CN108986170A

CN108986170A - 一种适用于现场工况的线阵相机平场校正方法

Info

Publication number: CN108986170A
Application number: CN201810720139.1A
Authority: CN
Inventors: 洪志坤; 汪舟; 张胜森; 李仲禹; 郑增强; 欧昌东
Original assignee: Wuhan Jingce Electronic Group Co Ltd
Current assignee: Wuhan Jingce Electronic Group Co Ltd; Wuhan Jingce Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2018-07-03
Filing date: 2018-07-03
Publication date: 2018-12-11
Anticipated expiration: 2038-07-03
Also published as: CN108986170B

Abstract

本发明公开了一种适用于现场工况的线阵相机平场校正方法，拍摄获得待检屏初始行的初始灰度值矩阵获取原始校正系数矩阵；线阵相机扫描拍摄待检屏的灰度值图像获得原始灰度值矩阵；将原始灰度值矩阵对应乘以对应列的原始校正系数获得初步校正的灰度值矩阵；将经过初步校正的灰度值矩阵中的每个像素灰度值都除以该行的中位值，确定待检屏像素矩阵中初始行的像素响应不均匀性系数；获取有效平场校正系数，对线阵相机拍摄的灰度值图像进行校正。本发明技术方案的方法，针对目前线阵相机的平场校正方法难以适应工作环境的差别、精度不高的问题，在实际工况的情况下，通过光学与算法的结合对线阵相机进行平场校正，适应性好、精确度高。

Description

一种适用于现场工况的线阵相机平场校正方法

技术领域

本发明属于线阵相机的平场校正技术领域，尤其是基于线阵相机的面板缺陷检测前的校正技术，具体涉及一种适用于现场工况的线阵相机平场校正方法。

背景技术

在机器视觉中，根据传感器像素排列方式的不同，可以把相机分别面阵相机和线阵相机。面阵相机，即传感器的靶面是一个面，使用十分普遍。而线阵相机，其传感器像素分布呈现“线”状，即像素只有一行排列。线阵相机相对于面阵相机而言，具有更高的精度。线阵相机拍摄的视场为细长的条带，多用于扫描检测，扫描匀速移动的待检屏，将线阵相机拍摄的单张画面的合成，产生一副完整的待检面板或屏的拍摄图片。

线阵相机在使用之前，需要进行平场校正。当利用线阵相机拍摄亮度均匀的目标物体时，得到的拍摄图片应该是亮度均匀的，真实的反应目标物体的特性。而实际拍摄图片中却是亮度不均匀的，即图像中每个像素点的灰度是不同的，无法真实反映被拍摄目标物体的表面特性。线阵相机一般用于高精度的缺陷检测，所以这种由拍摄***本身带来的误差是不允许存在的。一般造成灰度值不一致的误差原因有，光源的不均匀，镜头中心和镜头边缘对光的响应不一致，以及传感器每一个像素对入射光的响应程度差别。因此相机如果在使用前没有进行平场校正，则会导致实际使用过程中，对成像质量造成影响。

平场校正的就是修正由于待检屏本身缺陷之外其他因素对画面成像均匀性带来的影响。其中包括：m表示沿条形光源方向上光照强度不均匀性系数，n表示镜头对光线响应不均匀性系数，p表示线阵相机各个像素点的响应不均匀性系数，q表示待检屏各个位置对光的反射不均匀性系数。平场校正需要校正其中m，n，p三个系数，且m，n，p三个系数等于1的时候意味着这个参数是无须校正的。如图1所示为一种典型的线阵扫描相机的使用结构，条形光源发出的入射光照射到待检平面上(一般为玻璃，钢板，或者液晶面板等)，光经过反射，被另一侧的线阵相机采集。相机每次拍摄待检平面上的一行的表面特征，待检屏通过下面的传送带匀速移动时，线阵相机就可以拍摄整个待检屏表面，因此相机能够对整个待检屏表面成像。当待检平面上没有缺陷时，相机输出的像应该是一个均匀灰度的像。当屏表面存在缺陷时，屏表面的缺陷对光的反射效果将会有所改变，入射到线阵相机光线的强度将会改变，因此，通过检测拍摄出的画面的灰度值，可以检测出屏表面的缺陷。如果使用的相机没有经过平场校正，那么由于条形光源本身的均匀性问题，镜头对中心光线和边缘光线的响应一致性问题，以及相机各像素点响应度的不同，即使拍摄一块无缺陷的表面屏时，图片仍然会表现出灰度值不均匀，因此造成检测中的误检，降低了检测的精度。因此，线阵相机使用前的平场校正工作是必须的。

