CN104915716B - 用于带钢表面检测的照明led阵列光源的均匀优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机器视觉检测技术领域。一种用于带钢表面检测的照明LED阵列光源的均匀优化方法，是应用相机自身参数来计算带钢表面照度参考值，并以该照度参考值与目标灰度照度参考值进行比对，同时根据现场空间要求计算光源的尺寸；以上述照度值和光源尺寸为基础，并考虑到LED阵列间距大小的不同决定整个光源照度的强度分布和均匀性，对LED阵列进行优化设计后得到满足现场实际需求的LED光源结构。本发明的均匀优化方法能实现光源结构紧凑，均匀照度面积大，从而获得灰度均匀的被测对象图像。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器视觉检测技术领域，尤其涉及一种用于带钢表面检测的均匀照明LED阵列光源的优化设计方法。
背景技术
机器视觉系统的核心是图像采集和处理。所有信息均来源于图像之中，图像本身的质量对整个视觉系统极为关键。而光源则是影响机器视觉系统图像水平的重要因素，因为光源直接影响输入数据的质量和至少30%的应用效果。因此，光源及光学系统设计的成败是决定机器视觉系统成败的首要因素。
由于被检测目标自身性质、周围环境以及检测要求各有不同，没有一种光源可以有效地通用在各种带钢表面检测系统环境中，而需要针对每个具体的案例来设计光源方案，这就使得光源照明技术显得更为重要。
目前，由于单个LED的发光效率有限，因此目前在采用LED作为光源的照明光学系统中，一般都是将多个LED以一定的形状阵列，将每个LED发出的到达目标平面的光线进行处理就可以得到目标平面的光照度分布，并和相应的评价标准对比。需要阵列LED数量的多少决定于目标面的光照度要求及照明光学系统的空间光强分布。而如何合理安排LED的排布达到利用较少LED颗粒达到大面积的均匀照明要求是一个较为复杂的过程。
为了达到照度一致的要求，需要根据被测对象的表面状况及时调整光源的照度，使相机曝光量保持稳定。一种可行的方法是通过增加更多的LED数量，只取中间均匀照度部分，边部照度不再利用；另外一种可行的方法是通过照度测量传感器，人工调节光源部分LED角度，达到近似均匀照明要求。中国专利CN201210497326.0公开了一种机器视觉LED照明光源，该照明光源在LED矩阵光源的照射面设置有漫射板，通过漫射板的漫射作用使得光线变均匀。中国专利CN201110366801.6 公开了一种大功率LED阵列照度均匀化的方法，该方法将照明面上多点照度的方差作为目标评价函数，通过优化LED的位置，获得了照明面上照度的均匀分布。这些专利均未考虑相机自身参数来获取光源的照度值，以及LED阵列排布受空间限制及如何利用边部排列优化来进行光源的LED排列设计。因此，这些专利涉及的方法均不适应于空间限制的机器视觉检测的均匀照明LED阵列光源的优化设计和成像。
在带钢热轧生产线的视觉检测方面，因带钢温度高，光源一直采用远距离照射。而光源一般离带钢表面要保持2米以上距离，若是采用透镜的方式进行聚光，则需要很大的透镜弧面，光源的体积将会很大，透镜的制作也会相当复杂。由于LED等间距排列会产生中间部分等照度而边部也会急剧下降的照度趋势，并且由于空间限制的条件下表面光源有效照明宽度有限，达不到带钢热轧生产线的均匀照射的视觉检测要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于带钢表面检测的照明LED阵列光源的均匀优化方法，该方法能实现光源结构紧凑，均匀照度面积大，从而获得灰度均匀的被测对象图像。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于带钢表面检测的照明LED阵列光源的均匀优化方法，其步骤是：
第一，设置和获取相机参数，根据现场安装光源空间得到光源最大安装尺寸长度Lmax和宽度Wmax，同时给出初始LED阵列计算的横纵间距d和d’；
第二，通过公式（1）计算得到被测带钢表面的照度参考值；
（1）
以公式（1）计算所得的照度参考值与目标灰度照度参考值进行比对，如果差值小于约定值，取计算得到的灰度照度值，若差值大于等于约定值，则直接取灰度照度参考值；
