CN109712159A - 一种抗环境光照干扰的逆反射体图像检测方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种抗环境光照干扰的逆反射体图像检测方法及***，其中方法包括以下步骤：步骤1、通过合作光源沿角度N照射待检测区域；通过调制单元输出的调制信号对合作光源的辐射功率进行幅度调制，合作光源的辐射功率随时间变化；合作光源的辐射功率达到峰值功率Pp的时刻为峰值时刻tp，达到谷值功率Pv的时刻为谷值时刻tv；步骤2、通过视觉单元从角度N，在tp和tv时刻分别获取待检测区域的亮灰度图像和暗灰度图像；调制单元与视觉单元通信连接；步骤3、用视觉单元对亮灰度图像和暗灰度图像进行处理和分析，检测出待检测区域中的逆反射体。本检测方法及***，能够在有环境光照干扰的情况下保证逆反射体图像检测准确性。
Description
技术领域
本发明涉及光学图像检测领域，具体为一种抗环境光照干扰的逆反射体图像检测方法及***。
背景技术
当光线射到两种媒质分界面上时，一部分光线改变了传播方向返回原来媒质中继续传播，这种现象称为光的反射。在自然界中，存在着漫反射、镜面反射和逆反射三种光的反射现象。漫反射发生在光线入射到粗糙表面上所引起的反射，粗糙表面使入射光线发散到各个方向，只有很少一部分光线可以被反射回光源方向。镜面反射是在光线入射到一个非常光滑或有光泽的表面上时发生的，光线在物体表面反射的角度和入射的角度，度数相同但方向相反。逆反射又称作反光、回射、回归反射或反向反射，是反射光线从接近入射光线的反方向返回的一种反射，即光线照射到一表面后反射回到光源方向的现象。
具有逆反射功能的物体称为逆反射体，又称为反光材料，例如反光膜、反光衣物、反光标线等，广泛应用在服装、道路交通标线、交通工具反光标识等领域。由于逆反射体和其它物体(漫反射和镜面反射物体)在反射特性上具有明显差异，若用与观察者位置相邻的光源(称为合作光源)照射含有逆反射体的区域，观察者会发现逆反射体的亮度明显高于周围其它物体的亮度。若用视觉单元获取场景的灰度图像，则在灰度图像中表现出，逆反射体的灰度值远高于其它物体的灰度值，因而，很容易检测和识别出逆反射体。
但是，基于光学图像的逆反射体自动检测，往往受到环境光照的影响，例如太阳光和其它非合作光源。例如，其它物体属于漫反射体，当环境光的照度足够大，其它物体在观测方向上的漫反射亮度与逆反射体对合作光源的逆反射亮度相当时，在灰度图像中表现出，逆反射体与其它物体的灰度值接近。再例如，其它物体属于镜面反射体，当其它物体对环境光的反射光正好能进入视觉单元、且环境光的照度足够大时，在灰度图像中表现出，其它物体的灰度值往往会高于逆反射体的灰度值。以上两种情况下都难于保证检测的准确性。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种抗环境光照干扰的逆反射体图像检测方法及***，能够在有环境光照干扰的情况下保证逆反射体图像检测准确性。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提出了一种抗环境光照干扰的逆反射体图像检测方法，包括以下步骤：
步骤1、通过合作光源沿角度N照射待检测区域；通过调制单元输出的调制信号对所述合作光源的辐射功率进行幅度调制，所述合作光源的辐射功率随时间变化；所述合作光源的辐射功率达到峰值功率Pp的时刻为峰值时刻tp，达到谷值功率Pv的时刻为谷值时刻tv；
步骤2、通过视觉单元从所述角度N，在tp和tv时刻分别获取待检测区域的亮灰度图像和暗灰度图像；所述调制单元与所述视觉单元通信连接；
步骤3、用视觉单元对所述亮灰度图像和所述暗灰度图像进行处理和分析，检测出待检测区域中的逆反射体。
优选的，还包括：
步骤4：调整所述角度N，并执行步骤1。
优选的，所述步骤3中包含以下步骤：
步骤31、对所述亮灰度图像和所述暗灰度图像分别进行阈值分割，得到亮二值图像和暗二值图像；
步骤32、用所述亮二值图像减去所述暗二值图像，得到差图像；
步骤33、计算所述差图像中值为“1”的区域所包含的像素数Nw；
步骤34、比较像素数Nw与预定阈值Nt的大小：若Nw<Nt，则判断结果为待测区域中无逆反射体；若Nw≥Nt，则判断结果为待测区域中有逆反射体，所述差图像中值为“1”的区域即为逆反射体区域。
