CN106855390A - 红外led光源光笔测量系统自适应发光调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光笔式坐标测量系统技术领域，为解决现有光笔自适应发光调节易受干扰、效率低、调节能力弱的问题，为使光笔在各种条件下，都能快速自适应调节到理想成像状态。本发明红外LED光源光笔测量系统自适应发光调节方法，采用双曝光采样技术对光笔发光图像进行采集，先采集一帧光靶标不发光的图像，再采集一帧光靶标发光时的图像，二者相减，得到最终图像；双曝光过程中采用自适应发光调节，自适应发光调节分两步进行，第一步，相机曝光时间粗调节；第二步，每个LED电流精调节，最终调节至所有光靶标图像都符合要求。本发明主要应用于光笔式坐标测量系统设计制造场合。

Description

红外LED光源光笔测量系统自适应发光调节方法

技术领域

本发明涉及光笔式坐标测量系统技术领域，尤其是红外LED光源光笔测量系统自适应发光调节方法。

背景技术

光笔式三坐标测量系统是一种应用广泛的便携式测量设备，除了具有精度高、测量范围广等优点外，还拥有出色的隐藏点测量能力。光笔的测量原理是通过拍摄光笔上光靶标图像，然后根据它们在图像中投影位置并结合光靶标的空间相对位置，解算出光笔探针坐标，所以光靶标投影点定位精度直接影响光笔系统测量精度。红外LED具有良好的发光和成像特性，常被用来作为光笔测量系统的光靶标。具备了合适的光源，还需要获得理想的即易进行高精度中心提取的光靶标图像。由于光笔系统测量过程中光笔需要不断移动，并且光笔上各个光靶标的发光特性间也有差异，所以实现测量过程中光靶标自适应发光以获得理想图像具有重大意义。红外LED具有良好的调节特性，发光功率和驱动电流近似呈正比关系，但不足之处是LED驱动电流有一定限制，过大或过小都会影响发光特性。目前光笔测量系统中，自适应发光调节一般方法是：首先根据图像进行物像匹配，即实现图像中光斑和实际空间的光靶标一一对应，然后根据各个光靶标成像情况对相应LED驱动电流进行调控，按以上步骤反复调节至所有光靶标成像都达到理想状态。上述自适应发光调节法存在以下缺陷：①调节效果易受外界杂散光干扰②调节过程中每幅图像都需进行光斑中心定位和物像匹配等处理，影响了调节速率③光靶标电流范围有限，限制了系统的调控能力；上述几点都影响到自适应调节效率，导致系统测量速度和精度都难以提升。

发明内容

为克服现有技术的不足，解决现有光笔自适应发光调节易受干扰、效率低、调节能力弱的问题，本发明提出一种高效的自适应发光调节方法，采用两步法对相机曝光和光靶标电流联合调控，使光笔在各种条件下，都能快速自适应调节到理想成像状态。本发明实现光笔光靶标自适应发光的技术方案如下：红外LED光源光笔测量系统自适应发光调节方法，采用双曝光采样技术对光笔发光图像进行采集，先采集一帧光靶标不发光的图像，再采集一帧光靶标发光时的图像，二者相减，得到最终图像；双曝光过程中采用自适应发光调节，自适应发光调节分两步进行，第一步，相机曝光时间粗调节，直接根据灰度分布，判断光斑图像过饱和还是成像过弱，通过调整相机曝光时间，使所有光靶标成像快速达到理想状态附近；第二步，每个LED电流精调节，首先进行光斑中心定位和物像匹配，然后根据各光靶标成像实际状态，对应调节每个LED光靶标的电流大小，如果有LED电流需调节超过限定值时，通过进行曝光时间和所有LED发光电流联调的方法扩大调节范围，最终调节至所有光靶标图像都符合要求。