现有平场校正的方法有两种，一种是在相机镜头出货前在厂家进行校正。根据前面所分析，***带来的成像不均匀性既有相机镜头的因素，也有光源的产生的原因。在厂家进行相机镜头平场校正通常忽略的光源本身的不均匀性，以及校正带来的影响。校正板是一种专门设计制作用来平场校正的平板，要求本身不能有任何的缺陷，对于高精度的应用场景，价格昂贵。同样的，在厂家的工作环境与实际工作现场工作环境也有一些差别，如背景杂散光，工作距离调节，这些外部因素无法与现场调节一致，导致平场校正效果存在一定问题。另外一种校正方法是直接在现场安装后进行线阵相机的校正。这种校正方法与实际工作状态一致，消除了光源，背景杂散光，工作距离调节带来的误差。但是所使用的校正板仍然会带来不确定性。线阵相机拍摄精度较高，如果校正板本身存在一定的缺陷，那么校正过程中就会不可避免的带来校正板引入的误差。另外，在一些安装好的工作台上，由于空间狭窄，机构密封等原因，无法将校正板放置在实际相机拍摄的视野中进行平场校正，因此也不能使用校正板进行拍摄。

此外，现有技术中，CN102479005A公开了一种二维光学检测的平场校正方法，其通过校正电路来实现二维光学强度的校正，引入校正电路意味着无法利用待校正的装置本身实现平场校正，除了需要考虑校正成本外，还需要考虑校正的范围和空间。CN105701209A则公开了一种基于线阵相机扫描的平常校正方法，其关键在于利用线阵相机拍摄获得的红绿蓝三种颜色的灰度图计算获得每个颜色的校正系数曲线，从而实现对线阵相机扫描图像进行平场校正，这种方式的缺点在于需要针对每个颜色分别进行灰度值计算并获得对应的校正曲线，计算复杂，且针对每种颜色分别进行校正的结果并不是十分的准确。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于现场工况的线阵相机平场校正方法。本发明技术方案的方法，针对目前线阵相机的平场校正方法难以适应工作环境的差别、精度不高的问题，在实际工况的情况下，通过光学与算法的结合对线阵相机进行平场校正，适应性好、精确度高。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于现场工况的线阵相机平场校正方法，其特征在于，

