CN115356347A - 视觉检测系统的补光系统光源优化方法及所用实验装置 - Google Patents

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CN115356347A CN202210784251.8A CN202210784251A CN115356347A CN 115356347 A CN115356347 A CN 115356347A CN 202210784251 A CN202210784251 A CN 202210784251A CN 115356347 A CN115356347 A CN 115356347A
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朱俊杰
马成霞
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梁栋
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Abstract

本发明公开了一种视觉检测系统的补光系统光源优化方法及所用实验装置，其步骤为：设计实验装置，包括固定于实验台上的补光光源支架、设于补光支架上的LED矩阵、控制LED的Arduino控制板、用于检测亮度的照度计、模拟实际检测环境光线的外部光源、光源控制器和用于运算的处理器，然后计算补光光源的空间位姿参数，并建立补光光源数学模型获取并列排成照度向量组，利用奇异值分解对补光系统进行简化并建立平面照度效果评价函数，获取具有最优照度效果LED照度权值，调整补光光源亮度使目标区域获得均匀照明，本发明在保证视觉检测系统照明效果基础上简化了补光系统模型，降低了对LED硬件控制电路及亮度权值寻优算法的要求。

Description

视觉检测系统的补光系统光源优化方法及所用实验装置
技术领域
本发明涉计工业视觉检测应用技术领域，特别是指一种视觉检测系统的补光系统光源优化方法及所用实验装置。
背景技术
集成电路芯片封装质量视觉检测过程中，根据客户的不同需求通常采用料盘上料或振动料斗上料等方式，其中料盘上料方式采用多只芯片同时检测的方式，相比具有更高的检测效率，但对视觉检测的光照效果也提出了更高的要求。现有的单个芯片视觉缺陷检测(如申请号为201810869324.7的专利)或多个芯片的图像采集(如申请号为202011628232.3的专利)都以优化算法为主，未充分考虑光照效果对视觉检测系统的影响。而现有光源优化方法的研究主要集中在暗室环境中，且未充分考虑实际检测中周围环境对照明效果的影响等问题，如申请号为202010560546.8的专利，以及申请号为202010513967.5的专利，因此有必要在暗室环境下针对光源优化结果做进一步改进。在补光系统光源优化方法方面，论文“视觉检测的LED光源自适应亮度控制系统”(办公自动化,2020,25(01):44-45+17)和申请号为202010206895.X的专利中，都是通过光敏传感器或视觉传感器感知外部光强，由单片机输出PWM脉冲控制LED亮度，使系统依据当前外部照明状态动态调整补光功率，达到稳定照明效果的目的。该方法单次优化调节目标为光源中有所LED，无法对局部照明效果做优化处理。申请号为201520550995.9的专利通过开关控制各LED的启闭，通过调节各硬件之间相对位置调整目标区域光照效果。该方法调节过程较为复杂，且获得优化效果不一定为最优解，故上述研究在视觉检测系统应用中具有一定的局限性。论文“基于图像跟踪的LED无影灯自动调光方法的研究”(中国机械工程,2012,23(08):923-927)提出一种基于视觉图像的自动实时调光方法，通过对相机拍摄到图像灰度分布进行分析，定位需要消除阴影的目标区域。通过单片机控制补光LED对阴影区域补光，实现实时消除阴影。该方法能够为较大区域提供较高的平均照度，但需要单独控制100个LED，控制电路较为复杂，故仍存在改进的空间。因此，设计一种在充分保证视觉检测系统照明效果的同时，能有效降低对LED硬件控制电路及LED亮度权值寻优算法要求的补光系统光源优化方法及装置，对提高工业产品机器视觉检测中的照明效果及检测效率具有重要意义。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供一种视觉检测系统的补光系统光源优化方法及所用实验装置，采用该视觉检测系统的补光系统光源优化方法能够通过简单的硬件控制电路和算法使补光光源的亮度权值获得最优照明效果，有效提升目标区域照度的均匀度。
本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案：一种视觉检测系统的补光系统光源优化方法，包括以下步骤：
步骤一：安装补光光源和外部光源：
将补光光源支架安装到实验台上，补光光源支架上的补光光源为检测区域提供补光照明，将外部光源安装到实验台一侧，用于模拟受干扰下的照明环境；
步骤二：计算补光光源支架上各补光光源的空间位姿参数；
步骤三：建立补光光源数学模型，通过单个补光光源数学模型，结合当前补光光源的位姿参数，获取补光系统中各补光光源单独工作时目标区域的照度行向量，并列排成照度向量组；
步骤四：通过奇异值分解对补光系统的照度向量组进行分析，选取照度向量组中主元最大的前n个照度向量对应的补光光源取代原模型中全部补光光源，简化补光系统；
步骤五：基于照度均匀度建立平面照度效果评价函数：
(1)在当前照明环境下，对目标区域照度分布等距采样，获得n×n的照度矩阵，将照度矩阵各行按从上到下的顺序重新排序成1×n2的照度行向量
Figure BDA0003731295380000031
(2)
Figure BDA0003731295380000032
为1×n2的行向量中各补光光源在当前外部光源作用下的目标区域照度向量中的最大值，用
