CN102261910B - 能够抵抗太阳光干扰的视觉检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种视觉检测技术领域的能够抵抗太阳光干扰的视觉检测系统及方法，该系统包括：摄像机、激光器、反射标志和处理系统，激光器与摄像机并列设置于检测系统的测量点位置并分别与处理系统相连，反射标志设置于被测目标的任一特征点上并与被测目标之间无相互位移，激光器与处理系统相连并接收控制指令，激光器正对反射标志射出激光并照亮反射标志，摄像机获取反射标志的图像并将图像传输到处理系统，处理系统对图像进行处理并获得反射标志的具体位置。本发明采用半导体激光束进行定向照明，利用具有逆反射性能的薄膜材料制作反射标志，将主动光源的入射光进行定向反射，以窄带滤光有效减小太阳光的影响，显著提高检测系统的稳定性和检测精度。

Description

能够抵抗太阳光干扰的视觉检测系统及方法

技术领域

本发明涉及的是一种视觉检测技术领域的系统及方法，具体是一种能够抵抗太阳光干扰的视觉检测系统及方法。

背景技术

视觉检测系统是应用计算机技术、数字图像处理技术、影像匹配模式识别、摄影测量等学科的理论和方法完成对物体的测量，因而具有智能化程度高、检测效率高、测量精度高等卓越性能，并得到广泛应用。实际测量中较为常见的情况是利用被测物体的若干个特征点(例如设置一些特殊的标志)来获取相关信息。因此，整个测量系统的精度就取决于对标志中心进行定位的精度，而整个检测系统的可靠性取决于能否获得标志的清晰图像并准确定位。

然而在实际的应用过程中，当标志周围出现较强的环境光的时候，特别是在有太阳光直接照射的环境下，传统的视觉检测系统将出现很大问题：随着太阳光入射角度的不同，普通漫反射标志的反射光强会发生变化。由于标志区域反射系数与周围背景相差不大，因此标志区域边界不明显，这样就无法准确地将标志区域提取出来，导致定位不准或失效。这已成为视觉检测系统的世界性共性难点问题之一，而国内外目前并无有效的方法来有效抑制太阳光对视觉检测系统的干扰。

经过对现有技术的检索发现，北京机械工业学院的吕乃光等人在三维立体视觉测量原理的基础上，建立了用于微波天线面形测量的三维视觉测量系统。但是该现有技术只给出了测量原理以及系统组成，并未对如何抵抗环境光干扰进行讨论。而从被测对象、测量环境及测量原理来看，该测量系统是极易受到环境光干扰的。此外，瑞士ELAG公司研制一种OPTIMESS路面快速检测系统，采用高精度高频响抗强光、防水防尘激光位移传感器进行作业，通过采用调制强光的手段工作，可以适合不同路况如光亮水泥、砂砾、黑色或潮湿沥青，确保在阳光照射情况上不受干扰。但是这个系统不是采用视觉方法实现测量的，而且是采用单点一维激光工作。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种能够抵抗太阳光干扰的视觉检测系统及方法，采用半导体激光束进行定向照明，利用具有逆反射性能的薄膜材料制作反射标志，将主动光源的入射光进行定向反射，同时辅以窄带滤光技术，可以有效减小太阳光的影响，显著提高检测系统的稳定性和检测精度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种能够抵抗太阳光干扰的视觉检测系统，包括：摄像机、激光器、反射标志和处理系统，其中：激光器与摄像机并列设置于检测系统的测量点位置并分别与处理系统相连，反射标志设置于被测目标的任一特征点上并与被测目标之间无相互位移，激光器与处理系统相连并接收控制指令，激光器正对反射标志射出激光并照亮反射标志，摄像机获取反射标志的图像并将图像传输到处理系统，处理系统对图像进行处理并获得反射标志的具体位置。

