CN106525864A - 一种图像灰度的光源补偿装置及补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种图像灰度的光源补偿装置及补偿方法，包括组成灰度控制回路的硬件以及应用于图像灰度补偿的灰度处理方法和控制算法2部分，硬件方面包括每个LED点光源亮度都可单独调节的线形光源及其控制和驱动电路、工业线阵相机及其采集卡和计算机，而每一个LED亮度调节过程由算法实施控制。测量过程中，对获取图像的垂直方向提取灰度均值曲线，所述装置利用最小二乘法对灰度均值曲线进行多项式拟合，选取拟合误差最小的拟合结果作为背景图像灰度，根据拟合结果，计算机通过比例控制调节LED的亮度对缺陷图像进行补偿，从而解决由于光照不均匀或机械机构不精确的原因造成的工业相机采集图像的灰度不均匀问题。

Description

一种图像灰度的光源补偿装置及补偿方法

【技术领域】

本发明属于表面缺陷智能检测技术领域，涉及一种图像灰度的光源补偿装置及补偿方法。

【背景技术】

具有轴对称形状的机械零件，目前最新的技术是使用机器视觉***对其进行非接触式的无损检测，检测***包括线阵工业相机、旋转平台、光源和计算机等，见图1，***的工作原理：将其放置在旋转平台上旋转，放置于侧面的工业线阵相机由上至下逐行扫描拍摄其侧面，见图2(b)，相机的采集卡收集每一行的数据，并将该数据组成一幅完整的图像，但是由于光照不均匀或机械机构不精确的原因经常造成的工业相机采集图像的纵向灰度不均匀。本发明为了解决这个问题，提出了硬件上和处理方法上的一系列方案。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种图像灰度的光源补偿装置及补偿方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种图像灰度的光源补偿装置，包括终端以及用于安放被测物的旋转平台，终端包括壳体、安装于壳体表面的LED光源和线阵相机以及设置于壳体内用于控制图像灰度的均匀性的图像灰度闭环控制回路；旋转平台的下方安装有光电编码器，光电编码器与安装在旋转平台主轴上的轮子连接，用于产生作为线阵相机行扫描触发信号的脉冲信号。

本发明进一步的改进在于：

LED光源为两列竖直设置于线阵相机两侧的线型LED阵列，每列LED阵列包括外壳以及设置于外壳内的呈线型排布的若干LED点光源，两列LED阵列均与图像灰度闭环控制回路中的光源控制和驱动电路电连接。

图像灰度闭环控制回路包括控制器、执行器以及传感器，控制器，执行器由光源控制和驱动电路以及LED光源构成，传感器由线阵相机、采集卡以及光电编码器组成；控制器的控制端与光源控制和驱动电路电连接，光源控制和驱动电路与LED光源电连接；线阵相机与采集卡输入端相连，光电编码器与采集卡的控制信号输入端相连，采集卡的信号输出端与控制器的信号输入端相连。

光源控制和驱动电路包括为整个电路供电的直流电源以及与控制器相连的并行I/O口，并行I/O口的控制端与地址分配电路相连，输出端连接多路8位锁存器，每路8位锁存器的输出依次连接D/A转换电路、驱动电路以及LED点光源。

一种采图像灰度的光源补偿方法，包括以下步骤：

1)采用线阵相机获取被测图像，并提取被测图像的灰度均值曲线；

2)利用最小二乘法对灰度均值曲线进行拟合，计算对应的拟合多项式的拟合误差；

3)将拟合误差最小的拟合多项式设置为最佳拟合多项式，则最佳拟合多项式为：

其中，g(n)为图像纵向的灰度；n为从上至下的灰度点位置，n＝1,2,...,N，N为灰度点位置总数；I为拟合多项式最高阶次；i为代表各阶多项式；a_i为拟合多项式系数；

