專利名稱:一種適用于原子力顯微鏡的連續(xù)成像自動(dòng)選區(qū)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對(duì)原子力顯微鏡采集的圖像進(jìn)行特征提取的方法，更特別地說， 是指一種采用區(qū)域遍歷模式在原子力顯微鏡圖像(AFM圖像)上選取細(xì)節(jié)最豐富的子區(qū)域， 然后再次進(jìn)行更高分辨率的掃描成像的方法。
背景技術(shù)：
原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)是一種利用原子、分子間的相互 作用力來觀察物體表面微觀形貌的儀器。原子力顯微鏡有一根納米級(jí)的探針被固定在可靈 敏操控的微米級(jí)彈性懸臂上，當(dāng)探針很靠近樣品時(shí)，其頂端的原子與樣品表面原子間的作 用力會(huì)使懸臂彎曲，偏離原來的位置。根據(jù)掃描樣品時(shí)探針的偏離量或振動(dòng)頻率重建三維 圖像，就能間接獲得樣品表面的形貌或原子成分。
隨著科技的發(fā)展，原子力顯微鏡已經(jīng)由地面應(yīng)用發(fā)展到了深空探測(cè)，如火星探測(cè) 等。為了實(shí)現(xiàn)深空探測(cè)，原子力顯微鏡應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化操作，其中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是 實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)掃描成像。
現(xiàn)有的深空探測(cè)用原子力顯微鏡掃描圖像選區(qū)技術(shù)采用固定網(wǎng)格圖像分割技術(shù)， 先對(duì)待測(cè)區(qū)域進(jìn)行大范圍的掃描得到AFM圖像，然后將掃描圖像等分為九個(gè)子區(qū)域，接著 分別對(duì)這九個(gè)子區(qū)域圖像進(jìn)行jpeg算法壓縮，壓縮率最小的子區(qū)域就認(rèn)為是信息最豐富 子區(qū)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種適用于原子力顯微鏡的連續(xù)成像自動(dòng)選區(qū)方法，通過原 子力顯微鏡對(duì)等測(cè)區(qū)域進(jìn)行大范圍掃描獲取當(dāng)前AFM圖像，然后根據(jù)連續(xù)成像自動(dòng)選區(qū)方 法對(duì)當(dāng)前AFM圖像進(jìn)行區(qū)域遍歷模式分析，從而獲得細(xì)節(jié)最豐富壓縮率最小子區(qū)域；根據(jù) 該子區(qū)域進(jìn)行下一次AFM圖像采集。本發(fā)明的連續(xù)成像自動(dòng)選區(qū)方法可以多次重復(fù)進(jìn)行 AFM圖像選區(qū)進(jìn)行掃描，可實(shí)現(xiàn)分辨率逐步提高的連續(xù)自動(dòng)掃描成像。
本發(fā)明的一種原子力顯微鏡的連續(xù)成像自動(dòng)選區(qū)方法，通過原子力顯微鏡對(duì)待測(cè) 區(qū)域進(jìn)行大范圍掃描獲取當(dāng)前AFM圖像后，將當(dāng)前AFM圖像進(jìn)行等比例縮為0-255之間整 數(shù)的數(shù)學(xué)信息圖像A，然后對(duì)該數(shù)學(xué)信息圖像A進(jìn)行8X8的圖塊分割，對(duì)分割后的圖塊C采 用DCT進(jìn)行處理獲得頻域圖塊D，對(duì)頻域圖塊采用量化表進(jìn)行量化獲得量化圖塊E，對(duì)每一 個(gè)量化圖塊采用8為步進(jìn)進(jìn)行二維遍歷得到分化圖塊F，然后對(duì)每一個(gè)分化圖塊依據(jù)壓縮
率公式CMPR = ^xl()()%求取壓縮率，選取壓縮率最小的分化圖塊即為求得的子區(qū)域；
iTotal
最后應(yīng)用該子區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步掃描成像，從而獲得更高分辨率的圖像，通過反復(fù)調(diào)用該方 法能夠?qū)崿F(xiàn)原子力顯微鏡連續(xù)自動(dòng)成像。