Figure BDA0003731295380000033
减去照度行向量
Figure BDA0003731295380000034
获得各个补光光源所需的补光照度向量
Figure BDA0003731295380000035
Figure BDA0003731295380000036
(3)向量
Figure BDA0003731295380000037
表示为当前补光系统所提供照度分布与当前所需照度分布的差值，平面照度效果评价函数f表示为当前补光系统所提供理论照度分布与当前实际所需照度分布的趋势相似度，其中ki表示第i个补光光源的亮度权值，范围为[0，1]，当前补光光源亮度与最高亮度的比值为1时表示最大亮度，
Figure BDA0003731295380000038
为第i个LED对目标平面产生的照度向量,f越小表示两者分布规律越接近，此时目标区域照度分布越均匀：
Figure BDA0003731295380000039
Figure BDA00037312953800000310
步骤六：应用粒子群算法对平面照度效果评价函数进行优化求解，获取具有最优照度效果的补光系统各LED照度权值；
步骤七：调整补光光源亮度实现补光系统对目标区域的照明优化，使目标区域获得均匀照明效果。
作为本发明的进一步改进，所述补光光源包括呈矩阵排列于弧面上的LED和Arduino控制板,Arduino控制板通过输出对应的PWM脉冲控制补光系统中各LED亮度，外部光源采用条形光源，并通过光源控制器控制条形光源模拟受干扰下的照明环境。
作为本发明的进一步改进，步骤二中：各补光光源的空间位姿参数计算方法如下：
设(X0,Y0,Z0)为基座标系，(X1,Y1,Z1)为光源坐标系，并将补光系统的光源面板中的一个LED位置定为光源坐标系原点；
各坐标系建立后，补光光源的空间位姿参数可由支架的相关位姿参数获得。
设dx、dy、dz为光源坐标系原点相对基座标系原点的偏移量，补光系统中当前LED与光源坐标系原点高度差为dz2，两者在基座标系XY平面内相对原点的角度差为θ，则任意LED在基座标系下的空间位置(x01,y01,z01)计算式为:
Figure BDA0003731295380000041
作为本发明的进一步改进，步骤三中照度向量组获取方法如下：
S31.给单个LED光源建立数学模型：
单个LED可以看作具有相同光通量的点光源，其照度分布由发光角的余弦量决定：
E＝I0·(cosα)m·cosβ·d-2 (2)‘
式中:
I0为LED球面的平均发光强度；
m是LED的半衰角参数，光源为理想朗伯体时m取1，通常m大于1，并由当前LED的半衰角θ1/2确定；
α为光线与光轴之间的夹角；
β为光线与被测平面法线之间夹角；
d为目标点到光源面之间距离；
对应给定的LED，其I0与m为常数；
S32.变量的转换与获取：
设补光系统中各LED到目标点向量为a1，光源所在平面法向量为a2，空间竖直向量恒定为G＝(0,0,-1)，当前LED与光源坐标系原点在基座标系XY平面内相对原点的角度差为θ，L为光源点到目标点的欧式距离；
则d、α、β计算式为：
Figure BDA0003731295380000051
其中，向量a1由基坐标系下被测点坐标(x02,y02,z02)与LED坐标(x01,y01,z01)获得，光源法向量a2可由θi计算获得；
Figure BDA0003731295380000052
L的计算式如下：
L＝|a1| (5)；
S33.通过步骤S31和步骤S32获取补光系统中各LED单独工作时目标区域的照度行向量，并列排成照度向量组。
作为本发明的进一步改进，所述步骤四中简化补光系统的方法取下：
S41：对补光系统照度向量组进行奇异值分解，计算补光系统中各LED所对应照度向量在上述向量组中主元的大小，综合考虑补光系统照明效果多样性及减少系统LED数量，确定简化补光系统中保留LED的数量；
S42：通过施密特正交化确定所需的n个LED位置，采用对应的n个LED代替原有补光系统中的光源模型，完成补光系统模型化简，具体步骤如下：
设
Figure BDA0003731295380000061
为第j个LED对目标平面产生的照度向量，
Figure BDA0003731295380000062
为第n个特征向量筛选过程中第j个LED照度向量在正交空间轴向量上的投影，
Figure BDA0003731295380000063
为简化后系统所保留LED对应的照度向量：
S421：选择照度向量组
Figure BDA0003731295380000064
中模最大的行向量作为首个特征向量
Figure BDA0003731295380000065
并将照度向量
Figure BDA0003731295380000066
从照度向量组
Figure BDA0003731295380000067
中移除；
Figure BDA0003731295380000068
S422：根据施密特正交化确定第2至第n个特征向量：
计算所有剩余照度向量在正交空间轴向量上的投影向量组
Figure BDA0003731295380000069
计算公式如下：
Figure BDA00037312953800000610
S423：将模长最大投影向量
Figure BDA00037312953800000611
所对应的LED照度向量
Figure BDA00037312953800000612
记为
Figure BDA00037312953800000613
再将照度向量
Figure BDA00037312953800000614
从照度向量组
Figure BDA00037312953800000615
中移除，计算公式如下：
Figure BDA00037312953800000616
S424：重复步骤S422与步骤S423，直至获取γ2～γn；
