CN109344489B - 一种基于皮革表面缺陷检测的led自由曲面阵列设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于皮革表面缺陷检测的LED自由曲面阵列设计方法，属于机器视觉检测LED照明领域。通过构建一个空间LED自由曲面上的阵列离轴照度分布理论模型；引入基于模拟退火的粒子群优化算法和设定约束条件，构建均匀度评价函数，优化模拟获得可实现单侧离轴均匀照明的LED自由曲面阵列的最优解。通过实物测试得到本发明提供的LED阵列能够实现均匀照明，照度均匀度达到91.86％。本发明提供的LED阵列能够应用到机器视觉皮革缺陷检测中，能够对皮革表面存在的划痕、破损、污渍、压痕等缺陷实现精准检测。

Description

一种基于皮革表面缺陷检测的LED自由曲面阵列设计方法

技术领域

本发明涉及一种基于皮革表面缺陷检测的LED自由曲面阵列设计方法，属于机器视觉检测LED照明领域。

背景技术

人造皮革由于价格低廉，色彩丰富等优点已经广泛应用于我们的生活中，人们对皮革产品的质量要求也越来越高，不仅对皮革表面气泡、白斑、暗纹、划痕、污渍等较为明显的缺陷必须检测，对一些只能在某些角度或特殊照明才能看到的颜色不均等印染缺陷也不容忽视了。为了提高生产效率和产品质量的稳定性，机器视觉检测成为发展趋势。照明光源是机器视觉系统的重要组成部分。光源的选择会影响到成像质量，进而影响到整个系统的性能。光源的作用是获得对比鲜明的图像、将感兴趣部分和其他部分的灰度值差异加大、尽量消除不感兴趣部分、提高信噪比，利于图像处理等。

在皮革表面检测中，由于皮革自身纹理的存在，会影响检测结果，采用合理的照明方式加大缺陷与皮革自身纹理的对比就显得尤为重要。对于单色的皮革纹理表面存在的印染缺陷，只有通过单方向的低角度均匀照明才能突显出来。目前已有的解决方式是通过图像处理使不均匀照明所获得的图像达到检测要求，但是图像处理不仅会增加运算时间，而且稳定性较差。采用一种能够实现单侧离轴均匀照明的光源减少了图像处理的运算时间，提高了系统的稳定性，进一步地提高了检测系统成功率和效率。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，提供一种基于皮革表面缺陷检测的LED自由曲面阵列设计方法。通过构建一个LED离轴照度分布理论模型，利用粒子群优化算法得出一组最优解，得出一个能够实现对目标面均匀照射的LED阵列。

本发明的技术方案：

一种基于皮革表面缺陷检测的LED自由曲面阵列设计方法，包括：(1)构建一个空间LED自由曲面上的阵列离轴照度分布理论模型；(2)引入基于模拟退火的粒子群优化算法、设定约束条件、构建均匀度评价函数，优化模拟获得可实现单侧离轴均匀照明的LED自由曲面阵列的最优解；(3)LED阵列模型验证。

在一种实施方式中，所述的构建一个空间LED自由曲面上的阵列离轴照度分布理论模型包括：

Ⅰ.计算LED同轴照明时，目标面上任意一点的D(x,y,0)处的照度为式(1)，所述的同轴照明是LED光轴与目标面的法线平行，如图1所示；

其中，式(1)(X,Y,Z)是LED在空间坐标系的坐标，其中x，y是目标面上任意一点在x，y轴上的坐标，中I₀为LED的光强，m＝-ln2/ln(cosθ₁₂)，θ₁₂为LED半角宽度，Z是图1中LED的位置到目标面的距离如

所示，

是图1中LED位置到目标面中任意一点的位置，如

所示；

Ⅱ.整理式(1)得到式(2)

Ⅲ.推导离轴照明，所述的离轴照明是LED光轴与目标面的法线不平行，即当光轴与目标面的法线的夹角α不为零时，如图2所示，LED在目标面上的照度分布模型为式(3)

其中β是目标面上任意一点光线照射角度与目标面法线的夹角，如图2所示，其中

图2中

Ⅳ.推导LED阵列的离轴照度分布，考虑到LED为非相关光源和光的叠加性，当空间上分布有n₁×n₂颗LED时，LED在目标区域照度满足线性叠加，LED阵列的离轴照度分布模型为式(4)：

