衬底放置在位移滑台上的金属扫描底座中，然后将显微成像区域通过步进电机底座旋钮校正到金属扫描底座的左上角；
步骤S2：在Labview前面板中输入三轴步进电机运动参数、工业相机成像参数、待扫描区域大小和待扫描衬底个数，并选择文件保存路径和图像评价算法；点击程序运行按钮，系统将连续抓取200倍下的目标样品的图像；
步骤S3：将由步骤S2得到的图像数据输入到基于Opencv算法的图像处理系统中，通过对图像进行阈值和熵值分析提取出目标样品的区域坐标集，并在操作面板上输出目标样品的个数和具体位置。
进一步的，所述步骤S2包括如下步骤：
S201：将Labview作为上位机，在串口选择区域选择三轴步进电机串口和工业相机串口，并根据需求设置连接类型、控制器类型、VISA波特率、单数据字节数和相机控制模式；
S202：设置三轴步进电机的速度、加速度和步长参数以及工业相机的亮度、对比度和伽马值参数，使三轴步进电机按照“己”字形路线运动，结合工业相机获取衬底上目标样品的图像；
S203：根据需求在功能选择区域设置待扫描衬底的个数以及待扫描区域的大小，实现对衬底上目标样品的自定义扫描；在路径输入区域选择图像的保存路径，将工业相机扫描的目标样品图像保存到上位机中；
S204：设置图像边缘提取算法以标识数字图像中亮度变化明显的区域，并设置图像的水平和垂直分辨率来提取图像的部分像素以提高运算速度；在此参数设置下，系统根据目标样品像素的平均值和方差判断对焦情况，并沿三轴步进电机的Z轴上下移动进行调焦，以使工业相机拍摄到的目标样品图像清晰。
更进一步的，所述步骤S3包括如下步骤：
S301：在操作面板上选择图像路径，将步骤S2抓取到的图像载入识别程序，并对图像进行灰度和HSV色彩空间转换，以便于后续的图像处理操作；
S302：将转换后的图像进行阈值化操作，在操作面板上设置目标样品的阈值检测范围，提取图像中位于该阈值范围内的区域坐标进行目标样品的初步检索，得到阈值过滤后的目标样品区域坐标集；
S303：计算步骤S302中得到的区域坐标集的熵值，通过在操作面板中设置目标样品的检测熵值范围，以将透明胶带的残留物和目标样品区分开，并得到最终的目标样品区域坐标集；
S304：将目标样品的个数和具体位置输出到操作面板上反馈给使用者，并将这些结果和目标样品的区域坐标集保存到本地数据库中。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明在上位机上一次性设置三轴步进电机和工业相机的相关参数和相关功能，使仪器按照输入的参数运行，简化了寻样操作；
2、本发明通过简单的参数设置可以对不同尺寸、不同个数的衬底进行扫描，提高了扫描系统的通用性；
3、本发明在运行结束后在上位机中自动获取目标样品的扫描图像信息，减少了繁琐的人工操作并降低了人工成本；
4、本发明使用基于Opencv编写的识别程序进一步对图像中的目标样品进行检测，令目标样品的寻找和识别更加便捷高效，克服了传统手工寻样过程的经验性要求高、速度慢、效率低的缺点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面对实施例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中的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是本发明的软件前面板示意图；
图3是本发明的视觉处理系统流程图；
图4是本发明实施例1中的衬底图像；
图5是本发明实施例2中的衬底图像；
图6是本发明实施例3中的衬底图像；
图7是本发明实施例4中的衬底图像。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
图1为本发明实施例的一种基于Labview的二维材料扫描和视觉处理系统整体框架示意图；
该系统包括：上位机人机交互模块、运动控制模块、显微成像模块和图像处理模块；