S425：根据
Figure BDA00037312953800000617
至
Figure BDA00037312953800000618
对应原照度向量
Figure BDA00037312953800000619
在的补光系统照度矩阵中的位置，得出相应的n个LED的位置；
S43：考虑补光系统光源模型的简化对系统平均照度、照度均匀度、照度分布规律等方面的影响，设计相对照度计算公式如下：
Figure BDA00037312953800000620
其中，etotal_max为系统优化前后目标区域两个照度分布矩阵中元素最大值。通过对比简化前后补光系统下目标区域相对照度分布规律，证明简化步骤合理性。
作为本发明的进一步改进，所述步骤五中通过使评价函数式(12)取值最小使照明效果最优，此时
Figure BDA0003731295380000071
为补光系统各LED亮度权值最优解ki所组成的向量，即：
Figure BDA0003731295380000072
作为本发明的进一步改进，所述步骤五中在当前照明环境下目标区域照度分布等距采样，获得9×9的照度矩阵，将照度矩阵各行按从上到下的顺序重新排序成1×81的照度行向量
Figure BDA0003731295380000073
作为本发明的进一步改进，步骤七中通过Arduino控制板输出优化后亮度权值对应的PWM脉冲控制LED，实现补光系统对目标区域的照明优化，使目标区域获得均匀照明效果，具体步骤如下：
S71：获取控制板输出端口模拟量数值与LED亮度权值换算关系：
通过测试获得控制板输出端口模拟量数值与流过LED电流之间的关系为近似线性关系，结合LED亮度与电流成正比，获得控制板输出端口模拟量U与LED亮度权值k近似为线性关系；
为研究补光系统工作时目标区域的照度分布规律，获得各LED亮度权值，将LED亮度权值k映射为控制板输出端模拟量U，具体计算公式如下：
U＝255·k (14)；
根据目标区域的理论与实际照度分布数据，进行相对照度计算：
Figure BDA0003731295380000074
式中，e(i,j)为点(i,j)的绝对照度值，esingle_max为优化前后各自情况下被测面的最大照度值。
式(15)与式(9)求解时以优化前后两个照度分布矩阵中元素最大值为分母不同，式(15)中分母esingle_max为优化前后各自情况下被测面的最大照度值，e(i,j)为点(i,j)的绝对照度值，通过对比优化前后目标区域相对照度分布规律，证明补光系统优化目标有效性。
一种视觉检测系统的补光系统光源优化方法中使用的实验装置，包括实验台、补光光源支架、LED、Arduino控制板、照度计、外部光源、光源控制器和处理器，所述实验台上形成有用于安装待测试产品的目标区域，补光光源支架固定安装于目标区域一侧的实验台上，补光光源支架上固定安装有一沿竖直方向延伸的圆弧形的光源定位板，若干LED呈矩阵状均匀分布于光源定位板凹面的表面上，所述光源定位板上的LED光线能够照射于目标区域上的待测试产品，Arduino控制板与各个LED电性连接，Arduino控制板能够向各LED输出PWM脉冲信号，外部光源固定安装于实验台上，外部光源能够朝向目标区域发射模拟实际检测环境的光线，光源控制器控制外部光源发射光线的强度，照度计位于实验台上，照度计能够检目标区域上对应点的照度值，照度计与处理器电性连接通信，处理器能够对LED光源进行优化计算并控制Arduino控制板输出相应的PWM脉冲信号，处理器还能够控制光源控制器向外部光源发射信号。
作为本发明的进一步改进，所述补光光源支架包括支架本体、连接块和连接块定位件，所述支架本体在实验台上沿与实验台垂直的竖向延伸，连接块能够沿纵向滑动的套设于支架本体上，连接块定位件能够将任意高度的连接块与支架本体固定定位，所述光源定位板固定安装于连接块上，光源定位板上的光源定位板上安装有四行九列LED，以基坐标系原点为圆心，相邻列LED角度间隔为10°，相邻行LED高度差为30mm，且各LED法向量均为光源定位板曲面上当前位置切线的法线，所述外部光源为条形光源，条形光源通过多轴手臂安装于实验台上，所述多轴手臂能够改变外部光源的在三维空间的位置以及倾斜方向。
本发明的有益效果是：本发明通过在实验台上安装外部光源模拟受干扰下的照明环境，在模拟实际检测环境的情况下根据补光光源支架与摆放位置，建立具有同方向、不同原点位置的基坐标系与光源坐标系，实现对LED进行数学模型，求取补光系统中LED的照度向量组，并通过奇异值分解简化补光系统后，建立平面照度效果评价函数，应用粒子群算法对平面照度效果评价函数进行优化求解，最终获得最优照度效果时补光系统各LED照度权值，本发明在工业产品机器视觉检测中，综合考虑了补光系统照明效果的多样性，大幅减少了系统中LED数量，通过奇异值分解简化补光系统模型，考虑了补光系统光源照明的照度均匀度，获取了目标平面具有最佳照明质量的补光系统各LED亮度权值，提高了目标区域的照明效果，本发明能够获取补光系统各LED最优亮度权值，所得目标区域理论照度均匀度为92％左右，且理论与实际优化照度分布规律基本相同，相较于已有补光系统光源优化方法，本发明在充分保证视觉检测系统照明效果基础上简化了补光系统模型，仅用较少的LED提供相近的照明效果，有效降低了对LED硬件控制电路及亮度权值寻优算法的要求，本发明可用于工业产品机器视觉检测中的照明环节，为视觉检测提供更好的目标产品照明效果，提高后续视觉检测各环节的检测效率。
说明书附图
图1为本发明提出的补光系统光源优化方法流程图；
图2为本发明用于芯片封装质量检测时的实验装置位置图；
图3为补光系统支架与优化区域示意图；
图4为补光系统支架与各坐标系示意图；
图5为目标向量与光源法向量示意图；
图6为各LED照度向量主元值；
图7为简化前后照度分布对比图；
图8为补光系统实验装置立体图；