在一个实例中，

1)，红外LED的理想成像状态为，光斑中心像素灰度值未饱和但同时要大于一定阈值，存在最大最小灰度值G_max、G_min限制；

2)根据成像芯片CCD或CMOS工作原理，光斑中心像素值大小与相机曝光时间以及LED电流大小均呈正比关系；

3)为保证良好发光特性，LED有最小和最大电流限制I_max,I_min；

设光靶标个数为N，自适应调节具体实施步骤为：

第一步：曝光时间粗调节，使所有光靶标整体达到理想状态附近，统计灰度图像中灰度值最大的c×N个点的灰度平均值g_mid，系数c取1-3，其代表了光靶标光斑中心灰度的平均水平，调节曝光时间直至g_mid达到(G_min+G_max)/2附近；

第二步：LED驱动电流精调节，使每个光靶标成像光斑都达到理想状态，首先根据图像进行光斑中心定位和物像匹配，然后提取每个光靶标的光斑中心灰度值g_i，根据中心灰度值大小调节其电流值当有光靶标电流即将低于限定阈值I_min时，联调相机曝光时间和各光源电流大小I_i＝I_i·k,T_exp＝T_exp/k，其中k＝I_max/max(I_i)保证调节后无LED电流超过上限I_max；当有光靶标电流即将高于限定阈值I_max时，联调相机曝光时间和各光源电流大小I_i＝I_i·k,T_exp＝T_exp/k，其中k＝I_min/min(I_i)保证调节后无LED电流超过下限I_min；依据上述方法调节至每个光斑的中心像素灰度均满足G_min＜g_i＜G_max。

本发明的特点及有益效果是：

本发明提出的双曝光采样消除了环境杂散光的影响，粗调节时无需对图像进行光斑中心定位和物象匹配节约了调节时间，精调节引入了曝光时间和发光电流联调，增强了光笔系统的调节和适应能力，总之，新方法能使光笔系统的光靶标发光快速高效的达到理想状态。

附图说明：

图1自适应调节方法流程图。

具体实施方式

基于红外LED光源的光笔测量系统的自适应发光调节方法，调节过程中通过双曝光采样技术进行图像采集，自适应调节分两步完成，第一步粗调节曝光时间，第二步精调节每个LED的驱动电流。

自适应发光调节的基本思路是根据图像中光斑的成像特点反馈调节相机曝光时间和LED电流，本发明采用双曝光采样技术对光笔发光图像进行采集，具体为先采集一帧光靶标不发光的图像，再采集一帧光靶标发光时的图像，二者相减，则得到的图像几乎零噪声，可有效降低后续光斑特征获取的难度，是高效自适应调节的关键基础。

双曝光采样要保持背景帧和光笔发光帧的曝光时间相同。

自适应调节第一步统计图像中灰度最大的若干(c×N，N为靶标个数，系数c一般取1-3)个点的平均灰度值，判断光斑过亮或过暗，调节曝光时间使平均灰度达到合理值附近。

自适应调节第二步首先进行光斑中心定位和物像匹配，然后根据每个光斑状况对应调节LED驱动电流，当有驱动电流需要超过限定值时，采用电流和曝光时间联调的方法扩大调节范围。

本发明提出的自适应发光调节方法中所有图像均采用双曝光采样技术获得，该技术关键点是保证背景帧(光笔不发光)与目标帧(光笔发光)的曝光时间要保持一样，可获得几乎零噪声、仅包含光靶标成像光斑信息的图像。

基于红外LED光源的光笔测量系统自适应调节的几个需要说明的问题如下：

1)红外LED的理想成像状态为，光斑中心像素灰度值未饱和但同时要大于一定阈值，存在最大最小灰度值限制，(G_max,G_min)；

2)根据成像芯片CCD或CMOS工作原理，光斑中心像素值大小与相机曝光时间以及LED电流大小均呈正比关系；

3)为保证良好发光特性，LED有最小和最大电流限制，(I_max,I_min)；

自适应调节具体实施步骤为(设光靶标个数为N)：

第一步：曝光时间粗调节，使所有光靶标整体达到理想状态附近。统计灰度图像中灰度值最大的c×N个点的灰度平均值g_mid，系数c一般可取1-3，其代表了光靶标光斑中心灰度的平均水平，调节曝光时间直至g_mid达到(G_min+G_max)/2附近。

