CN103884650A - 一种多光源线阵成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多光源线阵成像系统和方法。本发明的多光源线阵成像系统用于对被检产品进行多角度成像，该多光源线阵成像系统包括：多个光源、线阵成像装置、频闪控制模块、图像采集处理装置。本发明的多光源线阵成像系统采用多个光源从不同角度依次对被检产品进行照明，而采用同一线阵成像装置对不同照明条件下的图像进行采集，然后对所述图像进行抽行和拼接处理以获得不同照明条件下的被检产品的图像。本发明涉及的装置和方法，不但能够充分发挥线阵检测系统的高速、高分辨率的优势，同时还能在一个工位、采用单个成像装置实现多个照明方式下的图像采集，大大节约了成本和现场空间要求。

Description

一种多光源线阵成像系统及方法

技术领域

本发明涉及机器视觉检测领域，具体涉及一种多光源线阵成像系统及方法。

背景技术

在现代企业的生产过程中，随着机器视觉检测领域的发展，越来越多的检测过程依赖于自动检测装置，而不再采用人工进行检测。

在目前的机器视觉领域，面阵系统已经实现频闪控制光源采图，即一个面阵相机配合一个或多个照明光源，当被检测工件抵达设定位置时系统触发相机和光源采集图像，如果有多个光源，在相机连续采集的同时，不同光源按指定次序同步点亮，这样可以利用同一个相机配合不同照明光源得到的多幅图像；但是这种技术只能用在低速、低幅面、低精度的检测环境中，不能适应现代社会越来越高的生产效率和高精度检测要求。

对于线阵系统，目前结构均是采用一个或若干个线阵相机配合一个线阵光源的结构，即线阵相机连续采图，配合光源常亮，这样虽然实现了高速高精度，但是线阵系统造价昂贵，结构复杂，每增加一个相机工位都是对市场承受能力和现场安装空间的考验，因此有时不得不为此做出妥协，使得系统的检测效果受到影响；虽然市面上也有4CCD集成的线阵相机，但是CCD感光芯片的性能和结构固定，因此线阵系统的结构还是受到限制，总体来说依然停留在单或多相机对同一照明方式的阶段。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种多光源线阵成像系统，用于对被检产品进行多角度成像，所述多光源线阵成像系统包括：多组光源、线阵成像装置、频闪控制模块、图像采集处理装置，其特征在于，

所述多组光源设置于所述被检产品的周围，每组光源从不同角度照向所述被检产品；

所述线阵成像装置位于所述被检产品的侧部，对向所述被检产品；

所述频闪控制模块分别与所述多组光源和所述线阵成像装置相连接，用于控制所述多组光源轮流点亮以对所述被检产品进行照明，并且控制所述线阵成像装置对所述被检产品进行成像，其中，在成像期间，所述被检产品与所述线阵成像装置之间发生相对运动；

所述图像采集处理装置与所述线阵成像装置相连接，用以从所述线阵成像装置接收所采集的图像并对所述图像进行抽行和拼接处理。

进一步地，所述抽行和拼接处理包括从所述图像抽取出在每组光源照明下所采集到的各行图像并且将针对每组光源所采集到的各行图像拼接成与相应光源对应的被检产品的图像。

进一步地，所述多组光源包括第一组光源、第二组光源和第三组光源，所述第一组光源位于被检产品的上方，以第一角度朝向所述被检产品进行照射；所述第二组光源位于所述被检产品下方，以第二角度朝向所述被检产品进行照射；所述第三组光源位于所述被检产品的上方，以第三角度朝向所述被检产品进行照射；所述线阵成像装置在所述被检产品上方，对所述被检产品进行拍摄。

进一步地，所述第一角度为所述第一组光源的光轴与被检产品的物面法线的夹角，所述第一组光源和所述成像装置分别位于所述被检产品的物面法线的两侧；所述第二角度为所述第二组光源与所述被检产品的物面法线的夹角；所述第三角度为所述第三组光源的光轴与所述被检产品的物面法线的夹角，所述第三角度不等于所述第一角度，其中，所述第一角度等于第四角度，所述第四角度为所述成像装置的光轴与所述被检产品的物面法线的夹角。

