CN111189840A - 近场均匀照明的纸病检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近场均匀照明的纸病检测方法，包括如下步骤：1)根据斯派罗法则计算灯珠间距d；2)计算第n个灯珠垂直于被检测纸面的方向与该灯珠指向相机的方向之间的夹角α；3)根据实验得到的经验公式：

计算出第n个灯珠的实际总功率Wn，其中W表示灯珠的额定功率，也即中间位置灯珠的功率，t为权重系数，h为相机到检测纸面的高度；4)调升各灯珠的实际总功率使其满足步骤3)中所计算出的Wn值；获取被检测纸张图像，直接用阈值法检测纸病。本发明通过增加离中间灯珠远端方向灯珠的功率来实现远端光通量的增加，使得相机所拍摄图像的灰度均匀度显著提高，从而有效提高纸张的成像质量，使纸病的检测更加准确，检测效率更高。

Description

近场均匀照明的纸病检测方法

技术领域

本发明涉及工业生产中的纸张质量检测领域，具体涉及一种近场均匀照明的纸病检测方法。

背景技术

纸病是指在纸张的生产过程中，由于生产工艺造成的纸张上出现的缺陷或瑕疵，这些缺陷会影响纸张的质量。纸病检测系统的主要作用是提前发现纸病的存在并进行标记，以便在纸张复卷时及时将有纸病的区域去除。

现有技术中，以被检测纸病图像灰度的均匀度为优化目标，在拟合LED点光源照度分布函数的基础上，利用菌群算法对光源系统参数进行寻优运算，并根据寻优结果对光源系统进行结构优化，同时对各LED点光源进行功率控制。

现有技术针对纸病检测系统中的存在线性LED光源照射效果不均匀以及光源控制中的耦合问题，具体包括以下几方面问题：

1、现有技术获取到的的图像灰度均匀度能够达到95％，优化前先使用滤波算法让纸张的图像灰度更加均匀(但容易滤除掉较小的纸病信息)，取得图像数据和标准图像进行像素值相减，至少执行两次循环，读取两次图像数据，算法复杂度较高，判断纸病的时间长，应用程序的执行效率较低。在目前实验条件下，纸病进行检测的最高速度为300米/分钟，仍然有提升的空间。

2、现有技术只是单纯观察纸张的图像灰度值是否均匀，利用各种算法对图像灰度值，而未考虑到多个(LED)光源发出的光线漫反射进入相机的光通量是不同的，对纸张的图像灰度值影响较大。纸张做为二次光源，并非所有灯珠发出的光线都垂直于相机，中间位置的(LED)灯珠发出的光线大部分垂直进入相机，其余位置的灯珠发出的光线只有一部分通过漫反射以不同角度进入相机，会引起纸张两端的灰度值比纸张中间低，会发生灰度不均匀现象，影响了纸病识别效果。

3、现有技术中光源系统的结构建模复杂，光源功率参数的计算需要通过复杂的算法实现，且功率控制电路需要根据图像灰度值的改变，需多次动态调节灯珠的电源功率，操作繁琐。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的纸张被检测面横向上跨度较大，使得射向相机的光线出现从中间向两端依次递减(即出现中间位置的灯珠射向相机的光通量明显比远端的第n个灯珠光线通过被检测纸张漫反射到相机的光通量要强)所导致的相机拍摄图像出现中间亮两端暗的灰度不均匀的现象，通过增加远端方向灯珠的功率来实现远端光通量的增加，使得相机所拍摄图像的灰度均匀度显著提高，从而有效提高纸张的成像质量，使纸病的检测更加准确，检测效率更高。

本发明的技术方案是：近场均匀照明的纸病检测方法，包括如下步骤：

1)根据斯派罗法则，计算灯珠间距

其中z为灯珠到被检测纸张的垂直距离，m是一个与发光区域和封装透镜的曲率中心之间的距离有关系的值，为给定值，此处m取值为1；

2)根据公式(1)计算第n个灯珠垂直于被检测纸面的方向与该灯珠指向相机的方向之间的夹角α，该夹角α即为检测光线从被检测纸面经过漫反射到相机的光线夹角；

α＝90°-artg(h/(n*d)) (1)