S1利用线阵相机拍摄获得待检屏像素矩阵任意初始行的初始灰度值矩阵，利用所述初始灰度值图像矩阵图像获取原始校正系数矩阵；

S2匀速移动待检屏，线阵相机扫描拍摄待检屏的灰度值图像，按照待检屏上像素坐标的位置分布获得待检屏的原始灰度值矩阵；

S3将所述原始灰度值矩阵中每一行的灰度值对应乘以所述原始校正系数矩阵中对应列的原始校正系数，获得初步校正的灰度值矩阵；

S4将经过初步校正的灰度值矩阵中的每个像素灰度值都除以该行的中位值，获取系数矩阵并分析，确定待检屏像素矩阵中初始行的成像不均匀性系数；

S5根据待检屏像素矩阵中每列在初始行的像素响应不均匀性系数和该列对应的原始校正系数，获取线阵相机的有效平场校正系数，对线阵相机拍摄的灰度值图像进行校正。

作为本发明技术方案的一个优选，步骤S1中包括，

S11利用线阵相机拍摄获得待检屏像素矩阵初始行的初始灰度值矩阵，确定所述初始灰度值矩阵中每个像素坐标灰度值的中位值；

S12依次将所述行初始灰度值矩阵中每个像素的灰度值除以中位值，获得待检屏初始行的初始灰度图像中其他坐标的像素相对中位值的像素系数；

S13按照初始灰度图像中像素坐标，顺次对所述像素系数取倒数，获得待检屏每列的原始校正系数，构成原始校正系数矩阵。

作为本发明技术方案的一个优选，步骤S4包括，

S41对经过初步校正的灰度值矩阵进行分析，获取矩阵中每一行灰度值的中位值；

S42将灰度值矩阵每一行的灰度值依次除以该行的中位值，获取系数矩阵；

S41对所述系数矩阵逐列进行分析，比较每列系数的大小；

S42若该列系数中有不少于90％的系数值与该列系数初始行的系数值相等，则确定该列系数初始行对应位置的像素响应不均匀性系数为该列系数初始行的系数值的倒数；

S43获取系数矩阵每一列的像素响应不均匀性系数，构成线阵相机的像素响应不均匀性系数矩阵。

作为本发明技术方案的一个优选，步骤S5包括，

S51确定线阵相机的有效平场校正系数为每列初始行的像素响应不均匀性系数乘以该列对应的原始校正系数；

S52利用线阵相机拍摄待检屏的灰度值图像，每列像素的灰度值乘以该列对应的有效平场校正系数，获得经过平场校正的真实图像。

作为本发明技术方案的一个优选，待检屏像素矩阵任意初始行的初始灰度值矩阵优选为待检屏像素矩阵第一行的初始灰度值矩阵。

作为本发明技术方案的一个优选，步骤S2中待检屏优选置于传送载台上，传送载台匀速移动带动待检屏匀速移动。

作为本发明技术方案的一个优选，待检屏像素矩阵、原始灰度值矩阵和系数矩阵的行、列数分别相等。

作为本发明技术方案的一个优选，像素系数k优选有如下计算公式，

k＝m*n*p*q；

其中，m为沿条形光源方向上光照强度不均匀性系数；n为镜头对光线响应不均匀性系数；p为线阵相机各个像素点的响应不均匀性系数，q为待检屏像素点对光的反射不均匀性系数。

作为本发明技术方案的一个优选，待检屏像素点对光的反射不均匀性系数优选在像素点无缺陷时等于1，有缺陷时不等于1。

作为本发明技术方案的一个优选，系数矩阵中的每个像素点的系数L_j,i优选有如下计算公式：

L_j,i＝q_j,i/q_1,i；

其中，q_j,i为待检屏上第j行第i列的像素点对光的反射不均匀性系数。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1)本发明技术方案的方法，对于线阵相机的校正环境没有要求，线阵相机校正环境可以为标准校正环境，也可以为实际工况，不存在由于外部环境不一致引起的工作距离、背景杂散光等无关因素造成的校正误差，适应性高，校正准确度高。

2)本发明技术方案的方法，线阵相机校正方法简单易于操作，校正过程中直接使用待检屏对线阵相机进行校正，不需要额外加入校正板，其校正成本低，对于密闭，狭窄的实际工况条件具有良好的适应性。

3)本发明技术方案的方法，通过光学与算法的结合，针对线阵相机使用过程中可能会影响其测量精度的因素按照类别分别进行校正，校正过程中没有引入新的校正误差，校正系数的计算简单，校正结果精确度高。