图9为照度灰度关系拟合图；
图10为端口模拟量与LED电流关系图；
图11为外部照明集中在P1时理论优化前后照度分布图；
图12为外部照明集中在P1时实际优化前后照度分布图；
图13为外部照明集中在P2时理论优化前后照度分布图；
图14为外部照明集中在P2时实际优化前后照度分布图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行详细描述。本发明所描述的实施例仅仅是本发明的一个较佳的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例：一种视觉检测系统的补光系统光源优化方法，优化方法流程图如图1所示，具体包括以下步骤：
S1：根据优化目标先设计实验装置，本实施例优化目标为料盘上料方式下对多只芯片进行缺陷检测，其目标区域为40mm×40mm方形区域，标注如图2所示，该区域覆盖至多4行4列共计16只芯片，以实现一次成像同时完成至多16只芯片缺陷检测的目的。覆盖所有待测芯片的完整检测区域中，非重叠区域芯片的图像采集与检测可由相关运动机构协助完成。考虑到目标区域原始照明环境的多样性、视觉检测系统周围器件空间位置对补光系统尺寸的限制，对实验装置进行设计。
实验装置包括实验台1、补光光源支架、LED2、Arduino控制板、照度计3、外部光源4、光源控制器和处理器，所述实验台1上形成有用于安装待测试产品的目标区域，补光光源支架的支架本体6固定安装于实验台1上，调节连接块7到合适的高度，用连接块7定位件将连接块7固定，光源定位板5为以目标区域中心为圆心的90°圆弧面，圆弧面半径为100mm，光源定位板5设置在目标区域右上角，光源定位板5凹弧表面上安装有4行9列LED2，以基坐标系原点为圆心，相邻列LED2角度间隔为10°，如图3所示；相邻行LED2高度差为30mm，如图4所示，各LED2法向量均为支架曲面上当前位置切线的法线。
采用条形光源作为外部光源4，外部光源4通过多轴手臂8安装于实验台1上，外部光源4通过光源控制器进行控制用于模拟受干扰下的照明环境，Arduino控制板用于输出对应的PWM脉冲控制补光系统中各LED2，改善当前照明环境，照度计3用于检测目标区域对应点照度值，照度计3与处理器电性连接通信，处理器能够对LED2光源进行优化计算并控制Arduino控制板输出相应的PWM脉冲信号，处理器还能够控制光源控制器向外部光源4发射信号。
S2：根据选用的补光光源支架与摆放位置，建立具有同方向、不同原点位置的基坐标系与光源坐标系，便于光源支架上各LED2空间位姿计算：
其中(X0,Y0,Z0)为基座标系，(X1,Y1,Z1)为光源坐标系，具体如图4所示。本实施例将补光系统的光源定位板5第4行第1列LED2位置定为光源坐标系原点，此时基坐标系XY平面内两坐标系X轴共线，且三轴同向。
各坐标系建立后，补光光源的空间位姿参数可由支架的相关位姿参数获得。其中dx、dy、dz为光源坐标系原点相对基座标系原点的偏移量。当前LED与光源坐标系原点高度差为dz2，两者在基座标系XY平面内相对原点的角度差为θ，则任意LED在基座标系下的空间位置(x01,y01,z01)的计算式如式(1)所示：
Figure BDA0003731295380000121
S3：根据单个LED数学模型，结合当前LED位姿参数，获取补光系统中各LED单独工作时目标区域的照度行向量，并列排成照度向量组，具体步骤如下：
S31：单个LED光源数学模型的建立：
单个LED可以看作具有相同光通量的点光源，其照度分布由发光角的余弦量决定：
E＝I0·(cosα)m·cosβ·d-2 (2)；
式中I0为LED球面的平均发光强度；m是与LED半衰角有关的参数，光源为理想朗伯体时，m取1，通常m大于1，并且m由当前LED的半衰角θ1/2确定；α为光线与光轴之间的夹角；β为光线与被测平面法线之间夹角；d为目标点到光源面之间距离；对应给定的LED，其I0与m为常数。
S32：变量的转换与获取：
设补光光源中各LED到目标点的向量为a1，光源所在平面的法向量为a2，空间竖直向量恒定为G＝(0,0,-1)，当前LED与光源坐标系原点在基座标系XY平面内相对原点的角度差为θ，L为光源点到目标点的欧式距离，具体如图5所示，则d、α、β的计算式为：
Figure BDA0003731295380000131
其中，向量a1可由基坐标系下被测点坐标(x02,y02,z02)与LED坐标(x01,y01,z01)获得，光源法向量a2可由θi计算获得；
Figure BDA0003731295380000132
L的计算式如下：
L＝|a1| (5)；
S33：通过步骤S31和步骤S32获取补光系统中各LED单独工作时目标区域的照度行向量，并列排成照度向量组。
S4：为适应不同类型外部照明环境，需要补光系统针对各LED进行单独控制，提供多种补光方案，以实现高质量的均匀照明。在补光系统硬件方面，若采用控制板对补光模型中的各LED进行独立控制，至少需要36对模拟量输出端口，这对控制板输出端口数量提出了较高的要求；在寻优过程方面，若以36个LED亮度权值为寻优目标，则目标函数维度较高，优化算法很难在有限时间给出全局最优解，故考虑对上述补光系统模型进行简化，具体方法如下：
S41：为证明补光系统简化具有理论可行性，对补光系统照度向量组进行奇异值分解，计算各LED所对应照度向量在上述向量组中主元大小，计算结果如图6所示。将各LED照度向量按主元值从大到小排列，则第9个及以后的LED所对应照度向量在上述矩阵中主元值基本为0，故各LED照度向量可近似等价为排序前8个LED照度向量的线性组合。因此综合考虑补光系统照明效果多样性，及减少系统LED数量，选取补光系统照度矩阵中主元最大的8个照度向量对应的LED取代原模型中36个LED，简化补光系统。
