專利名稱：一種用于高精度影像測量儀的自適應(yīng)光源照明系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及影像測量系統(tǒng)中的光源照明，特別是涉及一種用于高精度影像測量儀 的自適應(yīng)光源照明系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
光源照明系統(tǒng)是影像測量系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分之一，其主要目標(biāo)是以合適的方式 將光線投射到被測物體上，突出被測特征部分的對比度。光源對成像質(zhì)量有很大的影響，光 源的均勻性、幾何形狀、光照強(qiáng)度、光照方向、波長等因素都會直接影響到測量結(jié)果，它往往 是整個(gè)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，這就要求光源與照明方案的配合應(yīng)盡可能地突出物體特征量，在 物體需要檢測的部分與不重要部分之間應(yīng)盡可能地產(chǎn)生明顯的區(qū)別，增加對比度，同時(shí)還 應(yīng)保證足夠的整體亮度。目前用于影像測量的照明光源結(jié)構(gòu)形式多種多樣，主要有多角度照射環(huán)形燈，條 形燈，同軸光，Dome光源等，然而以上類型的光源配置或多或少地會引起以下問題，花點(diǎn)和 過度曝光隱藏圖像重要的信息；陰影造成邊緣的誤檢；信噪比的降低以及不均勻的照明導(dǎo) 致圖像處理閾值選擇的困難。在一般的影像測量中，照明強(qiáng)度的選擇多采用人工調(diào)試和多次比較得出，具有受 人為因素影響大，測量效率低等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于高精度影像測量儀的自適應(yīng)光源照 明系統(tǒng)及方法，它能根據(jù)不同測量工件，自動(dòng)調(diào)節(jié)光源亮度，實(shí)現(xiàn)多方位照明，使影像測量 儀獲得最佳的圖像效果。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種用于高精度影像測量儀的 自適應(yīng)光源照明系統(tǒng)，包括光源和控制系統(tǒng)，所述的光源包括正面光源和背面光源，其中， 正面光源位于被測工件的正上方，背面光源位于被測工件的正下方；所述的控制系統(tǒng)包括 MCU模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、照明驅(qū)動(dòng)模塊和串口通訊模塊；所述的MCU模塊通過所述的模數(shù) 轉(zhuǎn)換模塊與所述的照明驅(qū)動(dòng)模塊相連，并通過所述的串口通訊模塊與PC端內(nèi)建的模糊專 家系統(tǒng)模塊相連；所述的照明驅(qū)動(dòng)模塊分別與所述的正面光源和背面光源相連。所述的正面光源采用LED環(huán)形多角度直射型光源；所述的高精度影像測量儀位于 所述的LED環(huán)形多角度直射型光源的環(huán)中心。所述的LED環(huán)形多角度直射型光源采用三環(huán)設(shè)計(jì)，由內(nèi)環(huán)光源、中環(huán)光源和外環(huán) 光源構(gòu)成；所述的內(nèi)環(huán)光源、中環(huán)光源和外環(huán)光源均是由三排LED成圓錐狀排列并分別以 0°、30°、60°照射在被測工件上。所述的LED采用混聯(lián)的方式連接，其中，串并聯(lián)的LED數(shù)量平均分配。所述的串口通訊模塊為采用RS232通信標(biāo)準(zhǔn)。所述的照明驅(qū)動(dòng)模塊采用四通道照明驅(qū)動(dòng)模塊，其中，三條通道對應(yīng)正面光源，另外一條通道對應(yīng)背面光源。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是還提供一種用于高精度影像測量儀 的自適應(yīng)光源照明方法，包括以下步驟(1)取不同材料、不同表面質(zhì)量的典型工件進(jìn)行照明和成像試驗(yàn)，以照明效果的成 像質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)為目標(biāo)，在整個(gè)搜索空間中運(yùn)算，得到典型工件的最佳照明參數(shù)；(2)根據(jù)試驗(yàn)所測得的數(shù)據(jù)建立最佳照明參數(shù)專家知識庫，該專家知識庫應(yīng)全面 反映不同零件的特征；(3)將被測工件放置在正面光源與背面光源之間，由PC端輸入被測工件的特征參 數(shù)，模糊專家系統(tǒng)模塊將根據(jù)被測工件與專家知識庫中最相似的典型零件進(jìn)行比較，根據(jù) 其相似性度量由模糊推理策略推出控制矢量基點(diǎn)以及局部搜索范圍；⑷PC端將設(shè)定的控制矢量搜索范圍發(fā)送到MCU模塊，由數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和照明驅(qū) 動(dòng)模塊完成光源的照明調(diào)節(jié)，由照明效果的成像質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)來確定該局部搜索范圍內(nèi)的 最佳照明控制參數(shù)；(5)通過得到的最佳照明控制參數(shù)對專家知識庫的進(jìn)行完善。