优选的，所述调制信号为方波信号或正弦波信号；
和/或；
所述合作光源为单色光源，其辐射光谱曲线的半高宽WH小于50nm。
优选的，所述视觉单元中设置有带通滤光片，该带通滤光片的透过率曲线半高宽小于WH，且其透过率峰值波长与合作光源的中心波长相匹配。
本发明还提出了一种抗环境光照干扰的逆反射体图像检测***，所述***包含：
合作光源：沿角度N照射待检测区域；
调制单元：输出的调制信号，所述调制信号对所述合作光源的辐射功率进行幅度调制，使所述合作光源的辐射功率随时间变化；所述合作光源的辐射功率达到峰值功率Pp的时刻为峰值时刻tp，达到谷值功率Pv的时刻为谷值时刻tv；
视觉单元：从所述角度N在tp和tv时刻分别获取待检测区域的亮灰度图像和暗灰度图像；对所述亮灰度图像和所述暗灰度图像进行处理和分析，检测出待检测区域中的逆反射体；
所述调制单元与所述视觉单元通信连接。
优选的，***还包括角度调整单元；
所述角度调整单元用于调整所述角度N。
优选的，所述视觉单元的处理包含：
对所述亮灰度图像和所述暗灰度图像分别进行阈值分割，得到亮二值图像和暗二值图像；
用所述亮二值图像减去所述暗二值图像，得到差图像；
计算所述差图像中值为“1”的区域所包含的像素数Nw；
比较像素数Nw与预定阈值Nt的大小，得出检测结果：若Nw<Nt，则判断结果为待测区域中无逆反射体；若Nw≥Nt，则判断结果为待测区域中有逆反射体，所述差图像中值为“1”的区域即为逆反射体区域。
优选的，所述调制信号为方波信号或正弦波信号；
和/或；
所述合作光源为单色光源，其辐射光谱曲线的半高宽WH小于50nm。
优选的，所述视觉单元中设置有带通滤光片，该带通滤光片的透过率曲线半高宽小于WH，且其透过率峰值波长与合作光源的中心波长相匹配
本发明提出的抗环境光照干扰的逆反射体图像检测方法，通过调制单元输出的调制信号对所述合作光源的辐射功率进行幅度调制，在其功率峰值和谷值时分别采集图像进行处理，从而可有效避免环境光照干扰对基于图像的逆反射体检测的影响，保证检测的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例提出的抗环境光照干扰的逆反射体图像检测***示意图；
图2为本发明实施例提出的抗环境光照干扰的逆反射体图像检测方法流程图；
图3为正弦波调制信号示意图；
图4为方波调制信号示意图；
图5为亮二值图像、暗二值图像和差图像示意图。
其中，1、合作光源；2、视觉单元；21、图像采集模块；22、图像分析模块；3、调制单元；4、逆反射体；5、背景；6、待检测区域。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所图有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
具体的，如图1和图2所示，抗环境光照干扰的逆反射体图像检测方法，包括：
步骤1、用合作光源1沿角度N照射待检测区域6；用调制单元3输出的调制信号对合作光源1的辐射功率进行幅度调制，合作光源1的辐射功率随时间变化；合作光源1的辐射功率达到峰值功率Pp的时刻为峰值时刻tp，达到谷值功率Pv的时刻为谷值时刻tv；
步骤2、用视觉单元2从角度N在tp和tv时刻分别获取待检测区域6的亮灰度图像和暗灰度图像；调制单元3与视觉单元2通信连接；
步骤3、用视觉单元2对亮灰度图像和暗灰度图像进行处理和分析，检测出待检测区域6中的逆反射体4。
其中，由于逆反射体的回归反射效应，来自合作光源1的入射光线经逆反射体4反射后，其反射光线会沿接近入射光线的反方向返回到合作光源1附近，因此，为了最大限度地利用逆反射体的回归反射效应，合作光源1和视觉单元2的位置应尽可能接近，且合作光源1和视觉单元2应尽可能的沿同一方向角度布设，即两者的角度差尽可能小。
视觉单元2包含图像采集模块21和图像分析模块22，其中，图像采集模块21从第一角度获取待检测区域的原始图像，并将其传输至图像分析模块22；图像分析模块22将原始图像转换成灰度图像，以供后续步骤处理。
