CN110543741B - 一种用于视觉检测的直接照明光源设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于视觉检测的直接照明光源设计方法，利用条形光源为目标面提供视觉检测光源，求解矩形目标面的照度分布，在研究了光源结构参数对照明效果影响规律的基础上，以提高光源照度均匀度为目标，利用遗传算法优化设计得到了最佳结构参数。该光源具有光照均匀，能量利用率高等特点，可以有效提高视觉检测中目标物的图像质量。

Description

一种用于视觉检测的直接照明光源设计方法

技术领域

本发明属于照明技术领域，具体涉及用于视觉检测的直接照明光源设计方法。

背景技术

我国是一个陶瓷砖生产大国，但产品主要集中在中低档，成本高、利润低，提高产品质量成为我国陶瓷砖产业发展的重要突破口。实现陶瓷砖表面质量的视觉检测，可有效提高检测的效率和可靠性，有利于产品严格的质量控制。研究陶瓷砖视觉检测中的面光源设计，可使视觉系统获得最佳的成像质量，能大幅降低图像处理难度，缩减检测时间、提高检测准确率。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的目的之一在于提供一种用于视觉检测的直接照明光源设计方法，该方法通过建立光源的照明模型，分析各结构参数对照明效果的影响规律，利用遗传算法对照明系统的结构参数进行优化设计，得到待视觉检测的目标面的最优照明方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于视觉检测的直接照明光源设计方法，包括如下步骤：

步骤1：建立照明系统空间坐标系，其中，坐标系的原点位于待检测的目标面上，坐标系的z轴垂直于目标面；

步骤2：利用条形光源为目标面提供视觉检测光源，并建立单个条形光源在目标面上的照度分布数学模型；

其中，条形光源中心点坐标为(x₀,y₀,z₀)，条形光源的长边与y轴平行，条形光源的光轴与z轴夹角为α，即光源倾角，此时光轴方向的方向向量可以表示为(sinα,0,cosα)，条形光源由成矩形阵列分布的M×N个点光源构成；

条形光源中各个点光源的坐标可以表示为：

其中：其中i＝1,2,···,M，j＝1,2,···,N，d为点光源的间距；

依据叠加原理，目标面上点T(x_t,y_t,z_t)处的照度值为：

其中：I为点光源在光轴方向的光强；

m为与LED辐射半功率角θ_1/2有关的辐射模式数，可由如下公式计算得到：

光线与目标点T法线的余弦角为：

光线与光轴夹角的余弦为：

距离l为：

步骤3：以提高光源照度均匀度为目标，采用遗传算法对照明光源结构参数进行优化，优化目标函数为：

f(α,H,L)＝1-u(α,H,L)

u为目标面照度均匀度：

其中，E_min为目标面上照度的最小值，

为目标面上照度的平均值，H为条形光源的安装高度，H＝z₀，α为光源倾角，L为条形光源的长度。

进一步的，步骤3中约束边界条件为：

进一步的，步骤3中初始种群大小为NP＝50，交叉概率Pc＝0.8，变异概率Pm＝0.001，终止条件为遗传代数G＝500或适应度函数值在连续30代中无变化。

进一步的，坐标原点位于目标面的中心位置，条形光源以z轴为对称轴成对布置。

进一步的，还包括在光学仿真软件中验证获得的最优照明光源结构参数正确性的步骤。

进一步的，在Tracepro中进行光学分析，验证设计结果的准确性。

进一步的，还包括采用单因素分析法，研究条形光源个数、安装高度H、长度L及倾角α对照度均匀度的影响规律的步骤。

进一步的，所述目标面为陶瓷砖需要视觉检测的平面。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明了利用条形光源为目标面提供视觉检测光源，建立了直接照明光源在目标面上的照度分布数学模型，在研究了光源结构参数对照明效果影响规律的基础上，以提高光源照度均匀度为目标，利用遗传算法优化设计得到了最佳结构参数，本发明设计得到的光源具有光照均匀，能量利用率高等特点，可以有效提高视觉检测中目标物的图像质量。

本发明理论依据充分，数学建模简单且切合实际，计算可靠性高，后依据最优结构参数所搭建的光源系统具有光照均匀，能量利用率高等特点，可以有效提高视觉检测中目标物的成像质量，对提高检测精准率具有重要的现实意义。

本发明用作机器视觉检测的照明光源，光源结构简单，可以根据目标面的尺寸设计得到对应的光源结构参数，在保证目标面具有较高照度的同时，可有效提高光照均匀度，使拍摄图像具有更优的图像质量，有利于后续图像处理。