所述的成像質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)是最大類間方差和最大平均灰度梯度，以突出物體和背 景的差異性，同時(shí)突出表面特征，增大圖像對比度，以利于圖像分割和邊緣檢測。所述的步驟(3)中模糊推理所依據(jù)的隸屬度為被測工件與專家知識庫中典型零 件的相似性，相似性越高，搜索空間范圍越小。有益效果由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和積極效 果本發(fā)明采用正面光源和背面光源相結(jié)合的光源配置，該配置不僅能實(shí)現(xiàn)均勻照射，還能 實(shí)現(xiàn)非均勻照射，從而突出顯示被測重要部位的對比度。另外還建立了最佳照明參數(shù)專家 知識庫，測量工件時(shí)，控制系統(tǒng)會根據(jù)輸入的被測工件特征參數(shù)自動(dòng)選擇最佳照明參數(shù)，實(shí) 現(xiàn)自適應(yīng)控制光源的亮度，使得影像測量儀獲得最佳的圖像。在相同零件測量時(shí)，由于相似 度最大，控制系統(tǒng)將采用相同的最佳參數(shù)進(jìn)行工作，從而保證了同種零件圖像質(zhì)量的穩(wěn)定 性。由于這種控制系統(tǒng)具有“光源記憶”功能，為確定性測量奠定了基礎(chǔ)，使得測量精度的 重復(fù)性較好。


圖1是本發(fā)明采用的測量系統(tǒng)架構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖； 圖3是本發(fā)明的正面光源結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本發(fā)明的正面光源內(nèi)環(huán)照射示意圖； 圖5是本發(fā)明的正面光源中環(huán)照射示意圖； 圖6是本發(fā)明的正面光源外環(huán)照射示意圖； 圖7是本發(fā)明的LED連接圖； 圖8是本發(fā)明的串口通訊電路原理圖； 圖9是本發(fā)明的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可以對本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定 的范圍。本發(fā)明的第一實(shí)施方式涉及一種用于高精度影像測量儀的自適應(yīng)光源照明系統(tǒng)， 圖1為本實(shí)施方式的基本配置和架構(gòu)。光源包括正面光源和背面光源，其中，正面光源位于 被測工件的正上方，背面光源位于被測工件的正下方。控制系統(tǒng)如圖2所示，包括MCU模塊、 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、照明驅(qū)動(dòng)模塊、串口通訊模塊和模糊專家系統(tǒng)模塊。本系統(tǒng)采用了 MCS-51系列單片微型計(jì)算機(jī)作為主控制器，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器和照 明驅(qū)動(dòng)模塊連接，由照明驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生相應(yīng)的控制電流來實(shí)現(xiàn)不同通道的照明亮度。系統(tǒng) 采用了 8位D/A轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)0-255不同等級的電流輸出，也就是說，照明控制強(qiáng)度分 為256個(gè)不同等級。需要說明的是，照明亮度與控制電流并非呈線性關(guān)系，無確定的函數(shù)關(guān) 系，這是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)照明自適應(yīng)控制的核心價(jià)值所在。人機(jī)交互界面和模糊專家系統(tǒng)模塊運(yùn)行在PC端，并通過串口通訊模塊與單片微 型計(jì)算機(jī)相連。本系統(tǒng)采用了 RS232通信方式，PC端發(fā)送控制矢量的信息碼方式為“前導(dǎo) 字符” + “照明通道值” + “照明控制值”，單片機(jī)系統(tǒng)接收到相應(yīng)指令后，以該控制值產(chǎn)生相 應(yīng)的電流來驅(qū)動(dòng)相應(yīng)照明通道。為滿足不同要求的照明效果，正面光源采用LED環(huán)形多角度直射型光源，如圖3所 示，正面光源采用三環(huán)設(shè)計(jì)，由內(nèi)環(huán)光源2、中環(huán)光源3、外環(huán)光源4構(gòu)成。它們都是由三排 LED1成圓錐狀排列并分別以0°、30°、60°照射在被測工件上。圖4、圖5和圖6分別為三 個(gè)光源環(huán)單獨(dú)照射的模型圖，三個(gè)光源環(huán)一起點(diǎn)亮可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同方向的照射，滿足不 同形狀表面工件的檢測要求，從而可以實(shí)現(xiàn)對不透明物體的上表面或內(nèi)部輪廓的檢測。