所述的摄像机为面阵CCD摄像机。

所述的激光器为半导体激光器。

所述的反射标志由基板和反射层组成，其中：基板为中心对称结构的轻质板材，由亚光漫反射材料制成，反射层位于基板的几何中心。

所述的反射层由薄膜层和位于薄膜层表面的微棱镜组成，其中：薄膜层为透明塑料膜材料制成，微棱镜为聚氯乙烯为原材料制成的颗粒组成。

所述的基板的面积大于反射层的面积。

所述的反射标志设置有敏感区，是指包含反射层在内的一个区域范围，该敏感区小于整个反射标志基板的区域。

本发明涉及上述系统的处理方法，由处理系统发出控制指令至激光器，启动激光器发出聚焦准直光束至反射标志，并由摄像机获取反射标志的图像并传输至处理系统，最后通过处理系统对摄像机获取的图像进行图像处理获得反射标志的中位置坐标。

所述的处理系统对摄像机获取的图像进行处理过程如下：

(1)初定位：由于每个反射标志的初始位置是固定的，也是预知的，因而每个反射标志在图像中的初始位置也是确定的。因此，本方法以每个反射标志的初始位置为中心，在所获得的图像上开设若干个测量窗口，测量窗口的数量与反射标志的数量相同，测量窗口的大小大于反射标志可能到达的位置，并留有一定余量，避免测量过程中反射标志的反射层超出该测量窗口的情况发生。

(2)预处理：分别在每个测量窗口内进行图像预处理，其中包括中值滤波、腐蚀膨胀处理，去除噪声和干扰。

(3)提取轮廓：分别在每个测量窗口内在上述敏感区内进行二值化处理，得到该反射标志的反射层轮廓。二值化处理所需的阈值采用常规的浮动阈值的方法确定。

(4)计算位置：分别在每个测量窗口内，利用得到的反射标志反射层的边缘，通过最小二乘拟合得到中点的坐标。该坐标是以图像所在的视觉系统坐标系为基准的。

(5)换算：利用视觉系统与被测目标系统的空间坐标关系，通过坐标变化和换算，最终得到被测反射标志的空间位置坐标，从而实现了反射标志的定位。

该视觉检测系统能够抵抗太阳光干扰的原理如下：

当太阳处于反射标志正前方位置时：此时整个反射标志将被太阳光照亮。但是，太阳光对反射标志的整个区域的照度是均匀的，而本发明的反射层的逆反射材料的定向反射作用使得逆反射区(即反射层)的亮度远远高于漫反射区(即基板)的反射光亮度，因此在摄像机所获得图像中，逆反射区成像的光斑与周围区域对比度差异明显。此时，处理系统通过上述的浮动阈值的方法，完全可以设置合适的阈值，并对摄像机获得的图像进行二值化处理，就可以将反射层的边缘提取出来，从而实现可靠准确的定位。因此，太阳光的存在不会影响视觉检测系统的工作。

当太阳处于反射标志的侧前方位置时：此时整个反射标志将被太阳光照亮。但是，由于本发明的逆反射材料的定向反射特性，太阳光照射在逆反射区的光线绝大部分将被反射回太阳所在位置而不会进入摄像机和激光器所在的测量点位置，只有来自激光器发出的激光束照射到逆反射区后被反射回激光器所在的测量点位置。因此，在摄像机获所得的图像中，漫反射区域的亮度将明显弱于逆反射区。因此，处理系统通过上述的浮动阈值的方法，完全可以设置合适的阈值，并对摄像机获得的图像进行二值化处理，就可以将反射层的边缘提取出来，从而实现可靠准确的定位，太阳光的存在同样不会影响视觉检测系统的工作。

当太阳处在反射标志背面或侧后位置时：此时反射标志将不会被太阳光照亮，但会产生一定的衍射作用。但是，由于本发明的反射标志基板的遮挡使其不会对逆反射区的亮度产生影响。只要反射标志基板的尺寸显著大于敏感区的尺寸(一半)，太阳光由于衍射作用产生的影响也可以消除，此时太阳光的存在同样不会影响视觉检测系统的工作。

