基于LED和逆反射的抗太阳光视觉检测系统及方法与流程

本发明涉及的是检测技术领域的视觉检测系统，具体是一种基于LED照明和逆反射技术的能够抵抗太阳光干扰的视觉检测系统及方法。

背景技术：

视觉检测系统是应用计算机技术、数字图像处理技术、影像匹配模式识别、摄影测量等学科的理论和方法完成对物体的测量，因而具有智能化程度高、检测效率高、测量精度高等卓越性能，并得到广泛应用。实际测量中较为常见的情况是利用被测物体的若干个特征点(例如安置一些特殊的标志)来获取相关信息。因此，整个测量系统的精度就取决于对标志中心进行定位的精度，而整个检测系统的可靠性取决于能否获得标志的清晰图像并准确定位。

然而在实际的应用过程中，当标志周围出现较强的环境光的时候，特别是在有太阳光直接照射的环境下，传统的视觉检测系统将出现很大问题：随着太阳光入射角度的不同，普通漫反射标志的反射光强会发生变化。由于标志区域反射系数与周围背景相差不大，因此标志区域边界不明显，这样就无法准确地将标志区域提取出来，导致定位不准或失效。这已成为视觉检测系统的世界性共性难点问题之一，而国内外目前并无有效的方法来有效抑制太阳光对视觉检测系统的干扰。

赵辉等(CN201110108191.X)首次提出一种能够抵抗太阳光干扰的视觉检测系统及方法，该系统采用激光器为光源，利用逆反射材料制作反射标志，在摄像机前面设置窄带滤光片，可以有效抵抗视觉检测系统对太阳光的干扰。这是系统和非对于抵抗太阳光的干扰是十分有效的，但是该系统和非存在两个严重问题：其一，作为光源的激光器，由于激光本身的极强的相干性的缘故，激光器在照明区域内产生明显的暗斑，从而导致照明区域的照度明显不均匀，由此将产生测量误差；其二，由于逆反射材料一般采用微棱镜材料制作，微棱镜尺寸一般为数mm级别，当准直性极好的激光束照射到逆反射材料制成的反射标志上的时候，不同微棱镜产生的反射光束存在差异，从而导致反射标志在摄像机上的成像出现明暗不均的现象，从而产生测量误差。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种既可以抵抗太阳光的干扰，又可以获得高精度的视觉检测系统和方法，不仅可以有效减小太阳光的影响，而且可以回避激光束导致的视场照度不均匀问题，也可避免激光束照射到逆反射材料后产生的反射不均匀问题，从而显著提高检测系统的精度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的第一个方面，提供一种基于LED和逆反射的抗太阳光视觉检测系统，所述系统包括发射组件、接收组件、反射标志和处理系统，所述发射组件与所述接收组件并列安置，并同时对准反射标志；所述发射组件、所述接收组件均与所述处理系统连接；反射标志安置于被测目标的任一特征点上，并随被测目标一同移动；其中：

所述发射组件由LED光源、聚焦镜组和发射滤光片组成，所述接收组件由图像采集装置和接收滤光片组成；所述LED光源与所述处理系统相连并接收所述处理系统的控制指令发出一束发散光，发散光束经过所述聚焦镜组和所述发射滤光片后形成一束窄带光束，并直接投向所述反射标志所在区域，以形成均匀的照明视场；所述反射标志的反射光束经过所述接收滤光片后，由所述图像采集装置产生视频信号并传输到所述处理系统；所述处理系统与所述摄像机相连，所述处理系统接收所述摄像机传输的视频信号并对获得的视频信号进行处理，最终得到反射标志的具体位置，从而实现对被测目标的定位和检测。

