论文摘要：克隆菌株生长体积三维测量关键技术研究

        基于立体视觉的三维测量技术在现代工业制造、逆向工程、机器人导航等领域应用广泛，具有精度高、非接触、速度快等突出优势，是一种重要的机器视觉测量手段。将显微成像系统和立体视觉结合形成的显微立体视觉测量技术能够用于生物样品的三维形貌观察、形态参数测量和运动轨迹跟踪等方面，在生命科学领域发挥着重要作用。克隆菌株的筛选是生命科学研究中最常用的实验手段，菌株三维体积的测量是实现克隆菌株自动筛选的最为关键的步骤。

        本文针对克隆菌株生长体积三维测量的若干关键技术，从理论、方法和系统上进行了深入的研究和讨论。论文以显微镜像双目立体视觉技术为测量手段，以单个克隆菌株为测量对象，在原理样机设计、测量模型、系统标定、畸变校正、参数优化、立体匹配、三维重构等方面完成了一系列的工作，进行了相应的仿真和实验验证，实现了单个克隆菌株的三维体积测量。本文的主要研究内容包括以下几个方面：

 

        1. 介绍了克隆菌株体积测量的意义和当前的技术发展概况，综述了基于传统光学原理的显微三维测量技术和方法，详细阐述了双目立体视觉技术的具体研究进展。

         2. 建立了显微立体视觉系统的测量模型，具体包括摄像机的透视投影模型、镜头畸变模型、双目立体视觉模型以及根据显微视觉系统的成像特点构建的弱透视成像模型。

        3. 针对视觉测量系统的标定问题，研究了以下关键技术：提出了基于透视投影不变性特征的畸变系数标定方法，结合共线性约束、交比不变约束和分离模型约束准确标定了镜头的畸变系数，有效地避免了摄像机标定过程中畸变系数的多次重复性标定；提出了一种基于直线特征的单幅图像摄像机标定方法，利用同一幅视图中的至少三个正方形图案对摄像机的内部参数和畸变系数进行了准确标定，该方法具有过程灵活、使用简单、精度较高等优势；提出了基于RANSAC的摄像机鲁棒性标定方法，采用阈值选择和RANSAC检测的两步法成功检测出标定特征中的粗大误差点，有效避免了非高精度标定特征对标定精度的影响。

        4. 针对视觉测量系统的参数优化问题，研究了以下关键技术：提出了一种基于三维空间距离误差的摄像机参数优化方法，以测量空间中模型参数计算点坐标与实际特征点坐标之间的三维距离最小作为目标函数，对摄像机初始估计参数进行非线性优化；提出了一种基于多约束条件下的双目视觉参数优化方法，将三维重构点坐标与实际特征点坐标之间的误差最小作为优化目标函数，同时加入了极线约束和固定距离约束，在多约束条件下对双目视觉系统的参数进行了非线性优化。上述方法均与现有的基于二维图像平面的优化方法进行了对比，取得的结果优于传统的二维优化方法。

        5. 设计了克隆菌株三维体积测量系统的原理样机，完成了对称式镜像双目光学反射装置的光路设计和机械设计，实现了克隆菌株的原态图像拍摄；完成了系统参数标定及精度评价工作；基于克隆菌株的边缘实现了表面特征点的立体匹配，对单个克隆菌株实现了三维表面重构和体积计算。

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