S42：通过施密特正交化确定所需的8个LED的位置参数，采用对应的8个LED代替原有补光系统光源模型，完成补光系统模型化简，具体步骤如下：
先设
Figure BDA0003731295380000141
为第j个LED对目标平面产生的照度向量，
Figure BDA0003731295380000142
为第n个特征向量筛选过程中第j个LED照度向量在正交空间轴向量上的投影，
Figure BDA0003731295380000143
为简化后系统所保留LED对应的照度向量。
S421：选择照度向量组
Figure BDA0003731295380000144
中模最大的行向量作为首个特征向量
Figure BDA0003731295380000145
并将照度向量
Figure BDA0003731295380000146
从照度向量组
Figure BDA0003731295380000147
中移除，计算式如下：
Figure BDA0003731295380000148
S422：根据施密特正交化确定第2至第8个特征向量：计算所有剩余照度向量在正交空间轴向量上的投影向量组
Figure BDA0003731295380000149
公式如式(7)所示：
Figure BDA00037312953800001410
S423：将模长最大投影向量
Figure BDA00037312953800001411
所对应的LED照度向量
Figure BDA00037312953800001412
记为
Figure BDA00037312953800001413
再将照度向量
Figure BDA00037312953800001414
从照度向量组
Figure BDA00037312953800001415
中移除，公式如式(8)所示：
Figure BDA00037312953800001416
S424：重复步骤S422与步骤S423，直至获取γ2～γn
S425：根据
Figure BDA00037312953800001417
至
Figure BDA00037312953800001418
对应原照度向量
Figure BDA00037312953800001419
在的补光系统照度矩阵中的位置，得出相应的8个LED的位置。
考虑补光系统光源模型的简化对系统平均照度、照度均匀度、照度分布规律等方面的影响，设计相对照度计算公式如式(9)所示：
Figure BDA0003731295380000151
其中etotal_max为系统优化前后目标区域两个照度分布矩阵中元素最大值。
理论原始模型与理论简化模型下照度分布如图7所示，其中XY对应目标区域在基坐标系下的XY坐标，Z轴对应相对照度。将简化模型下照度分布图与原36个LED作用时的照度分布图相比较，证明了简化模型的有效性。上方浅色曲面为36个LED共同作用时的原始方案下目标区域理论相对照度分布图，下方深色为简化后8个LED作用时的简化方案下目标区域理论照度分布图。可以看出，两者照度分布规律较为相近。由于简化后LED减少至8个，此过程舍弃了照度矩阵中主元较小的照度向量所对应的LED，因此相比原有模型，简化模型所能提供照度分布的最大值有所下降，但在充分保证视觉检测系统照明效果基础上，简化模型仅用较少的LED提供相近的照明效果，可有效降低LED硬件控制电路及亮度权值寻优算法的要求。
为验证补光系统模型简化步骤中，保留LED数量不应小于8，将系统保留LED数量向下调整，进行照度均方误差的统计计算。如图2所示，将偏置安放的外部光源(条形LED)视为受干扰下的视觉系统原始照明环境，以外部光源集中在基坐标系XY平面内P1＝(-20，-20)点和P2＝(-20，0)点时为例，对目标区域进行等距采样，获得9×9照度矩阵，计算相应情况下理论优化前后照度分布均方误差。保留LED数量为5至8时对应理论优化前后照度分布均方差如表1所示。
表1不同LED数量对应理论优化前后照度分布均方误差
Figure BDA0003731295380000161
从表1分析可得，补光系统LED数量小于8时，目标区域理论优化所得照度分布均方差较大，选取8个LED时，目标区域理论优化所得照度分布均方差最小，照度分布更趋向均匀。因此可以验证将36个LED作用时原始系统模型简化为特定8个LED作用时简化系统模型的方案合理有效。
S5：基于照度均匀度建立平面照度效果评价函数，具体包括：
S51：在当前照明环境下对目标区域照度分布等距采样，获得9×9的照度矩阵，将照度矩阵各行按从上到下的顺序重新排序成1×81的照度行向量
Figure BDA0003731295380000162
S52：设
Figure BDA0003731295380000163
为1×81的行向量中各元素为当前外部光源作用下目标区域照度向量
Figure BDA0003731295380000164
中最大值。将
Figure BDA0003731295380000165
减去照度行向量
Figure BDA0003731295380000166
获得所需补光照度向量
Figure BDA0003731295380000167
Figure BDA0003731295380000168
S53：设向量
Figure BDA0003731295380000169
表示当前补光系统所提供的照度分布与当前所需的照度分布的差值，如式(11)所示：
Figure BDA00037312953800001610
用平面照度效果评价函数f表示当前补光系统所提供的理论照度分布与当前实际所需照度分布的趋势相似度，如式(12)所示：
Figure BDA0003731295380000171
其中，ki表示第i个LED的亮度权值，范围为[0，1]，亮度权值表示当前LED亮度与最高亮度的比值，为1时表示最大亮度。f越小表示两者分布规律越接近，此时目标区域照度分布越均匀：