数字图像可分为彩色图像、灰度图像和二值图像。彩色图像的每个像素通常是由红(R)、绿(G)、蓝(B)三个独立分量来表示的，每个分量介于0到255。灰度图像是每个像素只有灰度信息的图像，这类图像通常显示为从最暗的黑色到最亮的白色的灰度，在黑色与白色之间通常有256个(0到255)灰度级。二值图像通常显示为只有黑白两色的图像，每个像素值仅用0和1两个值来表示，“0”代表黑色，“1”代白色。
通常，CMOS(或CCD)感光元件和信号处理电路给出的数字图像为彩色图像，该彩色图像的格式有很多种，主要格式有RGB、YUV等。
图像分析模块22的处理流程，包含以下处理步骤：
将彩色图像转换为灰度图像：
在本实施例中，利用的是逆反射体在图像中和周围其它物体的灰度值差异，因此，检测算法只依据每个像素的灰度值，不考虑其颜色信息，所以将彩色图像转换成灰度图像。对于以RGB格式输出的彩色图像，其转换成灰度图像的原理是就是把R、G、B这3个通道的分量按照一定的比例计算到灰度图像中，例如公式(1)所阐述，每个像素的灰度值Gray：
Gray＝R*0.299+G*0.587+B*0.114 (1)
而对于YUV格式输出的彩色图像，每个像素的灰度值Gray就等于YUV数据流中的Y值：
Gray＝Y (2)
调整图像的平均灰度值Lm：
在实际应用中，如果环境光照的辐射强度足够大，将会导致待检测区域6中背景5亮度过高，在灰度图像中，背景5的灰度值达到或接近饱和状态，此时，再增大合作光源1的辐射功率也无法使逆反射体4和背景5有明显的灰度差异；因此，需要降低图像采集模块21的曝光量，以抑制环境光照的影响。相反的，如果环境光照的辐射强度很小或接近于零，则在灰度图像中，背景5的灰度值接近于零，此时，如果图像采集模块21的曝光量过小，将会导致逆反射体4的灰度值过小，逆反射体4和背景5的灰度差异也不明显；因此，需要提高图像采集模块1的曝光量，以保证逆反射体4在灰度图像中有足够高的灰度值。
逆反射体4与背景5的灰度值差异越大，越有利于后续的图像分割。该灰度值差异主要受到整幅图像的平均灰度值Lm所影响：Lm过高，整幅图像过亮，背景5的灰度值很高，而逆反射体4的灰度值最高也只能到255，二者的灰度值差异很小；Lm过低，整幅图像过暗，逆反射体4的灰度值很低，而背景5的灰度值最低也只能到0，二者的灰度值差异也很小。可见，Lm过高或者过低都会使逆反射体4与背景5的灰度值差异偏小，不利于后续的图像分割。因此，应将Lm落在一个适合的区间[Lmin，Lmax]内，例如Lmin＝40，Lmax＝70。在该步操作中，首先计算出Lm；然后与Lmin、Lmax进行比较：若Lmin≤Lm≤Lmax，则直接进入下一步，若Lm<Lmin，则需要提高Lm，若Lm>Lmax，则需要降低Lm。
可通过调整图像采集模块21的曝光量来调整Lm，其方法和步骤：
计算当前帧图像的平均灰度值Lm。
根据Lm来调整图像采集模块1的曝光量：若Lmin≤Lm≤Lmax，则直接进行下一步处理步骤。
若Lm过低，则提高曝光量；若Lm过高，则降低曝光量。改变曝光量后，再次计算的当前帧图像的平均灰度值Lm，直到满足Lmin≤Lm≤Lmax。
具体的，提高曝光量的方法：增大光圈或延长曝光时间。降低曝光量的方法：减小光圈或缩短曝光时间；具体是对图像采集模块21进行曝光调整。
通过调整图像采集模块21的曝光量来调整灰度图像的平均灰度值Lm，使Lm落在一个适合的区间，能保证当环境光照在较大的动态范围内变化时，检测效果不受其影响。
将灰度图像转换成二值图像：
通过阈值分割的方法将灰度图像转换成二值图像，设定一个分割阈值T，将灰度图像的每个像素的灰度值与T进行比较，灰度值大于T的像素设为“1”，灰度值小于等于T的像素则设为“0”，得到二值图像。在该二值图像中，逆反射体显示为白色区域，背景即周围其它物体显示为黑色区域。
但是，在实际应用中，当环境光照的辐射功率足够大，以至于背景对其的反射亮度接近或大于逆反射体的反射亮度时，降低图像采集模块的曝光量也难以抑制环境光照的影响。可采用调制信号对合作光源1的辐射功率进行幅度调制，使合作光源1的辐射功率随时间变化。
经调制信号调制后，合作光源1的辐射功率波形与调制信号的波形相同。如图3，当调制信号为正弦波时，合作光源1的辐射功率波形为正弦波；如图4，当调制信号为方波时，合作光源1的辐射功率波形为方波。
