一种基于反射照度计算的机器视觉照明设计方法技术

本发明专利技术属于机器视觉测量领域，提出了一种基于反射照度计算的机器视觉照明设计方法。该方法首先基于相机与同轴LED环形光源照明的几何位置关系计算包括光源距离、光源角度、数量、光源位置等参数的LED光源入射照度，然后基于双向光照反射模型计算了包含材料反射系数、入射角和反射角等参数的LED光源反射照度，给定光源的特征参数以及待测物体的特征参数，通过计算分析光源反射照度均匀度得到清晰成像时对应的光源最佳光源距离及照明角度等照明参数。该方法兼具高效、准确、通用性高等优势，对机器视觉的检测方法具有良好的应用价值。机器视觉的检测方法具有良好的应用价值。机器视觉的检测方法具有良好的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于反射照度计算的机器视觉照明设计方法


[0001]本专利技术属于机器视觉测量领域，涉及一种基于反射照度计算的机器视觉照明设计方法。

技术介绍

[0002]机器视觉测量技术因具有非接触、高精高效、测量设备体积小、成本低等优势，目前被广泛应用到航空航天、汽车、电子、计算机等重要工业制造领域。但在上述领域的实际应用中，受现场环境和待测零件表面反光特性不均的影响，致使在成像过程中难以采集清晰的图像特征。在机器视觉测量中，光源的合理布置和选择是高质量图像采集的重要保障。现有的光源照明设计方法主要是针对光源对物体照射的辐照度进行计算，通过入射照明的均匀度对照明结果进行评价，然而该方法计算参数中没有考虑不同待测物体本身的反射特征，此类方法对图像质量的提高有限，且不具备普适性。
[0003]针对机器视觉中光源照明的优化设计，桂林电子科技大学的甘勇等人于2021年在《应用光学》第42卷第4期发表了文章《光源角度对金属表面图像边缘的影响分析》，对光源的最佳照明角度进行了仿真分析与实验研究，通过改变光源角度，通过理论计算与仿真计算出了最佳的光源角度，并结合Sobel算法对最佳角度下的图像和其他角度下的图像边缘质量进行了对比。但是该方法采用了单一变量法，只改变了光源的照明角度，对于光源与相机的放置位置没有考虑，难以满足其他的照明设计方案。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了弥补现有光源设计方法的不足，专利技术了一种基于反射照度计算的机器视觉照明设计方法，其目的是针对机器视觉中待测参数的不同特征，计算出同轴多角度环形LED阵列光源的最佳照明参数以实现高质量图像的获取，为基于机器视觉几何量参数的高精测量提供保障。首先基于相机与同轴LED环形光源照明的几何位置关系计算了包括光源距离、光源角度、数量、光源位置等参数的LED光源入射照度，然后基于双向光照反射模型Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF光照反射模型计算了包含材料反射系数、入射角和反射角等参数的LED光源反射照度，给定光源的特征参数以及待测物体的特征参数，通过计算分析光源反射照度均匀度得到清晰成像时对应的光源最佳光源距离及照明角度等照明参数。该方法兼具高效、准确、通用性高等优势，对机器视觉的检测方法具有良好的应用价值。
[0005]本专利技术采用的技术方案是一种基于反射照度计算的视觉照明设计方法，该方法首先建立视觉测量系统的坐标系，相机1和待测物体4同轴，以相机1和待测物体4中心连线为z轴，以垂直于z轴的平面为xoy平面，以z轴与xoy平面交点为原点o；所设计的光源为多奇数层同心LED环形阵列，中间层环形阵列以上的称为上环形阵列，中间层环形阵列以下的称为下环形阵列，具体步骤如下：
[0006]第一步、计算LED光源入射照度；
[0007]单个的LED灯珠辐射照度值为：
[0008][0009]式(1)中，L为LED灯珠的发光亮度，A为LED灯珠的发射面积，E(x,y,z)为辐射照度，(x,y,z)是被照明目标点的坐标，(x
i
,y
i
,z
i
)是单个LED的坐标，m由下式定义：
[0010][0011]式(2)中，θ
1/2
是LED灯珠的半衰角，在环形光源阵列中，单个LED灯珠的坐标为：
[0012][0013]式(3)中，R为LED灯珠所在位置到原点的距离，β为LED灯珠所在位置到原点的连线与z轴夹角，为LED灯珠与y轴夹角：
[0014][0015]式(4)中，N为一个环形光源阵列总的LED灯珠个数，因此一个环形光源阵列的照度为所有LED灯珠照度之和的表达为：
[0016][0017]式(5)中，n1为一分区，n2为LED发光的分区总数；当只有一个分区亮时，n1＝n2＝1，j为一个分区每个环形阵列对应的LED灯珠个数；根据第n层LED与中间第一层LED之间的几何关系，第n层LED灯珠的坐标为：