S54：为使照明效果最优，应使评价函数式(12)的取值最小，此时
Figure BDA0003731295380000172
为补光系统各LED亮度权值最优解ki所组成的向量，即：
Figure BDA0003731295380000173
S6：应用粒子群算法对平面照度效果评价函数进行优化求解，获取具有最优照度效果的补光系统各LED照度权值。
S7：通过Arduino控制板输出优化后亮度权值对应的PWM脉冲控制LED实现补光系统对目标区域的照明优化，使目标区域获得均匀照明效果。
进一步的，为获取LED输出参数并验证本文补光方案有效性，搭建如图8所示实验台。外部光源采用聚图光电JH-LS6222条形光源与JH-AP-2C光源控制器。补光系统为8个同尺寸LED，通过Arduino控制板输出8路PWM脉冲控制各LED亮度。相机采用英视OSR500-20GM。光源照度测量采用台湾泰仕TES-1332A照度计，测量范围为0-20000Lux，测量精度1Lux。
进一步的，根据图8所示实验环境，确定图像灰度与实际照度的定量转换关系。通过光源控制器调节外部光源功率，记录10组照度与对应灰度数据，拟合结果如图9所示，可以看出两者在一定范围呈近似线性关系。
进一步的，在步骤S7中，各LED驱动脉冲模拟量大小确定的具体步骤为：
(1)将当前照明环境下图像对应点9×9的灰度矩阵根据灰度照度转换关系转化为照度矩阵，将照度矩阵各行按从上到下的顺序重新排序成1×81的照度行向量
Figure BDA0003731295380000181
(2)根据当前照明环境下照度向量
Figure BDA0003731295380000182
通过粒子群算法对补光系统各LED亮度权值进行寻优，获取目标区域照度分布最均匀时补光系统各LED的亮度权值；
(3)调整控制板输出端口输出模拟量数值，记录此时LED电流。经测试，控制板输出端口模拟量数值与流过LED电流基本呈线性关系，如图10所示。又因为LED亮度与电流成正比，故控制板输出端口模拟量U与LED亮度权值k近似为线性关系。
为研究补光系统工作时目标区域的照度分布规律，由步骤(2)获得各LED亮度权值后，可将LED亮度权值k映射为控制板输出端模拟量U，具体如式(14)所示：
U＝255·k (14)；
由于补光系统安装在如图3所示的目标区域右上角，为突出优化效果、反映不同光照环境下补光系统工作性能，分别针对外部光源照明中心集中在P1和P2两种情况进行实验验证与分析。应用粒子群算法对式(12)所示的评价函数寻优，获得被测区域照度效果评价函数取最优值时对应的LED亮度权值向量，其中
Figure BDA0003731295380000183
为外部照明集中在P1点时补光系统LED最优亮度权值向量，
Figure BDA0003731295380000184
为外部照明集中在P2点时补光系统LED最优亮度权值向量。
Figure BDA0003731295380000185
Figure BDA0003731295380000186
向量中的8个数值分别对应补光系统中8个不同位置LED的亮度权值。由于实验中目标区域原始照度分布不均匀，因此不同位置LED的亮度需动态变化以改善目标区域整体照度均匀度。若因当前LED开启使评价函数值减小，即产生改善照明环境的有益效果，则该LED的亮度权值为正值；反之，则该LED亮度权值为0。根据当前情况下各LED最优亮度权值，结合式(14)计算并设定控制板对应输出端模拟量数值，通过控制板输出PWM调节各LED亮度。拍摄优化后目标区域图像，获得实际优化后目标区域照度分布。
针对目标区域的理论与实际照度分布数据，进行相对照度计算，具体如式(15)所示：
Figure BDA0003731295380000191
式(15)与式(9)求解时以优化前后两个照度分布矩阵中元素最大值为分母不同，式(15)中分母esingle_max为优化前后各自情况下被测面的最大照度值，e(i,j)为点(i,j)的绝对照度值。
外部照明集中在P1和P2两种情况下对应理论与实际优化前后照度分布对比图如图11、图12、图13和图14所示，其中XY对应目标区域在基坐标系下的XY坐标，Z轴对应相对照度值。
图11和图13为外部光源照明中心集中在P1、P2时对应的目标区域原始照度分布与理论优化后照度分布。其中浅色为原始照度分布，深色为理论优化后照度分布。可以看出，补光系统在理论上可较好的改善目标区域照明效果。
图12和图14为外部照明集中在P1、P2时对应的目标区域原始照度分布与实际优化后照度分布。其中浅色为原始照度分布，深色为实际优化后照度分布。可以看出，补光系统亦可在实际优化中提高目标区域照明分布均匀性，且理论与实际优化后目标区域照度分布规律基本相同。
分别计算图11、图12、图13和图14照度均匀度funi，如(16)所示：
Figure BDA0003731295380000201
其中emin为当前照度向量中最小值，
Figure BDA0003731295380000202
为当前照度向量均值。外部照明集中在P1与P2时对应的原始照度均匀度、理论优化后照度均匀度、实际优化后照度均匀度如表2所示。
表2照度均匀度对应表
Figure BDA0003731295380000203
由表2可知，在外部照明集中在P1与P2两组实验中，本申请提出的补光系统光源优化方法在理论上可将目标区域照度均匀度提升至92％左右，在实际系统中可分别将目标区域照度均匀度提升至84.54％与74.05％，相较优化前分别提升了35.51％与14.09％，证明了本申请光源优化系统的有效性。由于本申请研究补光系统工作时目标区域照度分布规律，未对照度分布幅值做定量控制，故理论与实际优化后目标区域照度分布有所差异，但理论与实际优化照度分布规律基本相同，证明补光系统光源优化方法的可行性。对比上述两种不同位置下的实际优化结果，外部照明集中在P1时，由于补光系统提供照明环境平均照度更接近实际所需均匀照明效果，故对应情况下系统所能达到的实际补光效果更好。
