CN116567429A - 线结构光图像特征的相机曝光时间自适应控制方法 - Google Patents

线结构光图像特征的相机曝光时间自适应控制方法 Download PDF

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Abstract

线结构光图像特征的相机曝光时间自适应控制方法及链条间距测量方法，包括自适应多次曝光方法；自适应多次曝光方法，用于向拍摄物投放辅助光，辅助光的光源为所选用相机最敏感光源，通过将拍摄对象多次曝光，拍摄辅助光的图像；多次曝过程记录如下参数：信度阈值，初始曝光时间，阈值T；曝光时间调节步长；满足信度阈值的比例K；自适应多次曝光方法，按采样间隔对光条图像行或列扫描，采用自适应阈值法求出每一个采样行或列上的光条中心点坐标；对中心点邻域内的每一个像素点，用Sobel梯度算子计算x与y方向的梯度；用Bazon算子计算中心点的法线方向；以中心点坐标与法线方向矢量为输入，基于光条信度评价方法计算光条信度，并计算光条灰度。

Description

线结构光图像特征的相机曝光时间自适应控制方法
技术领域
本发明涉及视觉图像检测应用技术领域，具体涉及线结构光图像特征的相机曝光时间自适应控制方法。
背景技术
线结构光测量方法以其成本低廉、结构简单和测量精度高等特点被广泛应用于工业测量等领域；该方法主要是先由线结构光发生器向被测物体表面投射可控的线结构光的光束，然后相机采集投射有光束的被测物体图像并对其进行分析处理，最终实现物体表面轮廓三维信息的提取；理想状态下，结构光图像的光条截面灰度呈高斯分布，但是在工业测量现场，由于工件材质和现场光照条件变化等因素的影响，成像光条的截面灰度变化会呈现出极为复杂的情况，不具备一致性，易导致测量精度不佳；所以如何保证光条成像一致性是目前线结构光传感器工业测量亟需解决的问题；
现有技术1，中国专利CN202210264132.X，HDR快速自动成像方法、结构光相机、电子设备和存储介质，介绍了一种通过控制发光模块的开启或关闭来模拟投射器投射的全黑或全白图片，并且在检测到环境光亮度和被测物发生变化时不需要投射复杂的图形来调整曝光时间。
现有技术2，中国专利CN202110334555.X，一种图像传感器帧率和曝光控制系统及方法，提出一种系统包括Soc以及图像传感器，Soc通过Mclk引脚、Pclk引脚连接图像传感器，以提供所述图像传感器工作时钟以及接收所述图像传感器输出表示图像的像素的同步时钟，Soc通过控制输出给图像传感器的工作时钟Mclk的频率以实现图像传感器的帧率和曝光控制；
现有技术1是通过控制发光模块的开启或关闭来模拟投射器投射的全黑或全白图片，并且在检测到环境光亮度和被测物发生变化时不需要投射复杂的图形来调整曝光时间；
现有技术2是Soc通过Mclk引脚、Pclk引脚连接图像传感器，以提供所述图像传感器工作时钟以及接收所述图像传感器输出表示图像的像素的同步时钟，Soc通过控制输出给图像传感器的工作时钟Mclk的频率以实现图像传感器的帧率和曝光控制；
虽然已知外界光照和曝光时间是影响光条成像质量的主要原因，但是现有技术1和现有技术2仍然没有解决在复杂工业测量场景下，如何实现光条成像一致性，该障碍成为图像处理的关键技术难点。
发明内容
有鉴于此，针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供对不同环境光照下的工件测量场景，提供一种基于光条信度评价的线结构光传感器自动曝光方法；具体地讲，本发明将光条的信度评价作为结构光图像的质量评价参数，根据光条的信度分布自动获得下一次拍摄的曝光参数并判断拍摄结束节点，以此保证光条成像质量的一致性，从而得到线结构光图像特征的相机曝光时间自适应控制方法。
本申请旨在解决背景技术中的问题之一。
本发明所采用的技术方案为：为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供线结构光图像特征的相机曝光时间自适应控制方法；
本申请基于对已有的光条信度评价方法进行改进：
