CN111263914A - 物体光学检查系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一般涉及一种用于对物体(104)进行光学检查的系统(100)，特别包括被操作为物体提供均匀光照明的可控照明组件(200,200’,200”)，从而提高物体检查的整体精度。光学视觉系统也包括被配置成捕捉物体图像的图像传感器(204)和与图像传感器和照明组件电连通并配置为操作图像传感器和照明组件的控制单元(108)，其中所述控制单元被配置为自动控制所述照明组件以基于所选物体类型的预定照明模式照明所述物体。本发明还涉及相应的方法和计算机程序产品。

Description

物体光学检查系统和方法
技术领域
本发明一般涉及一种用于对物体进行光学检查的系统，具体地说，该系统包括一个用于为物体提供均匀照明的照明组件，从而提高光学检查的总体精度。本发明还涉及相应的方法和计算机程序产品。
背景技术
人们提出了各种各样的视觉系统用于自动检查物体。这些系统通常基于图像传感器的使用，即通过图像传感器获取物体的图像，并使用控制单元(如微处理器)处理这些获取的图像。其快速可靠地检查缺陷的能力会受到被检物体照明质量的强烈影响，且照明的强度和对称性对这方面都很重要。因此，这种系统通常使用具有各种照明光学元件的多个光源。
在US20140168508中公开了这种系统的示例性实施方式，其包括用于适当地照明物体的多个LED的照明组件。根据US20140168508，可以在视觉系统上固定不同类型的照明组件，其中不同类型的照明组件的结构取决于要成像的对象的特征。
尽管US20140168508引入了一种有趣的方法来解决上述问题，以使待成像物体获得的适当照明，但所提出的具有可互换照明组件的想法将对视觉系统的用户操作造成一些麻烦。也就是说，用户必须关注所有不同的照明组件，并确保根据要成像的物体的类型应用正确的照明组件类型。此外，由于在检查过程中，从实际和成本角度来看，只有有限数量的不同类型的照明组件可以随时使用，因此，所提供的实际照明可能并不能完全针对被检查对象的实际类型。
基于上述，在实现待检物体的适当照明的方法方面似乎还有通过使用自动视觉系统来进一步提升的空间，例如提高可用性和提供对被检物体类型的高水平适应性。
发明内容
鉴于上述和现有技术的其他缺点，本发明的目的是提供一种改进的光学检查系统，利用可控照明组件对待检查物体进行照明。
因此，根据本发明的一个方面，提供了一种用于自动检查物体的光学视觉系统，该系统包括被配置成捕捉物体图像的图像传感器、被配置成照亮物体的包括多个单独可控制光源的可控照明组件，多个单独可控制光源被安装为包围所述图像传感器，以及与图像传感器和照明组件电连通并配置为操作图像传感器和照明组件的控制单元，其中，所述控制单元被配置为自动控制所述照明组件以基于所选物体类型的预定照明模式照明所述物体，使用所述图像传感器获取所述物体的第一图像，基于所述第一图像确定照明质量度量，如果所测定的照明质量度量表明其照明质量度量低于预定阈值，基于照明质量度量确定适配的照明模式，控制照明组件用适配的照明模式来照亮对象。
如上所述，众所周知，需要有足够的照明度才能够获得高质量的图像以用于对物体的自动检查。用于提供这种足够照明水平的现有解决方案依赖于使用取决于例如待检物体类型或特征的专用(不同)照明组件。本发明基于这样的认识，即只要由这种照明组件形成的照明模式可以适配物体类型，用相同类型的照明组件可以给涉及的不同类型，例如物体，提供足够的照明。
根据本发明，例如，可以为不同的物体类型预先确定不同的照明模式，然后在照明物体以对其进行自动检查时，将预先确定的照明模式用作起始点。此外，发明人已经确定可能需要允许动态地调整照明模式以获得所提及的高质量图像。因此，根据本发明，基于物体的初始获取的图像(例如第一图像)来确定照明质量度量。然后将照明质量度量与预定阈值(可能与物体类型相关)进行比较，以确定最初获取的图像是否“足够好”。此外，发明人已经确定，不同的物体优选地被不同地照亮，以获得物体的高质量图像，从而用于对物体的进一步检查。因此，特定物体的预定照明模式可以例如依赖于物体的外部结构(例如涂层、眩光等)、对象的有效距离(例如与图像传感器的位置相比)等。