(1)式中，h为相机到检测纸面的高度；第n个灯珠为以中间位置灯珠为起始点，依次远离中间位置灯珠的灯珠编号；

3)根据实验得到的经验公式：

计算出第n个灯珠的实际总功率Wn，其中W表示灯珠的额定功率，也即中间位置灯珠的功率，t为权重系数；

4)调升各灯珠的实际总功率使其满足步骤3)中所计算出的Wn值，从而在各灯珠满足实际总功率为Wn值的条件下进行纸病检测；获取被检测纸张图像，直接用阈值法检测纸病。

上述步骤3)中的权重系数t的确定方法包括以下步骤：

a、首先从区间[1.000，0.001]中，从大至小依次选取若干值作为初始t值，然后通过(2)式计算在各初始t值下各个灯珠的功率Wn；

b、在步骤a的各初始t值下，调整各灯珠的实际功率，使各灯珠的实际功率等于各初始t值时计算的对应的Wn值，再对纸张进行各初始t值下灰度均匀度的测试；

c、灰度均匀度测试：首先以图像的列为单位，将该列像素的灰度值相加求和，然后除以该列总的像素数量，得到该列的灰度平均值；分别对每列进行计算得到各个列的灰度平均值；然后在各个列的灰度平均值中，选出最大灰度平均值和最小灰度平均值，用最小灰度平均值除以最大灰度平均值，即可得灰度均匀度的百分比，该百分比越大，灰度均匀度效果越好；

d、对各不同的t值下的灰度均匀度测试后，选出灰度均匀度最大值对应的初始t值，则将该初始t值作为最终的用于(2)式中的权重系数t值，后续对各灯珠的Wn值进行调整时，该权重系数t值作为常数将保持不变，当更换灯珠类型时，需按上述步骤重新确定权重系数t值。

本发明的有益效果：

1、本发明的操作方法更加简单，本发明的功率控制电路不需要通过多次动态调节灯珠的电源功率来得到最优的灯珠功率，只需要调节一次灯珠的电源功率就可以得到最优的灯珠功率。

2、本发明可以将获取到的图像灰度均匀度提高到98.61％，相比现有技术的图像灰度均匀度95％有了明显提升，有效提高了纸张的成像质量。

3、不需要通过滤波算法来提高图像质量，直接用阈值法来判断纸病，算法复杂度较低，使纸病的检测更加准确，应用程序的执行效率较高。

4、在当前实验条件下，使用阈值法对纸病进行检测的最高速度为达到550米/分钟。

附图说明

图1为本发明的纸病检测系统光源优化的结构框图；

图2是纸病检测系统示意图；

图3是现有技术纸病检测中图像出现中间亮两端暗的灰度不均匀现象原理分析图；

图4是未采用本发明方法优化前在不同灯珠位置的图像灰度分布值；

图5是采用本发明方法优化后在不同灯珠位置的图像灰度分布值。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

本发明针对纸病检测系统中采集到的图像存在横向灰度不均匀的问题，基于几何光学辐射照度理论，围绕纸病检测系统光源模块照射到被检测纸张上的照度均匀分布问题，依据斯派罗法则，确定了光源模块中LED灯珠间的最优距离函数；从机器视觉的角度出发，确定了光源阵列中不同位置灯珠的功率优化函数；采用图像灰度均匀度指标，对光源的改进效果进行了验证。

纸病检测中，纸张做为二次光源，属于漫反射，并非所有灯珠发出的光线都垂直于相机,中间位置的灯珠发出的光线大部分垂直进入相机，其余位置的灯珠发出的光线只有一部分通过漫反射以不同角度进入相机。纸病检测中采用CCD相机作为图像的获取设备，只能被动的接收光源射来的光线，如图3所示，由于被检测面横向上跨度较大，射向CCD相机的光线会出现从中间向两端依次递减的情况，进而会导致图像出现中间亮两端暗的灰度不均匀现象。均匀的二次光源主要从线阵相机的正下方，垂直于检测面向上发射光线，中间位置的灯珠(功率为W)射向相机的光通量明显比第n个灯珠光线漫反射到相机方向的光通量要强。为了解决这个问题，本发明通过增加远端方向灯珠的功率来实现远端光通量的增加。本发明根据其余位置灯珠的光线进入相机的光通量，调整其余位置的灯珠功率，以使其通过光线漫反射进入相机的光通量增大(使其接近于中间位置光线进入相机的光通量)，最终达到纸张两端的灰度值和纸张中间的灰度值接近，提高相机所拍纸张图像的灰度均匀度，最终提高纸张的成像质量，使纸病的检测更加准确。本发明通过图像横向灰度均匀性验证，证明了被检测纸张作为二次光源也实现了自身发光的均匀性。

本发明的检测方法包括如下步骤：

1)根据斯派罗法则，计算灯珠间距

其中z为灯珠到被检测纸张的垂直距离，m是一个与发光区域和封装透镜的曲率中心之间的距离有关系的值，为给定值，此处m取值为1；

2)根据公式(1)计算第n个灯珠垂直于被检测纸面的方向与该灯珠指向相机的方向之间的夹角α，该夹角α即为检测光线从被检测纸面经过漫反射到相机的光线夹角；

α＝90°-artg(h/(n*d)) (1)