4)利用最佳拟合多项式的最高阶次判断其是否需要补偿，若其阶次大于预设阶数，则需要补偿，执行步骤5)；否则不需要补偿；

5)根据LED光照位置与获取到的图像的灰度之间的对应关系，采用比例控制P，发出对每个LED点光源的控制量。

其进一步的改进在于：

步骤1)中，线阵相机获取的缺陷图像的单一方向图像灰度均值曲线，单一方向是图像的水平方向或垂直方向。

步骤2)的具体方法如下：

利用最小二乘法对灰度均值曲线分别进行一次、二次、三次及四次多项式拟合，获取一次、二次、三次及四次多项式拟合对应的一次、二次、三次及四次拟合多项式，并计算一次、二次、三次及四次多项式拟合对应的拟合误差。

步骤5)中，LED光照位置与获取到的图像的灰度之间的对应关系如下：

每一个LED点光源中心点所对应的像素点从上至下位置编号为m，m＝1,2,...,M，M为LED中心对应的像素点总数；n与m的关系是：

n＝k_j-1,jm+n₀ (2)

其中，j＝1,2,...,J，J为LED总个数；k_j-1,j为编号为j-1和j的两个相邻LED点光源中心点所对应的纵向灰度点的位置差，m同样满足式(1)，即有：

g(m)为每个LED对应位置的灰度。

根据每个LED对应位置的灰度g(m)，设定该控制***的灰度给定值为G，目前的LED量度控制量为L(m)，如下：

L(m)＝L(m)+P[G-g(m)] (4)

其中，P是比例系数，根据式(4)的P控制算法能够计算出第m个LED的亮度控制量，从而实现对每一个LED光源亮度的闭环控制，直至被测零件图像纵向的灰度均匀为止。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明利用拟合和控制算法，实现了图像灰度补偿，避免了由于光照不均匀或机械机构不精确的原因造成的工业相机采集图像灰度不均匀的问题。使得图像便于进行处理，从而增加缺陷特征的识别度，最终达到提高精密机械零件表面缺陷的检测效率的目的。硬件方面包括每个LED点光源亮度都可单独调节的线形光源及其控制和驱动电路、工业线阵相机及其采集卡和计算机，而每一个LED亮度调节过程由算法实施控制。测量过程中，对获取图像的垂直方向提取灰度均值曲线，所述装置利用最小二乘法对灰度均值曲线进行多项式拟合，选取拟合误差最小的拟合结果作为背景图像灰度，根据拟合结果，计算机通过比例控制调节LED的亮度对缺陷图像进行补偿，从而解决由于光照不均匀或机械机构不精确的原因造成的工业相机采集图像的灰度不均匀问题。

【附图说明】

图1为本发明LED光源的安装方式示意图；

图2为本发明光电编码器的安装位置示意图；

图3-1为LED光源的俯视图；

图3-2为LED光源的侧视图；

图4为本发明图像灰度闭环控制回路的示意图；

图5为本发明光源驱动和控制电路图；

图6为本发明补偿方法的流程图；

图7为本发明实施例的缺陷图像处理前后的对比图；其中，(a)为原始图像，(b)为背景图像，(c)为补偿图像；

图8为本发明实施例的最佳多项式拟合曲线图。

其中：1-被测物；2-旋转平台；3-LED光源；4-线阵相机；5-外壳；6-LED点光源；7-光电编码器。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1-3，本发明图像灰度的光源补偿装置，包括终端以及用于安放被测物1的旋转平台2，终端包括壳体、安装于壳体表面的LED光源3和线阵相机4以及设置于壳体内用于控制图像灰度的均匀性的图像灰度闭环控制回路；旋转平台2的下方安装有光电编码器7，光电编码器7与安装在旋转平台主轴上的轮子连接，用于产生作为线阵相机4行扫描触发信号的脉冲信号。

如图1所示，LED光源3为两列竖直设置于线阵相机4两侧的线型LED阵列，每列LED阵列包括外壳5以及设置于外壳5内的呈线型排布的若干LED点光源6，两列LED阵列均与图像灰度闭环控制回路中的光源控制和驱动电路电连接，如图3-1和3-2所示。