如果是这种情况，最初获得的图像(和进一步获得的图像)可被用于物体的自动检查。然而，如果确定照明质量度量低于阈值(即“不够好”)，则可以调整照明模式。至少在照明质量度量高于预定阈值之前，可以执行多次调整以(在进一步获取的图像中)增加照明质量度量。
根据本发明的一个实施例，确定图像质量度量的步骤可以包括在捕获图像内的选定视野中确定均匀光分布的水平。因此，例如，可以分析所获得的初始图像(或在进一步确定照明质量度量的情况下的进一步图像)，以确定物体附近至少一个区域中的均匀光分布水平(如所获得的图像所示)。在本发明的上下文中，应将“均匀光分布”这一术语理解为涉及在所选视野内提供基本上相等的光强度水平。
优选地，确定所适配的照明模式的步骤包括采用兰伯特余弦定律确定物体与由照明组件照射出的光的调节水平。关于本发明，兰伯特余弦定律的概念通常意味着，例如，当从任何角度观察时，被检查物体的表面被确定具有相同的弧度。换言之，对人眼来说，理想情况下物体的总表面具有相同的视亮度(或亮度)。因此，在用兰伯特余弦定确定调节水平时，可以进一步确定物体被照明的“程度”。根据本发明，该测量还可用于优化朝物体发射的照明模式。
在本发明的一个可能的实施例中，确定适配的照明模式的步骤包括采用平方反比定律确定物体与由照明组件照射出的光的调节水平。关于本发明，用平方反比定律确定调节水平的概念意味着确定照明组件的光照强度在物体上的分布“程度”，其中理想情况下照明组件的光照强度和与照明组件的距离的平方成反比。根据本发明，该测量还可用于优化朝物体发射的照明模式。
在本发明的优选实施例中，照明组件的每个光源包括至少一个发光二极管(LED)。通常选择LED是因为这种光源的较高的可控性，以及较高的能效。然而，应当理解，可以替代地使用例如气体放电元件、白炽灯泡、荧光灯泡，或者和它们中的至少一种光源相似。每个LED可另外设置光学透镜，例如用于聚焦或散焦LED发射的光。光学透镜的用途可根据手头的应用和/或待检查物体的类型来选择。
优选地，控制单元还可以被配置成使用图像传感器获取物体的第二图像，以及确定物体的检查参数。因此，一旦控制单元确定已向待检查物体的方向发射足够数量和质量的光，则图像传感器可以获取在如上所述的自动检查过程中使用的进一步的图像。检查过程可，例如，涉及基于所获取的图像执行图像处理，以确定被检查物体的不同参数。这样的检查参数可以例如，涉及针对物体的一部分的距离测量，例如用于确定该部分物体的公差等级。在本发明的范围内，进一步的参数和检查可以被本领域技术人员制定。
在本发明的优选实施例中，照明组件的光源对称地布置在图像传感器周围。这样的配置可有利地允许进一步改进以实现待检物体的期望均匀照明。如下文将进一步讨论的，光源可能被布置成围绕图像传感器的环形结构。
根据上述，可以优选地允许预先决定的照明模式包括用于单独控制照明组件的多个光源的控制参数。因此，在设置单独的控制参数时可以考虑不同光源相对于图像传感器以及相对于待检物体的位置。在优选实施例中，各个控制参数可至少包括照明组件的每个光源的强度水平。当然，也可以控制由单个光源发射的光的颜色(波长)。
此外，如上所指出，针对特定类型的待检查物体，用于单独地控制照明组件的多个光源的控制参数是被预先模拟的。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于操作用于自动检查物体的光学视觉系统的方法，该系统包括被配置成捕捉物体图像的图像传感器、被配置成照亮物体的可控照明组件，该照明组件包括位于图像传感器周围的多个单独可控制的光源，以及与图像传感器和照明组件电连通并配置为操作图像传感器和照明组件的控制单元；其中，所述方法包括控制所述照明组件以基于所选物体类型的预定照明模式照明所述物体，使用所述图像传感器获取所述物体的第一图像，基于所述第一图像确定照明质量度量，如果所测定的照明质量度量表明其照明质量度量低于预定阈值，基于照明质量度量确定适配的照明模式，控制照明组件用适配的照明模式来照亮对象。本发明的这一方面提供了与上文所讨论的本发明的先前方面类似的优点。