进一步地，所述频闪控制模块控制所述线阵成像装置以使得所述多组光源中的任意一个点亮时，所述线阵成像装置进行一次图像采集以获得一行图像数据。

进一步地，所述多光源线阵成像系统还包括传送装置，所述传送装置承载所述被检产品，并且传送所述被检产品通过所述多光源线阵成像系统的成像区域。

另一方面，本发明提供一种多光源线阵成像方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

步骤a)传送被检产品通过成像区域；

步骤b）在所述被检产品的第一边缘进入所述成像区域时，启动线阵成像装置；

步骤c）依次轮流开启多组光源对所述被检产品进行照射，并且每一时刻仅开启一组光源；

步骤d）每当有一组光源开启时，控制所述线阵成像装置进行一次图像拍摄，以拍摄一行线阵图像；

步骤e）重复上述步骤c-d，直到所述被检产品的第二边缘离开所述成像区域，获得相应的二维图像；

步骤f）根据所述多组光源的开启顺序，逐行地从所述二维图像中抽取针对每组光源的线阵图像；

步骤g）将所抽取出的针对每组光源的线阵图像进行拼接组合，获得针对每组光源的二维图像。

进一步地，所述多组光源包括第一组光源、第二组光源和第三组光源，所述第一组光源位于被检产品的上方，以第一角度朝向所述被检产品进行照射；所述第二组光源位于所述被检产品的下方，以第二角度朝向所述被检产品进行照射；所述第三组光源位于所述被检产品上方，以第三角度朝向所述被检产品进行照射；所述线阵成像装置在所述被检产品上方，对所述被检产品进行拍摄。

本发明中所提到的相对运动并不一定指位置的相对运动，线阵成像装置相对于被检产品的视场的改变也可以认为是相对运动。本发明所提到的第一边缘为首先进入检测区域的边缘。

进一步地，本发明的多光源线阵成像系统的频闪控制模块包括频闪增亮模块，所述频闪增亮模块控制所述多组光源采用频闪增亮模式对所述被检产品进行照明。在常规的成像系统中，光源往往采用持续工作的方式进行照明，而这种状况下，LED的使用寿命会大大缩短。由于本发明采用多光源交替照明的方式，更适用于采用频闪增亮模式，不但可以明显延长LED颗粒寿命，同时照度的瞬间提高非常利于系统的整体性能提高。

本发明的系统和方法可以通过一台线阵成像装置同时采集多个照明方式下的图像，并通过抽行和拼接的方式获得不同照明方式下的独立图像。对于采用不同照明方式获得的图像，可以进行分别处理和分析。

本发明涉及的装置和方法，不但能够充分发挥线阵检测系统的高速、高分辨率的优势，同时还能在一个工位实现一个相机对多个照明方式下的图像采集，大大节约了成本和现场空间要求，降低了系统难度。

此外，采用本发明的系统和方法，围绕一个成像装置即可实现多种光照模型的搭建，使得系统结构紧凑，适合流水线上的有限空间安装；使用本发明的技术，通过线阵成像装置配合LED光源使用可采用频闪增亮模式实现照明的瞬间增亮，延长了LED光源的使用寿命，同时提升了系统性能.采用本发明的系统和方法可得到同一产品相同位置的不同光照模式下的信息，可直接提升检测系统的速度性能，同时为缺陷分类提供准确依据。

附图说明

下面结合本发明的附图，对本发明的具体实施例进行详细描述：

图1为根据本发明的一个实施例的多光源线阵成像系统的结构示意图；

图2为图1所示实施例中各光源的照射角度示意图；

图3为采用本发明的多光源线阵成像系统所采集到的图像以及对所采集到的图像进行抽取和拼接之后所获得的图像；

图4为根据本发明的另一个实施例的光源线阵成像系统的应用实景图；

图5为采用图4中的光源线阵成像系统所采集到的图像；

图6为对图5中所采集到的图像进行抽取和拼接所获得的红外光照明情况下的图像；

图7为对图5中所采集到的图像进行抽取和拼接所获得的白光照明情况下的图像；

图8为对图5中所采集到的图像进行抽取和拼接所获得的蓝光照明情况下的图像。

具体实施方式

如图1所示，该实施例中的多光源线阵成像系统包括：多组光源201-203（在本实施例中，每组光源仅包括一个光源，但是，在其他实施例中每组光源可以包括若干光源或光源阵列）、线阵成像装置301、频闪控制模块501、图像采集处理装置401。

