Degradation characteristics of in-focused-plane micro-vision motion-tracking accuracy excited by out-of-focused-plane displacements

WANG Ruizhou; LIANG Chicong; CAI Yuanxin; WU Heng

doi:10.37188/OPE.20233101.0119

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Degradation characteristics of in-focused-plane micro-vision motion-tracking accuracy excited by out-of-focused-plane displacements

Micro/Nano Technology and Fine Mechanics | 更新时间：2023-02-07

- Degradation characteristics of in-focused-plane micro-vision motion-tracking accuracy excited by out-of-focused-plane displacements
- Optics and Precision Engineering Vol. 31, Issue 1, Pages: 119-128(2023)
- 作者机构：
  
  1.广东工业大学省部共建精密电子制造技术与装备国家重点实验室，广东广州 510006
  2.广东工业大学广东省微纳加工技术与装备重点实验室，广东广州 510006
  3.广东工业大学广东省信息物理融合系统重点实验室，广东广州 510006
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.37188/OPE.20233101.0119
  CLC： TP391.7;TH742
- Received：11 July 2022，
  
  Revised：22 August 2022，
  
  Published：10 January 2023
- 稿件说明：
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王瑞洲,梁炽聪,蔡远馨等.离面位移激励下微视觉运动追踪精度劣化特性[J].光学精密工程,2023,31(01):119-128.

WANG Ruizhou,LIANG Chicong,CAI Yuanxin,et al.Degradation characteristics of in-focused-plane micro-vision motion-tracking accuracy excited by out-of-focused-plane displacements[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(01):119-128.
王瑞洲,梁炽聪,蔡远馨等.离面位移激励下微视觉运动追踪精度劣化特性[J].光学精密工程,2023,31(01):119-128. DOI： 10.37188/OPE.20233101.0119.

WANG Ruizhou,LIANG Chicong,CAI Yuanxin,et al.Degradation characteristics of in-focused-plane micro-vision motion-tracking accuracy excited by out-of-focused-plane displacements[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(01):119-128. DOI： 10.37188/OPE.20233101.0119.

摘要

为在微米级尺度量化表述离面位移激励值-聚焦面内微视觉运动追踪精度劣化值的映射特性，使用光学显微镜、工业相机和空间纳米定位平台进行实验研究。首先，分析离面位移的形成机理，使用方差函数评价图像清晰度，搜索最佳对焦平面并设定为聚焦平面，作为计算离面位移的基准。其次，设计空间多自由度纳米台，将其末端执行器作为微视觉追踪目标，生成聚焦平面内的运动轨迹，同时同步生成可控可测的离面位移。然后，选取灰度值模板匹配法与感兴趣区域划分法作为当前微视觉运动追踪算法，测量聚焦面内的运动轨迹。最后，加工纳米台样机，搭建微视觉运动追踪系统，使用电容传感器作为评价手段，计算不同离面位移引起的微视觉运动追踪精度劣化数值。实验结果表明，微视觉运动追踪精度随着离面位移的增大而不断劣化，具有显著且可量化的相关性。针对给定的76.1 μm×63.7 μm视场、15 Hz采样率与灰度值模板匹配法，（7.7±2.5） μm或更大的离面位移导致微视觉测量系统完全失效。

Abstract

To quantitatively describe the effect of out-of-focused-plane displacements on the in-focused-plane micro-vision motion-tracking accuracy， a method based on an optical microscope， an industrial camera， and a spatial nano-positioning stage is proposed in this work. First， the formation mechanism of out-of-focused-plane displacements was analyzed. The variance function was employed to evaluate the sharpness of the image and search for the best-focused plane. The searched plane was used as the baseline to calculate out-of-focused-plane displacements. Second， a spatial nano-positioning stage was designed with multiple degrees of freedom. The end-effector served as the target to be tracked by the micro-vision. When generating in-focused-plane displacements， controllable and measurable out-of-focused-plane displacements were also produced simultaneously and synchronously by the end-effector. Third， the gray-value-based template matching approach was selected and combined with the region-of-interest method. This approach served as a representative micro-vision motion-tracking algorithm. Finally， the prototype of the nano-positioning stage was fabricated， and the micro-vision motion-tracking experimental system was constructed. Capacitive sensors were employed as evaluation tools. The degradation values of the micro-vision motion-tracking accuracy when excited by different out-of-focused-plane displacements were quantified. The experimental results indicate that out-of-focused-plane displacements directly contribute to accuracy degradation. The displacements and degradation were significantly correlated. The area of the proposed viewing field was 76.1 μm×63.7 μm， the sampling frequency was 15 Hz， and the gray-value-based template-matching approach was employed. When the out-of-focused-plane displacement reached （7.7±2.5） μm or larger， the micro-vision system was rendered inoperable.