附图说明

图1是本发明技术方案的实施例中线阵相机工作原理图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

本实施例中，线阵相机工作原理如图1所示，其中1为相机传感器，2为镜头，3为待检屏，4为条形光源。

在实际的线阵相机平常校正过程中，需要考虑到多种因素的影响，其中主要包括以下几个因素：m表示沿条形光源方向上光照强度不均匀性系数，n表示镜头对光线响应不均匀性系数，p表示线阵相机各个像素点的响应不均匀性系数，q表示待检屏各个位置对光的反射不均匀性系数。一般来说，m，n，p这三个系数是线阵相机本身的原因导致的，平场校正最需要校正的就是m，n，p这三个系数。但是实际上，在平场校正中不可避免的会引入待检屏(或校准板，以下统称待检屏)的本身对于光的反射的不均匀性系数p。本实施例的目的就是提出一种旨在规避待检屏对光的反射的不均匀性问题的线阵相机平常校正方法，从而完成对m，n，p三个系数的准确校正。

虽然m，n，p，q这几个因素都会对线阵相机拍摄的画面产生平场问题，但是其中m，n，p这三个因素是来源于待检屏(或校准板)以外的原因，在实际利用线阵相机进行拍摄检测的时候，是需要提前校正消除的。而q是待检屏本身存在的问题，这与待检屏本身具有密切的关系，每一块待检屏的反射不均性系数都会有所差别。因此，为了实现对线阵相机的平场校正尽可能准确，需要在对m，n，p三个系数进行校正之前，先对待检屏自身存在的对光的反射不均匀性系数进行校正。需要注意的是，厂商生产的待检屏表面无明显缺陷，即可以假设屏上大部分区域对光的反射系数为1，每一行存在少数(少于10％)响应系数不等于1的像素。

在进行具体的校正之前，为了测量和计算方便起见，将整个待检屏划分为若干像素点组成的像素点矩阵(M*N矩阵)，线阵相机每次拍摄，都会获得一个灰度值矩阵(1*N矩阵)。

具体来说，本实施例中，线阵相机的平场校正步骤包括：

第一步，获取待检屏的原始校正系数矩阵。首先将被检屏放置在相机视野中，线阵相机拍摄第一张图片，即初始灰度值矩阵(1*N矩阵)，优选待检屏像素矩阵(M*N矩阵)的第一行，确认这张图片中每个像素点的灰度值，即确认初始灰度值矩阵中每个像素点的灰度值，找到图片中像素灰度值的中位值，并记录这个中位值对应的像素点在初始灰度值矩阵和待检屏像素矩阵中的坐标a。然后利用这张图片中其他每一个像素点的灰度值依次分别除以这个中位值，依次得到其他像素针对这个的位置的系数值k，从而形成了一个新的比值矩阵(1*N矩阵)。

事实上，上述系数值k与线阵相机的影响因素之间，存在如下关系，即

k＝m*n*p*q，

举例来说，对于像素矩阵第一行中每一个具体像素而言，就是k_1，i＝m_1，i*n_1，i*p_1，i*q_1，i。其中k、m、n、p、q的下标1表示第一行，即第一张图片(初始灰度值矩阵)只有一行，下标i表示第i列，最大列数为N。在此基础上，可以进一步获得原始校正系数为1/k_1，i，构成待检屏的原始校正系数矩阵，如下表1所示，其中k_1，a＝1。

K_1，1

K_1，2

K_1，3

...

K_1，a

...

k_1，N-1

K_1，N

表1待检屏的原始校正系数矩阵

第二步，启动待检屏下面的传送载台，使待检屏开始匀速移动，线阵相机匀速扫描拍摄屏，获得拍摄屏像素矩阵的全部图片，即像素矩阵每行拍摄一张图片(一个1*N矩阵)，最大为M行。在待检屏像素矩阵中，第j行的第i列的像素点灰度值为A_j，i，全部行的图片(M个1*N矩阵)组合在一起合成一张完整的待检屏的原始灰度图片(，即待检屏的原始灰度值矩阵，M*N矩阵)，如下表2所示：

A_1，1

A_1，2

A_1，3

...

A_1，a

...

A_1，N-1

A_1，N

A_2，1

A_2，2

A_2，3

...