以光条某个位置的中心点坐标与光条在该位置的法线方向的向量作为输入，输出该位置的光条信度；算法主要包括四个部分：
1.估计光条截面宽度，从中心点出发，以其为中心沿法线方向，向两边搜寻首个出现的灰度值不高于中心点灰度值20％的像素点，分别作为光条截面的起始点和终止点，两点之间的序列长度即为光条截面宽度；
2.基于光条中心点拟合高斯曲线；
3.计算光条能量，也即光条截面宽度范围内所有像素点的灰度值之和；
4.通过光条基底噪声计算修正光条信度。
具体采用自适应多次曝光方法，操作如下：
1.向拍摄物投放辅助光，该光源为所选用相机最敏感光源，通过将多次随即曝光(通过调节镜头的光圈或相机的曝光时间来控制采集图像的灰度强度，每次曝光至少保证一个区域适合测量，最后由合适区域的条纹还原出三维数据拼接而成)，拍摄辅助光的图像。
2.多次曝过程记录如下参数：
(1)信度阈值T，代表可以接受的条纹图像质量；
(2)初始曝光时间ti，此时灰度最小位置上的信度大于阈值T；
(3)曝光时间调节步长为Δt；
(4)满足信度阈值的最小比例K，这是结束拍摄的判断标准。
具体算法流程：首先，按照一定的采样间隔对光条图像行(或列)扫描，采用自适应阈值法求出每一个采样行(或列上)光条中心点坐标；然后，对中心点邻域内的每一个像素点，用Sobel梯度算子计算x与y方向的梯度，而后采用Bazon算子计算中心点的法线方向；最后，以中心点坐标与法线方向矢量为输入，基于光条信度评价方法计算光条信度，并计算光条灰度。
光条信度评价方法包括步骤S1-S4，以ti曝光，计算光条位置的信度和灰度，
S1、如果信度大于T的位置所占比例高于K，结束，否则减小曝光时间，使光条灰度最大的位置对应的信度大于T；
S2、如果信度大于T的位置所占比例高于K，结束，否则增大曝光时间，使光条灰度最小的位置对应的信度大于T；
S3、如果信度大于T的位置所占比例高于K，结束，否则返回至S1。
本发明所实现的线结构光传感器曝光时间自适应控制方法主要包含三个过程：
(1)对图像按行/列扫描，定光条中心点坐标；
(2)计算中心点法线方向；
(3)评价光条信度，计算灰度。
本发明，具有以下有益效果：
1、本申请实现在复杂工业测量场景下，通过自动曝光算法保证光条成像一致性；
2、采用本发明的光条截面灰度统计后，显示光条灰度统计模型接近理想状态，证明了方法的有效性。
附图说明
图1为本发明的自适应多次曝光法流程图；
图2为本发明的自适应多次曝光法采集的图像光条截面灰度统计图a；
图3为本发明的自适应多次曝光法采集的图像光条截面灰度统计图b；
图4为本发明的自适应多次曝光法采集的图像光条截面灰度统计图c；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例
本发明提供线结构光图像特征的相机曝光时间自适应控制方法；
本申请基于对已有的光条信度评价方法进行改进：
以光条某个位置的中心点坐标与光条在该位置的法线方向的向量作为输入，输出该位置的光条信度；算法主要包括四个部分：
1.估计光条截面宽度，从中心点出发，以其为中心沿法线方向，向两边搜寻首个出现的灰度值不高于中心点灰度值20％的像素点，分别作为光条截面的起始点和终止点，两点之间的序列长度即为光条截面宽度；
2.基于光条中心点拟合高斯曲线；
3.计算光条能量，也即光条截面宽度范围内所有像素点的灰度值之和；
4.通过光条基底噪声计算修正光条信度。
具体采用自适应多次曝光方法，操作如下：
1.向拍摄物投放辅助光，该光源为所选用相机最敏感光源，通过将多次随即曝光(通过调节镜头的光圈或相机的曝光时间来控制采集图像的灰度强度，每次曝光至少保证一个区域适合测量，最后由合适区域的条纹还原出三维数据拼接而成)，拍摄辅助光的图像。
2.多次曝过程记录如下参数：
(1)信度阈值T，代表可以接受的条纹图像质量；
(2)初始曝光时间ti，此时灰度最小位置上的信度大于阈值T；
(3)曝光时间调节步长为Δt；
(4)满足信度阈值的最小比例K，这是结束拍摄的判断标准。