第三，根据步骤一提供的光源最大安装尺寸长度Lmax和宽度Wmax，以及LED阵列间距纵列间距d和横行间距d’，直接计算得到LED排布数量每横行排列数量N和每纵列排列数量N’；
第四，由横纵LED排布数量N和N’根据相应公式（2）-（5）进行优化计算，纵向排布从单行等间距开始计算，中间等照度部分是否满足照度E的要求，若照度不足，增加LED行数逐一判断是否满足照度E的要求，直到行数增加至N’；
若满足照度要求进行下一步，若不满足，则修改初始设置的LED间距d和d’，重新计算横纵LED排布数量N和N’，再次按照步骤四计算照度是否满足要求，直到满足要求为止；
LED的N*M阵列的照度由单个LED照度进行叠加，用公式来表示为：
当N，M为奇数时：
（2）
当N，M为偶数时：
（3）
当N为奇数，M为偶数时：
（4）
当N为偶数，M为奇数时：
（5）
第五，根据图像灰度变化，计算中心均匀照度区域长度是否满足被测表面照明区域，若满足直接输出结果；
若不满足，对边部非均匀区域部分的LED阵列间距d1和d1’进行修改，增加LED边部数量n1和n1’，循环计算直到满足照度E的要求，输出优化结果。
所述步骤二中的约定值为20%。
本发明的照明LED阵列光源的均匀优化方法是应用相机自身参数来计算带钢表面照度参考值，并以该照度参考值与目标灰度照度参考值进行比对，即该照度参考值作为相机输出图像的参考值与图像的目标灰度值进行比对；同时根据现场空间要求计算光源的尺寸；以上述照度值和光源尺寸为基础，并考虑到LED阵列间距大小的不同决定整个光源照度的强度分布和均匀性，对LED阵列进行优化设计后得到满足现场实际需求的LED光源结构。
本发明的技术方案与现有技术相比，其有益效果是：
（1）根据相机自身参数与材料本身参数即可预估带钢表面照度需求。
（2）可根据现场实际可利用空间尺寸，优化设计光源尺寸，光源结构紧凑，满足现场安装需求。
（3）充分利用每一颗LED发光性能，减少边部照明损失，最大限度满足光源较大面积的均匀照明需求，获得更为稳定的灰度图像。
（4）光源优化计算可通过计算机程序运行实现，减少人工设计时间
本发明的照明LED阵列光源的均匀优化方法适用于现场不同检测条件下的LED光源的设计，可实现光源结构紧凑，均匀照度面积大，从而获得灰度均匀的被测对象图像，有效实现被测对象的检测，对于提高表面检测系统的检测精度具有重要意义。
附图说明
图1为单个LED照度分布图；
图2为本发明用于带钢表面检测的照明LED阵列光源的均匀优化方法流程图；
图3为本发明的一个实施例中的优化光源照度分布曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明是针对需要在不同检测环境下应用不同相机对不同材质和不同反射状况的带钢表面而设计的一种LED阵列光源优化设计方法，可实现设计的光源结构紧凑，均匀照度面积大，从而获得灰度均匀的图像。
参见图2，一种用于带钢表面检测的照明LED阵列光源的均匀优化方法，其步骤是：
第一，设置和获取相机参数，根据现场安装光源空间得到光源最大安装尺寸长度Lmax和宽度Wmax，同时给出初始LED阵列计算的横纵间距d和d’。
第二，通过公式（1）计算得到被测带钢表面的照度参考值；
（1）
式中：为被测物体表面照度；
为物体表面亮度；
为镜头F数(光圈)；
为成像系统的放大倍率；
为相机在某波长处灰度值；
为相机传感器饱和电压；
为物体表面发射率；
为相机在相应波长处的辐射度；
为曝光时间；
为镜头的透射率；
以公式（1）计算所得的照度参考值与目标灰度照度参考值进行比对，如果差值小于约定值，取计算得到的灰度照度值，若差值大于等于约定值，则直接取灰度照度参考值；所述约定值为20%。
第三，根据步骤一提供的光源最大安装尺寸长度Lmax和宽度Wmax，以及LED阵列横纵间距d和d’，直接计算得到横纵LED排布数量N和N’；
第四，由横纵LED排布数量N和N’根据相应公式（2）-（5）进行优化计算，纵向排布从单行等间距开始计算，中间等照度部分是否满足照度E的要求，若照度不足，增加LED行数逐一判断是否满足照度E的要求，直到行数增加至N’；若满足照度要求进行下一步，若不满足，则修改初始设置的LED间距d和d’，重新计算横纵LED排布数量N和N’，再次按照步骤四计算照度是否满足要求，直到满足要求为止；