A_2，a

...

A_2，N-1

A_2，N

A_3，1

A_3，2

A_3，3

...

A_3，a

...

A_3，N-1

A_3，N

...

A_M-2，1

A_M-2，2

A_M-2，3

...

A_M-2，a

...

A_M-2，N-1

A_M-2，N

A_M-1，1

A_M-1，2

A_M-1，3

...

A_M-1，a

...

A_M-1，N-1

A_M-1，N

A_M，1

A_M，2

A_M，3

...

A_M，a

...

A_M，N-1

A_M，N

表2待检屏的原始灰度值矩阵

第三步，利用第一步获得的原始校正系数矩阵对检屏的原始灰度值矩阵进行初步校正。将表2的原始灰度矩阵每一行的灰度值，逐个与表1中的原始校正系数矩阵中对应列列的校正系数相乘，获得新的矩阵。也就是说，针对原始灰度矩阵的每一列灰度值，都依次与原始校正系数矩阵中对应这一列的校正系数相乘，即将原始灰度值矩阵每一行第i列像素灰度值乘以该像素坐标下的校正系数1/K_1i，获得经过初步校正的灰度值矩阵，如下表3所示：

表3

进一步地，由于经过了校正系数1/K_1i的计算，线阵相机拍摄获得的待检屏图像(M*N矩阵)上条形光源方向上光照强度不均匀性系数m，镜头对光线响应不均匀性系数n，以及线阵相机各个像素点的响应不均匀性系数p都会得到校正。但是，由于校正系数1/k_1i中包含的待检屏表面的各个位置对光的反射不均匀性系数q是拍摄的待检屏第一行的不均匀性系数，所以拍摄得到的画面仍然不是真实准确的画面，而是经过包含待检屏表面的第一行的像素点对光的反射不均匀性系数校正后的图片。因此，需要对经过初步校正的图片(灰度值矩阵)需要进行进一步的修正，以消除因待检屏本身存在的反射不均匀性系数系数差异导致的误差。

第四步，将表3的每一个像素都除以该行像素值的中位值，灰度值矩阵中每行像素的灰度值都存在一个中位值。从而可以得到一张新的系数表，即待检屏待检屏额的系数矩阵，如下表4所示，其中系数矩阵的每个系数元素用L_ji表示。

L_1，1

L_1，2

L_1，3

...

L_1，a

...

L_1，N-1

L_1，N

L_2，1

L_2，2

L_2，3

...

L_2，a

...

L_2，N-1

L_2，N

L_3，1

L_3，2

L_3，3

...

L_3，a

...

L_3，N-1

L_3，N

...

L_M-2，1

L_M-2，2

L_M-2，3

...

L_M-2，a

...

L_M-2，N-1

L_M-2，N

L_M-1，1

L_M-1，2

L_M-1，3

...

L_M-1，a

...

L_M-1，N-1

L_M-1，N

L_M，1

L_M，2

L_M，3

...

L_M，a

...

L_M，N-1

L_M，N

表4待检屏的系数矩阵

经过上述计算过程后，容易计算得出，

L_j，i＝K_j，i*(1/K_1，i)＝m_j，i*n_j，i*P_j，i*q_j，i*(1/(m_1，i*n_1，i*p_1，i*q_1，i))；

其中m，n，p的值分别表示沿条形光源方向上光照强度不均匀性系数，镜头对光线响应不均匀性系数，和线阵相机各个像素点的响应不均匀性系数。这些因素与拍摄的待检屏像素矩阵上的不同行的位置无关，即m_j，i＝m_1，i，n_j，i＝n_1，i，P_j，i＝p_1，i，因此上式经过化简后可以得到