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马天兵，周青，杜菲，等 . 基于机器视觉和改进PID的压电柔性机械臂振动控制［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 1 ）： 141 - 150 . doi: 10.3788/ope.20202801.0141 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20202801.0141

MA T B ， ZHOU Q ， DU F ， et al . Piezoelectric flexible manipulator vibration control based on machine vision and improved PID ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 1 ）： 141 - 150 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20202801.0141 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20202801.0141

张翔 . 微视觉图像面内微位移精密测量理论与实验研究［D］. 广州：华南理工大学， 2019 .

ZHANG X . Theoretical and Experimental Research on Precise Measurement of In-plane Micro Displacement in Micro Vision Image ［D］. Guangzhou ： South China University of Technology ， 2019 . （in Chinese）

陈荣军，郑志君，赵慧民，等 . 一种基于模糊成像机理的QR码图像快速盲复原方法［J］. 光子学报， 2021 ， 50 （ 7 ）： 99 - 107 . doi: 10.3788/gzxb20215007.0710003 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20215007.0710003

CHEN R J ， ZHENG ZH J ， ZHAO H M ， et al . Fast blind restoration of QR code images based on blurred imaging mechanism ［J］. Acta Photonica Sinica ， 2021 ， 50 （ 7 ）： 99 - 107 . （in Chinese） . doi: 10.3788/gzxb20215007.0710003 http://dx.doi.org/10.3788/gzxb20215007.0710003

PENTLAND A P . A new sense for depth of field ［J］. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence ， 1987 ， 9 （ 4 ）： 523 - 531 . doi: 10.1109/tpami.1987.4767940 http://dx.doi.org/10.1109/tpami.1987.4767940

方睿，周愉，刘鹏，等 . 基于多尺度循环残差神经网络的图像去运动模糊［J］. 计算机工程与设计， 2022 ， 43 （ 3 ）： 786 - 793 .

FANG R ， ZHOU Y ， LIU P ， et al . Motion deblurring based on multi-scale recurrent residual network ［J］. Computer Engineering and Design ， 2022 ， 43 （ 3 ）： 786 - 793 . （in Chinese）

金燕，黄梦佳，姜智伟 . 基于聚集残差生成对抗网络的图像去模糊［J］. 计算机辅助设计与图形学学报， 2022 ， 34 （ 1 ）： 84 - 93 . doi: 10.3724/sp.j.1089.2022.18839 http://dx.doi.org/10.3724/sp.j.1089.2022.18839

JIN Y ， HUANG M J ， JIANG ZH W . Image deblurring based on aggregate residual adversary networks ［J］. Journal of Computer-Aided Design & Computer Graphics ， 2022 ， 34 （ 1 ）： 84 - 93 . （in Chinese） . doi: 10.3724/sp.j.1089.2022.18839 http://dx.doi.org/10.3724/sp.j.1089.2022.18839

闫钧华，吕向阳，时萌玮，等 . 遥感成像耦合典型误差源反演方法研究［J］. 仪器仪表学报， 2021 ， 42 （ 6 ）： 200 - 210 . doi: 10.2352/j.imagingsci.technol.2022.66.6.060503 http://dx.doi.org/10.2352/j.imagingsci.technol.2022.66.6.060503