其中：LED的N*M阵列的照度由单个LED照度进行叠加，单个LED照度分布图可参见图1，用公式来表示为：
当N，M为奇数时：
（2）
当N，M为偶数时：
（3）
当N为奇数，M为偶数时：
（4）
当N为偶数，M为奇数时：
（5）
式中，(x,y,z)为LED阵列排布后被测表面照度
；
为单个LED沿光轴方向发光强度；
y为LED所在y轴向方向；
z为LED所在z轴向方向；
x为LED所在x轴向方向；
N为LED阵列的行数；
M为LED阵列的列数；
d为相邻两LED行之间的中心距离；
d’为相邻两LED列之间的中心距离；
k为LED光强余弦分布修正值，通常取82；
第五，根据图像灰度变化，计算中心均匀照度区域长度是否满足被测表面照明区域，若满足直接输出结果；
若不满足，对边部非均匀区域部分的LED阵列间距d1和d1’进行修改，增加LED边部数量n1和n1’，循环计算直到满足照度E的要求，输出优化结果。
实施例
根据上述方法设计的光源已在热轧带钢生产线应用。由于空间限制下表面光源有效照明宽度仅有1520mm，需在1000mm检测区域内达到均匀照射，照度大于7000lux。根据上述方法，进行优化计算。
第一，根据现场安装光源空间得到光源最大安装尺寸长度1520mm宽度不限，同时给出初始设定LED阵列计算的横纵间距56mm和22mm。
第二，根据步骤一提供的光源最大安装尺寸长度和宽度，以及LED阵列横纵间距和，直接计算得到横纵LED排布数量28（即1520/56=28）,由于安装宽度充足，在本实施案例中暂定为3；此外，本实施案例中，根据已有条件可以得到满足要求的照度应在7000lux以上，故可省略采用相机成像参数一步骤，但可根据此步骤加以验证。
第三，由横纵LED排布数量28和3，根据相应公式（2）-（5）进行优化计算，纵向排布从单行等间距开始计算，中间等照度部分是否满足照度,7000lux的要求。若照度不足，增加LED行数逐一判断是否满足照度E的要求，直到行数增加至3；
经计算可得到，采用高亮度LED等间距56mm排布，中心部位会产生均匀照度可达到8068lux，但是均匀照明范围仅为800mm，边部照度衰减很快，不能满足1000mm均匀照明要求，因此进行第四步计算。
第四，根据图像灰度变化，计算中心均匀照度区域长度是否满足被测表面照明区域，经计算边部区域照度不满足要求。对边部非均匀区域部分的LED阵列间距d1和d1’进行修改，本方案中，仅仅增加横向边部数量，调节边部LED距离为28mm，循环计算直到满足照度7000lux的要求，LED优化排列照度曲线如图3所示。
经计算可得到，采用高亮度LED等间距56mm排布，边部5列LED各纵列之间距离缩短成28mm，中心部位依然会产生均匀照度可达到8068lux，但是边部照度衰减变化较小，在1000mm均匀照明范围内，最小照度也能够达到7592lux，波动小于6%。
在线应用时，光源距离带钢3.2m，具体排布为3行、32列，每行32颗高亮度LED，行距为22mm，每列3颗高亮度LED，其中1-5列之间的列间距为28mm，6-27列之间的列间距为56mm，28-32列之间的列间距为28mm，在带钢表面可以形成照度为7000lx，波动小于6%的矩形光斑，完全可以达到检测要求。通过软件计算经较短时间得到较为优化的结果，免去了重复试验摸索的时间，大大提高了设计效率。
本发明的用于带钢表面检测的照明LED阵列光源的均匀优化方法能实现光源结构紧凑，均匀照度面积大，从而获得灰度均匀的被测对象图像。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种用于带钢表面检测的照明LED阵列光源的均匀优化方法，其特征是：
第一，设置和获取相机参数，根据现场安装光源空间得到光源最大安装尺寸长度Lmax和宽度Wmax，同时给出初始LED阵列计算的LED阵列间距纵列间距d和横行间距d’；
第二，通过公式（1）计算得到被测带钢表面的照度参考值；
（1）
式中：为被测物体表面照度；
为物体表面亮度；
为镜头光圈数；
为成像系统的放大倍率；
为相机在某波长处灰度值；
为相机传感器饱和电压；
为物体表面发射率；
为相机在相应波长处的辐射度；
为曝光时间；
为镜头的透射率；
