CN114371168B - 一种基于反射照度计算的机器视觉照明设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器视觉测量领域，提出了一种基于反射照度计算的机器视觉照明设计方法。该方法首先基于相机与同轴LED环形光源照明的几何位置关系计算包括光源距离、光源角度、数量、光源位置等参数的LED光源入射照度，然后基于双向光照反射模型计算了包含材料反射系数、入射角和反射角等参数的LED光源反射照度，给定光源的特征参数以及待测物体的特征参数，通过计算分析光源反射照度均匀度得到清晰成像时对应的光源最佳光源距离及照明角度等照明参数。该方法兼具高效、准确、通用性高等优势，对机器视觉的检测方法具有良好的应用价值。

Description

一种基于反射照度计算的机器视觉照明设计方法

技术领域

本发明属于机器视觉测量领域，涉及一种基于反射照度计算的机器视觉照明设计方法。

背景技术

机器视觉测量技术因具有非接触、高精高效、测量设备体积小、成本低等优势，目前被广泛应用到航空航天、汽车、电子、计算机等重要工业制造领域。但在上述领域的实际应用中，受现场环境和待测零件表面反光特性不均的影响，致使在成像过程中难以采集清晰的图像特征。在机器视觉测量中，光源的合理布置和选择是高质量图像采集的重要保障。现有的光源照明设计方法主要是针对光源对物体照射的辐照度进行计算，通过入射照明的均匀度对照明结果进行评价，然而该方法计算参数中没有考虑不同待测物体本身的反射特征，此类方法对图像质量的提高有限，且不具备普适性。

针对机器视觉中光源照明的优化设计，桂林电子科技大学的甘勇等人于2021年在《应用光学》第42卷第4期发表了文章《光源角度对金属表面图像边缘的影响分析》，对光源的最佳照明角度进行了仿真分析与实验研究，通过改变光源角度，通过理论计算与仿真计算出了最佳的光源角度，并结合Sobel算法对最佳角度下的图像和其他角度下的图像边缘质量进行了对比。但是该方法采用了单一变量法，只改变了光源的照明角度，对于光源与相机的放置位置没有考虑，难以满足其他的照明设计方案。

发明内容

本发明为了弥补现有光源设计方法的不足，发明了一种基于反射照度计算的机器视觉照明设计方法，其目的是针对机器视觉中待测参数的不同特征，计算出同轴多角度环形LED阵列光源的最佳照明参数以实现高质量图像的获取，为基于机器视觉几何量参数的高精测量提供保障。首先基于相机与同轴LED环形光源照明的几何位置关系计算了包括光源距离、光源角度、数量、光源位置等参数的LED光源入射照度，然后基于双向光照反射模型Bidirectional Reflectance Distribution Function,BRDF光照反射模型计算了包含材料反射系数、入射角和反射角等参数的LED光源反射照度，给定光源的特征参数以及待测物体的特征参数，通过计算分析光源反射照度均匀度得到清晰成像时对应的光源最佳光源距离及照明角度等照明参数。该方法兼具高效、准确、通用性高等优势，对机器视觉的检测方法具有良好的应用价值。

本发明采用的技术方案是一种基于反射照度计算的视觉照明设计方法，该方法首先建立视觉测量系统的坐标系，相机1和待测物体4同轴，以相机1和待测物体4中心连线为z轴，以垂直于z轴的平面为xoy平面，以z轴与xoy平面交点为原点o；所设计的光源为多奇数层同心LED环形阵列，中间层环形阵列以上的称为上环形阵列，中间层环形阵列以下的称为下环形阵列，具体步骤如下：

第一步、计算LED光源入射照度；

单个的LED灯珠辐射照度值为：

式(1)中，L为LED灯珠的发光亮度，A为LED灯珠的发射面积，E(x,y,z)为辐射照度，(x,y,z)是被照明目标点的坐标，(x_i,y_i,z_i)是单个LED的坐标，m由下式定义：

