专利名称：机器视觉系统中确定散射光量的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及机器视觉系统中的方法和设备，尤其涉及允许确定散 射光量的设备，以及用于这种确定的方法。该发明进一步涉及用于确 定散射光量的计算机可读介质。
背景技术：
视觉系统广泛用于，例如，检测物体的缺陷或测量放置在载体上 的物体的存在和位置。这样的系统包含摄像机或成像传感器、和布置 成利用入射光照射待测物体的光源。摄像机检测来自物体的反射光， 因此，形成物体的图像。人们往往需要对同一物体的多种特性(如各
种各样的三维(3D)和二维(2D)特性)进行成像。在3D图像中， 诸如物体的宽度、高度、体积等的几何特性被成像。在2D图像中， 通过，例如，标记、条形码或矩阵码对诸如裂缝、结构取向、位置和 身份的特性进行成像。2D图像中的密度信息通常被成像成灰度级，但 彩色地成像2D图像，也就是说，通过，例如，波长选择滤波器或光 源波长来记录R (红色)、G (绿色)和B (蓝色)分量也是常见的。
三维成像或范围成像用于获取一组范围值，范围图像的像素值代 表摄像机或"某个固定点"与被测物体之间的距离。存在许多用于测量 范围数据的众所周知的技术。这些技术包括激光三角测量、结构化光 成像、飞行时间测量和立体成像。
进一步，可以测量入射光在物体表面层内的散射。也就是说，当 穿过物体的材料然后散射的光从与进入的位置不同的位置上的材料射 出时被记录。这种现象是如何发生的取决于材料的内部特性。当物体 和人工制品由不同类型的材料或不同内部结构组成时，入射光在材料 内不同地散射，因此，可以通过测量散射光来识别物体的缺陷。注意，不要将这种情况下的术语"散射，，与从表面漫反射的光混淆在一起。
一种现有技术的方法被示出在EP 765 471中，它7〉开了检测木 材中的缺陷的设备和方法。这里，当测量时，沿着光轴(即，沿着与 传感器相同的轴中)使用光源，并且针对直接反射光和散射光、采样 覆盖物体上的分开的虚拟线的分开的传感器行。如果被正确调节，这 种方法会给出很好的结果，但难以进行安装和调节。
另一种现有技术的方法被示出在EP 1432 961中，它z^开了允许 使用从围绕最大强度峰值的窗口输出和处理数据的三角测量来高效测 量物体的方法和设备。所公开的方法和设备要求保留围绕峰值的所有 数据，使得这些数据可以被用来确定与所找到的峰值最大值有关的固 定位置上的散射光的强度。通常，可以在传感器内提取原始窗口数据， 但必须输出到外部源作进一步处理，这降低了性能并增加了复杂性。
这些测量散射光的已知方法例示在图4a中，图4a示出了在二维 传感器上捕获的物体图像。该传感器检测在物体中的区域S1和S2中 散射的光和物体上的反射光R。在反射光R的两侧，出现了散射光区， 其可以从图4a中看到，如S。图4a中的捕获图像中的反射光R和散 射光S1和S2的强度(信号强度)示出在图4b中。
如果从传感器中取回整个图像，那么，可以通过外部信号处理单 元进行寻找散射和反射光的强度的处理。然而，原始传感器信息的输 出限制了可能的采样速度。如果传感器具有随机存取能力，则可以从 传感器中只提取感兴趣区，因此从传感器中取回较少量数据并且可以 达到较大采样速度。对于一些传感器，所述两个区域也可能具有不同 曝光时间和/或读出放大，并且还可以相加来自许多行的散射光以进一 步提高信号强度。
可以在反射光的一侧Sl或S2收集散射光，或者可以从两侧Sl 和S2计算散射光的总和，以进一步提高信号强度。如果使用点光源， 可以将围绕该点的众多位置一起或相互独立地用于确定散射光量。
