CN115580782B - 用于线阵相机照明的光源亮度控制方法及系统、存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光源亮度控制技术领域，具体公开了一种用于线阵相机照明的光源亮度控制方法及系统、存储介质，所述方法通过脉冲宽度控制光源亮度，包括以下步骤：控制线阵相机曝光和光源点亮同时发生，根据光源亮度要求通过脉冲宽度调节光源点亮时长。该方案使光源打开时机与线阵相机开始曝光的时机相同，满足不同曝光周期内光源打开时间相等，通过脉冲宽度调节光源关闭的时机来调节线阵相机照明亮度，无需通过占空比参数调节，实现不同亮度的灵活控制；线阵相机与光源脉冲上升沿对齐的方法保证了同一系统或不同系统中的亮度一致性；不需要DAC芯片控制电流大小，硬件实现方案简单，成本低。

Description

用于线阵相机照明的光源亮度控制方法及系统、存储介质

技术领域

本发明涉及光源亮度控制技术领域，具体地涉及一种用于线阵相机照明的光源亮度控制方法及系统、存储介质。

背景技术

机器视觉是自动化、智能化领域非常重要的组成部分。图像质量的好坏直接影响到机器视觉的识别效果。光源亮度控制是影响机器视觉相机图像采集效果非常重要的工作。

线阵相机需要LED（发光二极管）照明才能实现得到高品质的图像。线阵相机的的曝光时间通常比较短，比如10μs左右。线阵相机的应用场景为待拍照物体从线阵相机视野范围内经过，按照一定的运动距离不停触发曝光拍照，从而实现图像采集。为了实现拍照的效果，要求每次曝光时，光照亮度都是均匀的。根据物体运动速度不同，线阵相机的触发间隔也是不均匀的。

调节光源亮度的方法通常有模拟调光（analog dimming）和脉冲宽度控制调光（PWM dimming）两种。模拟调光的方式通过改变通过LED电流大小，来改变LED光强，从而改变光源亮度。模拟调光的缺点是硬件开发复杂，通常需要额外增加一个DAC（DigitalAnalog Convertor模数转换芯片）芯片，从而实现控制电流大小。脉冲宽度控制调光通过改变LED打开时长的方式来改变光源亮度；例如设置脉冲宽度控制调节周期长度为100μs，占空比设为10%，即打开10μs，再关闭90μs，循环往复。脉冲宽度控制调光通常要求曝光时长是脉冲宽度控制调节周期的整数倍，从而实现光照均匀。脉冲宽度控制调光的缺点是LED光源开关速度通常比较慢（上升沿/下降沿5μs以上，即开关频率100kHz以下），因此对于曝光时间很短的应用场景，经常会存在明暗不均、线性关系差的现象。由此，脉冲宽度控制调光的方式通常应用在面阵相机中，面阵相机曝光时间长，通常为ms量级，取LED曝光调节周期为曝光时间的整数分之一即可。例如曝光时间为1ms，曝光调节周期取为100μs，通过调节占空比实现亮度调节，且此时光照是均匀的，LED光源开关速度也是能满足的。

线阵相机曝光时间较短（10μs左右），若采用脉冲宽度控制调光控制的方式，难以实现脉冲宽度控制调节周期是曝光时间的整数分之一。采用传统的脉冲宽度控制调光，若不能保证周期整数倍，在不同的曝光周期内，LED光源打开的时间不一致，即会导致亮度不均匀，会出现明显的明暗条纹。

因此现有技术缺少一种可以使线阵相机拍摄图像亮度均一且方案简单的方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的问题，提供一种用于线阵相机照明的光源亮度控制方法及系统、存储介质。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种用于线阵相机照明的光源亮度控制方法，通过脉冲宽度控制光源亮度，包括以下步骤：控制线阵相机曝光和光源点亮同时发生，根据光源亮度要求通过脉冲宽度调节光源点亮时长。

优选地，所述方法还包括：分别对线阵相机曝光和光源点亮进行延时测试，得到线阵相机曝光和光源点亮的相对延时时长，补偿所述相对延时时长使线阵相机曝光时间和光源脉冲上升沿对应的时间一致。

优选地，所述延时测试过程具体为：分别以指定步长改变线阵相机曝光的延时时间和光源点亮的延时时间，每改变一次延时，测试得到一次图像亮度，得到线阵相机曝光和光源点亮的相对延时时长与图像亮度关系，直至图像亮度不再改变时对应的相对延时时长即为补偿的相对延时时长。