L_j，i＝q_j，i/q_1，i；

其中，q_j，i为待检屏像素矩阵上第j行第i列的像素点对光的反射不均匀性系数。

实际上，工厂生产的待检屏，每一行只有少数的像素点存在缺陷，即大多数像素点的q_j，i的值为1，不均匀性体现在少数像素点的q_j，i值不等于1。且不同行之间，这些q_j，i值不等于1的像素点的分布是随机的。由于拍摄的待检屏图片的每一行都是由第一行的拍摄结果进行平场校正的，因此第一行第i个像素点的缺陷将会表现在每一行的第i个像素中。即在同一列(i相同)中每一行的校正系数中都会有q_1，i的存在。

第五步，对取得的系数表进行逐列分析，当某一列有超过90％的系数L_j，i的值一致，即L_1，i＝L_j，i时，即表明该列(第i列)系数第一行所在像素点的待检屏反射均匀性系数q_1，i＝1/L_1，i。如果某一列系数L_j，i的值一致的概率不超过90％，则认为这块屏质量不合格，缺陷非常多，需要换一块待检屏从第一步开始重新测试。

依次对像素矩阵的每一列都进行上述操作，最后获得像素矩阵全部列的像素响应的不均匀性系数。本实施例中，最终获得的有效平场校正系数为1/k_1i*q_1,i,即1/k_1,i*1/L_1,i。后续每次拍摄待检屏的图片(像素矩阵)时，对于获得的像素矩阵中每一行的像素点的灰度值乘以(1/k_1,i*1/L_1,i)即可获得平场校正效果后的真实图片。

实际上，本发明技术方案的实施例中，在获得线阵相机的有效平场校正系数后，在利用该线阵相机继续进行拍摄时，线阵相机每拍摄一行图片，即对拍摄获得的灰度值进行校正，直至完成最后一行图片并完成校正后，即可获得准确的真实图片，也就是线阵相机的拍摄和校正是同步进行的，以节省时间成本。同时需要指出的是，利用实施例中线阵相机平场校正的方法，还可以在线阵相机完成全部拍摄任务后，再利用其有效平场校正系数对拍摄获得的原始图片进行校正。以上两种过程，皆在本发明技术方案的保护范围之内。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种适用于现场工况的线阵相机平场校正方法，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的一种适用于现场工况的线阵相机平场校正方法，其中，所述步骤S1中包括，

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于现场工况的线阵相机平场校正方法，其中，所述步骤S4包括，

S41对所述系数矩阵逐列进行分析，比较每列系数的大小；

4.根据权利要求1～3任一项所述的一种适用于现场工况的线阵相机平场校正方法，其中，所述步骤S5包括，

S52利用线阵相机拍摄待检屏的灰度值图像，每列像素的灰度值乘以该列对应的有效平场校正系数，获得经过校正的真实图像。

5.根据权利要求1～4任一项所述的一种适用于现场工况的线阵相机平场校正方法，其中，所述待检屏像素矩阵任意初始行的初始灰度值矩阵优选为待检屏像素矩阵第一行的初始灰度值矩阵。

6.根据权利要求1～5任一项所述的一种适用于现场工况的线阵相机平场校正方法，其中，所述步骤S2中待检屏优选置于传送载台上，传送载台匀速移动带动待检屏匀速移动。

7.根据权利要求1～6任一项所述的一种适用于现场工况的线阵相机平场校正方法，其中，所述待检屏像素矩阵、原始灰度值矩阵和系数矩阵的行、列数分别相等。

8.根据权利要求2～7任一项所述的一种适用于现场工况的线阵相机平场校正方法，其中，所述像素系数k优选有如下计算公式，

k＝m*n*p*q；

9.根据权利要求8所述的一种适用于现场工况的线阵相机平场校正方法，其中，所述待检屏像素点对光的反射不均匀性系数优选在像素点无缺陷时等于1，有缺陷时不等于1。

10.根据权利要求3～9任一项所述的一种适用于现场工况的线阵相机平场校正方法，其中，所述系数矩阵中的每个像素点的系数L_j,i优选有如下计算公式：

L_j,i＝q_j,i/q_1,i；