【正文】 統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點，非常適合于制造現(xiàn)場的在線、非接觸產(chǎn)品檢測和質(zhì)量控制。 雙目立體視覺 系統(tǒng)是計算機視覺的 十分 關(guān)鍵 的 技術(shù)之一， 如何 獲取空間三維場景的距離信息也是計算機視覺研究中最基礎(chǔ)的 內(nèi)容。 Image processing。 最顯著的就是數(shù)字圖像處理技術(shù)已 從工業(yè)領(lǐng)域、實驗室走進了商業(yè)領(lǐng)域和辦公室 ,甚至走進了人們的日常生活。數(shù)字圖像處理就是采用一定的算法對數(shù)字圖像進行處理的過程，用來獲得人 眼視覺或者某種接受系統(tǒng)所需的圖像處理過程， 計算機對其進行處理的過程。數(shù)字圖像處理技術(shù)作為一門學(xué)科大約出現(xiàn)在 20世紀 60年代早期。圖像處理過程中，輸入的是質(zhì)量低的圖像，輸出的是改善質(zhì)量后的圖像，常用的圖像處理方法主要有圖像增強、復(fù)原、編碼、壓縮等 雙目立體視覺技術(shù)是計算機視覺的一個十分 重要的分支，即由不同位置的兩臺經(jīng)過移動或旋轉(zhuǎn)拍攝同一幅場景的攝像機，通過計算空間點在兩幅國像中的視差，獲得該點的三維坐標值。相比于其他類的體視方法來說，如透鏡板三維成像、投影式三維顯示、全息照相術(shù)等，雙目本視直接模擬人類雙眼處理景物的方式，可靠簡便，在許多領(lǐng)域均極具應(yīng)用價值，如微操作系統(tǒng)的位姿檢測與控制、機器人導(dǎo)航與航測 、三維測量學(xué)及虛擬現(xiàn)實等。最先獲得實際成功應(yīng)用的是美國噴氣推進實驗室（ JPL）。隨后又對探測飛船發(fā)回的近十萬多張照片進 行更復(fù)雜的圖像處理，并且獲得了月球的地形圖、彩色圖及全景鑲嵌圖，并且取得了非凡的研究成果，為人類登月奠定了堅實的基礎(chǔ)，同時也推動了數(shù)字圖像處理這門學(xué)科的誕生。數(shù)字圖像處理取得的另一個巨大成就是在醫(yī)學(xué)上獲得的成功。 CT 的基本方法是根據(jù)人的頭部截面的投影，經(jīng)計 算機處理來重建截面圖像，這稱為圖像重建。在 1979年，這項無損傷診斷技術(shù)獲得了諾貝爾獎，因此也證明它對人類作出了劃時代的貢獻。 隨著圖像處理技術(shù)的不斷深入發(fā)展，從 70年代中期開始，隨著計算機技術(shù)和人工智能 、思維科學(xué)研究的迅速發(fā)展，推動了數(shù)字圖像處理向更高、更深層次發(fā)展。很多國家，特別是發(fā)達國家已經(jīng)投入很多的人力、物力到這個領(lǐng)域研究，取得了很多重第 1章 緒論 3 要的研究成果。計算機視覺雖然在理論方法研究上已取得不小進展，但它仍然是一個比較難的研究領(lǐng)域，存在不少困難，因人類本身對自己的視覺過程還是了解很少， 因此計算機視覺仍然是一個有待人們探索的新領(lǐng)域 。其中，美國是微動控制研究的發(fā)源地，在此領(lǐng)域積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗，不論是美國的民間組織還有政府研究機構(gòu)都在這個領(lǐng)域做了大量的研究工作；日本在微動控制系統(tǒng)的研究，雖然起步晚于美國，但是其發(fā)展速度更為迅速，大有后來居上之勢，不同于美國將在軍事方面的應(yīng)用，日本的微動控制系統(tǒng)一般以民用產(chǎn)品為主，如硬盤驅(qū)動頭，噴墨打印頭和陀螺 儀等：而歐洲發(fā)達國家對微動控制系統(tǒng)的研究介于美日之間，并具有著自己的研究特點，比如說德國的Karlsruhe 大學(xué)的原子能研究所于上個世紀 80年代初的成功。 國內(nèi)方面，自從 80年代以來，在中國科學(xué)院、國家基金委、國家科委的支持下，國內(nèi)的微動控制系統(tǒng)的研究也取得了一定成績，如天津大學(xué)研制的微進給工作臺，可以達到 O． 