优选地，所述光源为LED灯。

本发明第二方面提供一种用于线阵相机照明的光源亮度控制系统，其特征在于，包括

线阵相机，用于拍摄图像；

照明设备，用于照明；

控制模块，分别与照明设备和线阵相机电性连接，用于通过脉冲宽度控制照明设备点亮与触发线阵相机曝光，并且使线阵相机曝光时间和照明设备脉冲上升沿对应的时间一致；

上位机，分别与线阵相机和控制模块信号连接，用于接收并分析来自线阵相机的图像数据，获取图像亮度信息，还用于下发点亮时长参数至所述控制模块。

优选地，所述控制模块还用于分别以指定步长改变线阵相机曝光的延时时间和照明设备点亮的延时时间，每改变一次延时，由所述线阵相机拍摄图像并发送至所述上位机，经所述上位机分析所述图像亮度，根据图像亮度确定补偿的相对延时时长。

优选地，所述系统还包括光栅尺，所述光栅尺与控制模块信号连接，用于检测待拍摄物体的位置，并将位置信息反馈至控制模块，所述控制模块根据所述位置信息控制线阵相机曝光和照明设备点亮。

优选地，所述照明设备为LED灯。

本发明第三方面提供一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述用于线阵相机照明的光源亮度控制方法的步骤。

通过上述技术方案，使光源打开时机与线阵相机开始曝光的时机相同，满足不同曝光周期内光源打开时间相等，通过脉冲宽度调节光源关闭的时机来调节线阵相机照明亮度，无需通过占空比参数调节，实现不同亮度的灵活控制；线阵相机与光源脉冲上升沿对齐的方法保证了同一系统或不同系统中的亮度一致性；不需要DAC芯片控制电流大小，硬件实现方案简单，成本低。

附图说明

图1是传统的脉冲宽度控制调光波形图示意图；

图2是本发明脉冲宽度控制调光波形图示意图；

图3是本发明实施例延时测试示意图；

图4是本发明实施例亮度与延时关系示意图；

图5是本发明实施例用于线阵相机照明的光源亮度控制系统示意图；

图6是本发明实施例亮度与相对延时关系曲线；

图7是本发明实施例亮度与行关系曲线；

图8是本发明测试例亮度与点亮时间的线性关系曲线；

图9是本发明实施例脉冲宽度控制配合模拟调光波形图示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

如图1所示，上方波形图为线阵相机曝光周期，下方波形图为光源点亮周期，由于在特定占空比下（如50%），光源点亮的时机与相机曝光时机并不完全一致，导致在四个相机曝光周期内有效光照时间分别为8μs，8μs，2μs，5μs，这显然会导致图像明暗不均的现象，严重影响到图像识别的结果。而光源控制芯片工作频率的限制又导致不能继续调高脉冲控制频率。因此在现有的线阵相机光照方案中，均没有采用脉冲宽度控制光源亮度的方案。

本发明第一方面提供一种用于线阵相机照明的光源亮度控制方法，通过脉冲宽度控制光源亮度，包括以下步骤：控制线阵相机曝光和光源点亮同时发生，根据光源亮度要求通过脉冲宽度调节光源点亮时长。所述光源优选为LED灯，但不限于LED灯。

进一步地，所述方法还包括：分别对线阵相机曝光和光源点亮进行延时测试，得到线阵相机曝光和光源点亮的相对延时时长，补偿所述相对延时时长使线阵相机曝光时间和光源脉冲上升沿对应的时间一致。所述延时测试过程具体为：分别以指定步长改变线阵相机曝光的延时时间和光源点亮的延时时间，每改变一次延时，测试得到一次图像亮度，得到线阵相机曝光和光源点亮的相对延时时长与图像亮度关系，直至图像亮度不再改变时对应的相对延时时长即为补偿的相对延时时长。

所述线性曝光的周期不要求为所述脉冲宽度控制调节周期的整数倍。

进一步地，所述方法还包括：根据光源亮度要求通过脉冲宽度调节光源点亮时长进行粗调后，再通过模拟调光进行细调。可以通过脉冲宽度控制与模拟调光配合使用，同时使用脉冲宽度控制和模拟调光进行调节，其中，为了实现更小亮度的调节，模拟调光选用最小步长（如10mA）外加50%的占空比，可以得到更精细的亮度调节。

示例性地，如图9所示，实际相机传感器接收到的光子数量，与“光源亮度与发光时间的乘积”成正比，可以采用脉冲宽度与模拟调光配合使用的方式，以达到更精确的调节精度。如图中所示，发光时间调整每个步长为1μs，光强调整每个步长为100mcd；原有发光时间为8μs，亮度为2000mcd的情形下，乘积为16000mcd·μs；通过将LED点亮时长调整为6μs，亮度调整为1800mcd，从而将乘积调整为10800mcd·μs，满足亮度需求。