采 用光線導(dǎo)向平板式背面光源(本系統(tǒng)采用了 CCS公司生產(chǎn)的LFL-180作為背面照明)，特別 適合用于輪廓檢測，它可以將工件的外形輪廓清晰的勾勒出來，不受工件的材質(zhì)、顏色、表 面紋理、形狀變化等對圖片質(zhì)量的影響，在使用背面光源時(shí)，透光的地方呈白色，不透光的 部分呈黑色，這樣可以得到一個(gè)黑白對比明顯的圖片，使后續(xù)的圖像處理變得更加簡單。通 過正面光源與背面光源相互結(jié)合，克服光源幾何形狀、不均勻性、光照方向等因素對測量結(jié) 果的不良影響。如圖2所示，系統(tǒng)采用四通道照明驅(qū)動(dòng)模塊，其中，通道1-3分別對應(yīng)正面 光源的內(nèi)環(huán)光源、中環(huán)光源和外環(huán)光源，通道4對應(yīng)背面光源。如圖7所示，正面光源所采用的LED采用混聯(lián)方式進(jìn)行連接，串并聯(lián)的LED數(shù)量平 均分配，如圖中每5個(gè)LED串聯(lián)后并聯(lián)在一起。通過這樣的連接方式使得分配在每個(gè)LED 串聯(lián)支路上的電壓相同，并且在串聯(lián)支路上的每個(gè)LED的電流也大致相同，亮度一致，同時(shí) 通過每個(gè)串聯(lián)支路的電流也相近。這樣的連接方式使線路簡單、亮度穩(wěn)定、可靠性高，并且 對器件的一致性要求較低，即使個(gè)別LED單管失效，對整個(gè)發(fā)光組件的影響也較小。串口通訊模塊采用RS232通訊標(biāo)準(zhǔn)，其波特率為9600bps，通信采用典型的三線信 號TX，RX和GND方式，其電路設(shè)計(jì)圖8所示。圖9所示的是數(shù)模轉(zhuǎn)換電路模塊電路圖，該 模塊將MCU模塊接收到的數(shù)據(jù)由型號為DAC0800LCN的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為模擬量即模擬 控制電流，并將模擬控制電流傳送給照明驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)而控制LED的亮度。
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本發(fā)明的第二實(shí)施方式涉及一種用于高精度影像測量儀的自適應(yīng)光源照明方法， 該方法基于第一實(shí)施方式中的系統(tǒng)，包括以下步驟(1)取不同材料、不同表面質(zhì)量的典型工件進(jìn)行照明和成像試驗(yàn)，以照明效果的成 像質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)為目標(biāo)，在整個(gè)四維搜索空間中運(yùn)算，得到典型工件的最佳照明參數(shù)。其 中，最佳照明參數(shù)是四個(gè)照明通道的控制值組合，可以以矢量V(chl，ch2, ch3, ch4)表示， 其中 chn e (0,255)。(2)在模糊專家系統(tǒng)模塊中，根據(jù)試驗(yàn)所測數(shù)據(jù)建立最佳照明參數(shù)專家知識庫。其 中，專家知識庫應(yīng)全面反映被測工件的特征參數(shù)，如被測工件的材料、顏色、形狀、尺寸、表 面粗糙度、表面氧化程度等。該專家系統(tǒng)建立的數(shù)據(jù)庫具有下表結(jié)構(gòu)形式
權(quán)利要求
一種用于高精度影像測量儀的自適應(yīng)光源照明系統(tǒng)，包括光源和控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的光源包括正面光源和背面光源，其中，正面光源位于被測工件的正上方，背面光源位于被測工件的正下方；所述的控制系統(tǒng)包括MCU模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、照明驅(qū)動(dòng)模塊和串口通訊模塊；所述的MCU模塊通過所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與所述的照明驅(qū)動(dòng)模塊相連，并通過所述的串口通訊模塊與PC端內(nèi)建的模糊專家系統(tǒng)模塊相連；所述的照明驅(qū)動(dòng)模塊分別與所述的正面光源和背面光源相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高精度影像測量儀的自適應(yīng)光源照明系統(tǒng)，其特征在 于，所述的正面光源采用LED環(huán)形多角度直射型光源；所述的高精度影像測量儀位于所述 的LED環(huán)形多角度直射型光源的環(huán)中心。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于高精度影像測量儀的自適應(yīng)光源照明系統(tǒng)，其特征在 于，所述的LED環(huán)形多角度直射型光源采用三環(huán)設(shè)計(jì)，由內(nèi)環(huán)光源、中環(huán)光源和外環(huán)光源 構(gòu)成；所述的內(nèi)環(huán)光源、中環(huán)光源和外環(huán)光源均是由三排LED成圓錐狀排列并分別以0°、 30°、60°照射在被測工件上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于高精度影像測量儀的自適應(yīng)光源照明系統(tǒng)，其特征在 于，所述的LED采用混聯(lián)的方式連接，其中，串并聯(lián)的LED數(shù)量平均分配。