式(2)中，θ_1/2是LED灯珠的半衰角，在环形光源阵列中，单个LED灯珠的坐标为：

式(3)中，R为LED灯珠所在位置到原点的距离，β为LED灯珠所在位置到原点的连线与z轴夹角，为LED灯珠与y轴夹角：

式(4)中，N为一个环形光源阵列总的LED灯珠个数，因此一个环形光源阵列的照度为所有LED灯珠照度之和的表达为：

式(5)中，n1为一分区，n2为LED发光的分区总数；当只有一个分区亮时，n1＝n2＝1，j为一个分区每个环形阵列对应的LED灯珠个数；根据第n层LED与中间第一层LED之间的几何关系，第n层LED灯珠的坐标为：

式(6)中，α＝90°-β；n为上环形阵列距离中间环形阵列的层数，d为上下LED灯珠之间的距离，为上环形阵列中LED灯珠的坐标，/>下环形阵列中LED灯珠坐标，最终多层环形光源的入射照度值为：

式(6)中，E_j(x,y,z)为每个环形光源阵列的照度，E_n为所有环形光源阵列的照度；

第二步、计算待测物体特征的反射照度；

双向光照反射模型中的镜面反射光为：

式(8)中，L_o为光源的反射照度值，E_i为入射光的照度值，F为菲涅尔反射函数，D为微表面法线分布函数，G为几何衰减函数，θ_i为入射光线与表面法线的夹角，θ_o为表面法线与反射光线的夹角，其中D和G为微表面理论对应的函数，取1，F函数为下式：

F＝R_F(0°)+(1-R_F(0°))(1-cosθ_i)⁵

式(9)中，其中η为材质的折射率；光源的反射照度为：

式(10)中，θ_i和θ_o的几何关系为：

式(11)中，α为待测表面与水平面的夹角，最终计算得到LED反射照度为：

第三步、计算反射照明均匀度；

反射照度平均值与最大值的比值即反射照明均匀度作为成像清晰的评价指标，反射照明均匀度为：

式(13)中，x∈[a,b],y∈[c,d]为待测表面的范围，m为x轴对应的行数，n为y轴对应的列数，乘积mn为待测表面所有待测点的总数；mn为待测表面所有待测点的总数；

第四步、计算最佳的照明参数；

根据待测物体4表面的特征参数和LED灯珠特征参数，计算不同光源距离R和照明角度β对应的所有反射照明均匀度值μ(x,y)，最大μ(x,y)对应的R和β即为最佳的光源距离R和照明角度β。

要测量横刃长度5时，需要先照亮该表面即待照明表面8,接着采集图像后用图像边缘提取算法提取横刃边缘，最后进行长度的计算。

本发明的有益效果：本发明充分考虑了实际测量情况下待测物体表面反射率及光线入射和反射对相机成像的影响，有效引入了基于BRDF光照反射模型中的镜面反射函数。在给定待测表面的范围后，提出了一种基于反射照度计算的视觉照明设计方法，使用该方法设计光源，采集的图像经过边缘提取后，边缘清晰且连续，验证了本方法的有效性和准确性。本方法提出的基于反射照度计算的视觉照明设计方法可以准确快速地实现对光源最佳照明参数设计工作，对实际视觉测量中光源照明设计具有较好的应用价值。该方法是一种具有实际视觉测量应用价值的计算方法。计算方法简单高效，计算准确性高，通用性好。

附图说明

图1是本发明提出的视觉照明设计方法中基于反射照度的计算方法流程图；

图2(a)是LED同轴照明视觉测量系统示意图；

图2(b)是LED灯珠位置示意图；

图3是同轴多角度环形阵列光源LED几何位置示意图。

图4是使用本发明提出的照明设计方法计算出的照明参数后采集到的图像。

图5是使用本发明提出的照明设计方法经过边缘处理后提取到的待测物体尺寸测量所需的边缘信息。

图中：1为相机，2为镜头，3为LED光源，4为待测物体，5为横刃长度，6为钻芯厚度，7为微齿槽深度，8为待照明表面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。