如图1和2所示，第一光源201位于被检产品左上方、与被检产品的物面法线呈α度夹角，用作正向明场照明光源；第二光源202位于被检产品的下方、垂直于被检产品，用作背光照明光源；第三光源203位于被检产品101的右上方与被检产品之间成β度的夹角，用作暗场照明光源。

在本实施例中，线阵成像装置301采用线阵相机，通常情况下，线阵相机采用黑白相机，不过，根据成像需要也可以采用彩色CCD线阵相机。线阵成像装置位于被检产品的侧部（图中为右上方），对向被检产品，与被检产品的物面法线的夹角为θ，优选地，该夹角θ与夹角α相等。本文中所提到的侧部指的是不在被检产品的运动路径中，即被检产品的运动方向侧部。线阵成像装置301的线阵方向优选地大体垂直于被检产品相对于线阵成像装置301的运动方向。

在本实施例中，被检产品101设置于传送带上，传送带从左向右运动，进而带动被检产品101通过检测区域（也可以称为成像区域）。被检产品101可以是复卷或者单张形式的纸质产品、印刷品、布匹、玻璃、金属带材、无纺布等，也可以为其他产品。

虽然在本实施例中，采用了三组光源进行照明，但是本领域技术人员应该理解，本发明可以采用任意数目的光源组。具体而言，本发明可以采用2至N组光源，N为大于2的正整数，例如，4组、5组、6组等。各组光源的波长或照明方式可以彼此不同。光源组的数量可以根据现场的需求、系统的设计、产品传输速度及检测精度等确定。在本实施例中采用的是3个光源。多个光源可以位于检测位置（或称为成像位置）的不同位置处，这里所提到的检测位置是各个光源所对向的位置，也是成像装置所对向的位置，该检测位置位于被检产品的运动路径中。

多个光源可以采用彼此不同的波长和照明方向，优选地，所采用的光源为LED光源。在本实施例中所采用的正向明场照明光源201、背光照明光源202和暗场照明光源203均为LED光源。多个光源可以是不同波长的组合，如红外光源、紫外光源、红绿蓝单色光源、白光等；也可以采用多种照明形式，如正向光、背光、明场、暗场。就相机与光源的位置关系而言，可以采用漫射工位或光泽度工位等，漫射工位指的是用于对漫射材料进行拍摄时所采用的相机、光源和被检产品的设置方式，光泽度工位指的是对具有光泽度的材质进行检测时所采用的相机、光源和被检产品的设置方式，这些设置方式对本领域技术人员是公知的，在此不再详述。在形状方面，光源可以采用高亮汇聚透镜形式的线光源也可以采用条光或拱形光等。

本发明的多光源线阵成像系统还可以包括传送装置，传送装置用于承载被检产品，并且将被检产品传送通过检测位置。此外，该成像系统还可以包括机械支架，负责提供对上述器件的支撑等。

频闪控制模块501可以包括信号控制卡和频闪控制器，或者二者可以集成在一起。频闪控制模块501分别与多个光源201-203、线阵成像装置301和图像采集处理装置相连接（图中为了简化，并未画出全部连接线），用于控制多个光源和线阵成像装置，使得多个光源轮流点亮以对被检产品进行依次照明。频闪控制模块控制线阵成像装置以使得多个光源中的任意一个点亮时，线阵成像装置进行一次图像采集。频闪控制模块负责发出行信号触发成像装置采图并且控制光源的照明，并且负责每组光源的频闪增亮控制。图像采集处理系统一般由图像处理器实现（例如，图像采集卡），负责图像信号的采集和处理。