01urn 的位移分辨率，重復(fù)定位精度 0． 1um；但研究工作尚顯薄弱，仍需要進行大力的扶持。國外微操作系統(tǒng)除了價格昂貴外，還存在以下問題： (1)自動化程度低。 (2)沒有對微注射量進行精確測量和控制。細胞微操作系統(tǒng)中存在的問題和缺點，影響了微操作的效率和成功率。規(guī)?；瘜ιa(chǎn)效率、成功率提出了要求，這是現(xiàn)有微操作系統(tǒng)無法勝任的，所以需要研制具有自動化、高精度的微操作系統(tǒng)。針對以上問題 ,微動控制系統(tǒng)在微器件或細胞的微操作過程中重點要實現(xiàn)的是目標的精確定位、跟蹤、捕捉和最終操作 (裝配、藥物注射、細胞核移植 或人工受精 )有著很高的可靠性。另外 ,對于系統(tǒng)目前無法實現(xiàn)自動操作的目標 ,還要使系統(tǒng)具備手動操作能力。 2) 操作對象質(zhì)量小 , 構(gòu)造薄弱 , 因而操作力不宜過大 , 空氣阻力相對其重量可能很大 , 在進行操作 時 , 還需要釋放操作 。 4) 具有多自由度 , 操作靈活 , 便于調(diào)整 , 運動精微 , 根據(jù)操作對象的不同 , 位移分辨率可達亞微米級或納米級 。 操作者可通過主從遙控的方式對微操作過程及進行遙操作實現(xiàn)微操作過程中的力信息的放大和操作者宏操作位移的縮小 。同時選擇出合適的匹配算法并 給出了相應(yīng) 的 仿真研究， 仿真結(jié)果對比表明所選擇方法的正確性 。 第 2 章介紹了 微動控制平臺 ， 詳細說明微動平臺各部分的組成和它的原理 。 第 4 章 圖像匹配算法及仿真的研究。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 第 2 章 微動控制系統(tǒng)的組成及原理 微動控制系統(tǒng) 是在微米直至亞微米級精度范圍內(nèi) ,對尺寸在幾微米至幾十微米的物體進行穩(wěn)定 、可靠的抓取或操作。 (1)微動控制系統(tǒng)要滿足以下的一些主要要求： (2)微米級的操作、定位精度； (3)大范圍的可操作空間； (4)靈活的操作手結(jié)構(gòu)； (5)精確、快速的顯微視覺處理與控制系統(tǒng) ； (6)多種速度加速度控制方式； 微動控制平臺的組成 根據(jù)微裝配的工藝要求， 微動控制 系統(tǒng)主要由微裝配機械手、真空微夾(末端執(zhí)行器 )和顯微視覺三部分組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) （參見圖 21） 其中真空微夾是微裝 配機器人的末端執(zhí)行器，用來吸取和放置微工件 (微靶 )，由單片機小系統(tǒng)控制。顯微視覺由光學(xué)顯微鏡、CCD 攝像頭、人工光源、圖像采集卡和上位機 (控制主機 )組成，它負責(zé)獲取并處理顯微視覺圖像信息，實現(xiàn)對微裝配過程的動態(tài)監(jiān)控。 2) 操作對象質(zhì)量小 ， 構(gòu)造薄弱 ,因而操作力不宜過大 ， 空氣阻力相 對其重量可能很大 ， 在進行操作時 ， 還需要釋放操作 。 圖 21 微動控制系統(tǒng)框圖 4) 具有多自由度 , 操作靈活 , 便于調(diào)整 , 運動精微 , 根據(jù)操作對象的不同 , 位移分辨率可達亞微米級或納米級 。 操作者 可通過主從遙控的方式對微操作過程及進行遙操作實現(xiàn)微 操作過程中的力信息的放大和操作者宏操作位移的縮小 。玻璃吸管是末端 的 執(zhí)行器，由它的尖端來操作靶球；真空單元由壓力源、壓力調(diào)節(jié)閥、真空發(fā)生器、開關(guān)閥和真空軟管構(gòu)成；控制單元由單片機小系統(tǒng)構(gòu)成 ，由它控制真空系統(tǒng)中的壓力調(diào)節(jié)閥和開關(guān)，使真空系統(tǒng)根據(jù)微動控制系統(tǒng) 的要求，在適當(dāng)時候產(chǎn)生適當(dāng)大小的正負氣壓，負壓時，可使玻璃吸管的尖端 可以 牢牢地吸取微裝配對象，正壓時，將裝配對象 可以 準確地“吹”放到裝配點上。 