附图说明

图1为本发明光源空间坐标系图；

图2为本发明中选用点光源配光曲线图；

图3为单个条形光源直接照明的照度分布图；

图4为两个条形光源直接照明的照度分布图；

图5为四个条形光源直接照明的照度分布图；

图6为光源安装高度对照度均匀度的影响规律图；

图7为光源长度对照度均匀度的影响规律图；

图8为光源倾角对照度均匀度的影响规律图；

图9为优化目标的迭代曲线图；

图10为光源物理模型图；

图11为光源在Tracepro中的仿真结果图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

一种用于视觉检测的直接照明光源设计方法，包括如下步骤：

步骤1：建立直接照明光源在目标面上的照度分布数学模型；

进一步的，步骤1的具体过程为：

步骤1.1：确定照明目标面尺寸，建立照明系统空间坐标系；

步骤1.2：使用单个条形光源(含M×N个LED灯珠)，其中M和N均为偶数，设光源中心点坐标为(x₀,y₀,z₀)，光源与y轴平行，光轴与z轴夹角为α，即光源倾角，此时光轴方向的方向向量可以表示为(sinα,0,cosα)，条形光源中各个点光源的坐标可以表示为：

步骤1.3：依据叠加原理，目标面上点T(x_t,y_t,z_t)处的照度值为：

其中I为LED点光源轴线方向的光强，

m为与LED辐射半功率角θ_1/2有关的辐射模式数，可由如下公式计算得到：

光线与目标点T法线的余弦角为：

光线与光轴夹角的余弦为：

距离l为：

步骤1.4：当使用两个条形光源对称分布时，目标面上点T处的照度值为：

E₂(x_t,y_t,z_t)＝E₁(x_t,y_t,z_t)+E₁(-x_t,y_t,z_t) (6)

当使用四个条形光源对称分布时，目标面上点T处的照度值为：

E₄(x_t,y_t,z_t)＝E₂(x_t,y_t,z_t)+E₂(y_t,x_t,z_t) (7)

步骤3：以提高照度均匀度为目标，采用遗传算法优化获得最佳结构参数。

步骤2的具体过程为：

步骤2.1：以提高光源照度均匀度为目标，采用遗传算法对照明光源结构参数进行优化，优化目标函数为：

f(α,H,L)＝1-u(α,H,L) (8)

其中，H为条形光源的安装高度，H＝z₀，α为光源倾角，L为条形光源的长度。

E_min为目标面上照度的最小值，

为目标面上照度的平均值。

步骤2.2：确定优化设计模型的边界条件，即各结构参数的取值范围，包括光源倾角、高度和长度。

步骤2.3：设置优化模型参数，包括初始种群数量NP、交叉概率P_c、变异概率P_m及终止条件。

进一步的，在步骤1和步骤2之间还存在确定光源照明效果影响因素的步骤，具体过程为：

分析条形光源条数对照明效果的影响规律，选择最佳条形光源个数设计光源结构；

分析条形光源安装高度，条形光源长度和倾角对照明效果的影响规律。

以下将结合具体实施例对本发明作详细说明。

实施例1

参见图1，一种用于视觉检测的直接照明光源设计方法，包括如下步骤：

步骤1：建立直接照明光源在目标面上的照度分布数学模型；

待检测目标物瓷砖尺寸为300mm×300mm，设置目标照明面大小为500mm×500mm，建立如图1所示的照明系统空间坐标系；

使用单个条形光源(含M×N个LED灯珠)，条形光源中点光源的配光曲线如图2所示，其中M和N均为偶数，设光源中心点坐标为(x₀,y₀,z₀)，光源与y轴平行，光轴与z轴夹角为α，即光源倾角，此时光轴方向的方向向量可以表示为(sinα,0,cosα)，条形光源中各个点光源的坐标可以表示为：

依据叠加原理，目标面上点T(x_t,y_t,z_t)处的照度值为：

其中I为LED点光源轴线方向的光强，本实施例中，所选用的光源功率角为80°，计算得m＝2.6。

光线与目标点T法线的余弦角为：

光线与光轴夹角的余弦为：

距离l为：

当使用两个条形光源对称分布时，目标面上点T处的照度值为：

E₂(x_t,y_t,z_t)＝E₁(x_t,y_t,z_t)+E₁(-x_t,y_t,z_t)

当使用四个条形光源对称分布时，目标面上点T处的照度值为：

E₄(x_t,y_t,z_t)＝E₂(x_t,y_t,z_t)+E₂(y_t,x_t,z_t)

分析光源结构参数对照明效果的影响规律；

当高度为0.5m，倾角为0时，分别计算获得1个、2个、4个条形光源对称分布时目标面的照度分布图分别如图3、图4、图5所示，发现当采用单个条形光源时，目标面的照度均匀度为60.61％，当采用两个条形光源时，目标面的照度均匀度为73.60％，当采用四个条形光源时，目标面的照度均匀度为80.39％。因此采用四个条形光源进行光源结构设计。