上位机人机交互模块，Labview平台11提供串口连接三轴步进电机17和工业相机16，在Labview前面板中设置输入参数实现对三轴步进电机和工业相机的集成控制；
运动控制模块，由驱动器14、控制器13、电源12和三轴步进电机17组成；其中控制器接受上位机信号，并传输给驱动器14以驱动三轴步进电机17运动，同时电源12为驱动器14提供电量；
显微成像模块，三轴步进电机17上的位移滑台在显微镜16的显微成像区域下移动，且位移滑台上放置有携带二维材料衬底的金属扫描底座，同时显微镜16镜筒上方的工业相机拍摄二维材料衬底的图像；
图像处理模块，由操作面板和处理程序组成；在操作面板中选择图像路径将图像载入处理程序并设置图像处理参数；处理程序依次分析图像后，将目标样品的个数和具体位置反馈在操作面板上。
图2为本发明实施例的基于Labview用于控制三轴步进电机和工业相机的上位机软件的前面板示意图，软件前面板包括串口选择区域22、功能选择区域23、电机参数输入区域24、相机参数设置区域25、运行按键21、图像实时显示区域26。
一种基于Labview的二维材料扫描和视觉处理方法，包括如下步骤：
步骤S1：制备二维材料样品，使用透明胶带将二维材料机械剥离到衬底上，并将衬底放置在位移滑台上的金属扫描底座中，然后将显微成像区域通过步进电机底座旋钮校正到金属扫描底座的左上角；
步骤S2：在Labview前面板中输入三轴步进电机运动参数、工业相机成像参数、待扫描区域大小和待扫描衬底个数，并选择文件保存路径和图像评价算法；点击程序运行按钮，系统将连续抓取200倍下的目标样品的图像；
步骤S3：将由步骤S2得到的图像数据输入到基于Opencv算法的图像处理系统中，通过对图像进行阈值和熵值分析提取出目标样品的区域坐标集，并在操作面板上输出目标样品的个数和具体位置。
本实施例中，步骤S2包括如下步骤：
S201：将Labview作为上位机，在串口选择区域选择三轴步进电机串口和工业相机串口，并根据需求设置连接类型、控制器类型、VISA波特率、单数据字节数和相机控制模式；
S202：设置三轴步进电机的速度、加速度和步长参数以及工业相机的亮度、对比度和伽马值参数，使三轴步进电机按照“己”字形路线运动，结合工业相机获取衬底上目标样品的图像；
S203：根据需求在功能选择区域设置待扫描衬底的个数以及待扫描区域的大小，实现对衬底上目标样品的自定义扫描；在路径输入区域选择图像的保存路径，将工业相机扫描的目标样品图像保存到上位机中；
S204：设置图像边缘提取算法以标识数字图像中亮度变化明显的区域，并设置图像的水平和垂直分辨率来提取图像的部分像素以提高运算速度；在此参数设置下，系统根据目标样品像素的平均值和方差判断对焦情况，并沿三轴步进电机的Z轴上下移动进行调焦，以使工业相机拍摄到的目标样品图像清晰。
本实施例中，步骤S3包括如下步骤：
S301：在操作面板上选择图像路径，将步骤S2抓取到的图像载入识别程序，并对图像进行灰度和HSV色彩空间转换，以便于后续的图像处理操作；
S302：将转换后的图像进行阈值化操作，在操作面板上设置目标样品的阈值检测范围，提取图像中位于该阈值范围内的区域坐标进行目标样品的初步检索，得到阈值过滤后的目标样品区域坐标集；
S303：计算步骤S302中得到的区域坐标集的熵值，通过在操作面板中设置目标样品的检测熵值范围，以将透明胶带的残留物和目标样品区分开，并得到最终的目标样品区域坐标集；
S304：将目标样品的个数和具体位置输出到操作面板上反馈给使用者，并将这些结果和目标样品的区域坐标集保存到本地数据库中。
下面是以表1的参数实施的实施例1-4：
(1)在基于Labview的二维材料扫描系统中，按照表1的参数设置进行二维材料衬底的扫描，分别将石墨烯和二硫化钼晶体通过透明胶带机械剥离到Si/SiO2衬底上，并依次放置到金属扫描底座中，将金属扫描底座放置在位移滑台上，打开Labview应用程序，在前面板中输入三轴步进电机的运动参数：速度8mm/s，加速度0mm2/s，目标图像的保存路径为：D：/，点击开始运行按钮，扫描程序开始运行，在约5h后在本地磁盘中得到约6300张衬底图像。