通过上述的措施，就保证了太阳光在360°入射范围内变化时，逆反射区的成像位置基本保持恒定，从而完全克服了太阳光的干扰和影响。

附图说明

图1是本发明的视觉检测系统组成示意图；

图2是实施例的视觉检测系统布局示意图；

图3是本发明的反射标志结构示意图；

图4是图像处理方法示意图；

图5是基于主动定向照明和逆反射技术的抗太阳光干扰方法原理示意图；

图中：1激光器、2摄像机、3镜头、4反射标志、5基板、6敏感区、7反射层、8处理系统、9滤光片、10被测目标、11测量窗口。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本实施例包括：激光器1、摄像机2、镜头3、反射标志4、处理系统8和滤光片9，其中：激光器1与摄像机2并列设置在测量点位置并且紧密贴近，二者均与处理系统8连接。反射标志4设置于被测目标10的某个特征点上，并可以随被测目标10一同移动。

视觉检测系统的布局如图2所示，一共设置11个测量位置，共布置11个反射标志，分布在长16m、宽6m的矩形框架上，每个标志的垂直变形位移为±50mm。

所述的摄像机2选择高精度工业面阵CCD摄像机，像素为2035×1684pixel。镜头3根据被测目标的大小、距离和移动范围进行设计和选取，可选用摄远型物镜。检测系统的激光器1选用高功率半导体激光器，波长625nm，功率100mW。为了进一步减小环境光的影响，在镜头3前加装与主动光波长匹配的滤光片9。

如图2所示，所述的反射标志4由基板5(即漫反射区)和反射层7(即逆反射区)两部分组成。基板5表面涂有亚光涂料，为正方形。基板5具有一定尺寸，边长为100mm，以减小光的衍射作用导致标志的失效。反射层7居于基板5的中心位置，表面贴有逆反射材料。反射层7为圆形，其直径为40mm。所述的逆反射材料是用玻璃微珠采用光学折射与反射原理制成的薄膜材料，表层是由无数个反射元素(玻璃微珠)构成。敏感区6为正方形，边长约为60mm。

对于本发明的反射标志4而言，当来自激光器1发出的光束照射到反射标志4的敏感区6时，由于逆反射材料的定向反射特性，绝大部分的反射光均将沿着与入射光平行的方向返回，并由摄像机2接收。因此，在摄像机2上的成像不仅仅是整个反射标志4，还有反射层7形成的光斑。该光斑的形状恰好就是反射层7的形状，光斑的能量中心恰好就是反射层7的中心，也就是整个反射标志4的中心。

工作过程如下：在处理系统8的控制下，由激光器1发出准直光束并投向反射标志4，并照亮反射标志4。摄像机2通过镜头3获取反射标志4的图像，并将图像传输到处理系统8。处理系统8对获得的图像进行处理，便可得到反射标志4中心的绝对位置，由此可以实现相应参数(例如位移、变形、速度等)的检测。

具体处理过程如下：

(1)初定位：以11个反射标志的初始位置为中心，在所获得的图像上开设11测量窗口，测量窗口的大小大于反射标志可能到达的位置，并留有一定余量，取为100×200pixel。如图4所示。

(2)预处理：分别在每个测量窗口内进行图像预处理，其中包括中值滤波、腐蚀膨胀处理，去除噪声和干扰。

(3)提取轮廓：分别在每个测量窗口内在上述敏感区内进行二值化处理，得到该反射标志的反射层轮廓。二值化处理所需的阈值采用常规的浮动阈值的方法确定。

(4)计算位置：分别在每个测量窗口内，利用得到的反射标志反射层的边缘，通过最小二乘拟合得到中点的坐标。该坐标是以图像所在的视觉系统坐标系为基准的。

(5)换算：利用视觉系统与被测目标系统的空间坐标关系，通过坐标变化和换算，最终得到被测反射标志的空间位置坐标，从而实现了反射标志的定位。

该反射标志4能够抵抗太阳光干扰的原理如下：

当太阳处于反射标志4的正前方位置时，太阳光对反射标志4的整个区域的照度是均匀的，而逆反射材料的定向反射作用使得逆反射区7的亮度远远高于漫反射区5的反射光亮度，因此在摄像机上逆反射区7成像的光斑与周围区域对比度差异明显，很容易通过设置合适的阈值将光斑的边缘和能量中心提取出来，从而实现可靠准确的定位，太阳光的存在不会影响视觉检测系统的工作。