优选地，所述的LED光源为高功率LED光源，具有体积小、重量轻的优点。

更优选地，所述的LED光源的光谱特性与摄像机的光谱特性一致或者接近。

优选地，所述的聚焦镜组将LED光源发出的发散光束汇聚成为一束小角度光束，并投向反射标志所在区域，形成一照度均匀的视场。

优选地，所述的发射滤光片为窄带滤光片，使得投向发射标志的光束为接近单色光束，以进一步减小太阳光的干扰；

所述的发射滤光片的中心波长依据摄像机的成像器件光谱特性确定。

优选地，所述的反射标志包括：基板和位于基板几何中心的反射板；其中：

所述反射板形状为圆形、或矩形的多种规则形状；反射板采用逆反射材料制成，

所述基板的形状为矩形、圆形、多边形的各种规则形状；基板为中心对称结构的轻质板材，表面涂敷亚光漫反射材料制成。

更优选地，所述的反射板由薄膜层和位于薄膜层表面的微棱镜组成，其中：所述薄膜层为透明塑料膜材料制成，所述微棱镜由聚氯乙烯为原材料制成的颗粒组成。

更优选地，所述的基板的面积大于反射板的面积；进一步的，所述的基板的面积为反射板面积的两倍以上。

优选地，所述的接收滤光片为窄带滤光片，使得进入摄像机的光束仅为窄带单色光，以进一步减小太阳光的干扰；

更优选地，所述的接收滤光片与所述的发射滤光片的中心波长与带宽一致。

优选地，所述的图像采集装置包括镜头和摄像机，反射标志的反射光束经过接收滤光片后，由镜头成像到摄像机的像面上，从而产生视频信号；其中：

所述摄像机为面阵CCD、CMOS摄像机，具体根据测量的精度和速度要求选取；

所述镜头根据反射标志的大小、距离和移动范围设计和选取。

优选地，所述的处理系统由计算机或者高性能微处理器组成，用于进行图像处理和分析计算，以最终获得反射标志的中心位置。

本发明所述系统抵抗太阳光干扰的原理为：

当来自LED光源发出的发散光束经过聚焦镜组和发射滤光片之后，照射到反射标志，由于反射板中逆反射材料的逆反射特性，绝大部分的反射光均将沿着与入射光平行的方向返回至所述系统所在位置，并由镜头和摄像机接收；因此在摄像机上的成像不仅仅是整个反射标志所在区域的图像，而且还有逆反射材料制成的反射板形成的光斑，该光斑的形状恰好就是反射板的形状，光斑的能量中心恰好就是反射板的中心，也就是整个反射标志的中心，从而实现反射标志中心坐标的准确测量。

(1)当太阳处于反射标志正前方位置，即所述系统后方时：

整个反射标志区域被太阳光照亮；由于太阳光对反射标志的整个区域的照度是均匀的，而反射标志的反射板的逆反射材料的定向反射作用使得逆反射区即反射板的亮度远远高于漫反射区即基板的反射光亮度，因此在摄像机所获得图像中，反射板成像的光斑与周围区域对比度差异明显；此时，处理系统通过设置合适的阈值对摄像机获得的图像进行二值化处理，将光斑的边缘和能量中心提取出来，从而实现可靠准确的定位；该阈值的大小采用包括浮动阈值法在内的多种常规方法来确定；此时，太阳光的存在不会影响所述系统的工作。

(2)当太阳处于反射标志的侧前方位置，即所述系统的侧前方时：

整个反射标志被太阳光侧向照亮；由于反射板的逆反射材料的定向反射特性，太阳光照射在逆反射区即反射板的光线绝大部分将被反射回太阳所在位置，而不会进入所述系统所在的位置，只有来自LED光源发出的单色光束照射到逆反射区即反射板后，被反射回所述系统所在的测量点位置；因此，在摄像机获所得的图像中，漫反射区域即基板的亮度将明显弱于逆反射区即反射板；处理系统通过设置合适的阈值将反射板光斑的边缘和能量中心提取出来，从而实现可靠准确的定位，太阳光的存在同样不会影响所述系统的工作；

(3)当太阳处在反射标志背面位置时：

此时反射标志不会被太阳光照亮，只有来自LED光源发出的单色光束照射到逆反射区即反射板后，被反射回所述系统所在的测量点位置；太阳光逆光照射反射标志，会产生一定的光衍射作用；由于反射标志的基板遮挡左右，使太阳光不会对逆反射区即反射板的亮度产生影响；只要反射标志的基板的尺寸显著大于敏感区即反射板的尺寸，太阳光由于衍射作用产生的影响能够消除，此时太阳光的存在同样不会影响所述系统的工作。

通过上述的措施，从而保证了太阳光在360°入射范围内变化时，逆反射区即反射板的成像位置基本保持恒定，从而完全克服了太阳光的干扰和影响。

根据本发明的第二个方面，提供一种基于LED和逆反射的抗太阳光视觉检测方法，具体如下：

(1)在处理系统的控制下，由LED光源发出一束小角度光束并投向反射标志；

(2)摄像机通过镜头获取反射标志的图像，并传输至处理系统；

(3)关闭LED光源，摄像机再次获取反射标志的第二张图像，并传输至处理系统；

(4)处理系统将两次获取的图像进行差分处理，从而得到反射标志中反射板的差分图像；

(5)处理系统对(4)得到的差分图像进行处理，以提取反射标志中反射板的边缘轮廓；

(6)处理系统根据反射板的边缘轮廓数据进行拟合，获得反射板的中心坐标。

本发明与现有技术相比较，具有如下有益效果：

本发明以大功率LED作为光源，辅以聚焦镜组和窄带滤光片，形成小角度单色光束并投向反射标志，反射标志利用具有逆反射性能的薄膜材料制作，在摄像机前面仍然设置窄带滤光片，这样不仅可以有效减小太阳光的影响，而且可以回避激光束导致的视场照度不均匀问题，也可避免激光束照射到逆反射材料后产生的反射不均匀问题，从而显著提高检测系统的精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的系统组成结构示意图；

