CN107144962B - 一种寻找成像系统最优工作参数的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种寻找成像系统最优工作参数的系统和方法，系统包括控制模块、n路驱动电路、n组电机、n组精密转动台、PC机、光源产生模块以及至少一个相机，n路驱动电路、n组电机与n组精密转动台一一对应，n为成像系统工作参数的数目，相机与控制模块分别与PC机进行数据连接，光源产生模块的控制端和n路驱动电路的控制端分别与控制模块电性连接，n路驱动电路的输出端分别与对应电机的控制端电性连接，n组电机分别带动对应的精密转动台旋转，通过n组精密控制台的旋转分别调节成像系统的n个工作参数。本发明解决了现有技术主观性强、准确率低以及耗时耗力的问题。

Description

一种寻找成像系统最优工作参数的系统和方法

技术领域

本发明属于成像系统技术领域，特别涉及了一种寻找成像系统最优工作参数的系统和方法。

背景技术

使用相机和光源构成的成像系统是人们用于拍摄产品，继而实现对产品进行无损分析的主要设备，它提供一种很好的无损检测手段，使得人们能够快速地分析产品的质量。使用前，人们需要对例如相机光圈、相机焦距、相机角度、光源角度等参数进行设定，结果一旦固定，那么在正常的、长期的检测过程中，对于一批产品而言，这些参数一般是不用再进行修正的。

在前期的参数设置过程中，这些参数的设定是一个非常麻烦的问题，人们现有的方法往往是依靠人工经验，不断尝试调整这些参数，然后用肉眼的方法对拍摄到的图片判断是否变得清晰，在光源越多的情况下，这种工作有的时候甚至需要好几天。这种方法不仅主观性大，而且耗时耗力，效果有时也不是很理想。

发明内容

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种寻找成像系统最优工作参数的系统和方法，解决现有技术主观性强、准确率低以及耗时耗力的问题。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种寻找成像系统最优工作参数的系统，包括控制模块、n路驱动电路、n组电机、n组精密转动台、PC机、光源产生模块以及至少一个相机，n路驱动电路、n组电机与n组精密转动台一一对应，n为成像系统工作参数的数目，相机与控制模块分别与PC机进行数据连接，光源产生模块的控制端和n路驱动电路的控制端分别与控制模块电性连接，n路驱动电路的输出端分别与对应电机的控制端电性连接，n组电机分别带动对应的精密转动台旋转，通过n组精密控制台的旋转分别调节成像系统的n个工作参数；所述主控模块接收PC机下发的控制指令，并根据该控制指令，通过n路驱动电路和n组电机驱动n组精密转动台的旋转，相机将不同工作参数下拍摄的图像传送给PC机，PC机根据接收到的图像数据寻找出成像系统的最优工作参数。

进一步地，成像系统的工作参数包括相机角度、相机光圈、相机焦距和光源照射角度。

进一步地，该系统还包括电源模块和触发开关，触发开关采用轻触自锁的微动开关，电源模块的输出端经触发开关与控制模块的供电端相连，当触发开关闭合，电源模块为控制模块供电，系统开始工作。

进一步地，该系统还包括分别与控制模块相连的发光模块和发音模块，发光模块和发音模块用于显示系统的工作状态。

进一步地，所述发光模块采用发光二极管，所述发音模块采用蜂鸣器。

进一步地，所述驱动电路的型号为L298，所述电机的型号为BYGH42，所述精密转动台的型号为KS332-12，所述光源产生模块采用HF-HX12050环形光源发生器。

基于上述系统的成像系统最优工作参数的寻找方法，包括以下步骤：

(1)将成像系统的各工作参数的运动范围归一化；

(2)初始化粒子群搜索算法，设置m个粒子，随机设置粒子在归一化的各工作参数的位置，并设置粒子群搜索算法的最小变化阈值、最大寻优次数和初始粒子运动步长的自适应最大倍率；

(3)按照设置的m个粒子位置，PC机生成控制指令，控制模块根据控制指令驱动n组精密转动台旋转，从而使成像系统的各工作参数到达设定的位置，并拍摄该位置下的待测对象的图像，每一个粒子对应一张图像；

(4)对m张图像进行适应度评价，找出当前搜索批次中的最优粒子和所有搜索批次中的历史最优粒子；

(5)判断搜索结束条件，若连续q个搜索批次的粒子最优值小于设定的最小变化阈值，或者当前搜索次数大于设定的最大寻优次数，则判断搜索结束，转入步骤(7)，否则转入步骤(6)；