(2)在基于Opencv算法的视觉处理系统中，选择本地图像的保存路径，按照表1的参数设置进行图像识别操作，点击开始运行按钮，运行目标样品的识别程序，在约2h后在前面板输出目标样品的个数和位置，通过人工核验系统扫描得到的薄层样品位置和个数计算正确率，所得结果如表2所示，并在本地数据库中，可以得到目标样品的区域坐标集和相应面积。
表1基于Labview的二维材料扫描和视觉处理系统参数
| 目标样品 | 阈值范围(HSV) | 熵值范围 | 衬底大小 | 衬底个数 | |
| 实施例1 | 石墨烯 | 214-245 | ＜4.5 | 6mm<sup>2</sup> | 9 |
| 实施例2 | 石墨烯 | 212-240 | ＜4.5 | 7mm<sup>2</sup> | 9 |
| 实施例3 | 二硫化钼 | 213-248 | ＜4.5 | 6mm<sup>2</sup> | 9 |
| 实施例4 | 二硫化钼 | 210-251 | ＜4.5 | 7mm<sup>2</sup> | 9 |
表2基于Labview的二维材料扫描和视觉处理系统输出结果
| 目标样品 | 图像个数 | 扫描时间 | 检测时间 | 目标样品个数 | 正确率 | |
| 实施例1 | 石墨烯 | 6300 | 5h | 2h | 148 | 93.5 |
| 实施例2 | 石墨烯 | 6300 | 5h | 2h | 126 | 92.6 |
| 实施例3 | 二硫化钼 | 6300 | 5h | 2h | 78 | 97.0 |
| 实施例4 | 二硫化钼 | 6300 | 5h | 2h | 109 | 94.7 |
其中，在阈值分析中，除了目标样品外，厚层样品的边缘以及透明胶带的残留物仍然存在于提取的样品区域内。通过对样品和污染物的图像区域熵值分析发现污染物区域的熵值比目标样品的熵值更大。通过选择熵值较小的区域，消除污染物，然后通过阈值范围区域和熵值范围区域的交合区域，从识别系统中提取包含目标样品的区域。
综上所述，本发明实施例提供了一种基于Labview的二维材料扫描和视觉处理系统及其方法，使用基于Labview的上位机软件控制三轴步进电机运动和工业相机实现对携带有二维材料目标样品衬底的自动扫描；在上位机上一次性设置三轴步进电机和工业相机的相关参数和相关功能，使仪器按照输入的参数运行，简化了寻样操作；通过简单的参数设置可以对不同尺寸、不同个数的衬底进行扫描，具有良好的通用性；在上位机中可以自动获取目标样品的扫描图像信息，减少了繁琐的人工操作并降低了人工成本；同时使用基于Opencv编写的识别程序进一步对图像中的目标样品进行检测，令目标样品的寻找和识别更加便捷高效，克服了传统手工寻样过程的经验性要求高、速度慢、效率低的缺点。
需要说明的是：上述发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤，可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器、磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、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Labview的二维材料扫描和视觉处理系统，其特征在于，包括：上位机人机交互模块、运动控制模块、显微成像模块和图像处理模块；
上位机人机交互模块，Labview平台提供串口连接三轴步进电机和工业相机，在Labview前面板中设置输入参数实现对三轴步进电机和工业相机的集成控制；
运动控制模块，由驱动器、控制器、电源和三轴步进电机组成；其中控制器接受上位机信号，并传输给驱动器以驱动三轴步进电机运动，同时电源为驱动器提供电量；
显微成像模块，三轴步进电机上的位移滑台在显微镜的显微成像区域下移动，且位移滑台上放置有携带二维材料衬底的金属扫描底座，同时显微镜镜筒上方的工业相机拍摄二维材料衬底的图像；