该式中，h为相机到检测纸面的高度；第n个灯珠为以中间位置灯珠为起始点，依次远离中间位置灯珠的灯珠编号，例如中间位置灯珠左右两侧与其相邻的灯珠的编号n均为1，中间位置灯珠左右两侧的与其间隔一个灯珠的灯珠的编号n均为2，依次类推，与中间位置灯珠距离越远的灯珠标号越大，且中间位置灯珠左右两侧灯珠的编号是对称的；

3)根据实验证明，图像灰度均匀度的变化与灯珠的光通量有直接关系，灯珠的光通量又与灯珠功率有直接关系；中间位置灯珠的功率W与第n个灯珠漫反射到相机方向的功率越接近，中间位置的灯珠(功率为W)射向相机的光通量和第n个灯珠(功率为Wn)漫反射到相机方向的光通量越接近，与中间位置灯珠对应的纸张图像灰度值和第n个灯珠位置对应的纸张图像灰度值的关系越接近。第n个位置的灯珠功率越大，其光通量越大，其通过漫反射到相机方向的光通量越大，其灰度值越大。第n个灯珠处射向相机的光线为Wn*cos(α)，又因为α＝90°-artg(h/(n*d)),第n个灯珠的总功率为经验公式：

(2)式中W表示灯珠的额定功率，也即中间位置的灯珠功率，Wn表示第n个灯珠的实际总功率，t为权重系数。当前实验环境下，若纸张到相机的距离为h＝65cm，将高度h带入公式，可得W1…W10的值。其中第n个灯珠需要增加的功率为

第n个灯珠光线漫反射到相机的功率为W(理想状态下功率是W，实际功率值只能接近W)。

4)调升各灯珠的实际总功率使其满足步骤3)中所计算出的Wn值，从而在各灯珠满足实际总功率为Wn值的条件下进行纸病检测。

上述(2)式中的权重系数t的确定方法包括以下步骤：

a、首先从区间[1.000，0.001]中，从大至小依次选取若干值作为初始t值，然后通过(2)式计算在各初始t值下各个灯珠的功率Wn；

b、在步骤a的各初始t值下，调整各灯珠的实际功率，使各灯珠的实际功率等于各初始t值时计算的对应的Wn值，再对纸张进行各初始t值下灰度均匀度的测试；

c、灰度均匀度测试：首先以图像的列为单位，将该列像素的灰度值相加求和，然后除以该列总的像素数量，得到该列的灰度平均值；分别对每列进行计算得到各个列的灰度平均值；然后在各个列的灰度平均值中，选出最大灰度平均值和最小灰度平均值，用最小灰度平均值除以最大灰度平均值，即可得灰度均匀度的百分比，该百分比越大，灰度均匀度效果越好(纸张图像的灰度均匀度只会接近1)；

d、对各不同的t值下的灰度均匀度测试后(即权值1.000到0.001区间内对应于各t值的灰度均匀度)，选出灰度均匀度最大值(如表3中的值98.623％)对应的初始t值(如表3中的值0.076)，则将该初始t值作为最终的用于(2)式中的权重系数t值，后续对各灯珠的Wn值进行调整时，该权重系数t值作为常数将保持不变，当更换灯珠类型时，需按上述步骤重新确定权重系数t值。

上述选取t规律就是通过试验进行，即从1.000开始，到0.001结束，实际上可以从1.00开始到0.01结束即可，实验发现，通常t为0.07-0.08的时候，灰度均匀度大于95％，所以主要从0.07-0.08的区间进行特别选取进行试验(在该区间对t值的选取可增加一定的选取密度)。

本发明将灰度均匀度的判定过程分成以下两个步骤：1、首先以图像的列为单位，将该列像素的灰度值相加求和，然后除以该列总的像素数量，得到该列的灰度平均值，最终得到各个列的灰度平均值；2、然后在各个列的灰度平均值中，选出最大灰度平均值和最小灰度平均值，用最小灰度平均值除以最大灰度平均值，即可得灰度均匀度的百分比，比值越大，均匀度效果越好，纸张图像的灰度均匀度只会接近1。(注：根据试验结果选出灰度均匀度最大值对应的权值t，利用该权值t计算所有灯珠的功率，以后使用该类型的灯珠再检测纸病时，该类型的灯珠功率不再发生变化；如果更换灯珠的类型，那么需要对新的灯珠重新进行上述试验选出新的权值t，利用该新的权值t计算所有新的灯珠的功率，以后使用新的灯珠再检测纸病时，新的灯珠功率也不发生变化)

