基于单幅扫描电子显微镜图像的样品表面三维重建方法

摘要

本发明提供了一种基于单幅扫描电子显微镜图像的样品表面三维重建方法。该方法的特点是仅使用一幅由扫描电子显微镜从由单一元素组成的样品表面上方垂直拍摄的图像，通过分析图像中各个像素点的灰度特征就可以对由单一元素组成的样品的表面形貌进行三维重建。该方法包括：接受来自扫描电子显微镜的图像数据，分析图像灰度变化规律进行归一化处理，根据辐照度方程对归一化处理后的数据进行运算，得到各个点的空间位置并对三维重建结果进行三维可视化。

主权项

一种基于单幅扫描电子显微镜图像的样品表面三维重建方法，其特征在于该方法包括：第1、扫描电子显微镜从样品上方垂直向下进行拍摄，计算机接受来自扫描电子显微镜的图像数据；第2、分析图像灰度变化特征，寻找整幅图像灰度的最小值作为图像特征值k；第3、使用图像特征值k对扫描电子显微镜图像进行归一化处理，归一化时使用的公式如下所示：A(x,y)=E(x,y)/k其中，(x,y)是指扫描电子显微镜图像中正在进行归一化处理的像素点的横纵坐标，E(x,y)是指该位置像素点在扫描电子显微镜图像中的灰度值，A(x,y)是指图像中该像素对应的实际样品表面位置被扫描电子显微镜激发的电子数量的描述值，对整幅图像依据这一公式进行运算，就能够得到实际样品表面被扫描电子显微镜激发的电子数量描述矩阵A；第4、根据辐照度方程对电子数量描述矩阵A进行运算，进而得到各个点以像素为单位的空间位置坐标，随后根据扫描电子显微镜拍摄时所使用的比例尺将像素单位换算成实际长度单位，所使用的辐照度方程如下所示：∫∫(A(x,y)‑R(p(x,y),q(x,y)))2dxdy其中，p(x,y)是指图像中(x,y)像素点对应的实际样品表面位置的沿x方向的梯度，q(x,y)是指图像中(x,y)像素点对应的实际样品表面位置的沿y方向的梯度。R(p(x,y),q(x,y))是指根据电子激发的理论公式计算出来的图像(x,y)像素点对应实际样品表面位置被扫描电子显微镜激发的电子数量描述值；对于不同的p(x,y)和q(x,y)值可以根据公式得到不同R(p(x,y),q(x,y))值，所有点的R(p(x,y),q(x,y))与A(x,y)间的差距总和越小就说明此时的p(x,y)和q(x,y)值越与实际相符合；当R(p(x,y),q(x,y))与A(x,y)间的差距总和最小时，即辐照度方程取得最小值时，即可得到各个点的空间位置；因此通过求取辐照度方程的最小值就可以获得扫描电子显微镜图像的三维重建结果，这一过程中所使用的电子激发的公式如下所示： R ( p ( x , y ) , q ( x , y ) , 1 ) = ( n s · n | n s | | n | ) - 1 其中n=(p(x,y),q(x,y),‑1)是指图像中(x,y)像素点对应的实际样品表面位置的法向量，ns是指扫描电子显微镜进行拍摄时在所使用的扫描电子束的入射方向，由于扫描电子显微镜从样品上方垂直向下进行拍摄，所以ns=(0,0,‑1)）；对于图像中各个像素点都使用电子激发的理论公式进行运算并带入辐照度方程，最终通过求取辐照度方程最小值来获得图像中各个像素点的高度，即得到各个点的空间位置；第5、对三维重建结果进行三维可视化显示。