用于带钢表面检测的照明led阵列光源的均匀优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种机器视觉检测技术领域，尤其涉及一种用于带钢表面检测的均匀 照明LED阵列光源的优化设计方法。
【背景技术】
[0002] 机器视觉系统的核心是图像采集和处理。所有信息均来源于图像之中，图像本身 的质量对整个视觉系统极为关键。而光源则是影响机器视觉系统图像水平的重要因素，因 为光源直接影响输入数据的质量和至少30%的应用效果。因此，光源及光学系统设计的成 败是决定机器视觉系统成败的首要因素。
[0003] 由于被检测目标自身性质、周围环境以及检测要求各有不同，没有一种光源可以 有效地通用在各种带钢表面检测系统环境中，而需要针对每个具体的案例来设计光源方 案，这就使得光源照明技术显得更为重要。
[0004] 目前，由于单个LED的发光效率有限，因此目前在采用LED作为光源的照明光学系 统中，一般都是将多个LED以一定的形状阵列，将每个LED发出的到达目标平面的光线进行 处理就可以得到目标平面的光照度分布，并和相应的评价标准对比。需要阵列LED数量的 多少决定于目标面的光照度要求及照明光学系统的空间光强分布。而如何合理安排LED的 排布达到利用较少LED颗粒达到大面积的均匀照明要求是一个较为复杂的过程。
[0005] 为了达到照度一致的要求，需要根据被测对象的表面状况及时调整光源的照度， 使相机曝光量保持稳定。一种可行的方法是通过增加更多的LED数量，只取中间均匀照度 部分，边部照度不再利用；另外一种可行的方法是通过照度测量传感器，人工调节光源部分 LED角度，达到近似均匀照明要求。中国专利CN201210497326. 0公开了一种机器视觉LED 照明光源，该照明光源在LED矩阵光源的照射面设置有漫射板，通过漫射板的漫射作用使 得光线变均匀。中国专利CN201110366801. 6公开了一种大功率LED阵列照度均匀化的方 法，该方法将照明面上多点照度的方差作为目标评价函数，通过优化LED的位置，获得了照 明面上照度的均匀分布。这些专利均未考虑相机自身参数来获取光源的照度值，以及LED 阵列排布受空间限制及如何利用边部排列优化来进行光源的LED排列设计。因此，这些专 利涉及的方法均不适应于空间限制的机器视觉检测的均匀照明LED阵列光源的优化设计 和成像。
[0006] 在带钢热轧生产线的视觉检测方面，因带钢温度高，光源一直采用远距离照射。而 光源一般离带钢表面要保持2米以上距离，若是采用透镜的方式进行聚光，则需要很大的 透镜弧面，光源的体积将会很大，透镜的制作也会相当复杂。由于LED等间距排列会产生中 间部分等照度而边部也会急剧下降的照度趋势，并且由于空间限制的条件下表面光源有效 照明宽度有限，达不到带钢热轧生产线的均匀照射的视觉检测要求。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种用于带钢表面检测的照明LED阵列光源的均匀优化 方法，该方法能实现光源结构紧凑，均匀照度面积大，从而获得灰度均匀的被测对象图像。
[0008] 为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案： 一种用于带钢表面检测的照明LED阵列光源的均匀优化方法，其步骤是： 第一，设置和获取相机参数，根据现场安装光源空间得到光源最大安装尺寸长度Lmax和 宽度Wmax，同时给出初始LED阵列计算的横纵间距d和d' ； 第二，通过公式（1)计算得到被测带钢表面的照度参考值；
