一种基于自适应照明的视觉检测系统技术方案

本发明专利技术属于机器视觉领域，公开了一种基于自适应照明的视觉检测系统，以设定的感兴趣区域ROI及待测构件关键特征为输入，获取零部件初始图像后自动确定目标照度分布，并反算多角度LED分区光源照明参数，以实现自适应照明效果，进而实现自动化、高精度零部件视觉检测。本发明专利技术有效解决了具有复杂几何特征的零部件视觉测量过程中自适应照明困难、特征提取算法复杂、测量精度低的问题，避免了操作人员主观判断的繁琐操作与误差，可广泛应用于批量零部件产线的视觉检测过程。产线的视觉检测过程。产线的视觉检测过程。

【技术实现步骤摘要】
一种基于自适应照明的视觉检测系统


[0001]本专利技术属于机器视觉领域，具体涉及一种基于自适应照明的视觉检测系统。

技术介绍

[0002]复杂零件几何量的精密测量对航空航天、国防科技等领域的高性能制造具有重要意义。因基于机器视觉的测量方法具有非接触、响应速度快、成本低等特点，目前已在该类零部件的测量中得到广泛应用。然而在实际测量过程中，具有复杂形貌的金属等高反光材质的零部件受环境光等因素影响较强，成像系统采集的特征图像通常存在局部高光、照度不均等现象，导致难以准确、稳定地提取待测特征，进而无法高精度测量其几何参数。
[0003]光源在机器视觉系统中具有重要作用，通过适当的照明条件可获得对比度较高的特征图像，有效区分待测特征与背景，从而降低后续图像处理算法的复杂度，有效解决测量精度和可靠性问题。然而，现有的环形光源仅适用于平坦表面，条形光源需要多次调整角度才能照亮面积较小的表面，穹顶光源能均匀照亮待测表面但对比度很低。同时，上述光源引起的高反光现象均不可控，且均需测量人员根据对图像质量的主观判断来调节照明光强，效率低、稳定性差，无法满足机器视觉测量系统对自适应照明的需求，难以广泛应用于批次产量件质检产线。
[0004]在目前的视觉测量系统中，光源的光强及色度均由测量人员根据对图像质量的主观判断来调节，效率低、无法在实时在线测量系统中使用。针对这一问题，专利“基于机器视觉系统特征模型的自适应照明光源装置”(专利公告号CN201145154Y)中提出了一种由光源智能驱动器、色度传感器等组成的自适应照明光源装置，通过PWM方法控制具有RGB三种颜色LED灯珠光源的电流增强或减弱，可自适应调整光源的光谱特性和辐射光强，使待测工件表面照度达到最佳。但是，其尚未说明该装置对结构较为复杂的工业零部件是否具备可用性。
[0005]同时，浦昭邦、屈玉福等学者在2003年发表的《视觉检测系统中照明光源的研究》中推导了视觉检测系统的光强传递函数，并从光强、光照稳定性和均匀性等设计要点进行逐一分析，最终设计了能自适应调整光强的环形冷光源。该系统可通过神经网络算法判断采集图像光强的强弱，以此控制光源供电电源的占空比来调节光源的辐射强度，同时可利用LED的光强叠加形成均匀照明光，可自动调节光强且有很快的响应速度，但上述研究仅对优化照明做出定性分析，通过试错和经验分析得到的优化照明结果不准确，且不具有普适性。
[0006]对于工业领域普遍存在的零部件，由于部分零部件具有坡度大、几何形状较为复杂等特点，在没有先验知识、人工调节的情况下获得高质量图像、实现自动化测量产线较为困难，需要采用新的照明装置和自适应算法进一步发展。