在本发明的优选实施例中，该方法还可以包括，在控制照明组件以用预定照明模式照明物体之前，模拟用于照明物体的照明模式，在模拟中优化用于使物体的均匀光分布水平最大化的照明模式，以及选择预定的照明模式。因此，如上所指出，允许可能包括确定多个光源的单独控制参数(包括光照强度)的基于“物体类型”的预先确定照明模式的模拟(和/或测试)来优化用于照明物体的照明模式的“起点”可能是有利的，并可以改进照明模式。
根据本发明的另一个方面，提供了一种包括存储有用于操作用于自动检侧物体的光学视觉系统的计算机程序装置的非暂时性计算机可读介质的计算机程序产品，该系统包括被配置为捕捉所述物体的图像传感器、被配置为照亮所述物体的可控照明组件，且所述照明组件包括多个围绕图像传感器布置的单独可控的光源，以及与所述图像传感器和照明组件电连通并配置为操作所述图像传感器和照明组件的控制单元；其中，所述计算机程序产品包括用于控制照明组件以基于所选物体类型的预先确定照明模式照明物体的代码；用于使用图像传感器获取物体的第一图像的代码，用于基于所述第一图像确定照明质量度量的代码，如果所测定的照明质量度量表明其照明质量度量低于预定阈值，基于照明质量度量确定适配的照明模式的代码，以及控制照明组件用适配的照明模式来照亮对象的代码。此外，本发明的这一方面提供了与上文所讨论的本发明的先前方面类似的优点。
所述计算机可读介质可以是任何类型的存储设备，包括可移动非易失性随机存取存储器、硬盘驱动器、软盘、CD-ROM、DVD-ROM、USB存储器、SD存储卡或本领域已知的类似计算机可读介质之一。
在研究所附权利要求和以下描述时，本发明的进一步特征和优点将变得显而易见。本领域技术人员认识到，在不脱离本领域的范围的情况下，可以结合本领域的不同特征来创建除以下所述之外的实施例。
附图说明
本发明的各个方面，包括其特定特征和优点，将从以下详细描述和附图中容易理解，其中：
图1概念地例示了根据本发明的光学检侧系统；
图2A-2C显示了图1所示的光学检侧系统包括的不同的可控照明组件的详细视图；
图3A和3B提供了照明组件的可能操作配置的详细实施例，以及
图4示出了用于执行根据本发明的方法的处理步骤。
具体实施方式
下面将参照附图更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的当前优选实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式体现，并且不应被解释为仅限于本文所述的实施例；相反，这些实施例是为了彻底性和完整性而提供的，并且将本发明的范围完全传达给技术人员。全文中，相同的参考字符表示相同的元素。
现在转向附图，图1示意性地示出了根据本发明的一个实施例的概念性光学检查系统100。光学检查系统100包括成像设备102，成像设备102通常包括图像传感器和板载处理器以及存储器(未示出)。成像设备102还包括可控照明组件，这将参照图2A–2C进一步讨论的。
成像设备102被布置成捕捉例如在传送机106处被传送的对象(例如机器部件104)的图像(静止图片或视频流)。在所示的实施例中，传送机106包含多个物体，例如例示的机器部件104。这些物体依次通过成像设备102的预定视野(FOV)内，以便在检查过程中可以获取它们的运行时图像并检查其缺陷(和/或其他感兴趣的特征)。
光学检查系统100还包括控制单元108，该控制单元108适于执行基于由成像设备102获取的图像(或视频序列)的自动光学检查处理。控制单元108适于处理成像设备102的操作。成像设备102的这种操作可以包括图像/视频序列的获取，以及用于相对于物体104动态地重新定位成像设备102。成像设备102的重新定位可以同时包括成像设备102的水平和垂直重新定位。
可能的话，控制单元108还可以可选地适于控制或至少影响传送机106的控制，例如，用于控制传送机106相对于通过成像设备102的FOV的速度。