如图4所示，图像灰度闭环控制回路包括控制器、执行器以及传感器，控制器，执行器由光源控制和驱动电路以及LED光源3构成，传感器由线阵相机4、采集卡以及光电编码器7组成；控制器的控制端与光源控制和驱动电路电连接，光源控制和驱动电路与LED光源3电连接；线阵相机4与采集卡输入端相连，光电编码器7与采集卡的控制信号输入端相连，采集卡的信号输出端与控制器的信号输入端相连。

如图5所示，光源控制和驱动电路包括为整个电路供电的直流电源以及与控制器相连的并行I/O口，并行I/O口的控制端与地址分配电路相连，输出端连接多路8位锁存器，每路8位锁存器的输出依次连接D/A转换电路、驱动电路以及LED点光源6。

本发明图像灰度补偿的装置，可以应用于进行图像灰度补偿的终端，终端包括：线性补偿光源、光源控制和驱动电路、检测***旋转平台测速装置、工业相机和采集卡以及计算机等组成的图像灰度闭环控制回路，其中，

终端是指能够获取图像的终端，获取的方式可以通过在终端上安装工业相机，比如CCD相机或CMOS相机，所述相机的安装方式根据需要可以为线形和/或环形和/或面形；

线性补偿光源，对通过LED点光源的亮度控制，用于改变被测机械零件图像灰度的分布，最终使其纵向灰度分布均匀，从而改善被测零件图像的成像质量；

光源控制和驱动电路，用于实现对每一个LED点光源的功率控制，从而控制其亮度。该电路见图3，它是由电源、并行I/O口，地址分配电路和多路的驱动电路、A/D转换电路、8位锁存器组成。具体工作过程是，计算机发出对于每一个LED点光源控制量(亮度给定值，一个8位的数字量)，由并行I/O口和地址分配电路发送和保存到对应每一个LED的锁存器上，再由A/D转换电路将该数字量转换为模拟电压，该模拟电压作为控制信号控制驱动电路的工作电流，控制这个LED的亮度。

检测***旋转平台测速装置，用于克服由于旋转平台速度不稳定造成的工业相机采集卡组成的图像横向变形问题。其工作原理见图2(b)，工作原理是光电编码器测量旋转平台转速，作为速度信号的光电编码器输出脉冲被用来作为工业相机采集卡的行扫描触发信号，即采集卡每接到一个脉冲，就对拍摄对象进行一行扫描拍摄，当旋转平台转速高，工业相机扫描快，旋转平台转速低，工业相机扫描慢，从而能够克服由于旋转平台速度不稳定造成的工业相机采集卡组成的图像横向变形的问题。

图像灰度闭环控制回路，用于控制图像灰度的均匀性。控制回路的控制器为计算机，执行器为LED光源及其控制和驱动电路，工业相机及其采集卡和光电编码器组成了控制回路的传感器，控制回路的被控对象为所拍摄零件图像的灰度。

参见图6，本发明基于闭环控制原理的图像灰度补偿的方法，应用于进行图像灰度补偿的终端侧，具体包括以下步骤：

1)采用线阵相机获取被测图像，并提取被测图像的灰度均值曲线；

线阵相机获取的缺陷图像的单一方向图像灰度均值曲线，单一方向是图像的水平方向或垂直方向。

2)利用最小二乘法对灰度均值曲线进行拟合，计算对应的拟合多项式的拟合误差；具体方法如下：

利用最小二乘法对灰度均值曲线分别进行一次、二次、三次及四次多项式拟合，获取一次、二次、三次及四次多项式拟合对应的一次、二次、三次及四次拟合多项式，并计算一次、二次、三次及四次多项式拟合对应的拟合误差。

一个拟合多项式表征一个图像信息，对应一个图像，不同的拟合多项式表征的图像信息不同，对应的图像不相同。预定阶数用于表征终端对缺陷图像进行灰度补偿的临界阶数。

3)将拟合误差最小的拟合多项式设置为最佳拟合多项式，则最佳拟合多项式为：

其中，g(n)为图像纵向的灰度；n为从上至下的灰度点位置，n＝1,2,...,N，N为灰度点位置总数；I为拟合多项式最高阶次；i为代表各阶多项式；a为a_i为拟合多项式系数；