(6)对粒子群进行更新，然后返回步骤(3)；

(7)输出最优粒子，PC机按照最优粒子生成控制指令，控制模块根据控制指令驱动4组精密转动台旋转，从而使成像系统的各工作参数到达最优位置，进行拍摄。

进一步地，步骤(4)的具体过程如下：

(41)计算当前搜索批次的自适应变化适应度的倍率：

上式中，Am2(i)为第i次搜索的自适应变化适应度的倍率，Am1(i)为第i次搜索的粒子运动步长的自适应最大倍率，且Am1(i)≥1，T_tm为最大寻优次数，Am1为初始粒子运动步长的自适应最大倍率；

(42)采用邻域灰度差分法计算当前搜索批次m张图像中的每个点与周围的区分度之和：

上式中，为第i次搜索中的第j张图像中的每个点与周围的区分度之和，j＝1,2,…,m，(x,y)表示图像中的像素点坐标，D为图像中像素点的集合，表示第i次搜索中的第j张图像在(x,y)处的灰度值；

(43)将作为当前搜索批次每个粒子的适应度，将当前搜索批次中适应度最小的粒子作为当前搜索批次的最优粒子，将当前搜索批次以前的所有批次中适应度最小的粒子作为历史最优粒子。

进一步地，在步骤(6)中，按下式更新粒子群：

上式中，为第i搜索批次中第j个粒子的速度，为第i搜索批次中第j个粒子的位置，j＝1,2,…,m，B_i为第i搜索批次中的最优粒子，B_h为历史最优粒子。

进一步地，在更新粒子群时，需要对粒子速度进行如下限制：

上式中，J为粒子运动的最小步长，J的取值为精密转动台的最小刻度对应的归一化数值。

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明基于现有的电子技术和人工智能技术，采用客观的评价清晰度的算法，全自动快速寻找相机和光源最优参数，结果不仅客观精确，而且节省了劳动力和时间，降低了成本，还提高了下一步图像处理的准确率。

附图说明

图1是本发明的系统组成框图。

图2是本发明的系统工作示意图。

图3是本发明的方法流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1、图2所示，一种寻找成像系统最优工作参数的系统，硬件部分用于控制相机、光源等参数的变化，采集相应的对象照片，提供分析的计算资源。其结构包括电源模块、触发开关、发光模块、发音模块、控制模块、驱动电路、电机、精密转动台、相机、光源产生模块和PC机。本实施例以1个光源产生模块与1个相机组成的成像系统来进行说明。

如图2所示，电源模块、触发开关、发光模块、发音模块、控制模块、驱动电路集中在一个控制板内，该控制板与PC机沟通，驱动电机，带动精密转动台的旋转，从而调节相机的光圈、焦距、角度，以及光源的照射角度等参数。

在本实施例中，电源模块用于对整个系统进行供电，本实施例中采用的是220V的交流电源转24V和5V的模块电源，其中24V为给电机使用，5V为给电路板使用。触发开关为控制电源打开和关闭时使用，采用的是轻触自锁的微动开关。发光模块用于显示硬件的工作状态，正常或者报警，采用的是全彩的发光二极管。发音模块用于显示硬件的工作状态，采用的是普通蜂鸣器。控制器模块用于接收PC机的控制指令，控制驱动电路驱动电机的运行，然后带动精密转动台的运动，从而改变相机的光圈、焦距、角度，以及光源的照射角度的参数，它还控制发音模块、发光模块的工作，采用的是STM32F107芯片。驱动电路用于根据控制模块的指令驱动电机的工作，采用的是4路L298的驱动电路。电机用于在驱动电路的驱动下，带动精密转动台，采用的是4个BYGH42的高精密步进电机，并且其精度等于精密转动台。精密转动台用于在电机的带动下，进行微小的转动，从而带动与之连接的相机的光圈、焦距、角度，以及光源的照射角度的参数，采用的是4个KS332-12型，最大行程为12mm,精度为0.5um，4个旋转平台分别对应相机光圈、相机焦距、相机角度以及光源角度这4个参数。相机用于在电脑的操作下，拍摄需要检测的对象，采用的是大恒水星1000型1000万像素的工业相机。光源产生模块用于提供亮度给相机，配合其工作，采用的是HF-HX12050型环形光源发生器。PC机用于管理控制板的工作，获得相机的拍摄结果，分析和保存相机拍摄的照片，用智能搜索算法寻找相机的光圈、焦距、角度以及光源的照射角度的最优参数，记录这些参数以备下次同批产品直接使用，采用的是戴尔T5810型图形工作站。