以為 立體視覺中通常采用雙目視覺方案， 所以 只要標定出攝像機的參數(shù)及兩攝像機之間的距離， 并且 通過對左右兩路采集到的視覺圖像信息進行匹配，就可以確定出操作物體在攝像機坐標系下的三維坐標。電動操作臂主要用來固定各種操作工具，它通過控制 6路步進電機，并且提供操作臂沿 X、 Y、 Z 三個方向的平動運動。電動載物臺通過控制 2路步進電機提供操作目標沿 x、 Y兩個方向上的平動運動；電動調(diào)焦機構(gòu)通過控制步進電機帶動固定于倒置顯微鏡的細準焦螺旋上的軸套旋轉(zhuǎn)，提供高精度的轉(zhuǎn)動；電動物鏡轉(zhuǎn)換器通過步進電機驅(qū)動蝸桿，帶動固定于物鏡轉(zhuǎn)換器上的異型蝸輪進行轉(zhuǎn)動，提供高精度鏡頭轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)動。該系統(tǒng)采用的是萬能工具顯微鏡的透鏡組 ,可視為由物鏡、目鏡組成的光路系統(tǒng)。但并不是所有位于物鏡前方的物體都可以被轉(zhuǎn)換成有用的數(shù)字圖像 ,只有在顯微鏡的景深范圍之內(nèi)的物體 ,光路放大系統(tǒng)才有效。當(dāng)然這三個區(qū)域之間并沒有嚴格的界限 ,是漸變的過程。據(jù)此該系統(tǒng)提出了“粗調(diào)一細調(diào)”的兩極調(diào)焦算法 ,“粗調(diào)”使操作場景從“無像區(qū)”快速進入“像感區(qū)” ,“細調(diào)”使操作場景從“像感區(qū)”進入“清晰區(qū)”。顯微視覺 （參見圖 24）分系統(tǒng)包括光學(xué)顯微鏡、 CCD 攝像機、圖像采集和圖像觀測等裝置。如圖24所示，微操作機器人的顯微視覺系統(tǒng)主要由以下幾部分組成： 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 圖 23 微操作系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)組成及工作原理 1． 操縱裝置； 2．控制用計算機； 3．左微定位平臺； 4．光學(xué)顯微鏡； 5．右微定位平臺； 6．末端微執(zhí)行器 圖 24 顯微視覺系統(tǒng)組成 (1) 能完成對被操作物體精確移動、旋轉(zhuǎn)等操作的操作手； 第 2章 微動控制系統(tǒng)的組成及原理 11 (2) 有足夠分辨率、并能從多方向觀察操作對象的顯微鏡監(jiān)視系統(tǒng)： (3) 能不失真地記錄操作過程、操作對象和操作工具位置信息的圖像采集系統(tǒng)； (4)圖像信息處理系統(tǒng)； (5)操作手控制系統(tǒng)。 微動控制平臺 （攝像機）所在點為世界坐標系的原點 如圖 25，對環(huán)境物體進行三維建模 。 如果機器人作戰(zhàn)平臺不移動，只能建立 維物體模型，但可以從不同角度觀察環(huán)境物體，不影響對環(huán)境的理解。 由重構(gòu)的三維模型所組成的虛擬環(huán)境增強了操控人員對環(huán)境物體的理解，即增強了臨場感，從而提高微動控制平臺遙操作的效率。 MO188NE 本身是一獨立控制系統(tǒng)，由微動平臺、微電機、驅(qū)動器及遙桿構(gòu)成，不具備外部控制指令輸入接口，通過對其進行硬件改造，添加與上位機通訊控制單元，使其可以實時接收上位機指令實現(xiàn)計算機控制。三自由度操作手結(jié)構(gòu)如 圖 27所示。本系統(tǒng)設(shè)計了一種雙懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電雙晶片微夾鉗 （ 如圖 26所示） ，兩片壓電雙晶片相當(dāng)于兩個手指，當(dāng)施加相同電壓時，雙晶片產(chǎn)生相同的偏轉(zhuǎn)位移，往中間靠攏以夾取微裝配對象。同時，為了實現(xiàn)微力檢測，在懸臂梁根部集成電阻應(yīng)變片，通過應(yīng)變信號同時實現(xiàn)微夾鉗的閉環(huán)控制以及夾持力的檢 測。 