由于正如从图4b中看到的那样，必须测量远离入射光的固定位 置上的检测光的强度，所以在三角测量系统中难以高效测量散射光量。
发明内容
于是，本发明的一个目的是提供在机器视觉系统中确定物体中散
射的光量的改进方法，该机器视觉系统包含利用沿着至少一个方向 有限延伸的入射光照射所述物体的光源；和检测从所述物体发出的光 的成像传感器，其中，所述发出的光是所述物体的表面上的反射光和 在所述物体中散射的光，所述检测到的光在所述成像传感器上形成具 有峰值的至少一条强度分布曲线，其中在所述峰值处在所述成像传感 器上检测到所述反射光。
按照本发明的第一方面，这个目的是通过为了确定物体中的散射 光量而描述的如权利要求1的特征部分限义的方法来实现的，该方法 包含测量所述至少一条强度分布曲线的宽度的步骤，其中所述测量到 的宽度指示在所述物体中散射的光量。
本发明的另一个目的是提供在机器视觉系统中确定在物体中散 射的光量的改进设备，该机器视觉系统包含利用沿着至少一个方向 有限延伸的入射光照射所述物体的光源；和检测从所述物体发出的光 的成像传感器，其中，所述发出的光是所述物体的表面上的反射光和 在所述物体中散射的光，所述检测到的光在所述成像传感器上形成具 有峰值的至少一条强度分布曲线，其中在所述峰值处在所述成像传感 器上检测到所述反射光。
按照本发明的第二方面，这个目的是通过为了确定物体中的散射 光量而描述的如权利要求6的特征部分限定的设备来实现的，该设备 包含测量所述至少一条强度分布曲线的宽度的装置，其中所述测量到 的宽度指示在所述物体中散射的光量。
本发明的进一步目的是提供包含在机器视觉系统中确定在物体 中散射的光量的计算机程序的改进计算机可读介质，该机器视觉系统 包含利用沿着至少一个方向有限延伸的入射光照射所述物体的光源； 和检测从所述物体发出的光的成像传感器，其中，所述发出的光是所 述物体的表面上的反射光和在所述物体中散射的光，所述检测到的光在所述成像传感器上形成具有峰值的至少一条强度分布曲线，其中在 所述峰值处在所述成像传感器上检测到所述反射光。
按照本发明的第三方面，这个进一步目的是通过为了确定物体中 的散射光量而描述的如权利要求11的特征部分限定的计算机可读介 质来实现的，该计算机程序执行测量所述至少一条强度分布曲线的宽 度的步骤，其中所述测量到的宽度指示在所述物体中散射的光量。
进一 步的实施例列在从属权利要求中。
由于提供了使用增量式函数来测量强度分布曲线的峰值的形状 描述符值的方法和设备，所以不必存储有关围绕峰值的区域中的强度 的信息，因此节省了带宽。此外，通过以这种方式测量散射光，获得 了与反射光强度无关的度量，这种度量避免了直接反射光与散射光之 间的串扰，并且在减小这种串扰的安装和调节方面比现有技术的方法 更简单。
而且，在现有技术中，当结合三角测量和散射测量时，必须在能 够测量与峰值的位置相距预定距离的位置上的散射光之前首先确定这
个位置(正如从图4b中看到的那样)。由于提供了本发明的方法和设 备，不再需要首先确定峰值的位置。
本发明的其它目的和特征可以从结合附图讨论的如下详细描述 中清楚看出，然而，应该明白，绘制这些附图只是为了例示的目的， 而不是作为对应该参照所附权利要求的本发明的界限的定义。还应该 明白，这些附图未必按比例画出，除非另有说明，它们仅仅用于概念 性地例示本文所述的结构和过程。
在相同标号在几个视图中自始至终表示相似要素的附图中
图1示意性地例示了测量物体特性的成像设备；
图2示出了在二维传感器上捕获的图1中的物体的图像；
图3例示了光如何在物体上反射的和如何在物体内散射的。
图4a例示了从在二维传感器上捕获的物体图像中测量散射光的现有技术方法；
图4b示出了图4a中的图像的横截面A-A中的强度分布曲线；