其中，n₁是LED行的总数，n₂是LED列的总数，i是LED阵列中某颗LED所在的行数，j是LED阵列中某颗LED所在的列数；式(4)表明，每颗LED需要有4个独立参量来确定E，整个阵列需要4n₁n₂(LED的位置x，y，z，角度α)个参量来确定，数量非常大。

Ⅴ.简化阵列模型，令LED沿Y方向均匀分布，间距为d，均相对于阵列中心轴对称分布，阵列中心点偏转角为α₀，其相邻的LED1的角度为α₁，如图3所示，根据图3推导出式(5)：

根据式(5)，则n₁×n₂颗LED阵列中每颗LED的位置和角度符合：

由式(4)和(6)即可构建出整个LED阵列的分布，这时需要求解的参量已经变为n₁+n₂个，运算量得到了很大简化。

在一种实施方式中，所述的优化目标函数包括：定义照度均匀度μ，

其中，

为目标面照度平均值，E_max为目标面照度最大值；

根据式(7)，以μ作为均匀度评价指标，以均匀度最大为优化目标，μ最大为1，构建收敛的优化目标函数F：

在一种实施方式中，所述的约束条件是，

在一种实施方式中，所述的优化算法步骤包含：

S1.随机获取LED位置坐标参数x，y，z和角度α；

S2.判断获取的坐标参数是否符合约束条件，符合约束条件进入步骤S3，否则转步骤S1；

S3.将步骤S2中符合约束条件的参数代入式(4)、(6)、(8)中计算；

S4.将步骤S3中的结果代入式(9)，判断F是否是最小值，F是最小值则为最优解，否则转步骤S3。

在一种实施方式中，所述的LED阵列模型验证包括理论模拟验证和实物验证。

在一种实施方式中，所述的LED阵列模型验证是将上述步骤求得的LED阵列使用追光软件进行仿真模拟验证。

在一种实施方式中，所述的实物验证是将上述步骤得出的LED阵列最优解制作出曲面阵列照明装置，在二维电动平移台上进行照度多点测量。

本发明的另一个目的是提供一种LED阵列，所述的LED阵列是利用上述方法求得的LED阵列。

在一种实施方式中，所述的LED阵列是符合式(4)、(6)、(8)、(9)如图4、图5所示。

本发明的另一个目的根据上述的LED阵列在机器视觉皮革缺陷检测系统中的应用，所述的系统包括图像采集系统为水星MER-200CCD、检测样品、LTH-300条形光源。

在一种实施方式中，所述的机器视觉皮革缺陷检测系统中的应用，包括在Halcon平台上通过编程用Laws纹理滤波提取纹理特征，高斯混合模型分类器进行缺陷检测。

在一种实施方式中，所述的检测样品是贝内克长顺公司提供的存在表面印染缺陷的单色纹理皮革。

本发明的另一个目的是提供一种单侧离轴均匀照明的照明装置的制作方法，根据上述方法设计一种能够离轴均匀照明的曲面LED阵列，根据曲面LED阵列设计一个曲面边框3D结构以固定基板并控制LED阵列装置，在边框上Y_j处预留10mm×1mm的嵌槽，嵌槽底面与曲面相切，基板嵌入槽内，以准确控制LED的位置和角度。

在一种实施方式中，考虑LED发热及基板的重量，选取抗拉伸强度和耐热形变的尼龙材料，通过3d打印得到曲型边框。利用DXP软件设计条形基板，将LED灯珠安装在基板上。

借助以上技术方案，本发明的有益效果为：

本发明可以实现单侧离轴的均匀照明，照度均匀度达到91.86％。

本发明用于皮革表面纹理缺陷检测中，可以检测使用其他照明装置无法识别的印染缺陷。本发明的一种能够实现单侧离轴均匀照明的LED阵列应用于皮革表面纹理缺陷检测系统中，能够减少了图像处理的运算时间，提高了系统的稳定性，进一步地提高了检测系统成功率和效率。

附图说明

图1是本发明LED同轴光照示意图；

图2是本发明LED离轴光照示意图；

图3是本发明曲面LED阵列分布及光照示意图；

图4是本发明所用曲面LED阵列的模型示意图；

图5是优化得到照度图；

图6是LED曲面边框3D结构图；

图7是采集系统图；

图8是实际LED阵列测量的照度图；

图9是皮革检测平台系统图；

图10是皮革检测图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步详细说明：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过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一、推导LED阵列离轴照度分布理论模型

图1为LED的同轴光照示意图，LED位于点A(X,Y,Z)，AB为其到目标面的垂直距离，设光轴与目标面法线夹角为α。当α＝0时为同轴照射，即图1，则目标面Ⅰ上任意一点D(x,y,0)处的照度为