本發(fā)明連續(xù)成像自動(dòng)選區(qū)方法的優(yōu)點(diǎn)在于
1、提出了一種新的提取細(xì)節(jié)最豐富子區(qū)域的判別方法，這個(gè)判別方法依據(jù)AFM圖像的特點(diǎn)，能夠較好地保證提取出來的子區(qū)域具有進(jìn)一步成像的價(jià)值。
2、量化圖塊F采用了區(qū)域遍歷模式，提取結(jié)果比采用固定網(wǎng)格模式的提取結(jié)果更 加精確。
3、從分割圖塊C至頻域圖塊D的計(jì)算利用了 DCT的8X8塊結(jié)構(gòu)計(jì)算特點(diǎn)，極大地 降低了運(yùn)算復(fù)雜度，提高了運(yùn)算效率。避免了由于運(yùn)算時(shí)間過長(zhǎng)原子力顯微鏡探針漂移導(dǎo) 致的定位不準(zhǔn)確，為實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，尤其適用于高精度成像。
4、本發(fā)明提出的方法可以重復(fù)應(yīng)用于圖像掃描，從而獲得更高分辨率的圖像，通 過反復(fù)調(diào)用該方法可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)成像。


圖1是月壤的大范圍掃描獲取的一幅AFM圖像。
圖IA是本發(fā)明對(duì)采集獲取的AFM圖像應(yīng)用在坐標(biāo)系下的示意圖。
圖2是本發(fā)明對(duì)AFM圖像進(jìn)行的自動(dòng)選區(qū)的流程圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
本發(fā)明的一種原子力顯微鏡的連續(xù)成像自動(dòng)選區(qū)方法，通過原子力顯微鏡對(duì)待測(cè) 區(qū)域進(jìn)行大范圍掃描獲取當(dāng)前AFM圖像后，將當(dāng)前AFM圖像進(jìn)行等比例縮為0-255之間整 數(shù)的數(shù)學(xué)信息圖像A，然后對(duì)該數(shù)學(xué)信息圖像A進(jìn)行8X8的圖塊分割，對(duì)分割后的圖塊C采 用DCT (Discrete Cosine Transform，離散余弦變換)進(jìn)行處理獲得頻域圖塊D，對(duì)頻域圖
塊D采用量化表進(jìn)行量化獲得量化圖塊E，對(duì)每一個(gè)量化圖塊采用8為步進(jìn)進(jìn)行二維遍歷得
ρ
到分化圖塊F，然后對(duì)每一個(gè)分化圖塊依據(jù)壓縮率公式CMPR = -f^ χ 1GG%求取壓縮率，選
^Total
取壓縮率最小的分化圖塊即為求得的子區(qū)域。最后應(yīng)用該子區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步掃描成像，從 而獲得更高分辨率的圖像，通過反復(fù)調(diào)用該方法能夠?qū)崿F(xiàn)原子力顯微鏡連續(xù)自動(dòng)成像。
在本發(fā)明中，對(duì)大范圍掃描獲得的AFM圖像，是指原子力顯微鏡采集圖像所能達(dá) 到的掃描區(qū)域；或稱原子力顯微鏡滿工作量程時(shí)掃描的圖像。
參見圖1是月壤的大范圍掃描獲取的一幅AFM圖像。從該AFM圖像中可以看出， 有的地方特征信息(凸起)較為豐富，有的地方特征信息較為平泛，為了進(jìn)行下一次有價(jià)值 的圖像采集，本發(fā)明提出一種區(qū)域遍歷模式分析方法對(duì)圖像進(jìn)行自動(dòng)選區(qū)獲取壓縮率最小 子區(qū)域，該子區(qū)域可以作為下一次AFM圖像的掃描區(qū)域。