微動控制系統(tǒng) 控制要求和目標 由于被操作對象需要放置在此工作臺上，因此應(yīng)以滿足使用要求而又經(jīng)濟合理為準則。微動控制系統(tǒng)應(yīng)具有以下特征： 1．工作臺應(yīng)具有較高的幾 何精度，即顛擺、滾擺和搖擺誤差要小，還應(yīng)具有較高的精度穩(wěn)定性；工作臺的支承或?qū)к墤?yīng)無機械摩擦和間隙，具有較高的位移分辨率，以保證高的定位精度和重復(fù)精度，同時還應(yīng)滿足工作行程 ,系統(tǒng)精度應(yīng)在微米與亞微米之間。對這一尺度的器件進行準確操縱，進行微器件的精密定位、裝配和連接，要求操作儀器的精度要至少高一個數(shù)量級。這里的操作精度主要指定位精度和裝配精度。由于加工水平、溫度和濕度等環(huán)境條件、摩擦和磨損等因素的影響，采用開環(huán)控制方式達到微米與亞微米級的微操作是不可能的，必須采用閉環(huán)控制，傳感反饋環(huán)節(jié)是不可缺少的。由于微操作領(lǐng)域還在不斷發(fā)展，微操作任務(wù)經(jīng)常是復(fù)雜和難以預(yù)見的，目前的微執(zhí)行器的工作范圍有限，功能單一，單獨采用一種工具很難適應(yīng)微操作要求。 4．良 好的人機交互環(huán)境。而良好的人機交互環(huán)境能令操作者感到舒適、方便、輕松，并且易于學(xué)習(xí)，對微操作的作用是顯麗易見的。待操作對象放置在 PI 平臺上，并與微作業(yè)工具末端的顯微作業(yè)針共同顯示在電子顯微鏡下，由電子顯微鏡拍攝到的實時視頻圖像直接傳送到 PC 機屏幕上，使得操作簡便易行，實驗效果也易于觀察。由于顯微視覺系統(tǒng)的視野的局限，所以很難對微動平臺在整個微裝配空間中的運動進行有效的觀測和跟蹤，因此微動平臺視覺伺服控制策略的選擇與設(shè)計就有別于一般面向目標跟蹤的視覺伺服系統(tǒng)，它具有以下一些特點： （ 1）對于機械手運動和控制速度的要求不高； （ 2）微動平臺的運動的行程是比較小的； （ 3）微動控制對于環(huán)境參數(shù)的變化以及其他一些隨機擾動的變化非常敏感，它要求控制器的設(shè)計應(yīng)具備較好的魯棒性；為了實現(xiàn)全自動的微動控制過程，基于圖像的視覺伺服控制策略應(yīng)該實現(xiàn)以下內(nèi)容： 1）根據(jù)圖像 特征的變化引導(dǎo)機械手運動到顯微視覺系統(tǒng)的視野中； 2）由其中一方向的深度信息控制機械手運動到成像焦平面（即動平面）； 3）依照目標在圖像空間中的位置控制機械手進行相應(yīng)的微動運動；整個系統(tǒng)的視覺伺服流程圖 （如圖 27 所示）。 第 2章 微動控制系統(tǒng)的組成及原理 15 圖 27 微動平臺視覺伺服策略 本章 小結(jié) 本章首先簡單介了紹微動控制平臺的各部分組成，并且在此基礎(chǔ)上建 立了系統(tǒng)的個部分結(jié)構(gòu)框圖，本章說明了微動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)目標和控制要求，還說明它們的工作原理，并初步說明了微動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)策略。 數(shù)字圖像處理技術(shù)最早出現(xiàn)于 20 世紀 20年代，但直到 20 世紀 50 年代，電子計算機發(fā)展到了一定水平，人們 才有機會開始利用計算機來處理圖形和圖像信息。隨著計算機軟件、硬件技術(shù)日新月異的發(fā)展和普及，圖像處理技術(shù)已經(jīng)成為人類生活中不可缺少的一部分。實質(zhì)上是一段能夠被計算機還原顯示和輸出為一幅圖像的數(shù)字碼。數(shù)字圖像處理， 就是 用計算機對圖像進行處理，其發(fā)展 的 歷史并不長。首先數(shù)字圖像處理技術(shù)可以幫助人們更客觀、準確地認識世界，人的視覺系統(tǒng)可以幫助人類從外界獲取 3/4以上的信息，而圖像、圖形又是所有視覺信息的載體，盡管人眼的鑒別力很高，可以識別 數(shù) 千種顏色，但很多