具体算法流程：首先，按照一定的采样间隔对光条图像行(或列)扫描，采用自适应阈值法求出每一个采样行(或列上)光条中心点坐标；然后，对中心点邻域内的每一个像素点，用Sobel梯度算子计算x与y方向的梯度，而后采用Bazon算子计算中心点的法线方向；最后，以中心点坐标与法线方向矢量为输入，基于光条信度评价方法计算光条信度，并计算光条灰度。
如图1的自适应多次曝光法流程图，光条信度评价方法：以ti曝光，计算光条位置的信度和灰度，
S1、如果信度大于T的位置所占比例高于K，结束，否则减小曝光时间，使光条灰度最大的位置对应的信度大于T；
S2、如果信度大于T的位置所占比例高于K，结束，否则增大曝光时间，使光条灰度最小的位置对应的信度大于T；
S3、如果信度大于T的位置所占比例高于K，结束，否则返回至S1；
本发明所实现的线结构光传感器曝光时间自适应控制方法主要包含三个过程：
(1)对图像按行/列扫描，定光条中心点坐标；
(2)计算中心点法线方向；
(3)评价光条信度，计算灰度。
采用本发明所述方法的光条截面灰度统计图如图2、图3、图4所示，光条灰度统计模型接近理想状态，证明了方法的有效性。
总的来说：本发明以光条某个位置的中心点坐标与光条在该位置的法线方向的向量作为输入，输出该位置的光条信度；算法主要包括四个部分，1.估计光条截面宽度，2.基于光条中心点拟合高斯曲线；3.计算光条能量4.通过光条基底噪声计算修正光条信度；本发明通过光条信度评价，完成曝光时间计算。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.线结构光图像特征的相机曝光时间自适应控制方法，其特征在于，包括自适应多次曝光方法；
自适应多次曝光方法，用于向拍摄物投放辅助光，辅助光的光源为所选用相机最敏感光源，通过将拍摄对象多次曝光，拍摄辅助光的图像；
多次曝过程记录如下参数：信度阈值T，代表可以接受的条纹图像质量；初始曝光时间ti，此时灰度最小位置上的信度大于阈值T；曝光时间调节步长为Δt；满足信度阈值的比例K，为结束拍摄的判断标准；
自适应多次曝光方法包括如下步骤D1-D4：
D1，按采样间隔对光条图像行或列扫描，采用自适应阈值法求出每一个采样行或列上的光条中心点坐标；
D2，对中心点邻域内的每一个像素点，用Sobel梯度算子计算x与y方向的梯度；
D3，用Bazon算子计算中心点的法线方向；
D4，以中心点坐标与法线方向矢量为输入，基于光条信度评价方法计算光条信度，并计算光条灰度。
2.如权利要求1所述的线结构光图像特征的相机曝光时间自适应控制方法，其特征在于，通过调节镜头的光圈或相机的曝光时间来控制采集图像的灰度强度，每次曝光获得一个测量区域，最后由测量区域的条纹还原出三维数据拼接而成。
3.如权利要求1所述的线结构光图像特征的相机曝光时间自适应控制方法，其特征在于，光条信度评价方法：以光条某个位置的中心点坐标与光条在该位置的法线方向的向量作为输入，输出该位置的光条信度。
4.如权利要求1所述的线结构光图像特征的相机曝光时间自适应控制方法，其特征在于，光条信度评价方法包括步骤G1-G4：
G1，估计光条截面宽度，从中心点出发，以其为中心沿法线方向，向两边搜寻首个出现的灰度值不高于中心点灰度值20％的像素点，分别作为光条截面的起始点和终止点，两点之间的序列长度即为光条截面宽度；
G2，基于光条中心点拟合高斯曲线；
G3，计算光条能量，也即光条截面宽度范围内所有像素点的灰度值之和；
G4，通过光条基底噪声计算修正光条信度。
5.如权利要求1所述的线结构光图像特征的相机曝光时间自适应控制方法，其特征在于，光条信度评价方法包括步骤S1-S4，以ti曝光，计算光条位置的信度和灰度，
S1、如果信度大于T的位置所占比例高于K，结束，否则减小曝光时间，使光条灰度最大的位置对应的信度大于T；
S2、如果信度大于T的位置所占比例高于K，结束，否则增大曝光时间，使光条灰度最小的位置对应的信度大于T；
S3、如果信度大于T的位置所占比例高于K，结束，否则返回至S1。
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