本实施例选用微齿钻头端面参数视觉测量中对横刃长度的图像采集时半衰角为θ_1/2＝30°的LED照明参数进行计算。

其中，每个半衰角为θ_1/2＝30°的LED灯珠的选用参数为：LED的发光亮度L＝10000Wm^-2sr^-1，LED的发光面积A＝πmm²，LED环形阵列总个数为N＝120个，分区为8个分区，只选用一分区n1＝n2＝1，一分区的每个环形阵列的LED灯珠个数为j＝9个，每个环形阵列中相邻LED灯珠的夹角为第一个LED灯珠与y轴的夹角/>总共的环形阵列层数n＝11层，每层LED间隔距离为d＝2mm。光源到坐标原点的距离首先取最小值R＝45mm，LED光线到原点的连线与竖直方向的夹角取最值β＝30°。

待测微齿钻头的横刃范围x∈[0,3]mm,y∈[0,2]mm，z＝0mm，横刃范围所有待测点以0.1mm间隔的总个数为mn＝651个，钻头的材料的折射率近似为η＝0.71，横刃表面与xoy平面的夹角近似为α＝15°。

如图1所示视觉照明设计方法流程图，首先按照图2建立系统坐标系，接着把上述物体特征参数作为输入量，LED特征参数作为常量，接着使用本发明提出的基于反射照度计算的视觉照明设计方法，计算方法的具体步骤如下；

第一步、计算LED光源入射照度；

将给定的R,β,代入式(3)首先计算一个环形阵列中一个LED灯珠坐标为x_i＝22.50mm,y_i＝0mm,z_i＝38.97mm，接着将θ_1/2代入式(2)得m＝3，则第一个LED灯珠到点(0,0,0)的LED入射照明函数值根据式(1)计算得E＝5.793×10^-1w/mm²，第二个LED灯珠与第一个LED灯珠的夹角根据式(4)计算为/>到第9个LED灯珠夹角计算为/>将上述每个LED灯珠辐射照度值代入式(5)得E_j＝0.542w/mm²，根据式(6)计算上层LED灯珠坐标为最终一分区多层LED光源环形总入射辐照度利用式(7)为E_n(0,0,0)＝5.214w/mm²。重复上述计算过程计算651个点的入射辐照度。

第二步、计算LED光源反射照度

首先计算点(0,0,0)的反射照度值，根据式(11)计算得β₀＝54.65°，α＝15°，θ_i＝39.65°，接着利用式(9)计算菲涅尔系数R_F(39.65°)＝0.71，根据菲涅尔系数和式(8)计算镜面反射系数f_s＝0.2396，最后计算LED反射照度值L_o＝1.443×10^-2w/mm²。重复上述计算过程计算651个点的反射照度值。最后根据式(12)计算整个待测范围内的反射照度值为

第三步、计算反射照明均匀度

根据上述计算结果和式(13)可以计算得到R＝45,β＝30°时反射照明均匀度μ＝0.7730，重复计算上述步骤，计算R∈[45,150],β∈[15°,75°]对应的不同的反射照明均匀度值，最后利用式(14)找到最佳的LED照明参数为R＝100mm,β＝34.38°。

在给定待测物体表面范围后，本发明提出的基于反射照度计算的视觉照明设计方法，对光源参数进行了设计，使用设计后的光源进行图像采集，后经过图像边缘提取后的提取的钻头横刃结果如图5所示。从图中可以看出，本发明提出的基于反射照度计算的视觉照明设计方法得到的图像及边缘检测图清晰且连续，满足后续测量实际长度的需要，证明了本发明所提出的方法是正确和有效的。