以公式（1）计算所得的照度参考值与目标灰度照度参考值进行比对，如果比值小于约定值，取计算得到的灰度照度值，若比值大于等于约定值，则直接取灰度照度参考值；
第三，根据步骤一提供的光源最大安装尺寸长度Lmax和宽度Wmax，以及LED阵列间距纵列间距d和横行间距d’，直接计算得到LED排布数量每横行排列数量N和每纵列排列数量N’；
第四，由横纵LED排布数量N和N’根据相应公式（2）-（5）进行优化计算，纵向排布从单行等间距开始计算，中间等照度部分是否满足照度E的要求，若照度不足，增加LED行数逐一判断是否满足照度E的要求，直到行数增加至N’；
若满足照度要求进行下一步，若不满足，则修改初始设置的LED间距d和d’，重新计算横纵LED排布数量N和N’，再次按照步骤四计算照度是否满足要求，直到满足要求为止；
LED的N*M阵列的照度由单个LED照度进行叠加，用公式来表示为：
当N，M为奇数时：
（2）
当N，M为偶数时：
（3）
当N为奇数，M为偶数时：
（4）
当N为偶数，M为奇数时：
（5）
式中， ；
(x,y,z)为LED阵列排布后被测物体表面照度；
为单个LED沿光轴方向发光强度；
y为LED所在y轴向方向；
z为LED所在z轴向方向；
x为LED所在x轴向方向；
N为LED阵列的行数；
M为LED阵列的列数；
d为LED阵列间距纵列间距；
d’为LED阵列间距横行间距；
k为LED光强余弦分布修正值，通常取82；
第五，根据图像灰度变化，计算中心均匀照度区域长度是否满足被测表面照明区域，若满足直接输出结果；
若不满足，对边部非均匀区域部分的LED阵列间距d1和d1’进行修改，其中：d1为边部LED阵列间距纵列间距，d1’为边部 LED阵列间距横行间距；增加LED边部数量n1和n1’，其中：n1为边部LED每横行排列数量，n1’为边部LED每纵列排列数量；循环计算直到满足照度E的要求，输出优化结果。
2.根据权利要求1所述的用于带钢表面检测的照明LED阵列光源的均匀优化方法，其特征是：所述第二步中的约定值为20%。
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Families Citing this family (7)
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|---|---|---|---|---|
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| CN113281341A (zh) * | 2021-04-19 | 2021-08-20 | 唐山学院 | 热镀锌带钢的双传感器表面质量检测系统的检测优化方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104101603A (zh) * | 2013-04-12 | 2014-10-15 | 宝山钢铁股份有限公司 | 带钢表面缺陷检测装置及方法 |
| CN104113946A (zh) * | 2013-04-17 | 2014-10-22 | 宝山钢铁股份有限公司 | 光源照度自适应控制装置及方法 |
Family Cites Families (1)
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104101603A (zh) * | 2013-04-12 | 2014-10-15 | 宝山钢铁股份有限公司 | 带钢表面缺陷检测装置及方法 |
| CN104113946A (zh) * | 2013-04-17 | 2014-10-22 | 宝山钢铁股份有限公司 | 光源照度自适应控制装置及方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 基于LED光源的热轧带钢表面质量在线检测系统的开发与应用;何永辉等;《宝钢技术》;20110630;第1-7页 * |
| 热轧表面检测系统光源设计与应用;梁爽等;《宝钢技术》;20111231;第68-72页 * |
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