4)利用最佳拟合多项式的最高阶次判断其是否需要补偿，若其阶次大于预设阶数，则需要补偿，执行步骤5)；否则不需要补偿；

5)根据LED光照位置与获取到的图像的灰度之间的对应关系，采用比例控制P，发出对每个LED点光源的控制量。

LED光照位置与获取到的图像的灰度之间的对应关系如下：

每一个LED点光源中心点所对应的像素点从上至下位置编号为m，m＝1,2,...,M，M为LED中心对应的像素点总数；n与m的关系是：

n＝k_j-1,jm+n₀ (2)

其中，j＝1,2,...,J，J为LED总个数；k_j-1,j为编号为j-1和j的两个相邻LED点光源中心店所对应的纵向灰度点的位置差，m同样满足式(1)，即有：

g(m)为每个LED对应位置的灰度。

根据每个LED对应位置的灰度g(m)，设定该控制***的灰度给定值为G，目前的LED量度控制量为L(m)，如下：

L(m)＝L(m)+P[G-g(m)] (4)

其中，P是比例系数，根据式(4)的P控制算法能够计算出第m个LED的亮度控制量，从而实现对每一个LED光源亮度的闭环控制，直至被测零件图像纵向的灰度均匀为止。

本发明的原理：

由于终端通过对获取的缺陷图像提取图像灰度均值曲线，通过最小二乘法对提取的图像灰度均值曲线记性多项式拟合，获取拟合误差最小的拟合多项式，将拟合误差最小的拟合多项式作为最佳拟合多项式，将最佳拟合多项式对应的图像作为背景图像，当最佳拟合多项式的最高阶数大于预设阶数时，利用背景图像对缺陷图像进行灰度补偿，解决了由于光照不均匀或机械机构不精确的原因造成的工业相机采集图像的灰度不均匀问题。

实施例：

灰度均值曲线的表达式为：a_n*xⁿ+a_n-1*x^n-1+...+a₁*x+a₀，n＝4；

对应的一次拟合多项式为：-0.009615*x+111.52；

对应的二次拟合多项式为：0.000008*x²+-0.048186x+143.63；

对应的三次拟合多项式为：1.4767*10^-9*x³-3.3498*10^-6*x²-0.026069*x+134.43；

对应的四次拟合多项式为：-1.4571*10^-12*x⁴+1.6039*10^-8*x³-5.0121*10^-5*x²-0.025832*x+121.5。

计算对应的拟合误差分别为：

对应的一次拟合误差为：524.9283；

对应的二次拟合误差为：262.0559；

对应的三次拟合误差为：237.7067；

对应的四次拟合误差为：194.1598。

可以得出，四次拟合误差最小，因此最佳拟合多项式为四次拟合多项式。最佳拟合多项式为四次拟合多项式，因此最高阶数为4。预定阶数用于表征终端对缺陷图像进行灰度补偿的临界阶数；

预定阶数为1时，基于步骤S207，最高阶数为4，最高阶数大于预定阶数，终端利用拟合误差最小的拟合多项式对应的图像作为背景图像，对采集的缺陷图像进行灰度补偿，进行灰度补偿之后得到的图像可以如图7(c)所示，图8中，两边较粗糙的为纵向灰度均值，中间较光滑的为最佳拟合曲线。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种图像灰度的光源补偿装置，其特征在于，包括终端以及用于安放被测物(1)的旋转平台(2)，终端包括壳体、安装于壳体表面的LED光源(3)和线阵相机(4)以及设置于壳体内用于控制图像灰度的均匀性的图像灰度闭环控制回路；旋转平台(2)的下方安装有光电编码器(7)，光电编码器(7)与安装在旋转平台主轴上的轮子连接，用于产生作为线阵相机(4)行扫描触发信号的脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的图像灰度的光源补偿装置，其特征在于，LED光源(3)为两列竖直设置于线阵相机(4)两侧的线型LED阵列，每列LED阵列包括外壳(5)以及设置于外壳(5)内的呈线型排布的若干LED点光源(6)，两列LED阵列均与图像灰度闭环控制回路中的光源控制和驱动电路电连接。