当太阳处于反射标志4的侧前方位置时，由于逆反射材料的定向反射特性，太阳光照射在逆反射区7的光线被反射回太阳所在位置而不会进入摄像机2，只有来自激光器1发出的激光束照射到逆反射区7后被反射回摄像机2中，并成像形成光斑。而漫反射区5的亮度将明显弱于逆反射区7，因此，同样可以通过设置合适的阈值将光斑的边缘和能量中心提取出来，从而实现可靠准确的定位，太阳光的存在同样不会影响视觉检测系统的工作。

当太阳处在反射标志4的背面或侧后位置时，由于反射标志4基板的遮挡使其不会对逆反射区7的亮度产生影响。只要敏感区6的尺寸明显小于整个反射标志4的尺寸，太阳光由于衍射作用产生的影响也可以消除，此时太阳光的存在同样不会影响视觉检测系统的工作。

通过上述的措施，就保证了太阳光在360°入射范围内变化时，逆反射区7的成像位置基本保持恒定，从而完全克服了太阳光的干扰和影响。

Claims (2)

1.一种能够抵抗太阳光干扰的视觉检测系统，包括：摄像机、激光器、反射标志和处理系统，其特征在于：激光器与摄像机并列设置于检测系统的测量点位置并分别与处理系统相连，反射标志设置于被测目标的任一特征点上并与被测目标之间无相互位移，激光器与处理系统相连并接收控制指令，激光器正对反射标志射出激光并照亮反射标志，摄像机获取反射标志的图像并将图像传输到处理系统，处理系统对图像进行处理并获得反射标志的具体位置；

所述的反射标志由基板和反射层组成，其中：基板为中心对称结构的轻质板材，由亚光漫反射材料制成，反射层位于基板的几何中心；

所述的反射层由薄膜层和位于薄膜层表面的微棱镜组成，其中：薄膜层为透明塑料膜材料制成，微棱镜为聚氯乙烯为原材料制成的颗粒组成；

所述的反射标志设置有敏感区，是指包含反射层在内的一个区域范围，该敏感区小于整个反射标志基板的区域；

所述系统的处理方法，由处理系统发出控制指令至激光器，启动激光器发出聚焦准直光束至反射标志，并由摄像机获取反射标志的图像并传输至处理系统，最后通过处理系统对摄像机获取的图像进行图像处理获得反射标志的中位置坐标；

所述的图像处理是指：

步骤一、初定位：以每个反射标志的初始位置为中心，在所获得的图像上开设若干个测量窗口，测量窗口的数量与反射标志的数量相同，测量窗口的大小大于反射标志可能到达的位置；

步骤二、预处理：分别在每个测量窗口内进行包括中值滤波、腐蚀膨胀处理，去除噪声和干扰的图像预处理；

步骤三、提取轮廓：分别在每个测量窗口内在上述敏感区内进行二值化处理，得到该反射标志的反射层轮廓；

步骤四、计算位置：分别在每个测量窗口内，利用得到的反射标志反射层的边缘，通过最小二乘拟合得到中点的、以图像所在的视觉系统坐标系为基准的坐标；

步骤五、换算：利用视觉系统与被测目标系统的空间坐标关系，通过坐标变化和换算，最终得到被测反射标志的空间位置坐标，从而实现了反射标志的定位。

2.根据权利要求1所述的能够抵抗太阳光干扰的视觉检测系统，其特征是，所述的基板的面积大于反射层的面积。

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