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高精度影像測量儀的自適應(yīng)光源照明系統(tǒng)，其特征在 于，所述的背面光源采用光線導(dǎo)向技術(shù)進(jìn)行照明。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高精度影像測量儀的自適應(yīng)光源照明系統(tǒng)，其特征在 于，所述的串口通訊模塊為采用RS232通信標(biāo)準(zhǔn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于高精度影像測量儀的自適應(yīng)光源照明系統(tǒng)，其特征在 于，所述的照明驅(qū)動(dòng)模塊采用四通道照明驅(qū)動(dòng)模塊，其中，三條通道對應(yīng)正面光源，另外一 條通道對應(yīng)背面光源。
8.一種用于高精度影像測量儀的自適應(yīng)光源照明方法，其特征在于，包括以下步驟(1)取不同材料、不同表面質(zhì)量的典型工件進(jìn)行照明和成像試驗(yàn)，以照明效果的成像質(zhì) 量評價(jià)指標(biāo)為目標(biāo)，在整個(gè)搜索空間中運(yùn)算，得到典型工件的最佳照明參數(shù)；(2)根據(jù)試驗(yàn)所測得的數(shù)據(jù)建立最佳照明參數(shù)專家知識庫，該專家知識庫應(yīng)全面反映 不同零件的特征；(3)將被測工件放置在正面光源與背面光源之間，由PC端輸入被測工件的特征參數(shù)， 模糊專家系統(tǒng)模塊將根據(jù)被測工件與專家知識庫中最相似的典型零件進(jìn)行比較，根據(jù)其相 似性度量由模糊推理策略推出控制矢量基點(diǎn)以及局部搜索范圍；(4)PC端將設(shè)定的控制矢量搜索范圍發(fā)送到MCU模塊，由數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和照明驅(qū)動(dòng)模 塊完成光源的照明調(diào)節(jié)，由照明效果的成像質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)來確定該局部搜索范圍內(nèi)的最佳 照明控制參數(shù)；(5)通過得到的最佳照明控制參數(shù)對專家知識庫的進(jìn)行完善。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于高精度影像測量儀的自適應(yīng)光源照明方法，其特征在 于，所述的成像質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)是最大類間方差和最大平均灰度梯度，以突出物體和背景的 差異性，同時(shí)突出表面特征，增大圖像對比度，以利于圖像分割和邊緣檢測。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用于高精度影像測量儀的自適應(yīng)光源照明方法，其特征在 于，所述的步驟(3)中模糊推理所依據(jù)的隸屬度為被測工件與專家知識庫中典型零件的相 似性，相似性越高，搜索空間范圍越小。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于高精度影像測量儀的自適應(yīng)光源照明系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括包括光源和控制系統(tǒng)，其中，光源包括正面光源和背面光源，控制系統(tǒng)包括MCU模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、照明驅(qū)動(dòng)模塊、串口通訊模塊和模糊專家系統(tǒng)模塊。本發(fā)明中MCU模塊通過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊連接照明驅(qū)動(dòng)模塊，通過串口通信模塊與上位PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，上位PC機(jī)與控制系統(tǒng)構(gòu)成了“主-從”式照明控制系統(tǒng)，上位PC機(jī)運(yùn)行照明控制用人機(jī)界面，并內(nèi)建有模糊專家系統(tǒng)模塊和最佳照明參數(shù)模糊數(shù)據(jù)庫，測量工件時(shí)，控制系統(tǒng)會根據(jù)輸入的被測工件特征參數(shù)自動(dòng)選擇最佳照明參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制各通道光源的亮度，使影像測量儀獲得最佳效果的圖像。
文檔編號H05B37/02GK101975357SQ20101029030
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月25日
發(fā)明者周虎, 朱超, 楊建國, 陳棟梁 申請人:東華大學(xué)