下面以图1所示实施例中的成像系统为例，结合图2来说明采用该系统进行图像采集的过程。

首先可以利用传送装置（图中未示出）承载被检产品101通过检测工位（或检测位置），当被检产品101的一侧边缘进入到采集区域内时，成像系统的触发装置发出触发指令，触发本发明的成像系统开始照明和图像采集。需要说明的是，该步骤是可选的，因为被检产品可以预先放置在检测工位处，系统的启动也可以手动进行。

具体而言，触发图像采集之后，频闪控制模块501发出行信号，控制光源201开启（按照设定好的延迟时间、电流/电压强度、脉冲宽度点亮）以对被检产品进行正向照明，与此同时，频闪控制模块501控制成像装置301进行第一轮成像；然后，频闪控制模块501控制光源201关闭、光源202开启（按照设定好的延迟时间、电流/电压强度、脉冲宽度点亮）以对被检产品进行背向照明，与此同时，控制成像装置301进行第二轮成像；此后，频闪控制模块501控制光源202关闭、光源203开启以对被检产品进行小角度照明，并控制成像装置301进行第三轮成像，依次类推，然后再开启光源201。

在不同光源的切换过程中，被检产品相对于成像装置发生运动，只是被检产品的运动速度相对于成像装置的扫描速度小得多，所以在每行图像的成像（扫描）过程中，可以近似认为被检产品是相对静止的。

因为，本发明采用的是线阵成像装置，所以，每一轮成像采集一行图像或者几行图像（通常为一行）。每一轮成像之后，成像装置将所成图像输出至图像采集和处理装置。因此，在进行若干轮成像直至对整个被检产品完成扫描之后，图像采集处理装置所得到的图像包含采用三种不同光源进行照明时所得的图像。在该实施例中，所得到的图像第一行为正向照明图像，第二行为背向照明图像，第三行为小角度照明图像。也就是说，相机采集的图像按照第1、2、3、4、5、6……行分别对应光源201、202、203、201、202、203……。

因此，需要图像采集处理装置对所获得的图像进行抽行和拼接处理。具体而言，图像采集处理装置抽取出光源201所对应的各行图像（即，第1、4、7…行的图像），光源202所对应的各行图像（即，第2、5、8…行的图像），以及光源203所对应的各行图像（第3、6、9…行的图像）。然后，对各个光源所对应的图像进行组合以获得对应于每个光源的一幅图像，总计三幅图像（图3中的A、B和C）。

此三幅图像是通过同一个相机得到的被检产品的图像，尽管所采用的照明方式不同，由于所拍摄到的图像信息的相对位置和尺寸不变，图像检测模块可根据不同照明下的图像效果及特征进行产品的质量检测或OCR识别等。因为照明的方式多样，所获得的信息更丰富，所以检测的项目和准确度大大提升。

换言之，本发明采用同一相机在相对相机固定的位置得到不同照明效果下的被检产品的特征的图像，综合各种照明方式下所得到的效果图，可以对被检产品特征的位置有更好的判断。

例如，如果被检测的产品为玻璃制品，玻璃上的黑道（不是缺陷）和划伤（是缺陷），这两种特征在背光下可能都是深色的，但是在暗场下划伤是亮的而黑道还是黑的，这样同时结合两幅图信息对照，就能判断出玻璃制品上的这个特征是黑道还是划伤，如果是黑道，则不将其视为不合格产品，否则如果为划伤，则认定被检产品为不合格产品。这样，不会造成误检。

传统的线阵检测系统方案设计，需要至少三台相机及三个光源方能实现以上功能，同时采集和处理装置的数量也要成倍增加。而且如果采用两台或三台相机分别进行图像采集（例如，分别搭建背光和暗场工位），由于相机之间需要非常准确的标定才能将位置信息彼此对准上，对机械和标定过程有很高要求，因此很难实现。

而采用本系统只要一台相机配合三个光源即可实现，采集和处理装置只要满足一台相机和的处理要求即可。同时，由于采用线阵相机逐行地进行图像采集，采集任意两行相邻图像（对应于不同的照明光源）之间的时间差和位置差可以忽略不计，这样对不同照明方式下的图像进行拼接后，所得到的图像之间不会产生错位。因此，不同照明方式的图像之间也不需要坐标标定和校正，大大降低了系统的复杂度和成本。