因此，本发明技术方案能够实现脉冲宽度控制与模拟调光配合使用的方式，得到更精细的亮度调节。

本发明第二方面提供一种用于线阵相机照明的光源亮度控制系统，基于上述用于线阵相机照明的光源亮度控制方法，包括

线阵相机，用于拍摄图像；

照明设备，用于照明，照明设备优选为LED灯，但不限于LED灯。

控制模块，分别与照明设备和线阵相机电性连接，用于通过脉冲宽度控制照明设备点亮与触发线阵相机曝光，并且使线阵相机曝光时间和照明设备脉冲上升沿对应的时间一致；

上位机，分别与线阵相机和控制模块信号连接，用于接收并分析来自线阵相机的图像数据，获取图像亮度信息，还用于下发点亮时长参数至所述控制模块；

光栅尺，所述光栅尺与控制模块信号连接，用于检测待拍摄物体的位置，并将位置信息反馈至控制模块，所述控制模块根据所述位置信息控制线阵相机曝光和照明设备点亮。

进一步地，所述控制模块还用于分别以指定步长改变线阵相机曝光的延时时间和照明设备点亮的延时时间，每改变一次延时，由所述线阵相机拍摄图像并发送至所述上位机，经所述上位机分析所述图像亮度，根据图像亮度确定补偿的相对延时时长。

本发明第三方面提供一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述用于线阵相机照明的光源亮度控制方法的步骤。

实施例1：

一种用于线阵相机照明的光源亮度控制方法，为了实现不同曝光周期内LED光源打开时间相等，满足LED光源控制芯片开关频率低的特点（100kHz及以下），本发明要求LED光源打开时机与线阵相机开始曝光的时机相同，通过调节LED光源关闭的时机来实现亮度调节。如图2所示，由线阵相机曝光波形图可知每个周期内曝光10μs,然而实际触发的时间间隔并不完全相同。通过脉冲调宽控制LED的光源点亮时机与相机曝光时机相同，如图2所示，由光源的脉冲宽度控制波形图上升沿对齐，脉冲宽度为8μs或6μs情况下，均能保证所拍照片亮度一致。

实际链路中，逻辑控制LED光源控制芯片开始工作到LED实际点亮存在时间延迟。产生触发相机指令到相机收到触发、相机开始曝光也存在延时。为了实现LED光源打开时机与线阵相机开始曝光时机的同步，因此需要测试两个链路的延迟差，并进行补偿。延迟测试方法如图3所示，首先控制相机曝光周期和时机一定，示例性地，如曝光时长10μs，4个周期内分别间隔5μs、10μs、10μs。第一步，控制LED光源点亮的波形图上升沿提前1μs,则相机有效曝光时间为7μs，拍摄获得图像并分析图像亮度；第二步，控制LED光源点亮的波形图上升沿对齐,则相机有效曝光时间为8μs，拍摄获得图像并分析图像亮度；第三步，控制LED光源点亮的波形图上升沿延后1μs,则相机有效曝光时间为8μs，拍摄获得图像并分析图像亮度；...依次类推，以1μs的延时步长进行测试，最后控制LED光源点亮的波形图上升沿延后4μs,则相机有效曝光时间为4μs，拍摄获得图像并分析图像亮度。根据延时和图像亮度得到图像亮度由暗—亮—暗的变化曲线，如图4所示，图中对齐点即为LED灯的点亮延时时间。其次，控制LED灯点亮的周期和时机一定，按上述方法测试相机曝光的延时时间，由此得到线阵相机曝光和光源点亮的相对延时时长。拍照时补偿相对延时时长即可。

实施例2

一种用于线阵相机照明的光源亮度控制系统，如图5所示，包括待拍照物品、光栅尺、控制模块、LED光源、相机。其工作步骤如下：①待测物品按照一定速度通过线阵相机的镜头视野范围，例如1m/s；②待测物品的位置通过光栅尺反馈给控制模块；③控制模块依据光栅尺的位置，每隔一段距离（例如25μm）产生一次曝光触发脉冲给线阵相机，同时开始控制LED点亮照明一段时间（例如6μs）；④线阵相机设置曝光时间为10μs，行周期为12μs（即两次触发的间隔需要大于这个周期才能实现正常拍照）；示例性地速度为1m/s，25μm一次触发即25μs一次触发，满足线阵相机工作需求；⑤上位机接收来自线阵相机的图像数据，并进行数据分析处理，得到亮度等信息；⑥本例控制模块的主控芯片为Xilinx（赛灵思）7K160T（型号）FPGA；照明LED光源控制芯片为LT3476（型号），典型的上升沿/下降沿为3μs；相机每个像素的位宽为8位，即0~255。