光源长度选择为0.5m，光源倾角选择为0°，光源安装高度(条形光源中心到目标面的垂直距离)变化范围为0.2m-0.6m，研究光源安装高度对光源照明效果的影响规律，结果如图6所示。随着光源安装高度的增加，目标面照度均匀度先增大后减小，再逐渐增大，在高度范围0.2m-0.6m内，高度为0.33m时达到最大光照均匀度86.21％。

根据上述条形光源安装高度的研究结果，条形光源安装高度设置为0.33m，光源角度设置为0，条形光源长度变化范围为0.3m-0.8m，光源长度可以由点光源的间距以及y轴方向上的点光源数量计算得到研究光源长度对光源照明效果的影响规律，结果如图7所示。随着光源长度的增加，目标面照度均匀度先增大后减小，光源长度为0.5时，均匀度达到最大值为86.21％。

光源长度设置为0.5m，高度为0.4m，光源倾角范围为0-90°时，通过改变光源倾角，研究倾角对光源照明效果的影响规律，结果如图8所示。当光源倾角为0时，目标平面照度均匀度达到最大，为81.82％，随着光源倾角的增大，目标面照度均匀度先减小再增大，当倾角为66°时，照明均匀度达到最小，为47.09％。

步骤2：以提高照度均匀度为目标，采用遗传算法优化获得最佳结构参数。

利用遗传算法对直接照明光源的结构参数进行优化，优化目标函数为：

f(α,H,L)＝1-u(α,H,L)

其中α为光源倾角，H为光源安装高度，L为光源长度，u为目标面照度均匀度。结构参数的边界条件为：

设置初始种群大小为NP＝50，交叉概率Pc＝0.8，变异概率Pm＝0.001，终止条件为遗传代数G＝500或适应度函数值在连续30代中无变化，对光源结构参数进行优化，优化结果如图9所示。

优化后光源均匀度可高达91.20％，能量利用率25.04％，此时光源倾角为α＝0，光源安装高度H＝0.39m，光源长度L＝0.59m，光源长度为0.5m。

在三维绘图软件中建立照明系统的物理模型如图10所示。将该模型导入带Tracepro软件中进行光学分析，获得了如图11所示的仿真结果，光照均匀度高达89.13％，能量利用率为23.00％，验证了该设计方法的正确性。

本设计所设计的光源的照度均匀度，相比单个光源或两个条形光源都有了大幅提高，同时保证了较高的能量利用率。

上述实施例仅仅是清楚地说明本发明所作的举例，而非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里也无需也无法对所有的实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种用于视觉检测的直接照明光源设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：建立照明系统空间坐标系，其中，坐标系的原点位于待检测的矩形目标面上，坐标系的z轴垂直于目标面；

步骤2：利用条形光源为目标面提供视觉检测光源，其中，条形光源中心点坐标为(x₀,y₀,z₀)，条形光源的长边与y轴平行，条形光源的光轴与z轴夹角为α，即光源倾角，条形光源由成矩形阵列分布的M×N个点光源构成；

条形光源中各个点光源的坐标可以表示为：

其中：其中i＝1,2,···,M，j＝1,2,···,N，d为点光源的间距；

依据叠加原理，目标面上点T(x_t,y_t,z_t)处的照度值为：

其中：I为点光源在光轴方向的光强，m为与LED辐射半功率角θ_1/2有关的辐射模式数；光线与目标点T法线的余弦角为：

光线与光轴夹角的余弦为：

距离l为：

步骤3：以提高光源照度均匀度为目标，采用遗传算法对照明光源结构参数进行优化，优化目标函数为：

f(α,H,L)＝1-u(α,H,L)

u为目标面照度均匀度：

其中，E_min为目标面上照度的最小值，

为目标面上照度的平均值，H为条形光源的安装高度，H＝z₀，α为光源倾角，L为条形光源的长度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3中约束边界条件为：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤3中初始种群大小为NP＝50，交叉概率Pc＝0.8，变异概率Pm＝0.001，终止条件为遗传代数G＝500或适应度函数值在连续30代中无变化。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于：坐标原点位于目标面的中心位置，条形光源以z轴为对称轴成对布置。

5.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于：还包括在光学仿真软件中验证获得的最优照明光源结构参数正确性的步骤。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在Tracepro中进行光学分析，验证设计结果的准确性。

7.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于：在步骤1和步骤2之间还包括采用单因素分析法，研究条形光源个数、安装高度H、长度L及倾角α对照度均匀度的影响规律的步骤。

8.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于：所述目标面为陶瓷砖需要视觉检测的平面。

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