本发明还提出了一种成像系统最优工作参数的寻找方法，如图3所示，包括以下步骤。

步骤1：工作范围归一化。把相机光圈、相机焦距、相机角度、光源角度的运动范围全部归一化，转换到[0～1]之间。

步骤2：粒子群搜索算法初始化。设置m个粒子，随机设置它们在相机光圈、相机焦距、相机角度、光源角度的[0～1]之间的归一化的初始化(即第一个)的位置并将这种归一化的位置与其实际工作范围的工作刻度相对应。设置一个最小变化阈值Tc，一个最大寻优次数T_tm，初始粒子运动步长的自适应最大倍率Am1。这三个参数可以由人工设置。

在本实施例中，粒子数设置为20个。中的4个W分别对应的位置为相机光圈、相机焦距、相机角度、光源角度。最小变化阈值Tc被设置为1％，即连续三个量的变化均小于1％，即可以结束。一个最大寻优次数T_tm被设置为5000次，只要有足够的时间，这个数值可以设置的大些。粒子运动步长的自适应最大倍率Am1设置为10，即精度从放大10倍开始计算，比较粗糙些，但是速度会快。粒子运动的最小步长J由精密转动台的机械结构决定，本实施例中的精密转动台为最大行程为12mm，精度为0.5um，那么24000个运动点，最小步长J为0.5um。这样本实施例的数学任务也就是一个24000的4次方个数中寻找最小值的概念。

步骤3：获得图像。将成像系统的参数按照这m个粒子的位置进行设置，即电脑通过发送信号给控制板，控制板驱动电机转到对应的位置，相机在该位置拍摄待检对象的图片，得到图片，每个粒子的位置即对应一张图片，即可以得到第1批工作下的图片组如果是第n批粒子，那么就有第n批工作下的图片组

步骤4：评价适应度。评价过程如下：

步骤4-1：计算当前搜索批次的自适应变化适应度的倍率：

上式中，Am2(i)为第i次搜索的自适应变化适应度的倍率，Am1(i)为第i次搜索的粒子运动步长的自适应最大倍率，且Am1(i)≥1，T_tm为最大寻优次数，Am1为初始粒子运动步长的自适应最大倍率步骤。

步骤4-2：采用邻域灰度差分法计算当前搜索批次m张图像中的每个点与周围的区分度之和，本实施例中邻域灰度差分法采用的是3邻域的计算法：

上式中，为第i次搜索中的第j张图像中的每个点与周围的区分度之和，j＝1,2,…,m，(x,y)表示图像中的像素点坐标，D为图像中像素点的集合，表示第i次搜索中的第j张图像在(x,y)处的灰度值。

步骤4-3：将邻域灰度差分法计算的结果按照Am2(i)进行指数放大，得到这样做的益处在于，当搜索的运动步长不断变小时，不断接近最优目标值时，每批的值的结果之间的差是非常接近，采用变化的Am2(i)的倍数放大差异，可以起到一个放大镜的作用。将作为当前搜索批次每个粒子的适应度，将当前搜索批次中适应度最小的粒子作为当前搜索批次的最优粒子，将当前搜索批次以前的所有批次中适应度最小的粒子作为历史最优粒子。

步骤5：判断搜索结束条件。若连续q个搜索批次的粒子最优值小于设定的最小变化阈值，或者当前搜索次数大于设定的最大寻优次数，则判断搜索结束，转入步骤7，否则转入步骤6。