參見圖1A、圖2所示，本發(fā)明的一種原子力顯微鏡的連續(xù)成像自動(dòng)選區(qū)方法，通過 原子力顯微鏡對(duì)待測(cè)區(qū)域進(jìn)行大范圍掃描獲取當(dāng)前AFM圖像(該當(dāng)前AFM圖像是與圖1相 似的圖像)。設(shè)當(dāng)前AFM圖像寬度為Wn，高度為Hn，左上角坐標(biāo)為(xn，yn)，則當(dāng)前AFM圖像 數(shù)據(jù)集合表達(dá)為CVixiiii [/，凡1，參見圖IA所示，圖中是將當(dāng)前AFM圖像映射(是指寬度、高 度相同)到平面直角坐標(biāo)系下，然后對(duì)坐標(biāo)系xoy下的當(dāng)前AFM圖像進(jìn)行自動(dòng)選區(qū)的處理 步驟為
第一步將當(dāng)前AFM圖像進(jìn)行等比例縮為0-255之間整數(shù)的數(shù)學(xué)信息圖像A，該圖 像A對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集合記為0' WXH[0，0]；[0021] 第二步如果圖像A的寬、高不是8的整數(shù)倍，則通過填充0的方式延拓到8的整 數(shù)倍，得到延拓后的圖像B，延拓圖像B的寬度為W1,高度為H1,延拓圖像B對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集合 記為Orl碼
權(quán)利要求
一種適用于原子力顯微鏡的連續(xù)成像自動(dòng)選區(qū)方法，其特征在于通過原子力顯微鏡對(duì)待測(cè)區(qū)域進(jìn)行大范圍掃描獲取當(dāng)前AFM圖像，將當(dāng)前AFM圖像進(jìn)行等比例縮為0 255之間整數(shù)的數(shù)學(xué)信息圖像A，然后對(duì)該數(shù)學(xué)信息圖像A進(jìn)行8×8的圖塊分割，對(duì)分割后的圖塊C采用離散余弦變換DCT進(jìn)行處理獲得頻域圖塊D，對(duì)頻域圖塊采用量化表進(jìn)行量化獲得量化圖塊E，對(duì)每一個(gè)量化圖塊采用8為步進(jìn)的二維遍歷得到分化圖塊F，然后對(duì)每一個(gè)分化圖塊依據(jù)壓縮率公式求取壓縮率，選取壓縮率最小的分化圖塊即為求得的子區(qū)域；最后應(yīng)用該子區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步掃描成像，從而獲得更高分辨率的圖像，通過反復(fù)調(diào)用該方法能夠?qū)崿F(xiàn)原子力顯微鏡的連續(xù)自動(dòng)成像；PZero表示分化圖塊F中為零的數(shù)值的個(gè)數(shù)，PTotal表示分化圖塊F中數(shù)值的總個(gè)數(shù)；對(duì)所述的數(shù)學(xué)信息圖像A的寬、高不是8的整數(shù)倍，則通過填充0的方式延拓到8的整數(shù)倍，得到延拓后的圖像B，延拓圖像B的寬度為W1，高度為H1，延拓圖像B對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集合記為延拓圖像B劃分為8×8個(gè)分割圖塊C11表示第一行第一列的圖塊，C12表示第一行第二列的圖塊，C18表示第一行第八列的圖塊，C21表示第二行第一列的圖塊，C22表示第二行第二列的圖塊，C28表示第二行第八列的圖塊，C81表示第八行第一列的圖塊，C82表示第八行第二列的圖塊，C88表示第八行第八列的圖塊；對(duì)分割圖塊中的每一個(gè)圖塊分別進(jìn)行以8×8為塊的離散余弦變換DCT處理，得到頻域圖塊D11表示第一行第一列的頻域圖塊，D12表示第一行第二列的頻域圖塊，D18表示第一行第八列的頻域圖塊，D21表示第二行第一列的頻域圖塊，D22表示第二行第二列的頻域圖塊，D28表示第二行第八列的頻域圖塊，D81表示第八行第一列的頻域圖塊，D82表示第八行第二列的頻域圖塊，D88表示第八行第八列的頻域圖塊；使用量化表對(duì)頻域圖塊中的每個(gè)頻域圖塊進(jìn)行量化處理，得到量化圖塊E11表示第一行第一列的量化圖塊，E12表示第一行第二列的量化圖塊，E18表示第一行第八列的量化圖塊，E21表示第二行第一列的量化圖塊，E22表示第二行第二列的量化圖塊，E28表示第二行第八列的量化圖塊，E81表示第八行第一列的量化圖塊，E82表示第八行第二列的量化圖塊，E88表示第八行第八列的量化圖塊；對(duì)量化圖塊中的每個(gè)圖塊以8為步進(jìn)進(jìn)行二維遍歷得到分化圖塊其中，第一個(gè)分化圖塊第二個(gè)分化圖塊且W2＝W1 8，H2＝H1 8，第八個(gè)分化圖塊第九個(gè)分化圖塊第十個(gè)分化圖塊第十六個(gè)分化圖塊第五十七個(gè)分化圖塊第五十八個(gè)分化圖塊和第六十四個(gè)分化圖塊WS表示分化圖塊F中的每一個(gè)分化圖塊的寬，HS表示分化圖塊F中的每一個(gè)分化圖塊的高，且分化圖塊F中的每一個(gè)分化圖塊的寬WS和高HS是相同的。