本发明提出了一种基于反射照度计算的视觉照明设计方法，并充分考虑了真实测量情况下待测物体表面反射率及光线入射和反射对相机成像的影响，有效引入了基于BRDF光照反射模型中的镜面反射函数。在给定待测物体表面的范围后，本发明提出的基于反射照度计算的视觉照明设计方法可以得到视觉测量中光源的最佳照明参数，进一步使用设计后的光源可以得到特征边缘清晰的图像，对实际视觉测量中光源的设计具有较好的应用价值。

Claims (1)

1.一种基于反射照度计算的机器视觉照明设计方法，其特征在于，该方法首先建立视觉测量系统的坐标系，相机(1)和待测物体(4)同轴，以相机(1)和待测物体(4)中心连线为z轴，以垂直于z轴的平面为xoy平面，以z轴与xoy平面交点为原点o；所设计的光源为多奇数层同心LED环形阵列，中间层环形阵列以上的称为上环形阵列，中间层环形阵列以下的称为下环形阵列，具体步骤如下：

第一步、计算LED光源入射照度；

单个的LED灯珠辐射照度值为：

式(1)中，L为LED灯珠的发光亮度，A为LED灯珠的发射面积，E(x,y,z)为辐射照度，(x,y,z)是被照明目标点的坐标，(x_i,y_i,z_i)是单个LED的坐标，m由下式定义：

式(2)中，θ_1/2是LED灯珠的半衰角，在环形光源阵列中，单个LED灯珠的坐标为：

z_i＝Rcosβ

式(3)中，R为LED灯珠所在位置到原点的距离，β为LED灯珠所在位置到原点的连线与z轴夹角，为LED灯珠与y轴夹角：

式(4)中，N为一个环形光源阵列总的LED灯珠个数，因此一个环形光源阵列的照度为所有LED灯珠照度之和的表达为：

式(5)中，n1为一分区，n2为LED发光的分区总数；当只有一个分区亮时，n1＝n2＝1，j为一个分区每个环形阵列对应的LED灯珠个数；根据第n层LED与中间第一层LED之间的几何关系，第n层LED灯珠的坐标为：

式(6)中，α＝90°-β；n为上环形阵列距离中间环形阵列的层数，d为上下LED灯珠之间的距离，为上环形阵列中LED灯珠的坐标，/>下环形阵列中LED灯珠坐标，最终多层环形光源的入射照度值为：

式(6)中，E_j(x,y,z)为每个环形光源阵列的照度，E_n为所有环形光源阵列的照度；

第二步、计算待测物体特征的反射照度；

双向光照反射模型中的镜面反射光为：

式(8)中，L_o为光源的反射照度值，E_i为入射光的照度值，F为菲涅尔反射函数，D为微表面法线分布函数，G为几何衰减函数，θ_i为入射光线与表面法线的夹角，θ_o为表面法线与反射光线的夹角，其中D和G为微表面理论对应的函数，取1，F函数为下式：

F＝R_F(0°)+(1-R_F(0°))(1-cosθ_i)⁵

式(9)中，其中η为材质的折射率；光源的反射照度为：

式(10)中，θ_i和θ_o的几何关系为：

式(11)中，α为待测表面与水平面的夹角，最终计算得到LED反射照度为：

第三步、计算反射照明均匀度；

反射照度平均值与最大值的比值即反射照明均匀度作为成像清晰的评价指标，反射照明均匀度为：

式(13)中，x∈[a,b],y∈[c,d]为待测表面的范围，m为x轴对应的行数，n为y轴对应的列数，乘积mn为待测表面所有待测点的总数；mn为待测表面所有待测点的总数；

第四步、计算最佳的照明参数；

根据待测物体(4)表面的特征参数和LED灯珠特征参数，计算不同光源距离R和照明角度β对应的所有反射照明均匀度值μ(x,y)，最大μ(x,y)对应的R和β即为最佳的光源距离R和照明角度β。