步骤6：按下式更新粒子群：

上式中，为第i搜索批次中第j个粒子的速度，为第i搜索批次中第j个粒子的位置，j＝1,2,…,m，B_i为第i搜索批次中的最优粒子，B_h为历史最优粒子。

另外，为了防止粒子盲目搜索，粒子运动步长的自适应最大倍率Am1(i)控制了最大的运动速度，即：

上式中，J为粒子运动的最小步长。

更新后返回到步骤3。

步骤7：输出最优粒子，PC机按照最优粒子生成控制指令，控制模块根据控制指令驱动4组精密转动台旋转，从而使相机角度、相机光圈、相机焦距和光源角度到达最优位置，进行拍摄。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种成像系统最优工作参数的寻找方法，该方法基于一种寻找成像系统最优工作参数的系统，该系统包括控制模块、n路驱动电路、n组电机、n组精密转动台、PC机、光源产生模块以及至少一个相机，n路驱动电路、n组电机与n组精密转动台一一对应，n为成像系统工作参数的数目，相机与控制模块分别与PC机进行数据连接，光源产生模块的控制端和n路驱动电路的控制端分别与控制模块电性连接，n路驱动电路的输出端分别与对应电机的控制端电性连接，n组电机分别带动对应的精密转动台旋转，通过n组精密转动台的旋转分别调节成像系统的n个工作参数；所述控制模块接收PC机下发的控制指令，并根据该控制指令，通过n路驱动电路和n组电机驱动n组精密转动台的旋转，相机将不同工作参数下拍摄的图像传送给PC机，PC机根据接收到的图像数据寻找出成像系统的最优工作参数；

其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将成像系统的各工作参数的运动范围归一化；所述工作参数包括相机角度、相机光圈、相机焦距和光源照射角度；

(2)初始化粒子群搜索算法，设置m个粒子，随机设置粒子在归一化的各工作参数的位置，并设置粒子群搜索算法的最小变化阈值、最大寻优次数和初始粒子运动步长的自适应最大倍率；

(3)按照设置的m个粒子位置，PC机生成控制指令，控制模块根据控制指令驱动n组精密转动台旋转，从而使成像系统的各工作参数到达设定的位置，并拍摄该位置下的待测对象的图像，每一个粒子对应一张图像；

(4)对m张图像进行适应度评价，找出当前搜索批次中的最优粒子和所有搜索批次中的历史最优粒子；步骤(4)的具体过程如下：

(41)计算当前搜索批次的自适应变化适应度的倍率：

上式中，Am2(i)为第i次搜索的自适应变化适应度的倍率，Am1(i)为第i次搜索的粒子运动步长的自适应最大倍率，且Am1(i)≥1，T_tm为最大寻优次数，Am1为初始粒子运动步长的自适应最大倍率；

(42)采用邻域灰度差分法计算当前搜索批次m张图像中的每个点与周围的区分度之和：

上式中，为第i次搜索中的第j张图像中的每个点与周围的区分度之和，j＝1,2,…,m，(x,y)表示图像中的像素点坐标，D为图像中像素点的集合，表示第i次搜索中的第j张图像在(x,y)处的灰度值；

(43)将作为当前搜索批次每个粒子的适应度，将当前搜索批次中适应度最小的粒子作为当前搜索批次的最优粒子，将当前搜索批次以前的所有批次中适应度最小的粒子作为历史最优粒子；

(5)判断搜索结束条件，若连续q个搜索批次的粒子最优值小于设定的最小变化阈值，或者当前搜索次数大于设定的最大寻优次数，则判断搜索结束，转入步骤(7)，否则转入步骤(6)；

(6)对粒子群进行更新，然后返回步骤(3)；

(7)输出最优粒子，PC机按照最优粒子生成控制指令，控制模块根据控制指令驱动n组精密转动台旋转，从而使成像系统的各工作参数到达最优位置，进行拍摄。

2.根据权利要求1所述成像系统最优工作参数的寻找方法，其特征在于：在步骤(6)中，按下式更新粒子群：

上式中，为第i搜索批次中第j个粒子的速度，为第i搜索批次中第j个粒子的位置，j＝1,2,…,m，B_i为第i搜索批次中的最优粒子，B_h为历史最优粒子。

3.根据权利要求2所述成像系统最优工作参数的寻找方法，其特征在于：在更新粒子群时，需要对粒子速度进行如下限制：

上式中，J为粒子运动的最小步长，J的取值为精密转动台的最小刻度对应的归一化数值。

4.根据权利要求1所述成像系统最优工作参数的寻找方法，其特征在于：所述系统还包括电源模块和触发开关，触发开关采用轻触自锁的微动开关，电源模块的输出端经触发开关与控制模块的供电端相连，当触发开关闭合，电源模块为控制模块供电，系统开始工作。

5.根据权利要求1所述成像系统最优工作参数的寻找方法，其特征在于：所述系统还包括分别与控制模块相连的发光模块和发音模块，发光模块和发音模块用于显示系统的工作状态。

6.根据权利要求5所述成像系统最优工作参数的寻找方法，其特征在于：所述发光模块采用发光二极管，所述发音模块采用蜂鸣器。

7.根据权利要求1所述成像系统最优工作参数的寻找方法，其特征在于：所述驱动电路的型号为L298，所述电机的型号为BYGH42，所述精密转动台的型号为KS332-12，所述光源产生模块采用HF-HX12050环形光源发生器。