FSB00000345745100011.tif,FSB00000345745100012.tif,FSB00000345745100013.tif,FSB00000345745100014.tif,FSB00000345745100015.tif,FSB00000345745100021.tif,FSB00000345745100022.tif,FSB00000345745100023.tif,FSB00000345745100024.tif,FSB00000345745100025.tif,FSB00000345745100026.tif,FSB00000345745100027.tif,FSB00000345745100031.tif,FSB00000345745100032.tif,FSB00000345745100033.tif,FSB00000345745100034.tif,FSB00000345745100035.tif,FSB00000345745100036.tif,FSB00000345745100037.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的適用于原子力顯微鏡的連續(xù)成像自動(dòng)選區(qū)方法，其特征在 于當(dāng)前AFM圖像的寬度和高度的單位是像素。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的適用于原子力顯微鏡的連續(xù)成像自動(dòng)選區(qū)方法，其特征在 于數(shù)學(xué)信息圖像A、分割后的圖塊、頻域圖塊D、量化圖塊E和分化圖塊F中的寬度和高度 的單位是像素。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種適用于原子力顯微鏡的連續(xù)成像自動(dòng)選區(qū)方法，通過原子力顯微鏡對(duì)待測(cè)區(qū)域進(jìn)行大范圍掃描獲取當(dāng)前AFM圖像后，將當(dāng)前AFM圖像進(jìn)行等比例縮為0-255之間整數(shù)的數(shù)學(xué)信息圖像A，然后對(duì)該數(shù)學(xué)信息圖像A進(jìn)行8×8的圖塊分割，對(duì)分割后的圖塊C采用DCT進(jìn)行處理獲得頻域圖塊D，對(duì)頻域圖塊采用量化表進(jìn)行量化獲得量化圖塊E，對(duì)每一個(gè)量化圖塊采用8為步進(jìn)進(jìn)行二維遍歷得到分化圖塊F，然后對(duì)每一個(gè)分化圖塊求取壓縮率，選取壓縮率最小的分化圖塊即為求得的子區(qū)域；最后應(yīng)用該子區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步掃描成像，從而獲得更高分辨率的圖像，通過反復(fù)調(diào)用該方法可以使原子力顯微鏡實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)成像。
文檔編號(hào)G01Q60/24GKCN101441160 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請(qǐng)?zhí)朇N 200810246534
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2008年12月29日
發(fā)明者劉文良, 李淵, 李英姿, 錢建強(qiáng) 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (3), 非專利引用 (1),