式(1)中I₀为LED的光强，m＝-ln2/ln(cosθ₁₂)，θ₁₂为LED半角宽度，

这时式(1)可以改写成：

当α≠0时，即图2，这时有

式(2)仍然适用。则LED在面Ⅱ上的离轴照度分布可表示为：

考虑到LED为非相关光源和光的叠加性原理，若空间上分布有n₁×n₂颗LED，则LED在目标区域照度满足线性叠加，LED阵列的离轴照度分布表达式为：

式(4)表明，每颗LED需要有4个参量来确定E，整个阵列需要4n₁n₂个参量来确定，数量非常大。要实现均匀照明，即E(x,y,z)→E₀，需要运用合适的算法和优化目标函数找到一组最优参量。

减少变量可有效减少运算时间。令LED沿Y方向均匀分布，间距为d，均相对于阵列中心轴对称分布，阵列中心点偏转角为α₀，其相邻的LED1的角度为α₁，如图3所示，则有：

以此类推，可表达出每颗LED的位置和角度

由式(4)和(6)即可构建出整个LED阵列的分布，这时需要求解的参量已经减少到n₁+n₂个，得到了很大简化。

二、LED阵列离轴照度分布理论模型的优化

优化目标函数：根据通常的照度均匀度定义

其中

为目标面照度平均值，E_max为目标面照度最大值。

以μ作为均匀度评价指标，以均匀度最大为优化目标，μ最大为1。运用SimuAPSO进行优化需要构建收敛的优化目标函数F：

约束条件：考虑到曲面LED阵列应具有通用性和易安装性，所选光源为未加二次光学设计的LED芯片。令芯片的光轴与所在曲面法向重合，即用该点曲率控制α。考虑到LED芯片有一定大小，避免曲面阵列失控、曲率突变和不同LED之间发生重叠，设置优化约束条件：

编程优化：①随机获取LED位置坐标参数x，y，z和角度α；②判断获取的坐标参数是否符合约束条件，符合约束条件进入步骤③，否则转步骤①；③将步骤②中符合约束条件的参数代入式(4)、(6)、(8)中计算；④将步骤③中的结果代入式(9)，判断F是否是最小值，F是最小值则为最优解，否则转步骤③；得出最优解的LED阵列，使用追光软件制出如图4所示的LED阵列；

三、曲面LED阵列分布数值模型验证

模拟验证：采用光源为5730SMD白光LED，θ₁₂＝70°，额定电流为10μA。设Z₀＝200mm，α₀＝45°，目标面为200mm×200mm。LED阵列如图4所示。对图4结果进行仿真追光，得到照度分布如图5，其照度均匀度达到91.79％。结果表明，本发明提出的LED自由曲面阵列设计方法合理有效，用LED自由曲面阵列光源可实现单侧离轴均匀照明的目标。

实物验证：根据图4结果制作出曲面阵列光源，在二维电动平移台上进行照度多点测量。根据图4的LED阵列分布设计一个曲面边框3D结构以固定铝基板并控制LED阵列装置，如图6所示。在边框上Y_j处预留10mm×1mm的嵌槽，嵌槽底面与曲面相切，铝基板嵌入槽内，以准确控制LED的位置和角度。综合考虑LED发热及铝基板的重量，选取抗拉伸强度和耐热形变的尼龙材料，通过3d打印得到曲型边框。利用DXP软件设计条形铝基板，将LED灯珠安装在其上。采用QJ3003H稳压电源保持LED的电流不变，SPIC-200照度计进行照度测量。照度计固定二维电动平移台上，精度为0.05mm，工作范围设为200mm×200mm，光源用45°转接块和摆角器调节滑块固定在支杆上，如图7所示。实验在暗室中进行，测量步距为4mm。

图8为实测的照度分布，照度均匀度达到91.86％，与理论结果完全吻合，说明我们提出的制作方案有效精准，其照度值范围为841lx-1144lx。根据工业检测中精细照明要求照度值>800lx，所设计的光源完全满足照明要求。