(1) 以公式（1)计算所得的照度参考值与目标灰度照度参考值进行比对，如果差值小于约 定值，取计算得到的灰度照度值，若差值大于等于约定值，则直接取灰度照度参考值； 第三，根据步骤一提供的光源最大安装尺寸长度Lmax和宽度Wmax，以及LED阵列间距纵 列间距d和横行间距d'，直接计算得到LED排布数量每横行排列数量N和每纵列排列数量 N，； 第四，由横纵LED排布数量N和Ν'根据相应公式（2)-(5)进行优化计算，纵向排布从 单行等间距开始计算，中间等照度部分是否满足照度E的要求，若照度不足，增加 LED行数 逐一判断是否满足照度E的要求，直到行数增加至Ν' ； 若满足照度要求进行下一步，若不满足，则修改初始设置的LED间距d和d'，重新计算 横纵LED排布数量N和Ν'，再次按照步骤四计算照度是否满足要求，直到满足要求为止； LED的Ν*Μ阵列的照度由单个LED照度进行叠加，用公式来表示为： 当N，M为奇数时：
第五，根据图像灰度变化，计算中心均匀照度区域长度是否满足被测表面照明区域，若 满足直接输出结果； 若不满足，对边部非均匀区域部分的LED阵列间距Cl1和Cl1 '进行修改，增加 LED边部数 量ηι和n/，循环计算直到满足照度E的要求，输出优化结果。
[0009] 所述步骤二中的约定值为20%。
[0010] 本发明的照明LED阵列光源的均匀优化方法是应用相机自身参数来计算带钢表 面照度参考值，并以该照度参考值与目标灰度照度参考值进行比对，即该照度参考值作为 相机输出图像的参考值与图像的目标灰度值进行比对；同时根据现场空间要求计算光源的 尺寸；以上述照度值和光源尺寸为基础，并考虑到LED阵列间距大小的不同决定整个光源 照度的强度分布和均匀性，对LED阵列进行优化设计后得到满足现场实际需求的LED光源 结构。
[0011] 本发明的技术方案与现有技术相比，其有益效果是： (1)根据相机自身参数与材料本身参数即可预估带钢表面照度需求。
[0012] (2)可根据现场实际可利用空间尺寸，优化设计光源尺寸，光源结构紧凑，满足现 场安装需求。
[0013] (3)充分利用每一颗LED发光性能，减少边部照明损失，最大限度满足光源较大面 积的均匀照明需求，获得更为稳定的灰度图像。
[0014] (4)光源优化计算可通过计算机程序运行实现，减少人工设计时间 本发明的照明LED阵列光源的均匀优化方法适用于现场不同检测条件下的LED光源的 设计，可实现光源结构紧凑，均匀照度面积大，从而获得灰度均匀的被测对象图像，有效实 现被测对象的检测，对于提高表面检测系统的检测精度具有重要意义。
【附图说明】
[0015] 图1为单个LED照度分布图； 图2为本发明用于带钢表面检测的照明LED阵列光源的均匀优化方法流程图； 图3为本发明的一个实施例中的优化光源照度分布曲线图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0017] 本发明是针对需要在不同检测环境下应用不同相机对不同材质和不同反射状况 的带钢表面而设计的一种LED阵列光源优化设计方法，可实现设计的光源结构紧凑，均匀 照度面积大，从而获得灰度均匀的图像。
[0018] 参见图2, 一种用于带钢表面检测的照明LED阵列光源的均匀优化方法，其步骤 是： 第一，设置和获取相机参数，根据现场安装光源空间得到光源最大安装尺寸长度Lmax和 宽度Wmax，同时给出初始LED阵列计算的横纵间距d和d'。
[0019] 第二，通过公式（1)计算得到被测带钢表面的照度参考值；
(1) 式中：5为被测物体表面照度； ￡为物体表面亮度； /(F)为镜头F数（光圈）； 4为成像系统的放大倍率； I为相机在某波长处灰度值； V为相机传感器饱和电压； i?为物体表面发射率； 4为相机在相应波长处的辐射度； ?为曝光时间； %为镜头的透射率； 以公式（1)计算所得的照度参考值与目标灰度照度参考值进行比对，如果差值小于约 定值，取计算得到的灰度照度值，若差值大于等于约定值，则直接取灰度照度参考值；所述 约定值为20%。
[0020] 第三，根据步骤一提供的光源最大安装尺寸长度Lmax和宽度Wmax，以及LED阵列横 纵间距d和d'，直接计算得到横纵LED排布数量N和Ν' ； 第四，由