3.根据权利要求1所述的图像灰度的光源补偿装置，其特征在于，图像灰度闭环控制回路包括控制器、执行器以及传感器，控制器，执行器由光源控制和驱动电路以及LED光源(3)构成，传感器由线阵相机(4)、采集卡以及光电编码器(7)组成；控制器的控制端与光源控制和驱动电路电连接，光源控制和驱动电路与LED光源(3)电连接；线阵相机(4)与采集卡输入端相连，光电编码器(7)与采集卡的控制信号输入端相连，采集卡的信号输出端与控制器的信号输入端相连。

4.根据权利要求3所述的图像灰度的光源补偿装置，其特征在于，光源控制和驱动电路包括为整个电路供电的直流电源以及与控制器相连的并行I/O口，并行I/O口的控制端与地址分配电路相连，输出端连接多路8位锁存器，每路8位锁存器的输出依次连接D/A转换电路、驱动电路以及LED点光源(6)。

5.一种采用根据权利要求1-4任意一项所述装置的图像灰度的光源补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)采用线阵相机获取被测图像，并提取被测图像的灰度均值曲线；

2)利用最小二乘法对灰度均值曲线进行拟合，计算对应的拟合多项式的拟合误差；

3)将拟合误差最小的拟合多项式设置为最佳拟合多项式，则最佳拟合多项式为：

$g\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}{a}_i{n}^i---\left(1\right)$

其中，g(n)为图像纵向的灰度；n为从上至下的灰度点位置，n＝1,2,...,N，N为灰度点位置总数；I为拟合多项式最高阶次；i为代表各阶多项式；a_i为拟合多项式系数；

4)利用最佳拟合多项式的最高阶次判断其是否需要补偿，若其阶次大于预设阶数，则需要补偿，执行步骤5)；否则不需要补偿；

5)根据LED光照位置与获取到的图像的灰度之间的对应关系，采用比例控制P，发出对每个LED点光源的控制量。

6.根据权利要求5所述的图像灰度的光源补偿方法，其特征在于，步骤1)中，线阵相机获取的缺陷图像的单一方向图像灰度均值曲线，单一方向是图像的水平方向或垂直方向。

7.根据权利要求5所述的图像灰度的光源补偿方法，其特征在于，步骤2)的具体方法如下：

利用最小二乘法对灰度均值曲线分别进行一次、二次、三次及四次多项式拟合，获取一次、二次、三次及四次多项式拟合对应的一次、二次、三次及四次拟合多项式，并计算一次、二次、三次及四次多项式拟合对应的拟合误差。

8.根据权利要求5所述的图像灰度的光源补偿方法，其特征在于，步骤5)中，LED光照位置与获取到的图像的灰度之间的对应关系如下：

每一个LED点光源中心点所对应的像素点从上至下位置编号为m，m＝1,2,...,M，M为LED中心对应的像素点总数；n与m的关系是：

n＝k_j-1,jm+n₀ (2)

其中，j＝1,2,...,J，J为LED总个数；k_j-1,j为编号为j-1和j的两个相邻LED点光源中心点所对应的纵向灰度点的位置差，m同样满足式(1)，即有：

$g\left(m\right)=\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}{a}_i{m}^i---\left(3\right)$

g(m)为每个LED对应位置的灰度。

9.根据权利要求8所述的图像灰度的光源补偿方法，其特征在于，根据每个LED对应位置的灰度g(m)，设定该控制***的灰度给定值为G，目前的LED量度控制量为L(m)，如下：

L(m)＝L(m)+P[G-g(m)] (4)

其中，P是比例系数，根据式(4)的P控制算法能够计算出第m个LED的亮度控制量，从而实现对每一个LED光源亮度的闭环控制，直至被测零件图像纵向的灰度均匀为止。