实施例2

根据实施例1设计的LED阵列装置在机器视觉皮革缺陷检测中的应用：如图9所示，机器视觉皮革缺陷实测系统，图像采集系统为水星MER-200CCD，在Halcon平台上通过编程用Laws纹理滤波提取纹理特征，高斯混合模型分类器进行缺陷检测。检测样品由贝内克长顺公司提供的存在表面印染缺陷的单色纹理皮革。为了对比分析，还选用了两条LTH-300条形光源。用两种光源四种照明方式分别进行检测，见表1。表1中(a)和(b)分别为直下式和双侧对称照明方式，均无法识别出皮革表面的暗纹缺陷；(c)双条形光源组成的平面光源单侧照射，直观上可以看到表面的暗纹缺陷，但是由于照度明显不均匀，用软件识别缺陷时造成了误判。(d)为本文制作的曲面光源，目标面照度均匀，直观和软件均能准确的识别出暗纹缺陷。

表1不同照明方式下缺陷识别

对于表1中(c)出现误判的原因本发明分析认为，被测样品是单色皮革表面深浅不均的缺陷，其不会改变皮革表面本身的纹理结构，只表现在图像灰度级的变化，所以本发明对图像处理主要是通过对纹理进行滤波并用灰度级的筛选来完成。而光照不均匀同样会在图像上产生灰度级的变化，从而影响判断。也有学者通过图像处理使不均匀照明所获得的图像达到检测要求，但是这样不仅会增加运算时间，而且稳定性较差。实际上皮革表面还会存在划痕、破损、污渍、压痕等缺陷，检测时需根据实际情况选用不同的照明方式。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (6)

1.一种基于皮革表面缺陷检测的LED自由曲面阵列设计方法，其特征在于，包括：(1)构建一个空间LED自由曲面上的阵列离轴照度分布理论模型；(2)引入基于模拟退火的粒子群优化算法、设定约束条件、构建均匀度评价函数，优化模拟获得能够实现单侧离轴均匀照明的LED自由曲面阵列的最优解；(3)LED阵列模型验证；

所述的构建一个空间LED自由曲面上的阵列离轴照度分布理论模型包括：

Ⅰ.计算LED同轴照明时，目标面上任意一点的D(x,y,0)处的照度为式(1)，所述的同轴照明是LED光轴与目标面的法线平行；

其中，式(1)(X,Y,Z)是LED在空间坐标系的坐标，其中x，y是目标面上任意一点在x，y轴上的坐标，I₀为LED的光强，m＝-ln2/ln(cosθ_1/2)，θ_1/2为LED半角宽度，Z是LED的位置到目标面的距离

是空间中LED位置到目标面中任意一点的距离

Ⅱ.整理式(1)得到式(2)

Ⅲ.推导离轴照明，所述的离轴照明是LED光轴与目标面的法线不平行，即当光轴与目标面的法线的夹角α不为零时，LED在目标面上的照度分布模型为式(3)

其中β是目标面上任意一点光线照射角度与目标面法线的夹角，其中

Ⅳ.推导LED阵列的离轴照度分布，当空间上分布有n₁×n₂颗LED时，LED在目标区域照度满足线性叠加，LED阵列的离轴照度分布模型为式(4)：

其中，n₁是LED行的总数，n₂是LED列的总数，i是LED阵列中某颗LED所在的行数，j是LED阵列中某颗LED所在的列数；式(4)表明，每颗LED需要有4个独立参量来确定E，整个阵列需要4n₁n₂个参量来确定，数量非常大；

Ⅴ.简化阵列模型，令LED沿Y方向均匀分布，间距为d，均相对于阵列中心轴对称分布，阵列中心点偏转角为α₀，其相邻的LED1的角度为α₁，根据图3推导出式(5)：

根据式(5)，则n₁×n₂颗LED阵列中每颗LED的位置和角度符合：

由式(4)和(6)即可构建出整个LED阵列的分布。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括优化目标函数的构建，所述的优化目标函数包括：定义照度均匀度μ，

其中，

为目标面照度平均值，E_max为目标面照度最大值。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据式(7)，以μ作为均匀度评价指标，以均匀度最大为优化目标，μ最大为1，构建收敛的优化目标函数F：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的约束条件是

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的优化算法步骤包含：

S1.随机获取LED位置坐标参数x，y，z和角度α；

S2.判断获取的坐标参数是否符合约束条件，符合约束条件进入步骤S3，否则转步骤S1；

S3.将步骤S2中符合约束条件的参数代入式(4)、(6)、(8)中计算；

S4.将步骤S3中的结果代入式(9)，判断F是否是最小值，F是最小值则为最优解，否则转步骤S3。

6.一种LED照明装置在机器视觉皮革缺陷检测系统中的应用，其特征在于，所述的LED照明装置的阵列是根据权利要求1-5任一项所述的方法设计。

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