测试例

使用标准治具作为待测物品，依据实施例2中方式进行图像采集。上位机采集到图像信息后，截取标准治具图像进行图像数据处理，得到平均亮度值。通过改变相机曝光、光源亮度控制时机的相对延时，得到相对延时与亮度的关系。以0.1μs为步长调节延时。每改变一次延时，测试得到一次图像亮度。分别按照步长延时相机曝光时机0~2.5μs、光源点亮时机0~2.5μs，得到相对延时与亮度关系如图6示。由图6可得，延时相机曝光拍照时机1.1μs时，可以实现光源点亮时机与相机曝光拍照时机对齐；固定相机曝光延时为1.1μs，光源点亮时机延时0ns，从而实现曝光拍照开始时间与LED点亮对齐；固定光源点亮脉冲宽度为6μs进行拍照，选取图像中治具中心的100行（2.5cm）图像进行分析，得到亮度-行关系如图7所示，可以看到具有很好的一致性。按照步长1μs，调节脉冲宽度由0~10μs，进行拍照测试，可以得到脉冲宽度控制的点亮时间-亮度关系图，如图8所示，可以看到，在1μs~10μs之间有很好的线性关系。

综上所述，使光源打开时机与线阵相机开始曝光的时机相同，满足不同曝光周期内光源打开时间相等，通过脉冲宽度调节光源关闭的时机来调节线阵相机照明亮度，无需通过占空比参数调节，实现不同亮度的灵活控制；线阵相机与光源脉冲上升沿对齐的方法保证了同一系统或不同系统中的亮度一致性；不需要DAC芯片控制电流大小，硬件实现方案简单，成本低。还可以通过脉冲宽度控制与模拟调光配合使用的方法，从而实现更高精度的光源亮度控制。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于线阵相机照明的光源亮度控制方法，其特征在于，通过脉冲宽度控制光源亮度，包括以下步骤：

在线阵相机以不同的周期曝光下，以线阵相机曝光时机为基准控制线阵相机曝光和光源点亮同时发生；

根据光源亮度要求通过脉冲宽度调节光源点亮时长；其中，所述光源点亮可采用任意的光源占空比；

分别对线阵相机曝光和光源点亮进行延时测试，得到线阵相机曝光和光源点亮的相对延时时长，补偿所述相对延时时长使线阵相机曝光时间和光源脉冲上升沿对应的时间一致；所述延时测试过程具体为：分别以指定步长改变线阵相机曝光的延时时间和光源点亮的延时时间，每改变一次延时，测试得到一次图像亮度，得到线阵相机曝光和光源点亮的相对延时时长与图像亮度关系，直至图像亮度不再改变时对应的相对延时时长即为补偿的相对延时时长。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述光源为LED灯。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：根据光源亮度要求通过脉冲宽度调节光源点亮时长进行粗调后，再通过模拟调光进行细调。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述根据光源亮度要求通过脉冲宽度调节光源点亮时长进行粗调后，再通过模拟调光进行细调具体为：预设脉冲宽度步长和模拟调光步长，以预设的脉冲宽度步长调整光源点亮时长，再以预设的模拟调光步长调节光源点亮时的亮度。

5.一种用于线阵相机照明的光源亮度控制系统，其特征在于，包括

线阵相机，用于拍摄图像；

照明设备，用于照明；

控制模块，分别与照明设备和线阵相机电性连接，用于通过脉冲宽度控制照明设备点亮与触发线阵相机曝光，并且使线阵相机曝光时间和照明设备脉冲上升沿对应的时间一致；所述控制模块还用于分别以指定步长改变线阵相机曝光的延时时间和照明设备点亮的延时时间，每改变一次延时，由所述线阵相机拍摄图像并发送至上位机，经所述上位机分析所述图像亮度，根据图像亮度确定补偿线阵相机曝光和光源点亮的相对延时时长，补偿所述相对延时时长使线阵相机曝光时间和光源脉冲上升沿对应的时间一致；

上位机，分别与线阵相机和控制模块信号连接，用于接收并分析来自线阵相机的图像数据，获取图像亮度信息，还用于下发点亮时长参数至所述控制模块。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括光栅尺，所述光栅尺与控制模块信号连接，用于检测待拍摄物体的位置，并将位置信息反馈至控制模块，所述控制模块根据所述位置信息控制线阵相机曝光和照明设备点亮。

7.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-4中任意一项所述的用于线阵相机照明的光源亮度控制方法的步骤。

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