综上所述，本申请提出的基于图像的补光系统在简化模型基础上，仍可有效改善目标区域的照明效果，理论优化照度分布与实际优化照度分布规律基本一致。故本申请中提出的补光系统光源优化方法合理有效。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种视觉检测系统的补光系统光源优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：安装补光光源和外部光源：
将补光光源支架安装到实验台上，补光光源支架上的补光光源为检测区域提供补光照明，将外部光源安装到实验台一侧，用于模拟受干扰下的照明环境；
步骤二：计算补光光源支架上各补光光源的空间位姿参数；
步骤三：建立补光光源数学模型，通过单个补光光源数学模型，结合当前补光光源的位姿参数，获取补光系统中各补光光源单独工作时目标区域的照度行向量，并列排成照度向量组；
步骤四：通过奇异值分解对补光系统的照度向量组进行分析，选取照度向量组中主元最大的前n个照度向量对应的补光光源取代原模型中全部补光光源，简化补光系统；
步骤五：基于照度均匀度建立平面照度效果评价函数：
(1)在当前照明环境下，对目标区域照度分布等距采样，获得n×n的照度矩阵，将照度矩阵各行按从上到下的顺序重新排序成1×n2的照度行向量
Figure FDA0003731295370000011
(2)
Figure FDA0003731295370000012
为1×n2的行向量中各补光光源在当前外部光源作用下的目标区域照度向量中的最大值，用
Figure FDA0003731295370000013
减去照度行向量
Figure FDA0003731295370000014
获得各个补光光源所需的补光照度向量
Figure FDA0003731295370000015
Figure FDA0003731295370000016
(3)向量
Figure FDA0003731295370000017
表示为当前补光系统所提供照度分布与当前所需照度分布的差值，平面照度效果评价函数f表示为当前补光系统所提供理论照度分布与当前实际所需照度分布的趋势相似度，其中ki表示第i个补光光源的亮度权值，范围为[0，1]，当前补光光源亮度与最高亮度的比值为1时表示最大亮度，
Figure FDA0003731295370000021
为第i个LED对目标平面产生的照度向量,f越小表示两者分布规律越接近，此时目标区域照度分布越均匀：
Figure FDA0003731295370000022
Figure FDA0003731295370000023
步骤六：应用粒子群算法对平面照度效果评价函数进行优化求解，获取具有最优照度效果的补光系统各LED照度权值；
步骤七：调整补光光源亮度实现补光系统对目标区域的照明优化，使目标区域获得均匀照明效果。
2.根据权利要求1所述的视觉检测系统的补光系统光源优化方法，其特征在于：所述补光光源包括呈矩阵排列于弧面上的LED和Arduino控制板,Arduino控制板通过输出对应的PWM脉冲控制补光系统中各LED亮度，外部光源采用条形光源，并通过光源控制器控制条形光源模拟受干扰下的照明环境。
3.根据权利要求2所述的视觉检测系统的补光系统光源优化方法，其特征在于：步骤二中：各补光光源的空间位姿参数计算方法如下：
设(X0,Y0,Z0)为基座标系，(X1,Y1,Z1)为光源坐标系，并将补光系统的光源面板中的一个LED位置定为光源坐标系原点；
设dx、dy、dz为光源坐标系原点相对基座标系原点的偏移量，补光系统中当前LED与光源坐标系原点高度差为dz2，两者在基座标系XY平面内相对原点的角度差为θ，则任意LED在基座标系下的空间位置(x01,y01,z01)计算式为:
Figure FDA0003731295370000031
4.根据权利要求3所述的视觉检测系统的补光系统光源优化方法，其特征在于：步骤三中照度向量组获取方法如下：
S31.给单个LED光源建立数学模型：
E＝I0·(cosα)m·cosβ·d-2 (2)；
式中:
I0为LED球面的平均发光强度；
m是LED的半衰角参数，光源为理想朗伯体时m取1，通常m大于1，并由当前LED的半衰角θ1/2确定；
α为光线与光轴之间的夹角；
β为光线与被测平面法线之间夹角；
d为目标点到光源面之间距离；
对应给定的LED，其I0与m为常数；
S32.变量的转换与获取：
设补光系统中各LED到目标点向量为a1，光源所在平面法向量为a2，空间竖直向量恒定为G＝(0,0,-1)，当前LED与光源坐标系原点在基座标系XY平面内相对原点的角度差为θ，L为光源点到目标点的欧式距离；
则d、α、β计算式为：
Figure FDA0003731295370000032
其中，向量a1由基坐标系下被测点坐标(x02,y02,z02)与LED坐标(x01,y01,z01)获得，光源法向量a2可由θi计算获得；
Figure FDA0003731295370000033
L的计算式如下：
L＝|a1| (5)；
S33.通过步骤S31和步骤S32获取补光系统中各LED单独工作时目标区域的照度行向量，并列排成照度向量组。
5.根据权利要求2或4所述的视觉检测系统的补光系统光源优化方法，其特征在于：所述步骤四中简化补光系统的方法取下：
S41：对补光系统照度向量组进行奇异值分解，计算补光系统中各LED所对应照度向量在上述向量组中主元的大小，综合考虑补光系统照明效果多样性及减少系统LED数量，确定简化补光系统中保留LED的数量；
S42：通过施密特正交化确定所需的n个LED位置，采用对应的n个LED代替原有补光系统中的光源模型，完成补光系统模型化简，具体步骤如下：
设
Figure FDA0003731295370000041