控制单元108可以包括通用处理器、特定于应用的处理器、包含处理组件的电路、一组分布式处理组件、一组配置用于数据处理的分布式计算机等。所述处理器可以是或包括用于进行传导数据或信号处理或用于执行存储在存储器中的计算机代码的任意数量的硬件组件。存储器可以是用于存储用于完成或推进本说明书中描述的各种方法的数据和/或计算机代码的一个或多个设备。存储器可以包括易失性存储器或非易失性存储器。存储器可以包括数据库组件、目标代码组件、脚本组件或用于支持本说明书的各种活动的任何其他类型的信息结构。根据示例性实施例，任何分布式或本地存储器设备可与本说明的系统和方法一起使用。根据示例性实施例，存储器可通信地连接到处理器(例如，通过电路或任何其他有线、无线或网络连接)，并包括用于执行本文所述的一个或多个数据处理的计算机代码。
光学检查系统100还包括布置成与控制单元108通信的数据库110，其中该数据库可被配置成包括可用于执行自动光学检查处理的与模型或训练图像相关的数据。也就是说，可以将由成像设备102获取的图像与这样的模型或训练图像进行比较，以确定是否存在例如与要检查的对象(例如机器部件104)相关的缺陷。
光学检查系统100还可以可选地包括用于允许例如操作员与光学检查系统100交互的接口。这样的接口可以例如包括显示单元112，并且还可选地包括例如鼠标和键盘(未示出)。显示器
现在转向图2A–2C，从概念上说明将用于成像设备102的可控照明组件，也构成光学检查系统100的一部分。在图2A中示出了这种可控照明组件200的第一示例性实施例。具体地，照明组件200包括多个发光二极管(LED)202，所述发光二极管(LED)202被布置成包围包括在成像设备102中的图像传感器204。在所示实施例中，LED以围绕图像传感器204的矩阵形式(虚线)排列。在图2A中(以及在下面的图2B中)，概念性地示出了图像传感器204，且其没有显示与图像传感器204一起用于拍摄物体的图像/视频序列的光学镜头。
在替代实施例中，如图2B中概念性地示出的，替代照明组件200’在功能和形式上与图2A中示出的照明组件200相对应。然而，在该实施例中，LED202是以围绕图像传感器204的圆形(虚线)形式布置的。当然，LED 202可以以与图2A和2B中所示的任一一个相比不同的方式排列。
在本发明的一个可能实施例中，如图2C中概念性地示出的，另一个替代照明组件200”可选地配备有光学漫射器构件206。光学漫射器构件206被放置在LED 202和要被照明的物体104之间，并与LED 202相邻。光学漫射器构件206可用于“散布”从单个LED 202发射的光，从而如从另一替代照明组件200”看到的那样提供更均匀的光束。在一些实施例中，并且对于某种类型的物体，这种实施方式对于提高物体的均匀照明可能是有利的。
现在转向图3A和3B，其示出了当成像设备102相对于物体104动态地重新定位时光学检查系统100的示例性操作。具体地，在图3A中，示出了成像设备102在传送机106的方向上稍微定位在物体的左侧(从物体的中心看)。在这样的位置，可以允许照明组件200(或同等的200’/200”)以特定的照明模式照亮物体104。在图3A所示的图示中，所述照明模式显示为某种程度的定向光，由此，所看到的关于照明组件200的强度水平302，在照明组件200的左侧的强度水平被允许相对右侧较高。相应地，照明组件200的LED的各个控制参数将相应地控制LED 200。
在图3B中，示出了成像设备102相对于物体104的位置的另一示例。具体地，在图3B中，成像设备102被示出为基本上在物体104上方，因此基本上与物体104的中心成一直线。在这种情况下，例如(可能取决于物体的类型)可以允许照明组件200使用替代强度等级304来照明对象，由此，与照明组件200的“边缘”处的LED 202相比，照明组件200的中心处的LED202的强度水平降低。如上所述，照明组件200的LED的各个控制参数将相应地控制LED200。
应当理解，如上文所讨论的，图3A和3B提供的强度等级302、304是示例性的，并且可以是不同的，例如取决于要检查的物体的类型、物体的外部结构等。相应地，在一些实施例中，例如图3A中所示的强度水平可以是相反方向的(即更高地朝着对象的中心)。
