用于并行SPM的图像合成技术研究

这些因素的影响。这样不但能够剔除被认为不相关 的信息 , 大幅度地减少数据量 , 而且保留了图像重要 的特征属 性, 为 后续拼 接时的 图像特 征识别 提供基 础。 SPM 扫描的样品多种多样 , 不同的样品会得到特 征各异的图像。不同特征的图像应选用不同的边缘 检测算法 , 否则可能引起有用信息的丢失。本系统提 供梯 度 法、Roberts 算 子、Sobe l算 子、Lap lac ia 算 子、 C anny 算子、 K irsch 算子、 Robinson 算子、 P rew itt算子和 Sobe l边缘细化等边缘提取方法, 以适应不同的图像特 征要求。
扫描探针显微镜 ( SPM ) 的原理是利用一端固定, 另一端装有针尖的弹性微 悬臂梁来检测样品表面形 貌或其他表面性质。该系统分辨 率高、 操作 简单, 被 广泛应用于材料研究、 缺陷分析、 成膜条件评价和质 量控制等诸多方面; 确立了微悬臂梁在样品表面性质 研究和微小探测领域的主导地位
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研究
图像的拼接采用图像识别的方法来处理 , 其原理
现代制造工程 2010年第 9 期 同探针扫描同一区域得出 的图像存在整体亮度以及 局部细节信息的差异 , 如图 1 所示。 对于该问题 , 选择基于空间模板的像素匹配算法 即能解决寻找匹配特征的问题。匹配的算法有基于 绝对误差和函数 ( SAD) 的块匹配法、 改进的比值块匹 配法及最小差值法等
Abstrac t : A type o f i m ag ing syn thesis arithm etic for paralle l SP M was stud ied. T he scann ing i m ages character istics o fmu lti probe paralle l SP M w ere si m u la ted by si m p le probe A F M syste m. O n i m ag e process ing , m ed ia l filter and va rious edge detections we re integ ra ted into i m ag ing syste m in orde r to i m prove i m ag ing quality . Scanned pictures caught by adjacent probes w ere stitched by re lated coeffic ient ar ithm e tic w hich is si m p le on princ ip le and easy to ach ieve . I m ages w ere blended naturally by w eighting co m bi nation arithm etic . T his effic ient and h ighly accurate arithm etic is proven to satisfy the i m ag ing requ ire m ent . The si m ilarity be t w een m age after synthesis and o rig ina l i i m age can ach ieve to be 96% . K ey word s : para lle l SPM; i m ag ing smoo th ing ; edg e ex tracting; coeffic ient a rithm etic ; i m age syn thesis
Study on i m age synthesis techn ique AO Gang , L IU Yong, ZHANG Jin hong, CHU Jia ru ( Depart m ent o f P rec ision M ach in ery and P recisio n Instrum entation , U niversity o f Science and T echno lo gy of Ch in a , H efei 230027 , China)
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1 图像模型
在多探针 SPM 并行扫描系统中 , 需将多根探针得 到的图像拼接以得到完整的样品形貌图。然而 , 为保 证扫描区域完整连续 , 相邻探针扫描得到的图像有重 叠 , 故应先寻找重叠区域 , 再进行拼接。由于样品的 倾斜、 微悬臂梁在制备时不可避免地存在差异等, 使 得相邻探针对相同区域扫 描得到的图像存在亮度及 细节上的差异。用单探针 AFM 系统模拟并行 SPM 扫 描图像的特征时 , 首先 , 由于并行 SPM 系统探针阵列 的长度相等 , 所以在 AFM 探针扫描样品不同区域时, 应保证探针每次扫描的起点位置在 Y 方向上一致 ( 见 图 1 ); 其次 , 并行 SPM 在同一次扫描 过程中, 每根探 针扫过的区域 大小 一致且 扫描点 数相同 , 故应 保证 AFM 每次扫描的样品区域大小和点数相同; 最后, 由 于并行 SPM 系统多探针弯曲程度可能不同 , 所以 AFM 在每次扫描前可以允许在探针工作距离范围内 , 在空 间 Z 方向上对探针的位置进行一定的调整。 单探针 AFM 模拟并行 SPM 相邻探针扫描的图像 如图 1 所示 , 图 1a 、 图 1b 两图有明显的重叠区域, 且 在 Y 方向位置保持一致, 图像的大小 相同, 符合并行 系统扫描成像特征。而且, 两图有一定程度的明暗差 异 , 对同一区域不同次扫描得出的图像也存在细节上 的差别, 完 全 模 仿 了 并 行 系 统 相 邻 探针 扫 描 成 像 的特点。