YAN J H ， LÜ X Y ， SHI M W ， et al . Research on the inversion method of coupled typical error source in remote sensing imaging ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument ， 2021 ， 42 （ 6 ）： 200 - 210 . （in Chinese） . doi: 10.2352/j.imagingsci.technol.2022.66.6.060503 http://dx.doi.org/10.2352/j.imagingsci.technol.2022.66.6.060503

戴相录，谢惠民，王怀喜 . 二维数字图像相关测量中离面位移引起的误差分析［J］. 实验力学， 2013 ， 28 （ 1 ）： 10 - 19 . doi: 10.7520/1001-4888-12-102 http://dx.doi.org/10.7520/1001-4888-12-102

DAI X L ， XIE H M ， WANG H X . Analysis of the error caused by off-plane displacement in two-dimensional digital image correlation measurement ［J］. Journal of Experimental Mechanics ， 2013 ， 28 （ 1 ）： 10 - 19 . （in Chinese） . doi: 10.7520/1001-4888-12-102 http://dx.doi.org/10.7520/1001-4888-12-102

孙伟，何小元，郑翔 . 基于数字图像相关的三维刚体位移测量方法［J］. 光学学报， 2008 ， 28 （ 5 ）： 894 - 901 . doi: 10.3321/j.issn:0253-2239.2008.05.015 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:0253-2239.2008.05.015

SUN W ， HE X Y ， ZHENG X . Three-dimensional rigid body displacement measurement based on digital image correlation ［J］. Acta Optica Sinica ， 2008 ， 28 （ 5 ）： 894 - 901 . （in Chinese） . doi: 10.3321/j.issn:0253-2239.2008.05.015 http://dx.doi.org/10.3321/j.issn:0253-2239.2008.05.015

徐飞鸿，林皓 . 单目CCD离面位移测量［J］. 长沙理工大学学报（自然科学版）， 2013 ， 10 （ 1 ）： 54 - 60 . doi: 10.3969/j.issn.1672-9331.2013.01.009 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-9331.2013.01.009

XU F H ， LIN H . Out-of-plane displacement measurement based on single CCD ［J］. Journal of Changsha University of Science & Technology （Natural Science）， 2013 ， 10 （ 1 ）： 54 - 60 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1672-9331.2013.01.009 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-9331.2013.01.009

CLARK L ， SHIRINZADEH B ， BHAGAT U ， et al . A vision-based measurement algorithm for micro/nano manipulation ［C］. 2013 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics . 912，2013 ， Wollongong ， NSW ， Australia . IEEE ， 2013 ： 100 - 105 . doi: 10.1109/aim.2013.6584075 http://dx.doi.org/10.1109/aim.2013.6584075

WU H ， ZHANG X M ， GAN J Q ， et al . Displacement measurement system for inverters using computer micro-vision ［J］. Optics and Lasers in Engineering ， 2016 ， 81 ： 113 - 118 . doi: 10.1016/j.optlaseng.2015.12.018 http://dx.doi.org/10.1016/j.optlaseng.2015.12.018

刘璐，闫佩正，但西佐，等 . 基于条纹投影的显微镜自动对焦研究［J］. 光学学报， 2019 ， 39 （ 8 ）： 276 - 283 . doi: 10.3788/aos201939.0818001 http://dx.doi.org/10.3788/aos201939.0818001

LIU L ， YAN P ZH ， DAN X Z ， et al . Microscope autofocus research based on stripe projection ［J］. Acta Optica Sinica ， 2019 ， 39 （ 8 ）： 276 - 283 . （in Chinese） . doi: 10.3788/aos201939.0818001 http://dx.doi.org/10.3788/aos201939.0818001

王耿，魏维宁，代军，等 . 线性偏摆复合型压电微动平台［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30 （ 9 ）： 1058 - 1070 . doi: 10.37188/OPE.20223009.1058 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223009.1058

WANG G ， WEI W N ， DAI J ， et al . Linear yaw compound piezoelectric micro-motion platform ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2022 ， 30 （ 9 ）： 1058 - 1070 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20223009.1058 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223009.1058