总之，进一步参考图4，本发明涉及用于自动检查物体104的光学视觉系统100以及用于操作这种光学视觉系统100的方法。为了获得在随后的自动光学检查过程中使用的高质量图像或视频序列，控制照明组件200、200’、200”，S1，以基于所选物体类型的预定照明模式照明物体104。然后，成像设备102将获取，S2，物体104的第一图像或视频序列。然后，包括于光学视觉系统100中的控制单元108将基于所获取的第一图像来确定，S3，其照明质量度量。优选地，所述照明质量度量适于确定物体104处的照明的均匀性。
随后，控制单元108将确定照明质量度量是否低于或高于预定阈值。如果照明质量度量低于预定阈值，则控制单元108基于照明质量度量确定，S4，匹配的照明模式。在可能的实施例中，根据在物体104处确定照明均匀性的结果来调整照明模式。也就是说，在确定适配的照明模式时，可以考虑均匀性计算的结果。然后，控制单元108将单独控制，S5，LED 202以用经适配的照明模式照亮物体104。
本发明的优点包括为使用相同类型的照明组件的不同类型例如物体提供足够的照明的可能性，并允许由这样的照明组件形成的照明模式可适配物体类型。
本发明设想了在任何机器可读介质上用于完成各种操作的方法、系统和程序产品。本发明的实施例可以使用现有的计算机处理器来实现，或者由被用于此目的或其他目的用于适当系统的专用计算机处理器来实现，或者由硬接线系统来实现。本发明范围内的实施例包括程序产品，其包括用于承载或具有存储在其上的机器可执行指令或数据结构的机器可读介质。这种机器可读介质可以是可由通用或专用计算机或具有处理器的其他机器访问的任何可用介质。
举例来说，这种机器可读介质可以包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁存储设备，或任何其他可用于以机器可执行指令或数据结构的形式携带或存储所需的程序代码，并可被由通用或专用计算机或其它带有处理器的机器访问的介质。当信息通过网络或其他通信连接(硬接线、无线或硬接线或无线的组合)传输或提供给机器时，机器将该连接正确地视为机器可读介质。因此，任何这样的连接都被恰当地称为机器可读介质。上述的组合也包括在机器可读介质的范围内。机器可执行指令包括例如使通用计算机、专用计算机或专用处理机器执行某一功能或一组功能的指令和数据。
尽管附图中可能显示方法步骤的特定顺序，但所述步骤的顺序可能与所描述的不同。此外，两个或多个步骤可以同时执行或部分并发执行。这种变化将取决于软件和硬件系统的选择和设计师的选择。所有这些变化都在本发明的范围内。同样，软件实现可以用基于规则的逻辑和其他逻辑的标准编程技术来完成，以完成各种连接步骤、处理步骤、比较步骤和决策步骤。另外，即使已经参考其具体的示例性实施例来描述本发明，对于本领域技术人员来说，许多不同的改变、修改等将变得显而易见。
通过对附图、发明内容和所附权利要求的研究，本发明的实施例的变更可以被实施本发明的本领域技术人员理解和影响。此外，在权利要求中，“包含”一词不排除其他元素或步骤，不定冠词“a”和“an”不排除其复数形式。

Claims (18)

1.一种用于自动检查物体(104)的光学视觉系统(100)，所述系统包括：
-被配置成捕捉物体图像的图像传感器(204)；
-被配置成照亮物体的包括多个单独可控制光源(202)的可控照明组件(200,200’,200”)，多个单独可控制光源被安装为包围所述图像传感器，以及
-与图像传感器和照明组件电连通并配置为操作图像传感器和照明组件的控制单元(108)，
其特征在于，所述控制单元被配置为自动：
-控制所述照明组件以基于所选物体类型的预定照明模式照明所述物体；
-使用所述图像传感器获取所述物体的第一图像；
-基于所述第一图像确定照明质量度量；
-如果所测定的照明质量度量表明其照明质量度量低于预定阈值，基于照明质量度量确定适配的照明模式，以及
-控制照明组件用适配的照明模式来照亮对象。
2.如权利要求1所述的光学视觉系统，其特征在于确定图像质量度量包括在捕获图像内的选定视野中确定均匀光分布的水平。