图像处理模块，由操作面板和处理程序组成；在操作面板中选择图像路径将图像载入处理程序并设置图像处理参数；处理程序依次分析图像后，将目标样品的个数和具体位置反馈在操作面板上。
2.一种根据权利要求1所述的基于Labview的二维材料扫描和视觉处理方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤S1：制备二维材料样品，使用透明胶带将二维材料机械剥离到衬底上，并将衬底放置在位移滑台上的金属扫描底座中，然后将显微成像区域通过步进电机底座旋钮校正到金属扫描底座的左上角；
步骤S2：在Labview前面板中输入三轴步进电机运动参数、工业相机成像参数、待扫描区域大小和待扫描衬底个数，并选择文件保存路径和图像评价算法；点击程序运行按钮，系统将连续抓取200倍下的目标样品的图像；
步骤S3：将由步骤S2得到的图像数据输入到基于Opencv算法的图像处理系统中，通过对图像进行阈值和熵值分析提取出目标样品的区域坐标集，并在操作面板上输出目标样品的个数和具体位置。
3.根据权利要求2所述的基于Labview的二维材料扫描和视觉处理方法，其特征在于，所述步骤S2包括如下步骤：
S201：将Labview作为上位机，在串口选择区域选择三轴步进电机串口和工业相机串口，并根据需求设置连接类型、控制器类型、VISA波特率、单数据字节数和相机控制模式；
S202：设置三轴步进电机的速度、加速度和步长参数以及工业相机的亮度、对比度和伽马值参数，使三轴步进电机按照“己”字形路线运动，结合工业相机获取衬底上目标样品的图像；
S203：根据需求在功能选择区域设置待扫描衬底的个数以及待扫描区域的大小，实现对衬底上目标样品的自定义扫描；在路径输入区域选择图像的保存路径，将工业相机扫描的目标样品图像保存到上位机中；
S204：设置图像边缘提取算法以标识数字图像中亮度变化明显的区域，并设置图像的水平和垂直分辨率来提取图像的部分像素以提高运算速度；在此参数设置下，系统根据目标样品像素的平均值和方差判断对焦情况，并沿三轴步进电机的Z轴上下移动进行调焦，以使工业相机拍摄到的目标样品图像清晰。
4.根据权利要求2所述的基于Labview的二维材料扫描和视觉处理方法，其特征在于，所述步骤S3包括如下步骤：
S301：在操作面板上选择图像路径，将步骤S2抓取到的图像载入识别程序，并对图像进行灰度和HSV色彩空间转换，以便于后续的图像处理操作；
S302：将转换后的图像进行阈值化操作，在操作面板上设置目标样品的阈值检测范围，提取图像中位于该阈值范围内的区域坐标进行目标样品的初步检索，得到阈值过滤后的目标样品区域坐标集；
S303：计算步骤S302中得到的区域坐标集的熵值，通过在操作面板中设置目标样品的检测熵值范围，以将透明胶带的残留物和目标样品区分开，并得到最终的目标样品区域坐标集；
S304：将目标样品的个数和具体位置输出到操作面板上反馈给使用者，并将这些结果和目标样品的区域坐标集保存到本地数据库中。
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| CN201911073570.2A Pending CN110806407A (zh) | 2019-11-04 | 2019-11-04 | 一种基于Labview的二维材料扫描和视觉处理系统及其方法 |
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|---|---|
| CN (1) | CN110806407A (zh) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2019
- 2019-11-04 CN CN201911073570.2A patent/CN110806407A/zh active Pending
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