图2为本发明一实施例的反射标志结构示意图；

图3为本发明一实施例的基于主动定向照明和逆反射技术的抗太阳光干扰方法原理示意图；

图中：1 为LED光源，2 为聚焦镜组，3 为发射滤光片，4 为反射标志，5 为接收滤光片，6 为镜头，7 为摄像机，8 为处理系统，9 为反射板，10 为基板。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种基于LED和逆反射的抗太阳光视觉检测系统，所述的视觉检测系统包括：LED光源1、聚焦镜组2、发射滤光片3、反射标志4、接收滤光片5、镜头6、摄像机7和处理系统8，其中：

所述LED光源1、聚焦镜组2和发射滤光片组3成发射组件，摄像机5、镜头6和接收滤光片7组成接收组件；所述发射组件与所述接收组件并列安置，并同时对准反射标志4；所述发射组件与所述接收组件均与处理系统8连接；反射标志4安置于被测目标的某个特征点上，并可以随被测目标一同移动。

本实施例所述系统的工作流程如下：

在处理系统8的控制下，由LED光源1发出一束发散光，经过聚焦镜组2和发射滤光片3之后形成一束小角度窄带光束，直接投向反射标志4所在区域，形成均匀的照明视场；反射标志4的反射光束经过接收滤光片5后，由镜头6成像到摄像机7的像面之上，产生的视频信号传输到处理系统8；处理系统8对获得的视频信号进行处理，最终得到反射标志4的具体位置，从而实现对被测目标的定位和检测。

本实施例中，所述的LED光源1为高功率LED光源，具有体积小、重量轻的优点。例如，对于12m探测距离，可以采用功率20W左右的LED光源1，可以满足曝光要求。

本实施例中，所述的LED光源1的光谱特性尽可能与摄像机7的光谱特性一致或者接近。例如，假设摄像机成像器件的光谱峰值波长为550nm，则LED光源1的光谱峰值波长应尽可能接近550nm为宜

本实施例中，所述的聚焦镜组2，用于将LED光源1发出的发散光束汇聚成为一束小角度光束，并投向反射标志4所在区域，形成一个照度均匀的视场。例如，假设反射标志4距离为12m，所需照明视场大小为直径0.5m，则照射角度约为2*arctan(0.5*0.5m/12m)＝2.4°。

本实施例中，所述的发射滤光片3为窄带滤光片，使得投向发射标志4的光束为接近单色光束，以便进一步减小太阳光的干扰。

本实施例中，所述的发射滤光片3的中心波长应该依据摄像机成像器件的光谱特性来确定。例如，假设摄像机成像器件的光谱峰值波长为550nm，则发射滤光片3的中心波长应尽可能接近550nm为宜，而带宽尽可能窄，一般为±30nm左右为宜。

如图2所示，本实施例中，所述的反射标志4包括反射板9和基板10，其中：

所述反射板9位于基板10的几何中心，其形状可为多种规则形状，例如圆形、矩形等；反射板9采用逆反射材料制成；

所述基板10为中心对称结构的轻质板材，表面涂敷亚光漫反射材料制成，其形状可为各种规则形状，例如矩形、圆形、多边形等。

作为优选地，所述的反射板9由薄膜层和位于薄膜层表面的微棱镜组成，其中：薄膜层为透明塑料膜材料制成，微棱镜为聚氯乙烯为原材料制成的颗粒组成。

作为优选地，所述的基板10由铝合金材料制成，表面喷砂和黑色阳极氧化处理。

作为优选地，所述的基板10面积应显著大于反射板的面积。进一步的，所述的基板10的面积为所述的反射板9面积的两倍以上。例如，假设反射板9的尺寸为则正方形基板10的边长可为60mm以上为宜。

本实施例中，所述的接收滤光片5为窄带滤光片，使得进入摄像机7的光束仅为窄带单色光，以便进一步减小太阳光的干扰。

作为优选地，所述的接收滤光片5与所述的发射滤光片3的中心波长与带宽一致，例如中心波长均为550nm，带宽均为±30nm。

本实施例中，所述的镜头6可根据反射标志4的大小、距离和移动范围进行设计和选取。例如，假设反射标志4的距离为12m、横向移动范围为±250mm，反射板9直径为40mm，则镜头6的视角为2*arctan[0.5*(250+20)mm/12m]＝1.3°。