图5a示出了在二维传感器上捕获的图1中的物体的图像；
图5b示出了图5a中的图像的横截面B-B中的强度分布曲线；
和
图5c示出了图5a中的图像的横截面C-C中的强度分布曲线。
具体实施例方式
图1示意性地例示了在机器视觉系统中测量物体的特性和确定在 物体中散射的光量的成像设备。该设备包含布置成利用沿着至少一个 方向有限延伸的入射光2来照射物体1的至少一个光源3。该至少一 个光源3产生跨过物体1的光线。成像传感器5被布置成检测从物体 l发出的经由透镜4的光，并且被布置成将检测到的光转换成电信号， 其中，发出的光是物体l的表面上的反射光和在物体l中散射的光(结 合图2作更多说明)。所检测到的光在所述成像传感器5上形成分别 具有峰值的多条强度分布曲线，在所述峰值处在成像传感器5上检测 到所述反射光。该设备进一 步包含根据电信号来创建物体的受照横截 面的数字表示的装置。更进一步，该设备包含处理和分析该数字表示 的装置。
让物体和成像设备沿着预定运动方向，例如，沿着如图l所示的 y方向相互联系地移动。在本发明的优选实施例中，物体1相对于成 像设备移动。可以将物体l放置在，例如，移动的传送带上，或可替 代地，没有传送带，物体l本身移动。当然可以让物体l相对于成像 设备移动的这种关系反过来，也就是说，当测量时，让物体1静止， 而让成像设备在物体上方移动。在又一个实施例中，让物体l和测量 设备这两者相互联系地移动。在本发明的再一个实施例中，让象激光 器那样的光源3扫描物体1。
光源3产生结构化光，例如，点光、线光或包括多个基本上为点 或线段的光，并且可以是适合于本应用的任何类型的光源，例如，激光、发光二极管(LED)、普通光(灯泡)等，它们都是本领域的普 通技术人员所熟悉的，本文将不作进一步描述。在本发明的优选实施 例中最好使用激光。
在本发明的一个实施例中，光源3包含使入射光2偏振的偏振器 (未示出)。由于反射光也会被偏振，但散射光被偏振的程度较低， 所以这有助于区分反射光和散射光。当光源3包含偏振器时，使用增 强/减弱沿着不同方向偏振的光，导致反射光的强度降低，因此获得较 好对比度的散射光的传感器是有利的。
将传感器5放置在与光源3相距预定距离的位置上。在优选实施 例中，传感器5是含有uxv个像素的阵列传感器(其中，v是行，u 是列)，但本领域的技术人员应该懂得，本发明可以应用于象CCD 传感器或CMOS传感器那样的其他类型传感器，或适合对物体特性进 行成像的任何其它传感器。在本系统中，传感器5能够测量二维(2D， 强度)和三维(3D,范围数据)信息，即，能够测量强度分布和物体 的几何轮廓。在优选实施例中，范围数据是使用三角测量获得的，即， 当将光源3放置在与传感器5相距预定距离的位置上时，传感器5上 反射光的位置指示从传感器5到物体1的距离。
传感器5被布置成在光源3照射的物体的数个横截面中检测物体 l的范围信息，即，被布置成重复地测量(扫描)物体l，以便获得放 在一起变成物体的范围图像的数个横截面图像。
物体l的每个横截面中的反射光R和散射光S形成图2所例示 的传感器5上的物体1的图像。正如可以从图2中看到的那样，由于 材料的不同内部特性，但也可能由于物体1中的缺陷，散射光量沿着 物体的x方向发生变化。下面结合图3对此作更多说明。
图3示出了在从x方向看到的物体1的一个横截面中光如何在物 体上反射的和如何在物体内散射。因此，将入射光2布置成击中物体 l的表面，从而， 一些入射光按在图3中用R表示的扇形扩展而在表 面上被漫反射和镜面反射地反射。 一些入射光2穿过物体1，在图3 中用箭头7例示的表面下(表面层内)的物体材料内被散射，从而，从材料的与光进入的位置不同的位置上出射。散射光的扩展在图3中 用S表示，它取决于材料的不同内部特性。