本发明根据公式(2)中确定的权值t，可一次性调整灯珠功率，可通过调整W1-W10的电阻值来调整各灯珠功率，可先在各个灯珠上加入电阻Rx和原有灯珠电阻R串联；根据上述计算得到的各灯珠功率值Wn，再根据功率、电压、电阻关系式P＝U2/(R+Rx)，其中U为额定电压，求出当各灯珠P为Wn时加入电阻Rx的具体值；本发明通过给各灯珠增加Rx电阻，使两端灯珠功率变大，也使纸张两端向相机漫反射的光通量变大，继而使纸张两端的图像灰度值增加，使纸张两端的灰度值和纸张中间的灰度值接近，最终将采集到的图像灰度不均匀现象降低。(采用本发明方法优化灯珠功率前和优化后的效果见表1、表2、图4、图5)对获得的纸张图像，直接用阈值法检测纸病。

表1：未采用本发明方法优化灯珠功率的各灯珠对应的灰度值

表2：采用本发明方法优化灯珠功率后的各灯珠对应的灰度值

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述，在最新的Windows10企业版操作系统上使用集成环境为Visual Studio 2015进行开发。

参阅图1和图2，图1为本发明提供的纸病检测系统光源优化的结构框图，包括图像采集模块1、图像存储模块2、图像分析模块3、显示模块4，所述图像采集模块、所述图像存储模块、所述图像分析模块、所述显示模块依次通信连接。

所述图像采集模块主要是将相机的采集频率和纸机转动的速度设置一致，否则采集到的图像会变形失真，影响后期对图像分析时的精确度。相机采集频率的设置公式为：Q＝V/S，其中Q表示相机的采集频率(单位：赫兹)，V表示纸张运行的速度(单位：米/秒)，S表示要求的精度(单位：平方毫米)，一般由被检测纸张的幅宽除以相机的分辨率来决定；另外一个功能是将采集到的图像传给上位机，此处主要使用了加拿大相机厂商Teledyne DALSA提供的Saprea LT SDK。

所述图像存储模块是将相机获取到的图像数据无损并且时地存储到硬盘上，图像存储时应该使用无损的BMP格式。

所述图像分析模块是主要分析图像的灰度均匀度。

LED灯具使用深圳市普朗克光电科技有限公司的定制的白光5054灯珠，在图像采集方面使用了使用TELEDYNE DALSA公司的Spyder3系列线阵CCD相机，型号是S3-24-04k40，使用杭州远方智能照度计Z-10，测试范围在0.011ux到300Klux，满足当前光源优化设计的要求。

具体试验步骤如下：

1、先测量相机到检测面的高度h，当被检测纸张上的照度为E＝2400lx左右，即可保证实验效果，根据光照度的定义，光照度，11m(流明)的光通量均匀分布在1m2表面上所产生的光照度，即：

式中E表示光照度，F表示光通量，S表示被照射面积。实验中，灯珠发射角为120度，被检测面被光照射的面积为(π*(z*tg60)²，其中z为灯珠到被检测面的垂直距离。根据已知条件可得如下表达式100/(π*(z*tg60)²)＝2400，求得z≈6.65cm。

实验平台横向宽度1.23米，灯珠间隔6.65cm，需要灯珠19颗，考虑到两端位置可能只被两颗灯珠照射，为保证光照度的均匀性，需要在两端位置各补充一个灯珠，共计需要21颗灯珠。根据灯珠发光角度，可知被检测面上每一个位置都会被3颗灯珠照射。

2、根据斯派罗法则，计算灯珠间距

(z为灯珠到纸张的垂直距离，m是一个与发光区域和封装透镜的曲率中心之间的距离有关系的值，一般是给定值，此处m为1)。

3、α为“第n个灯珠垂直于纸面的方向”与“第n个灯珠指向相机的方向”之间的夹角，这个角度是光从纸面经过漫反射到相机的光线夹角a＝90°-artg(h/(n*d))。

4、根据实验证明，图像灰度均匀度的变化与灯珠的光通量有直接关系，灯珠的光通量又与灯珠功率有直接关系；

中间位置的灯珠功率W与第n个灯珠漫反射到相机方向的功率越接近，中间位置的灯珠(功率为W)射向相机的光通量和第n个灯珠(功率为Wn)漫反射到相机方向的光通量越接近，与中间位置灯珠对应的纸张图像灰度值和第n个灯珠位置对应的纸张图像灰度值的关系越接近。