本实施例中，所述的摄像机7根据测量的精度和速度要求进行选取，一般可选择面阵CCD、CMOS摄像机。例如，假设反射板9横向移动范围为±250mm9、定位精度要求±0.5mm，则相对精度约为0.5mm/250mm＝1/500，因此摄像机7的像素数应不低于500pixel×500pixel为宜。

本实施例中，所述的处理系统8由计算机或者高性能微处理器组成，主要职能是进行图像处理好分析计算，最终获得反射标志4的中心位置。

本实施例还涉及一种基于LED和逆反射的抗太阳光视觉检测方法，具体如下：

(1)在处理系统8的控制下，由LED光源1发出一束小角度光束，并投向反射标志4；

(2)摄像机7通过镜头6获取反射标志4的图像，并传输至处理系统8；

(3)关闭LED光源1，摄像机7再次获取反射标志4的第二张图像，并传输至处理系统8；

(4)处理系统8将两次获取的图像进行差分处理，从而得到反射标志4中反射板9的差分图像；

(5)处理系统8对上述差分图像进行处理，提取反射板9的边缘轮廓；

(6)处理系统8根据反射板9的边缘轮廓数据进行拟合，获得其中心坐标；

如图3所示，本实施例所述的视觉检测系统抵抗太阳光干扰的原理为：

当来自LED光源1发出的发散光束经过聚焦镜组2和发射滤光片3之后，照射到反射标志4。由于反射板9中逆反射材料的逆反射特性，绝大部分的反射光均将沿着与入射光平行的方向返回至检测系统所在位置，并由镜头6和摄像机7接收。因此，在摄像机7上的成像不仅仅是整个反射标志4所在区域的图像，而且还有逆反射材料制成的反射板9形成的光斑。该光斑的形状恰好就是反射板9的形状，光斑的能量中心恰好就是反射板9的中心，也就是整个反射标志4的中心，从而实现反射标志4中心坐标的准确测量。

当太阳处于反射标志4正前方位置(即所述视觉检测系统后方)时：

整个反射标志4区域将被太阳光照亮。由于太阳光对反射标志4的整个区域的照度是均匀的，而反射板9的逆反射材料的定向反射作用使得逆反射区(即反射板9)的亮度远远高于漫反射区(即基板10)的反射光亮度，因此在摄像机7所获得图像中，反射板9成像的光斑与周围区域对比度差异明显。此时，处理系统8通过设置合适的阈值对摄像机7获得的图像进行二值化处理，就可以将光斑的边缘和能量中心提取出来，从而实现可靠准确的定位。该阈值的大小可以采用包括浮动阈值法在内的多种常规方法来确定。此时，太阳光的存在不会影响视觉检测系统的工作。

当太阳处于反射标志4的侧前方位置(也是处于所述视觉检测系统的侧前方)时：

整个反射标志4将被太阳光侧向照亮。由于反射板9的逆反射材料的定向反射特性，太阳光照射在逆反射区的光线绝大部分将被反射回太阳所在位置，而不会进入所所述视觉检测系统所在的位置，只有来自LED光源1发出的单色光束照射到逆反射区后，被反射回所述视觉检测系统所在的测量点位置。因此，在摄像机7获所得的图像中，漫反射区域的亮度将明显弱于逆反射区。因此，处理系统8同样可以通过设置合适的阈值将反射板9光斑的边缘和能量中心提取出来，从而实现可靠准确的定位，太阳光的存在同样不会影响视觉检测系统的工作。

当太阳处在反射标志4背面位置时：

此时反射标志4将不会被太阳光照亮，只有来自LED光源1发出的单色光束照射到逆反射区后，被反射回所示视觉检测系统所在的测量点位置。太阳光逆光照射反射标志4，将会产生一定的光衍射作用。但是，由于反射标志4的基板10的遮挡左右，使太阳光不会对逆反射区(反射板9)的亮度产生影响。只要反射标志4的基板10的尺寸显著大于敏感区(即反射板9)的尺寸，太阳光由于衍射作用产生的影响也可以消除，此时太阳光的存在同样不会影响视觉检测系统的工作。

通过上述的措施，就保证了太阳光在360°入射范围内变化时，逆反射区(即反射板9)的成像位置基本保持恒定，从而完全克服了太阳光的干扰和影响。与此同时，可以显著克服激光光源产生的视场照度不均和逆反射不均产生的测量误差，大幅度提高测量精度。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。