3.如权利要求1和2其中之一所述的光学视觉系统，其特征在于确定所适配的照明模式包括采用兰伯特余弦定律确定物体与由照明组件照射出的光的调节水平。
4.如权利要求3所述的光学视觉系统，其特征在于控制单元被进一步配置为采用兰伯特余弦定律优化物体与由照明组件照射出的光的调节水平。
5.如以上任一权利要求所述的光学视觉系统，其特征在于确定适配的照明模式包括采用平方反比定律确定物体与由照明组件照射出的光的调节水平。
6.如权利要求5所述的光学视觉系统，其特征在于控制单元被进一步配置为采用平方反比定律优化物体与由照明组件照射出的光的调节水平。
7.如以上任一权利要求所述的光学视觉系统，其特征在于所述照明组件的每个光源包括知识一个发光二极管(LED)。
8.如权利要求7所述的光学视觉系统，其特征在于每个发光二极管(LED)包括光学透镜。
9.如以上任一权利要求所述的光学视觉系统，其特征在于所述控制单元进一步被配置为：
-采用图像传感器获取所述物体的第二图像，以及
-确定物体的检查参数。
10.如以上任一权利要求所述的光学视觉系统，其特征在于照明组件的光源对称地布置在图像传感器周围。
11.如以上任一权利要求所述的光学视觉系统，其特征在于预先决定的照明模式包括单控制照明组件多个光源的控制参数。
12.如权利要求11所述的光学视觉系统，其特征在于控制参数至少包括照明组件的每个光源的强度水平。
13.如权利要求11和12任一所述的光学视觉系统，其特征在于针对特定类型的待检查物体，用于单独地控制照明组件的多个光源的控制参数是被预先模拟的。
14.一种用于操作用于自动检查物体(104)的光学视觉系统(100)的方法，该系统包括：
-被配置成捕捉物体图像的图像传感器(204)；
-被配置成照亮物体的包括多个单独可控制光源(202)的可控照明组件(200,200’,200”)，多个单独可控制光源被安装为包围所述图像传感器，以及
-与图像传感器和照明组件电连通并配置为操作图像传感器和照明组件的控制单元(108)；
其特征在于，所述方法包括：
-控制所述照明组件以基于所选物体类型的预定照明模式照明所述物体；
-使用所述图像传感器获取所述物体的第一图像；
-基于所述第一图像确定照明质量度量；
-如果所测定的照明质量度量表明其照明质量度量低于预定阈值，基于照明质量度量确定适配的照明模式，以及
-控制照明组件用适配的照明模式来照亮对象。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于确定图像质量度量包括在捕获图像内的选定视野中确定均匀光分布的水平。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于在控制照明组件以用预定照明模式照明物体之前：
-模拟用于照明物体的照明模式；
-在模拟中优化用于使物体的均匀光分布水平最大化的照明模式，以及
-选择预定的照明模式。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于进一步包括：
-为照明组件的各个光源确定单独的光照强度控制参数。
18.一种包括存储有用于操作用于自动检侧物体(104)的光学视觉系统(100)的计算机程序装置的非暂时性计算机可读介质的计算机程序产品，其特征在于该系统包括：
-被配置为捕捉所述物体的图像传感器(204)；
-被配置为照亮所述物体的可控照明组件(200,200’,200”)，且所述照明组件包括多个围绕图像传感器布置的单独可控的光源(202)，以及
-与所述图像传感器和照明组件电连通并配置为操作所述图像传感器和照明组件的控制单元(108)，
其特征在于，所述计算机程序产品包括：
-用于控制照明组件以基于所选物体类型的预先确定照明模式照明物体的代码；
-用于使用图像传感器获取物体的第一图像的代码；
-用于基于所述第一图像确定照明质量度量的代码；
-如果所测定的照明质量度量表明其照明质量度量低于预定阈值，基于照明质量度量确定适配的照明模式的代码，以及
-控制照明组件用适配的照明模式来照亮对象的代码。
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