合作光源1的辐射功率达到峰值功率Pp的时刻为峰值时刻tp，达到谷值功率Pv的时刻为谷值时刻tv；合作光源1与视觉单元2通信连接；在步骤2中，用视觉单元在tp和tv时刻获取待检测区域的灰度图像分别称为亮灰度图像和暗灰度图像。
当环境光照的辐射功率足够大，以至于背景5对其的反射亮度接近或大于逆反射体4对合作光源1的反射亮度时，背景5在tp和tv时刻都会反射环境光照且其反射亮度高，而逆反射体4会将环境光照的光线反射回环境光照的光源处，所以逆反射体4对环境光照的反射光线不会进入图像采集模块21中。因此，逆反射体4仅在tp时刻具有高亮度。在与tp时刻对应的亮灰度图像中，背景5区域和逆反射体4区域均为高灰度值区域，而在与tv时刻对应的暗灰度图像中，背景5区域为高灰度值区域，逆反射体4区域为低灰度值区域。
对亮灰度图像和暗灰度图像分别进行阈值分割，得到亮二值图像和暗二值图像。如图5所示，(a)图为亮二值图像，在该图中，逆反射体4区域和背景5区域均为“1”，即白色(图中用网格线表示)；(b)图为暗二值图像，在该图中，背景5区域为“1”，即白色，而逆反射体4区域为“0”，即黑色。
用亮二值图像减去暗二值图像，得到差图像，如图5(c)所示。在该差图像中，逆反射体4区域为“1”(即白色)，背景5区域为“0”(即黑色)。
由于图像噪声以及合作光源1、环境光照的功率波动，差图像中往往会存在一些微小的白色区域，这些微小的白色区域并不是逆反射体，应该将其去除。可以对差图像进行形态学开运算，去除差图像中的值为“1”的微小区域，得到第二差图像。
计算第二差图像中值为“1”的区域所包含的像素数Nw；
比较像素数Nw与预定阈值Nt的大小，得出检测结果：若Nw<Nt，则判断结果为待测区域中无逆反射体；若Nw≥Nt，则判断结果为待测区域中有逆反射体，第二差图像中值为“1”的区域即为逆反射体区域。
另一方面，可通过光谱滤波的方法来减小环境光照的影响。合作光源1采用单色光源，其辐射光谱曲线的半高宽WH小于50nm。视觉单元2中设置有带通滤光片，该带通滤光片的透过率曲线半高宽小于WH，且其透过率峰值波长与合作光源的中心波长相匹配；例如，上述合作光源1采用中心波长为940nm的LED光源，则带通滤光片的透过率峰值波长应选取940nm。带通滤光片的作用是滤除掉来自环境光照的反射光中的大部分能量，而来自合作光源1的反射光中的大部分能量能通过带通滤光片，从而有效抑制了环境光照的影响。
在本发明实施例中，完成一次图像处理后，可以调整视觉单元2采集图像的角度N，从而可以从多个角度进行检测，防止单次检测由于检测角度的问题产生误差，提高了检测的准确率。
综上所述，本发明实施例至少可以实现如下效果：
在本发明实施例中，通过调制单元输出的调制信号对所述合作光源的辐射功率进行幅度调制，在其功率峰值和谷值时分别采集图像进行处理，从而可有效避免环境光照干扰对基于图像的逆反射体检测的影响，保证检测的准确性。
最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种抗环境光照干扰的逆反射体图像检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、通过合作光源沿角度N照射待检测区域；通过调制单元输出的调制信号对所述合作光源的辐射功率进行幅度调制，所述合作光源的辐射功率随时间变化；所述合作光源的辐射功率达到峰值功率Pp的时刻为峰值时刻tp，达到谷值功率Pv的时刻为谷值时刻tv；
步骤2、通过视觉单元从所述角度N，在tp和tv时刻分别获取待检测区域的亮灰度图像和暗灰度图像；所述调制单元与所述视觉单元通信连接；
步骤3、用视觉单元对所述亮灰度图像和所述暗灰度图像进行处理和分析，检测出待检测区域中的逆反射体。
2.根据权利要求1所述的抗环境光照干扰的逆反射体图像检测方法，其特征在于，还包括：
步骤4：调整所述角度N，并执行步骤1。
3.根据权利要求1所述的抗环境光照干扰的逆反射体图像检测方法，特征在于，所述步骤3中包含以下步骤：
步骤31、对所述亮灰度图像和所述暗灰度图像分别进行阈值分割，得到亮二值图像和暗二值图像；
步骤32、用所述亮二值图像减去所述暗二值图像，得到差图像；
步骤33、计算所述差图像中值为“1”的区域所包含的像素数Nw；
步骤34、比较像素数Nw与预定阈值Nt的大小：若Nw<Nt，则判断结果为待测区域中无逆反射体；若Nw≥Nt，则判断结果为待测区域中有逆反射体，所述差图像中值为“1”的区域即为逆反射体区域。