在测量散射光的现有技术方法中，可以从如图4a所示和如上所 述的物体区域Sl和/或S2中收集光。区域Sl和S2必须选择在距离入 射光击中物体的位置一定距离的位置上，以减小串扰。
然而，本发明的成像设备包含用于测量所述至少一条强度分布曲 线的宽度的装置，其中所述测量到的宽度指示在所述物体1中散射的 光量。因此，使用可以测量强度分布曲线的峰值的形状描述符值的函 数，而不是测量距离入射光的进入位置一定距离处的信号强度(如图 4a和4b所示)。这种测量可以是测量例如，如公式(1)表示的作为 峰值的宽度的量度的标准偏差(假定正态(高斯)分布函数)。即使 数据不遵循公式(1)中的假定的高斯分布，它也可以给出有关的峰值 宽度测量值。该方法可以以不必存储有关围绕峰值的区域中的强度的 信息的方式来实现，即，它是逐行进行计算并且可以丢弃最初获得的 数据的增量式测量方法。
因此，图5a例示了在看得到反射光R和散射光S的传感器上捕 获的物体l(如图l所示)的图像。
图5b例示了在图5a的横截面B-B中发出光的强度如何以强度 分布曲线的形式分布的。该强度分布曲线是如图3所示的两条曲线， 即，反射光R和散射光S的结果(组合)。在该曲线的峰值位置P处， 在传感器上捕获到最大反射光R。
按照本发明的优选实施例，通过测量围绕峰值位置P的强度分布 曲线的宽度来确定散射光，在图5b中用w表示该宽度。当将标准偏 差用于确定曲线的宽度时，w等于两个西格马(2cj)，即，正负一个 西格马。
图5c例示了在图5a的横截面C-C中发出光的强度是如何分布的。正如可以从该图中看到的那样，在这个横截面中存在比在横截面
B-B中少的散射光。因此，曲线的测量宽度w比图5b中的小。
为了有助于宽度的测量，可以计算峰值位置P。如果使用矩(重 心)计算峰值位置，则按照公式(2) ~ (4)来计算零阶和一阶矩 mO和ml。另外，如果使用公式(5)计算出二阶矩m2,那么，就有 足够的信息来使用按照公式(6)的公式来重建标准偏差
m义
力W
(2)
(3)
(4)
(5)
C7 =
1
X
、
/ 、、
(6)
注意，计算ml/m0的除法以获得重心位置，无需重新计算它。 由于只将结果与阈值相比较，所以在大多数情况下无需取平方根以获 得真正的标准偏差。标准偏差测量值也与激光峰值的强度无关，这去 除了测量反射光强度以用于进行归一化的需要。按照对正态高斯分布 的标准偏差的定义，标准偏差度量了包括大约68%的分布值的宽度。 也就是说，对于正态分布，在平均值的正负一个西格马内的值的和是 分布值的总和的大约68%。本领域的技术人员应该认识到，本发明不 局限于测量平均值的正负一个西格马，也可以例如使用得到总和的大 约95%的正负两个西格马。
公式(3) ~ (5)中的矩的计算可以只使用加法通过迭代非常高 效地实现。而且，获得了无需进一步调整距峰值的距离以对散射强度
II l一 II l一
附 附 ^ 附进行采样的量度(标准偏差)。
按照本发明的另 一 个优选实施例，在所述至少 一条强度分布曲线 的预定义水平上测量曲线的宽度，其中，所述预定义水平上的强度与
所述至少一条曲线的最大强度之比是10% ~ 80%，最好在30% ~ 50% 之间。
因此，按照本发明的优选实施例，提供了在机器视觉系统中确定 在物体中散射的光量的方法，该机器视觉系统包含利用沿着至少一 个方向有限延伸的入射光照射所述物体的光源；和检测从所述物体发 出的光的成像传感器，其中，所述发出的光是所述物体的表面上的反 射光和在所述物体中散射的光，所述检测到的光在所述成像传感器上 形成具有峰值的至少一条强度分布曲线，其中在所述峰值处在所述成 像传感器上检测到所述反射光。该方法包含测量所述至少一条强度分 布曲线的宽度的步骤，其中所述测量到的宽度指示在所述物体中散射 的光量。