也就是说，采用本发明的方法对产品进行检测，既节省了工位、采用了更少的相机，同时，还不需要对不同图像之间进行彼此对准，使检测更加准确，处理更加方便。

在上述实施例中，成像装置仅在光源点亮时进行图像采集。在另一种实现方式中，成像装置可以保持持续工作，各个光源依次点亮，只要保证设置的参数不影响采图的速度，以及不同行之间的光源照明没有干扰即可。

图4示出了本发明另一个实施例的应用实例。如图4所示，在该实施例中，依然采用3种照明方式进行照明，只是第二光源（在本实施例中，采用红外波长光源）是从被检产品的正上方进行照明，而不是像上一实施例那样，从被检产品的背面进行照明。在本实施例中，所采用的成像装置的角度与图1所示类似。在本实施例中，第一光源（左）采用蓝光光源，第三光源（右）采用白光光源。

采用图4所示的结构对一个示例样品进行图像采集所得到的图像如图5所示。该图像是采用三种光源轮流打光并采用同一成像装置进行图像采集所得到的。在本实施例中，线阵成像装置采用3倍扫描频率（相对于线阵成像装置的正常采集频率而言）对被检产品进行成像，因此，所成图像的长度是被检产品的三倍。换言之，线阵成像装置的采样频率=3*被检产品的运动速度/每行图像的采样宽度。对于采用的光源组数目为N的情况，则线阵成像装置的采样频率=N*被检产品的运动速度/每行图像的采样宽度。这样，相同光源相邻的两次对被检产品进行照明期间，被检产品所移动的距离基本等于线阵成像装置的采样宽度。针对同一光源所成的图像进行拼接后，图像之间不会存在间隙。

获得该图像之后，通过图像采集处理装置中的处理模块对所得图像进行抽行和拼接处理，分别得到3种光源所对应的图像。所得图像在图6-8中示出，其中，图6对应于垂直红外光、图7对应于白光、图8对应于蓝光。

从图中可以看出，虽然是对一个产品一次性拍照（从被检产品的一侧逐行扫描到另一侧）所得到的图像，但是经过抽行和拼接处理后却得到了三种不同的效果图。对于图像检测系统而言，不同的光照条件下可突出不同的检测信息，比如红外正向光可以检测可见光下不易发觉的印刷缺陷，漫射（不符合反射定律的位置）的白光可以检测一般印刷缺陷（如脏点、套印偏差、露底），反射位置（与相机关于被检产品的物面法线对称）的蓝光可检测产品表面的划伤等等。

在具体应用中，如果利用所成图像进行产品的检测，则需要对所得到的图像进行处理。具体而言，在对被检产品进行检测之前，需要采集标准图像。首先开启传送装置，使一个或若干个标准产品匀速、平稳的穿过检测位置，线阵扫描相机采集印刷产品表面的图像。对所采集的图像同样进行抽行和拼接处理，获得每种光源下的标准印刷产品的图像信息，以此数据作为标准模板。

开启传送带，使被检产品表面匀速、平稳的穿过检测位置，线阵相机采集被检产品的图像并将采集图案抽行分别拼接，将最终拼接所得到的在每种光照条件下的图像与相应的标准模板进行对比，判断被检区域是否有异常区域，并对异常区域的形态、聚类等特点进行分析，给出印刷质量的检测结果。

在实际应用中，如果需要检测出既有透光缺陷（如有小洞）又有印刷缺陷的产品，可以设计成这样3个工位：透射光（如采用光源202）+反射光（光源201）+漫射光（光源203）。如果只需要检测白纸，可以只启用2个工位：透光工位（光源202）+漫射工位（光源203）。如果需要对新产品进行检测，还可以对光源的形式进行调整，例如将条形光更换为拱形光，相机也可能会倾斜另一个角度拍图。

需要说明的是，本发明的附图中的各个部件的形状均是示意性的，不排除与其真实形状存在一定差异，附图仅用于对本发明的原理进行说明，图中所示部件的具体细节并非对发明保护范围的限定。本领域技术人员也应该理解，上述实施例也仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明范围的限定。

Claims (9)