为第j个LED对目标平面产生的照度向量，
Figure FDA0003731295370000042
为第n个特征向量筛选过程中第j个LED照度向量在正交空间轴向量上的投影，
Figure FDA0003731295370000043
为简化后系统所保留LED对应的照度向量：
S421：选择照度向量组
Figure FDA0003731295370000044
中模最大的行向量作为首个特征向量
Figure FDA0003731295370000045
并将照度向量
Figure FDA0003731295370000046
从照度向量组
Figure FDA0003731295370000047
中移除；
Figure FDA0003731295370000048
S422：根据施密特正交化确定第2至第n个特征向量：
计算所有剩余照度向量在正交空间轴向量上的投影向量组
Figure FDA0003731295370000049
计算公式如下：
Figure FDA00037312953700000410
S423：将模长最大投影向量
Figure FDA00037312953700000411
所对应的LED照度向量
Figure FDA00037312953700000412
记为
Figure FDA00037312953700000413
再将照度向量
Figure FDA00037312953700000414
从照度向量组
Figure FDA00037312953700000415
中移除，计算公式如下：
Figure FDA0003731295370000051
S424：重复步骤S422与步骤S423，直至获取γ2～γn；
S425：根据
Figure FDA0003731295370000052
至
Figure FDA0003731295370000053
对应原照度向量
Figure FDA0003731295370000054
在的补光系统照度矩阵中的位置，得出相应的n个LED的位置；
S43：考虑补光系统光源模型的简化对系统平均照度、照度均匀度、照度分布规律等方面的影响，设计相对照度计算公式如下：
Figure FDA0003731295370000055
其中，etotal_max为系统优化前后目标区域两个照度分布矩阵中元素最大值。
6.根据权利要求1所述的视觉检测系统的补光系统光源优化方法，其特征在于：所述步骤五中通过使评价函数式(12)取值最小使照明效果最优，此时
Figure FDA0003731295370000056
为补光系统各LED亮度权值最优解ki所组成的向量，即：
Figure FDA0003731295370000057
7.根据权利要求6所述的视觉检测系统的补光系统光源优化方法，其特征在于：所述步骤五中在当前照明环境下目标区域照度分布等距采样，获得9×9的照度矩阵，将照度矩阵各行按从上到下的顺序重新排序成1×81的照度行向量
Figure FDA0003731295370000058
8.根据权利要求6所述的视觉检测系统的补光系统光源优化方法，其特征在于：步骤七中通过Arduino控制板输出优化后亮度权值对应的PWM脉冲控制LED，实现补光系统对目标区域的照明优化，使目标区域获得均匀照明效果，具体步骤如下：
S71：获取控制板输出端口模拟量数值与LED亮度权值换算关系：
通过测试获得控制板输出端口模拟量数值与流过LED电流之间的关系为近似线性关系，结合LED亮度与电流成正比，获得控制板输出端口模拟量U与LED亮度权值k近似为线性关系；
将LED亮度权值k映射为控制板输出端模拟量U，具体计算公式如下：
U＝255·k (14)；
根据目标区域的理论与实际照度分布数据，进行相对照度计算：
Figure FDA0003731295370000061
式中，e(i,j)为点(i,j)的绝对照度值，esingle_max为优化前后各自情况下被测面的最大照度值。
9.一种权利要求1中所述的视觉检测系统的补光系统光源优化方法中使用的实验装置，其特征在于：包括实验台(1)、补光光源支架、LED(2)、Arduino控制板、照度计(3)、外部光源(4)、光源控制器和处理器，所述实验台上形成有用于安装待测试产品的目标区域，补光光源支架固定安装于目标区域一侧的实验台上，补光光源支架上固定安装有一沿竖直方向延伸的圆弧形的光源定位板(5)，若干LED呈矩阵状均匀分布于光源定位板凹面的表面上，所述光源定位板上的LED光线能够照射于目标区域上的待测试产品，Arduino控制板与各个LED电性连接，Arduino控制板能够向各LED输出PWM脉冲信号，外部光源固定安装于实验台上，外部光源能够朝向目标区域发射模拟实际检测环境的光线，光源控制器控制外部光源发射光线的强度，照度计位于实验台上，照度计能够检目标区域上对应点的照度值，照度计与处理器电性连接通信，处理器能够对LED光源进行优化计算并控制Arduino控制板输出相应的PWM脉冲信号，处理器还能够控制光源控制器向外部光源发射信号。
10.根据权利要求9所述的实验装置，其特征在于：所述补光光源支架包括支架本体(6)、连接块(7)和连接块定位件，所述支架本体在实验台上沿与实验台垂直的竖向延伸，连接块能够沿纵向滑动的套设于支架本体上，连接块定位件能够将任意高度的连接块与支架本体固定定位，所述光源定位板固定安装于连接块上，光源定位板上的光源定位板上安装有四行九列LED，以基坐标系原点为圆心，相邻列LED角度间隔为10°，相邻行LED高度差为30mm，且各LED法向量均为光源定位板曲面上当前位置切线的法线，所述外部光源为条形光源，条形光源通过多轴手臂(8)安装于实验台上，所述多轴手臂能够改变外部光源的在三维空间的位置以及倾斜方向。
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