进一步，将测量到的宽度与阈值相比较，从而，散射光量对应于 所述测量到的宽度超出所述阈值多少。
除了确定散射光量之外，也可以使用强度分布曲线的峰值的位置 来测量范围数据，以便获得物体的几何形状。
为了便于理解，本发明的许多方面用要由例如可编程计算机系统 的各个单元执行的动作序列来描述。应该认识到，各种各样的动作可 以由专门电路(例如，互连成执行专门功能的分立逻辑门或专用集成 电路)、由一个或多个处理器执行的程序指令、或这两者的组合来执行。
此外，本发明又可以被认为完全实现在任何形式的计算机可读存 储介质内，该计算机可读存储介质存储着供像基于计算机的系统、包 含处理器的系统、或可以从介质中取出指令和执行这些指令的其它系 统那样的指令执行系统、设备或装置来使用，或结合它们一起使用的 适当指令集。正如这里使用的那样，"计算机可读介质"可以是可以包
含、存储、传送、传播、或传输供指令执行系统、设备或装置使用或与结合它们一起使用的程序的任何装置。计算机可读介质可以是，例 如，电、磁、光、电磁、红外或半导体系统、设备、装置或传播介质， 但不局限于此。计算机可读介质的更具体例子(非穷尽列表)包括含 有一条或多条导线的电连线、便携式计算机磁盘、随机存取存储器
(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM 或闪速存储器)、光纤、和便携式只读光盘存储器(CD-ROM)。
因此，按照本发明优选实施例，提供了包含在机器视觉系统中确 定在物体中散射的光量的计算机程序的计算机可读介质，该机器视觉 系统包含利用沿着至少一个方向有限延伸的入射光照射所述物体的 光源；和检测从所迷物体发出的光的成像传感器，其中，所述发出光 是所述物体的表面上的反射光和在所述物体中散射的光，所述检测到 的光在所述成像传感器上形成具有峰值的至少一条强度分布曲线，其 中在所述峰值处在所述成像传感器上检测到所述反射光，其中，该计 算机程序执行测量所述至少一条强度分布曲线的宽度的步骤，其中所 述测量到的宽度指示在所述物体中散射的光量。
可以不偏离如所附权利要求书限定的本发明范围地对上文所述 的本发明实施例作出修改。
像"包括"、"包含"、"内含"、"由......组成"、"含有"那样的表达
用于描述和要求旨在以非排它的方式解释本发明，即，也允许存在未 明确描述的项目、部件或元件。提到单数也要解释为涉及复数，反之 亦然。
在所附权利要求书中包括在括号内的数字旨在帮助理解权利要 求书，无论如何都不应该解释为限制这些权利要求所要求的主题。
权利要求
1.一种在机器视觉系统中确定在物体中散射的光量的方法，该机器视觉系统包含-利用沿着至少一个方向有限延伸的入射光照射所述物体的光源；和-检测从所述物体发出的光的成像传感器，其中，所述发出的光是所述物体的表面上的反射光和在所述物体中散射的光，所述检测到的光在所述成像传感器上形成具有峰值的至少一条强度分布曲线，其中在所述峰值处在所述成像传感器上检测到所述反射光，其特征在于，该方法包含通过确定所述强度分布曲线的标准偏差来测量所述至少一条强度分布曲线的宽度的步骤，其中所述测量到的宽度指示在所述物体中散射的光量。
2. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包含将所 述测量到的宽度与阈值相比较的步骤，其中散射光量对应于所述测量到的宽度超出所述阈值多少。
3. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述至少一条强度分布曲线的预定义水平上测量所述宽度，其中，所述预定义水平上的强度与所述至少一条曲线的最大强度之比是10%~80%，优选地在30%~50%之间。
4. 按照权利要求1到3中的任何一项所述的方法，其特征在于，该方法进一步包含通过使用所述强度分布曲线的所述峰值的位置来测量范围数据，以便获得所述物体的几何形状的步骤。
5. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光源产生如下光之一线光、点光、或包括多个基本上为点或线段的光。
6. —种在机器视觉系统中确定在物体(l)中散射的光量的设备，该才几器^见觉系统包含-利用沿着至少一个方向有限延伸的入射光(2)照射所述物体(1)的光源(3);和-检测从所述物体(1)发出的光的成像传感器(5)，其中，所述发出的光是所述物体(1)的表面上的反射光(R)和在所述物体(1)中散射的光(S)，所述检测到的光在所述成像传感器(5)上形成具有位于点(P)处的峰值的多条强度分布曲线，其中在所述点(P)处在所述成像传感器(5)上检测到所述反射光(R)，其特征在于，该设备包含用于通过确定所述强度分布曲线的标准偏差来测量所述至少一条强度分布曲线的宽度(w)的装置，其中所迷测量到的宽度指示在所述物体(1)中散射的光(S)的量。
7. 按照权利要求6所述的设备，其特征在于，该设备进一步包含用于将所述测量到的宽度(w)与阈值相比较的装置，其中散射光(S)的量对应于所述测量到宽度超出所述阈值多少。
8. 按照权利要求6所述的设备，其特征在于，用于测量所述宽度(w)的装置被布置成在所述至少一条强度分布曲线的预定义水平上测量所述宽度(w),其中，所述预定义水平上的强度与所述至少一条曲线的最大强度之比是10% ~ 80%,优选地在30% ~ 50%之间。
9. 按照权利要求6到8中的任何一项所述的设备，其特征在于，该设备进一步包含通过使用所述强度分布曲线的所述峰值的位置来测量范围数据，以便获得所述物体(1)的几何形状的装置。
10. 按照权利要求6所述的设备，其特征在于，所述光源(3)被布置成产生如下光之一线光、点光、或包括多个基本上为点或线段的光。
11. 一种包含在机器视觉系统中确定在物体中散射的光量的计算机程序的计算机可读介质，该机器视觉系统包含一利用沿着至少一个方向有限延伸的入射光照射所述物体的光源；和-检测从所述物体发出的光的成像传感器，其中，所述发出的光是所述物体的表面上的反射光和在所述物体中散射的光，所述检测到的光在所述成像传感器上形成具有位于在所述成像传感器上检测到所述反射光的点处的峰值的多条强度分布曲线，其特征在于，该计算机程序执行测量所述至少一条强度分布曲线的宽度的步骤，其中所述测量到的宽度指示在所述物体中散射的光量。
全文摘要
本发明涉及在机器视觉系统中确定在物体中散射的光量的方法和设备，该机器视觉系统包含利用沿着至少一个方向有限延伸的入射光照射所述物体的光源；和检测从所述物体发出的光的成像传感器，其中，所述发出的光是所述物体的表面上的反射光(R)和在所述物体中散射的光(S)，所述检测到的光在所述成像传感器上形成含有峰值的至少一条强度分布曲线，其中在所述峰值处在所述成像传感器上检测到所述反射光(R)。测量围绕所述峰值的所述至少一条强度分布曲线的宽度(w)，从而所述测量到的宽度(w)指示在所述物体中散射的光(S)的量。
文档编号G01N21/88GK101675333SQ200880009909
公开日2010年3月17日 申请日期2008年4月25日 优先权日2007年4月26日
发明者P·霍尔姆, 玛蒂亚斯·约翰尼森, 翰里克·特贝尔 申请人:西克Ivp股份公司