第二步：LED驱动电流精调节，使每个光靶标成像光斑都达到理想状态。首先根据图像进行光斑中心定位和物像匹配，然后提取每个光靶标的光斑中心灰度值g_i，根据中心灰度值大小调节其电流值当有光靶标电流即将低于限定阈值I_min时，联调相机曝光时间和各光源电流大小I_i＝I_i·k,T_exp＝T_exp/k，其中k＝I_max/max(I_i)保证调节后无LED电流超过上限I_max；当有光靶标电流即将高于限定阈值I_max时，联调相机曝光时间和各光源电流大小I_i＝I_i·k,T_exp＝T_exp/k，其中k＝I_min/min(I_i)保证调节后无LED电流超过下限I_min；依据上述方法调节至每个光斑的中心像素灰度均满足G_min＜g_i＜G_max。

测量过程中光笔每接收到一次测量指令，进行一次自适应调节，至调节成功并完成测量。

Claims (2)

1.一种红外LED光源光笔测量系统自适应发光调节方法，其特征是，采用双曝光采样技术对光笔发光图像进行采集，先采集一帧光靶标不发光的图像，再采集一帧光靶标发光时的图像，二者相减，得到最终图像；双曝光过程中采用自适应发光调节，自适应发光调节分两步进行，第一步，相机曝光时间粗调节，直接根据灰度分布，判断光斑图像过饱和还是成像过弱，通过调整相机曝光时间，使所有光靶标成像快速达到理想状态附近；第二步，每个LED电流精调节，首先进行光斑中心定位和物像匹配，然后根据各光靶标成像实际状态，对应调节每个LED光靶标的电流大小，如果有LED电流需调节超过限定值时，通过进行曝光时间和所有LED发光电流联调的方法扩大调节范围，最终调节至所有光靶标图像都符合要求。

2.如权利要求1所述的红外LED光源光笔测量系统自适应发光调节方法，其特征是，在一个实例中，

1)红外LED的理想成像状态为，光斑中心像素灰度值未饱和但同时要大于一定阈值，存在最大最小灰度值G_max、G_min限制；

2)根据成像芯片CCD或CMOS工作原理，光斑中心像素值大小与相机曝光时间以及LED电流大小均呈正比关系；

3)为保证良好发光特性，LED有最小和最大电流限制I_max,I_min；

设光靶标个数为N，自适应调节具体实施步骤为：

第一步：曝光时间粗调节，使所有光靶标整体达到理想状态附近，统计灰度图像中灰度值最大的c×N个点的灰度平均值g_mid，系数c取1-3，其代表了光靶标光斑中心灰度的平均水平，调节曝光时间直至g_mid达到(G_min+G_max)/2附近；

第二步：LED驱动电流精调节，使每个光靶标成像光斑都达到理想状态，首先根据图像进行光斑中心定位和物像匹配，然后提取每个光靶标的光斑中心灰度值g_i，根据中心灰度值大小调节其电流值i＝1,2…N，当有光靶标电流即将低于限定阈值I_min时，联调相机曝光时间和各光源电流大小I_i＝I_i·k,T_exp＝T_exp/k，其中保证调节后无LED电流超过上限I_max；当有光靶标电流即将高于限定阈值I_max时，联调相机曝光时间和各光源电流大小I_i＝I_i·k,T_exp＝T_exp/k，其中k＝I_min/min(I_i)保证调节后无LED电流超过下限I_min；依据上述方法调节至每个光斑的中心像素灰度均满足G_min＜g_i＜G_max。