4.根据权利要求1所述的抗环境光照干扰的逆反射体图像检测方法，其特征在于，所述调制信号为方波信号或正弦波信号；
和/或；
所述合作光源为单色光源，其辐射光谱曲线的半高宽WH小于50nm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的抗环境光照干扰的逆反射体图像检测方法，其特征在于，所述视觉单元中设置有带通滤光片，该带通滤光片的透过率曲线半高宽小于WH，且其透过率峰值波长与合作光源的中心波长相匹配。
6.一种抗环境光照干扰的逆反射体图像检测***，其特征在于，所述***包含：
合作光源：沿角度N照射待检测区域；
调制单元：输出的调制信号，所述调制信号对所述合作光源的辐射功率进行幅度调制，使所述合作光源的辐射功率随时间变化；所述合作光源的辐射功率达到峰值功率Pp的时刻为峰值时刻tp，达到谷值功率Pv的时刻为谷值时刻tv；
视觉单元：从所述角度N在tp和tv时刻分别获取待检测区域的亮灰度图像和暗灰度图像；对所述亮灰度图像和所述暗灰度图像进行处理和分析，检测出待检测区域中的逆反射体；
所述调制单元与所述视觉单元通信连接。
7.根据权利要求6所述的抗环境光照干扰的逆反射体图像检测***，其特征在于，还包括角度调整单元；
所述角度调整单元用于调整所述角度N。
8.根据权利要求6所述的抗环境光照干扰的逆反射体图像检测***，其特征在于，所述视觉单元的处理包含：
对所述亮灰度图像和所述暗灰度图像分别进行阈值分割，得到亮二值图像和暗二值图像；
用所述亮二值图像减去所述暗二值图像，得到差图像；
计算所述差图像中值为“1”的区域所包含的像素数Nw；
比较像素数Nw与预定阈值Nt的大小，得出检测结果：若Nw<Nt，则判断结果为待测区域中无逆反射体；若Nw≥Nt，则判断结果为待测区域中有逆反射体，所述差图像中值为“1”的区域即为逆反射体区域。
9.根据权利要求6所述的抗环境光照干扰的逆反射体图像检测***，其特征在于，所述调制信号为方波信号或正弦波信号；
和/或；
所述合作光源为单色光源，其辐射光谱曲线的半高宽WH小于50nm。
10.根据权利要求6-9任一项所述的抗环境光照干扰的逆反射体图像检测***，其特征在于，所述视觉单元中设置有带通滤光片，该带通滤光片的透过率曲线半高宽小于WH，且其透过率峰值波长与合作光源的中心波长相匹配。
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|---|---|---|---|---|
| CN110244319A (zh) * | 2019-05-31 | 2019-09-17 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种用于逆反射体检测的成像方法 |
| CN110261928A (zh) * | 2019-05-07 | 2019-09-20 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种非均匀光的逆反射体检测方法 |
| CN110260975A (zh) * | 2019-05-07 | 2019-09-20 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种主动偏振光逆反射体探测方法 |
| CN115546837A (zh) * | 2022-10-16 | 2022-12-30 | 三峡大学 | 变电站进出综合管理*** |
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2018
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| CN110261928B (zh) * | 2019-05-07 | 2020-11-06 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种非均匀光的逆反射体检测方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20190503 |