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以及 IBM 公
司于 20 世纪 90年代开始的基于探针阵列的数据存储
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国家自然科学 基金资助项目 ( 50805137)
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试验研究 该算法能够快速、 准确地将多幅相邻探针检测到的样 品局部形貌图拼接成一幅样品整体形貌图。
现代制造工程 2010 年第 9 期 为: 在每一根探针得到的图像重建之后 , 对可能重叠 的区域进行图像识别, 得到相同的特征后 , 再依据图 像处理技术进行拼接。该方法依靠软件, 可实现全自 动拼接。 对图像的拼接, 首先需要对图像进行预处理以消 除噪声 , 其次根据特征匹配方法进行图像合成 , 最后 对图像进行灰度平衡及融合, 实现图像的准确、 自然 拼接。下面分节叙述各个环节。 2 1 图像预处理 对于 SPM 成像系统 , 一般直接输 出扫描原始图 像。然而由于受到环境噪声等因素的影响, 图像质量 会恶化 , 成像 模糊, 特征被淹 没, 给 后续分析 带来困 难, 故在拼接前需要先对图像进行平滑处理 , 去除噪 声, 以改善图像质量并抽出对象特征。 本文采用 3 3 邻域五点中值滤波过滤图像中的 [ 9] 噪声 。中值滤波是一种非线性的信号处理方法 , 它 可以去除干扰但保留一定的图像清晰度, 且对滤除脉 冲干扰以及图像扫描噪声最为有效。 3 3 邻域五点 中值滤波的原理是取五个点的滑动窗口, 用窗口中各 点灰度值的中值来替代窗口中心点的灰度值
。 此
法既保持了 边缘的陡 峭又去掉 了干扰。图 1a 图像滤噪后效果 图如图 2 所示, 经过滤波后的图 像中, 尖峰 干扰已被去 除, 且边 缘特征也并未发生太大改变。 然而 , 平滑会不可避免地给
图 2 图 1a 图像滤 噪后效果图
图像带来轮廓模糊等不利因素 , 因此需要利 用边缘检 测来消除
。
目前常用的单 探针 SPM 检测 面积小, 扫描速度 低 , 检测效率也较低 , 不能完全满足现今微机电系统 ( MEM S) 发展对检测 范围以及效率 的要求。为提高 SPM 的检测效率、 扩大检测面积 , 多探针并行检测系 统是扫描探针显微镜发展的必然趋势 。 Saton 等人 研制的采用独立工作的两根 PZT 压电薄膜悬臂梁组 成的多探针原子力显微镜 ( AFM ) 系统
现代制造工程 2010年第 9 期
试验研究
用于并行 SPM 的图像合成技术研究
孔雯 , 赵钢 , 刘勇, 张晋弘 , 褚家如 ( 中国科学技术大学精密机械与精密仪器系, 合肥 230027)
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摘要 : 介绍一种针对并行扫描探针显微镜系统的图像合成算法。利用单探针原子力 显微镜 ( AFM ) 系统 模拟多探 针扫描 探针显微镜 ( SP M ) 并行扫描的图 像特征。在图像处理上 , 将中值滤波器及各种边缘检测算法与 成像系统集成在一起 , 以 提高成像质量 ; 同时 , 依靠原理简 单并易于实现的标准化协方差相关法实现 相邻探针 扫描图像的 拼接 , 采用加权 合成算 法进行图像的自然融合。实验证明 , 该算法高效、 高 精度 , 合成后的 图像与原图 相似度达到 96% , 能够满足并 行 SP M系 统的成像要求。 关键词 : 并行扫描探针显微镜 ; 图 像平滑 ; 边缘提取 ; 相关法 ; 图像合成 中图分类号 : TN911 73 文献标识码 : A 文章编号 : 1671 3133( 2010) 09 0004 04
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试验研究 直接得到的图像 , 会由于亮度的差异产生图像灰度左 右不一致的情况, 使拼接的图像失真 , 故需对原始图 像平衡灰度, 以消除悬臂梁弯曲程度不一致对图像造 成的影响。 灰度平衡依靠以下方法来实现 : 对已寻找出的两 幅图像的 重叠区 域计算 两幅图 像平均 灰度 的差异。 利用所求得的灰度差值, 对于两幅图像的所有区域进 行灰度平均, 即可得到灰度一致的两幅图像, 如图 3所 示。该种方法简单易行, 适用性广。
, 然而这些算法较适用于重叠
区域相似度 很大且 不重叠 区域完 全不 相似的 图像。 本系统采用标准化协方差相关法 , 这种相关法能起到 突出特征变化的效果 , 使得相关系数矩阵呈明显的单 峰分布, 并且峰顶形状更尖锐, 更易找到相关度最大 的位置。具体实现原理为: 选取第一幅图像中的重叠 部分的一块矩形区域作为模板, 在第二幅图像中搜索 相似的对应块, 计算区域间的相关性, 通过比较相关 度确定匹配的位置。该种方法原理简单, 逻辑易于实 现 , 不但定出了目标的位置, 而且给出了目标的可信 度 , 因而更适用于 SP M 扫描成像系统。 相关性的主要指标参数为相关 系数 r, 其值总在 [- 1 , 1 ] 之间变化 , r 值越大代表所比较二者的相关度 越大。 r=