刘芳芳，杨子涵，焦宇辉，等 . 皮米量级微位移信号处理分辨力的光纤布拉格光栅探针系统［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30 （ 7 ）： 755 - 764 . doi: 10.37188/OPE.20223007.0755 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223007.0755

LIU F F ， YANG Z H ， JIAO Y H ， et al . Fiber Bragg grating probe system with picometer-level micro-displacement signal processing resolution ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2022 ， 30 （ 7 ）： 755 - 764 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20223007.0755 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20223007.0755

KROON D J . Fast/Robust Template Matching ［Z/OL］. https：//www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/24925-fast-robust-template-matching ， MATLAB Central File Exchange. 2022 .

江苏蓬，向伟，刘云鹏，等 . 采用多特征共生矩阵的模板匹配［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 6 ）： 1459 - 1467 . doi: 10.37188/OPE.20212906.1459 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212906.1459

JIANG S P ， XIANG W ， LIU Y P ， et al . Template matching with multi-feature co-occurrence matrix ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2021 ， 29 （ 6 ）： 1459 - 1467 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20212906.1459 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212906.1459

尤玉虎，刘通，刘佳文 . 基于图像处理的自动对焦技术综述［J］. 激光与红外， 2013 ， 43 （ 2 ）： 132 - 136 . doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2013.02.003 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-5078.2013.02.003

YOU Y H ， LIU T ， LIU J W . Survey of the auto-focus methods based on image processing ［J］. Laser & Infrared ， 2013 ， 43 （ 2 ）： 132 - 136 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2013.02.003 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1001-5078.2013.02.003

杨瑞宇，吕浩，龚晓霞，等 . 红外成像系统中自动对焦功能优化方法研究［J］. 红外技术， 2020 ， 42 （ 10 ）： 940 - 946 . doi: 10.3724/sp.j.7103116031 http://dx.doi.org/10.3724/sp.j.7103116031

YANG R Y ， LÜ H ， GONG X X ， et al . Optimizing method of autofocusing function in infrared imaging system ［J］. Infrared Technology ， 2020 ， 42 （ 10 ）： 940 - 946 . （in Chinese） . doi: 10.3724/sp.j.7103116031 http://dx.doi.org/10.3724/sp.j.7103116031

熊锐，顾乃庭，徐洪艳 . 一种适应多方向灰度梯度变化的自动对焦评价函数［J］. 激光与光电子学进展， 2022 ， 59 （ 4 ）： 373 - 380 . doi: 10.3788/LOP202259.0418001 http://dx.doi.org/10.3788/LOP202259.0418001

XIONG R ， GU N T ， XU H Y . An auto-focusing evaluation function adapted to multi-directional gray gradient change ［J］. Laser & Optoelectronics Progress ， 2022 ， 59 （ 4 ）： 373 - 380 . （in Chinese） . doi: 10.3788/LOP202259.0418001 http://dx.doi.org/10.3788/LOP202259.0418001

曾海飞，韩昌佩，李凯，等 . 改进的梯度阈值图像清晰度评价算法［J］. 激光与光电子学进展， 2021 ， 58 （ 22 ）： 285 - 293 . doi: 10.3788/lop202158.2211001 http://dx.doi.org/10.3788/lop202158.2211001

ZENG H F ， HAN CH P ， LI K ， et al . Improved gradient threshold image sharpness evaluation algorithm ［J］. Laser & Optoelectronics Progress ， 2021 ， 58 （ 22 ）： 285 - 293 . （in Chinese） . doi: 10.3788/lop202158.2211001 http://dx.doi.org/10.3788/lop202158.2211001

邓黎，张博，冯丹彤，等 . 基于模板匹配的物体间距实时检测系统［J］. 自动化技术与应用， 2022 ， 41 （ 6 ）： 128 - 132 .

DENG L ， ZHANG B ， FENG D T ， et al . Real-time detection system of object distance based on template matching ［J］. Techniques of Automation and Applications ， 2022 ， 41 （ 6 ）： 128 - 132 . （in Chinese）

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