技术实现思路

[0007]本专利技术要解决的技术难题是针对复杂工业零部件的视觉测量过程中，现有测量系
统无法根据待测特征进行自适应照明以获得待测区域与背景区分明显的特征图像，难以实现对不同零部件的自动照明优化，导致最终成像质量差、测量精度低、自动化程度不高的问题，专利技术了一种基于自适应照明的视觉检测系统。本方案设计了多角度LED分区光源，构建了LED照度分布计算模型，并提出优化算法以迭代出最优照明方案，可实现在待测构件不同、先验照明经验缺失的情况下不同复杂零部件的高精、自动化视觉测量。
[0008]本专利技术的技术方案如下：
[0009]一种基于自适应照明的视觉检测系统，以设定的感兴趣区域ROI及待测构件关键特征为输入，获取零部件初始图像后自动确定目标照度分布，并反算多角度LED分区光源照明参数，以实现自适应照明效果，进而实现自动化、高精度零部件视觉检测；
[0010]具体步骤如下：
[0011]第一步，设计搭建具有自适应照明光源的视觉检测系统
[0012]视觉检测系统包括相机1、镜头2、多角度LED分区光源3、信息处理系统4、待测零部件5以及LED光源控制器6；相机1与镜头2连接，构成视觉成像系统；相机1连接信息处理系统4，将相机1拍摄的图像传递信息处理系统4，信息处理系统4对图像进行目标照度及最优照明方案解算，最终将多角度LED分区光源的最优照明参数通过指令返回至LED光源控制器6；
[0013]多角度LED分区光源3由12个LED灯珠构成，各LED灯珠均位于环形基座的阶梯灯座上，通过LED光源控制器6独立控制各灯珠照明参数；阶梯灯座为由三个同心、不同角度、不同高度的环形斜面构成，每个斜面上分布4个LED灯珠，通过环形斜面控制LED灯珠入射角度，同一斜面上的灯珠入射角度相同；多角度LED分区光源3通过螺栓紧固于镜头2前端，并与LED光源控制器6相连，LED光源控制器6接收信息处理系统4的控制指令，调整各个LED灯珠的照明参数，构成自适应照明光源；
[0014]第二步，获取目标照度分布；
[0015]相机1采集初始图像Ι0，并将其复制生成掩膜层Ι1，设置网格参数w对其进行正方形网格划分，生成i
×
j个网格，i＝1,2,
…
；j＝1,2,
…
；根据设定的感兴趣区域ROI及待测构件关键特征，对初始图像Ι0进行前景、后景标记，将包含待测构件关键特征网格的前景灰度设置为255，其余包含非关键特征网格的后景灰度设置为0，获得待测构件关键特征被照亮、其余无关特征与背景不被曝光的目标照度分布Ε
d
；
[0016]第三步，建立照度分布计算模型；
[0017]以光源底部为中心建立空间坐标系O
‑
xyz，并对LED灯珠进行参数化编码L
N
(x
N
,y
N
,z
N
,α
N
，ρ
N
)，其中，(x
N
,y
N
,z
N
)表示LED灯珠的空间位置，α
N
表示LED灯珠的入射角度，ρ
N
表示LED灯珠的功率，N＝1,2,...,12；
[0018]根据LED照度分布理论，当LED灯珠为理想的朗伯散射光源时，其照度分布与观察方向和出射中心光轴夹角θ的余弦函数成正比，如式(1)为：
[0019]E(θ)＝E0cos
m
(θ)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0020]其中，Ε0为θ＝0时的照度值，m与LED灯珠特性相关，当其为理想的朗伯散射光源时m＝1，否则将与LED的半衰角θ
1/2
有关，具体计算公式为：
[0021][0022]由于LED照度分布理论未考虑LED灯珠入射角度，基于实验验证给出照度分布计算
模型，单个LED灯珠L
i
(x
i
,y
i
,z
i
,α
i
，ρ
i
)对照明平面内任一点P(x,y,z)的照度由下式获得：
[0023][0024]其中，α
i
为LED灯本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应照明的视觉检测系统，其特征在于，以设定的感兴趣区域ROI及待测构件关键特征为输入，获取零部件初始图像后自动确定目标照度分布，并反算多角度LED分区光源照明参数，以实现自适应照明效果，进而实现自动化、高精度零部件视觉检测；具体步骤如下：第一步，设计搭建具有自适应照明光源的视觉检测系统视觉检测系统包括相机(1)、镜头(2)、多角度LED分区光源(3)、信息处理系统(4)、待测零部件(5)以及LED光源控制器(6)；相机(1)与镜头(2)连接，构成视觉成像系统；相机(1)连接信息处理系统(4)，将相机(1)拍摄的图像传递信息处理系统(4)，信息处理系统(4)对图像进行目标照度及最优照明方案解算，最终将多角度LED分区光源的最优照明参数通过指令返回至LED光源控制器(6)；多角度LED分区光源(3)由12个LED灯珠构成，各LED灯珠均位于环形基座的阶梯灯座上，通过LED光源控制器(6)独立控制各灯珠照明参数；阶梯灯座为由三个同心、不同角度、不同高度的环形斜面构成，每个斜面上分布4个LED灯珠，通过环形斜面控制LED灯珠入射角度，同一斜面上的灯珠入射角度相同；多角度LED分区光源(3)通过螺栓紧固于镜头(2)前端，并与LED光源控制器(6)相连，LED光源控制器(6)接收信息处理系统(4)的控制指令，调整各个LED灯珠的照明参数，构成自适应照明光源；第二步，获取目标照度分布；相机(1)采集初始图像Ι0，并将其复制生成掩膜层Ι1，设置网格参数w对其进行正方形网格划分，生成i
×
j个网格，i＝1,2,
…
；j＝1,2,
…
；根据设定的感兴趣区域ROI及待测构件关键特征，对初始图像Ι0进行前景、后景标记，将包含待测构件关键特征网格的前景灰度设置为255，其余包含非关键特征网格的后景灰度设置为0，获得待测构件关键特征被照亮、其余无关特征与背景不被曝光的目标照度分布E
d
；第三步，建立照度分布计算模型；以光源底部为中心建立空间坐标系O
‑
xyz，并对LED灯珠进行参数化编码L
N
(x
N
,y
N
,z
N
,α
N
，ρ
N
)，其中，(x
N
,y
N
,z
N
)表示LED灯珠的空间位置，α
N
表示LED灯珠的入射角度，ρ
N
表示LED灯珠的功率，N＝1,2,...,12；根据LED照度分布理论，当LED灯珠为理想的朗伯散射光源时，其照度分布与观察方向和出射中心光轴夹角θ的余弦函数成正比，如式(1)为：E(θ)＝E0cos
m
...

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