1.一种多光源线阵成像系统，用于对被检产品进行多角度成像，所述多光源线阵成像系统包括：多组光源、线阵成像装置、频闪控制模块、图像采集处理装置，其特征在于，

所述多组光源设置于所述被检产品的周围，每组光源从不同角度照向所述被检产品；

所述线阵成像装置位于所述被检产品的侧部，对向所述被检产品；

所述频闪控制模块分别与所述多组光源和所述线阵成像装置相连接，用于控制所述多组光源轮流点亮以对所述被检产品进行照明，并且控制所述线阵成像装置对所述被检产品进行成像，其中，在成像期间，所述被检产品与所述线阵成像装置之间发生相对运动；

所述图像采集处理装置与所述线阵成像装置相连接，用以从所述线阵成像装置接收所采集的图像并对所述图像进行抽行和拼接处理。

2.根据权利要求1所述的多光源线阵成像系统，其特征在于，所述抽行和拼接处理包括从所述图像抽取出在每组光源照明下所采集到的各行图像并且将针对每组光源所采集到的各行图像拼接成与相应光源对应的被检产品的图像。

3.根据权利要求1所述的多光源线阵成像系统，其特征在于，所述多组光源包括第一组光源、第二组光源和第三组光源，所述第一组光源位于所述被检产品的上方，以第一角度朝向所述被检产品进行照射；所述第二组光源位于所述被检产品下方，以第二角度朝向所述被检产品进行照射；所述第三组光源位于所述被检产品的上方，以第三角度朝向所述被检产品进行照射；所述线阵成像装置在所述被检产品上方，对所述被检产品进行拍摄。

4.根据权利要求3所述的多光源线阵成像系统，其特征在于，所述第一角度为所述第一组光源的光轴与被检产品的物面法线的夹角，所述第一组光源和所述成像装置分别位于所述被检产品的物面法线的两侧；所述第二角度为所述第二组光源与所述被检产品的物面法线的夹角；所述第三角度为所述第三组光源的光轴与所述被检产品的物面法线的夹角，所述第三角度不等于所述第一角度，其中，所述第一角度等于第四角度，所述第四角度为所述成像装置的光轴与所述被检产品的物面法线的夹角。

5.根据权利要求1所述的多光源线阵成像系统，其特征在于，所述频闪控制模块控制所述线阵成像装置以使得所述多组光源中的任意一个点亮时，所述线阵成像装置进行一次图像采集以获得一行图像数据。

6.根据权利要求1所述的多光源线阵成像系统，其特征在于，所述多光源线阵成像系统还包括传送装置，所述传送装置承载所述被检产品，并且传送所述被检产品通过所述多光源线阵成像系统的成像区域。

7.一种多光源线阵成像方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

步骤a)传送被检产品通过成像区域；

步骤b）在被检产品的第一边缘进入成像区域时，启动线阵成像装置；

步骤c）依次轮流开启多组光源对所述被检产品进行照射，并且每一时刻仅开启一组光源；

步骤d）每当有一组光源开启时，控制线阵成像装置进行一次图像拍摄，以拍摄一行线阵图像；

步骤e）重复上述步骤c-d，直到所述被检产品的第二边缘离开所述成像区域，获得相应的二维图像；

步骤f）根据所述多组光源的开启顺序，逐行地从所述二维图像中抽取针对每组光源的线阵图像；

步骤g）将所抽取出的针对每组光源的线阵图像进行拼接组合，获得针对每组光源的二维图像。

8.根据权利要求7所述的多光源线阵成像方法，其特征在于，所述多组光源包括第一组光源、第二组光源和第三组光源，所述第一组光源位于被检产品的上方，以第一角度朝向所述被检产品进行照射；所述第二组光源位于所述被检产品的下方，以第二角度朝向所述被检产品进行照射；所述第三组光源位于所述被检产品上方，以第三角度朝向所述被检产品进行照射；所述线阵成像装置在所述被检产品上方，对所述被检产品进行拍摄。

9.根据权利要求7所述的多光源线阵成像方法，其特征在于，其采用根据权利要求1-6中任意一项所述的多光源线阵成像系统对被检产品进行检测。

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