第n个位置的灯珠功率越大，其光通量越大，其通过漫反射到相机方向的光通量越大，其灰度值越大。

第n个灯珠处射向相机的光线为wn*cos(α)，又因为α＝90°-artg(h/(n*d))

第n个灯珠的总功率为经验公式：

式中W表示灯珠的额定功率，n表示灯珠的位置，Wn表示n处灯珠的实际功率，t为权重系数。当前实验环境下，纸张到相机的距离为h＝65cm，将高度h带入公式，可得W1...W10的值。

其中第n个灯珠需要增加的功率为

第n个灯珠光线漫反射到相机的功率为W(理想状态下功率是W，实际功率值只能接近W)。

本发明将灰度均匀度的判定过程分成以下两个步骤：1、首先以图像的列为单位，将该列像素的灰度值相加求和，然后除以该列总的像素数量，得到该列的灰度平均值，最终得到各个列的灰度平均值；2、然后在各个列的灰度平均值中，选出最大灰度平均值和最小灰度平均值，用最小灰度平均值除以最大灰度平均值，即可得灰度均匀度的百分比，比值越大，均匀度效果越好，纸张图像的灰度均匀度只会接近1。(实验结果如表3所示，灰度均匀度最大值98.623％对应的权值t为为0.076，也就是白光5054灯珠使用该权值t确定灯珠的功率值，以后使用该试验中的白光5054灯珠再检测纸病时，该种灯珠功率不再发生变化)

表3

注：中间灯珠左边的10个灯珠的功率值省略，因为和表中右边的W1-W10的功率值相同。

综上所述，相比于现有技术，本发明具备以下有益效果：

1、本发明的操作方法更加简单，本发明的功率控制电路不需要通过多次动态调节灯珠的电源功率来得到最优的灯珠功率，只需要调节一次灯珠的电源功率就可以得到最优的灯珠功率。

2、本发明可以将获取到的图像灰度均匀度提高到98.61％，相比现有技术的图像灰度均匀度95％有了明显提升，有效提高了纸张的成像质量。

3、不需要通过滤波算法来提高图像质量，直接用阈值法来判断纸病，算法复杂度较低，使纸病的检测更加准确，应用程序的执行效率较高。

4、在当前实验条件下，使用阈值法对纸病进行检测的最高速度为达到550米/分钟。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.近场均匀照明的纸病检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据斯派罗法则，计算灯珠间距

其中z为灯珠到被检测纸张的垂直距离，m是一个与发光区域和封装透镜的曲率中心之间的距离有关系的值，为给定值，此处m取值为1；

2)根据公式(1)计算第n个灯珠垂直于被检测纸面的方向与该灯珠指向相机的方向之间的夹角α，该夹角α即为检测光线从被检测纸面经过漫反射到相机的光线夹角；

α＝90°-artg(h/(n*d)) (1)

(1)式中，h为相机到检测纸面的高度；第n个灯珠为以中间位置灯珠为起始点，依次远离中间位置灯珠的灯珠编号；

3)根据实验得到的经验公式：

计算出第n个灯珠的实际总功率Wn，其中W表示灯珠的额定功率，也即中间位置灯珠的功率，t为权重系数；

4)调升各灯珠的实际总功率使其满足步骤3)中所计算出的Wn值，从而在各灯珠满足实际总功率为Wn值的条件下进行纸病检测；获取被检测纸张图像，直接用阈值法检测纸病。

2.如权利要求1所述的近场均匀照明的纸病检测方法，其特征在于，步骤3)中的权重系数t的确定方法包括以下步骤：

a、首先从区间[1.000，0.001]中，从大至小依次选取若干值作为初始t值，然后通过(2)式计算在各初始t值下各个灯珠的功率Wn；

b、在步骤a的各初始t值下，调整各灯珠的实际功率，使各灯珠的实际功率等于各初始t值时计算的对应的Wn值，再对纸张进行各初始t值下灰度均匀度的测试；

c、灰度均匀度测试：首先以图像的列为单位，将该列像素的灰度值相加求和，然后除以该列总的像素数量，得到该列的灰度平均值；分别对每列进行计算得到各个列的灰度平均值；然后在各个列的灰度平均值中，选出最大灰度平均值和最小灰度平均值，用最小灰度平均值除以最大灰度平均值，即可得灰度均匀度的百分比，该百分比越大，灰度均匀度效果越好；

d、对各不同的t值下的灰度均匀度测试后，选出灰度均匀度最大值对应的初始t值，则将该初始t值作为最终的用于(2)式中的权重系数t值，后续对各灯珠的Wn值进行调整时，该权重系数t值作为常数将保持不变，当更换灯珠类型时，需按上述步骤重新确定权重系数t值。

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