[0018][0019]式(6)中，α＝90
°‑
β；n为上环形阵列距离中间环形阵列的层数，d为上下LED灯珠之间的距离，为上环形阵列中LED灯珠的坐标，下环形阵列中LED灯珠坐标，最终多层环形光源的入射照度值为：
[0020][0021]式(6)中，E
j
(x,y,z)为每个环形光源阵列的照度，E
n
为所有环形光源阵列的照度；
[0022]第二步、计算待测物体特征的反射照度；
[0023]双向光照反射模型中的镜面反射光为：
[0024][0025]式(8)中，L
o
为光源的反射照度值，E
i
为入射光的照度值，F为菲涅尔反射函数，D为微表面法线分布函数，G为几何衰减函数，θ
i
为入射光线与表面法线的夹角，θ
o
为表面法线与反射光线的夹角，其中D和G为微表面理论对应的函数，取1，F函数为下式：
[0026]F＝R
F
(0
°
)+(1
‑
R
F
(0
°
))(1
‑
cosθ
i
)5[0027][0028]式(9)中，其中η为材质的折射率；光源的反射照度为：
[0029][0030]式(10)中，θ
i
和θ
o
的几何关系为：
[0031][0032]式(11)中，α为待测表面与水平面的夹角，最终计算得到LED反射照度为：
[0033][0034]第三步、计算反射照明均匀度；
[0035]反射照度平均值与最大值的比值即反射照明均匀度作为成像清晰的评价指标，反射照明均匀度为：
[0036][0037]式(13)中，x∈[a,b],y∈[c,d]为待测表面的范围，m为x轴对应的行数，n为y轴对应的列数，乘积mn为待测表面所有待测点的总数；mn为待测表面所有待测点的总数；
[0038]第四步、计算最佳的照明参数；
[0039]根据待测物体4表面的特征参数和LED灯珠特征参数，计算不同光源距离R和照明
角度β对应的所有反射照明均匀度值μ(x,y)，最大μ(x,y)对应的R和β即为最佳的光源距离R和照明角度β。
[0040]要测量横刃长度5时，需要先照亮该表面即待照明表面8,接着采集图像后用图像边缘提取算法提取横刃边缘，最后进行长度的计算。
[0041]本专利技术的有益效果：本专利技术充分考虑了实际测量情况下待测物体表面反射率及光线入射和反射对相机成像的影响，有效引入了基于BRDF光照反射模型中的镜面反射函数。在给定待测表面的范围后，提出了一种基于反射照度计算的视觉照明设计方法，使用该方法设计光源，采集的图像经过边缘提取后，边缘清晰且连续，验证了本方法的有效性和准确性。本方法提出的基于反射照度计算的视觉照明设计方法可以准确快速地本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于反射照度计算的机器视觉照明设计方法，其特征在于，该方法首先建立视觉测量系统的坐标系，相机(1)和待测物体(4)同轴，以相机(1)和待测物体(4)中心连线为z轴，以垂直于z轴的平面为xoy平面，以z轴与xoy平面交点为原点o；所设计的光源为多奇数层同心LED环形阵列，中间层环形阵列以上的称为上环形阵列，中间层环形阵列以下的称为下环形阵列，具体步骤如下：第一步、计算LED光源入射照度；单个的LED灯珠辐射照度值为：式(1)中，L为LED灯珠的发光亮度，A为LED灯珠的发射面积，E(x,y,z)为辐射照度，(x,y,z)是被照明目标点的坐标，(x
i
,y
i
,z
i
)是单个LED的坐标，m由下式定义：式(2)中，θ
1/2
是LED灯珠的半衰角，在环形光源阵列中，单个LED灯珠的坐标为：是LED灯珠的半衰角，在环形光源阵列中，单个LED灯珠的坐标为：z
i
＝Rcosβ式(3)中，R为LED灯珠所在位置到原点的距离，β为LED灯珠所在位置到原点的连线与z轴夹角，为LED灯珠与y轴夹角：式(4)中，N为一个环形光源阵列总的LED灯珠个数，因此一个环形光源阵列的照度为所有LED灯珠照度之和的表达为：式(5)中，n1为一分区，n2为LED发光的分区总数；当只有一个分区亮时，n1＝n2＝1，j为一个分区每个环形阵列对应的LED灯珠个数；根据第n层LED与中间第一层LED之间的几何关系，第n层LED灯珠的坐标为：式(6)中，α＝90
°‑
β；n为上环形阵列距离中间环形阵列的层数，d为上下LED灯珠之间的距离，为上环形阵列中LED灯珠的坐标，下环形阵列中LED灯珠坐标，
最终多层环形光源的入...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘巍，张沛东，王文琪，张洋，贾振元，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：