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； 其中：LED的Ν*Μ阵列的照度由单个LED照度进行叠加，单个LED照度分布图可参见图 1，用公式来表不为： 当N，M为奇数时：
当N为偶数,M为奇数时： 式中，5 (X，y，Z)为LED阵列排布后被测表面照度
;为单个LED沿光轴方向发光强度； y为LED所在y轴向方向； z为LED所在z轴向方向； X为LED所在X轴向方向； N为LED阵列的行数； M为LED阵列的列数； d为相邻两LED行之间的中心距离； d'为相邻两LED列之间的中心距离； k为LED光强余弦分布修正值，通常取82 ; 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d/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。 实施例
[0021] 根据上述方法设计的光源已在热轧带钢生产线应用。由于空间限制下表面光源有 效照明宽度仅有1520mm，需在1000 mm检测区域内达到均匀照射，照度大于70001UX。根据 上述方法，进行优化计算。
[0022] 第一，根据现场安装光源空间得到光源最大安装尺寸长度1520mm宽度不限，同时 给出初始设定LED阵列计算的横纵间距56mm和22mm。
[0023] 第二，根据步骤一提供的光源最大安装尺寸长度和宽度，以及LED阵列横纵间距 和，直接计算得到横纵LED排布数量28 (即1520/56=28)，由于安装宽度充足，在本实施案 例中暂定为3 ;此外，本实施案例中，根据已有条件可以得到满足要求的照度应在70001UX 以上，故可省略采用相机成像参数一步骤，但可根据此步骤加以验证。
[0024] 第三，由横纵LED排布数量28和3,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，70001UX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3 ; 经计算可得到，采用高亮度LED等间距56mm排布，中心部位会产生均匀照度可达到 80681UX，但是均匀照明范围仅为800mm，边部照度衰减很快，不能满足1000 mm均匀照明要 求，因此进行第四步计算。
[0025] 第四，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，经计算边部区域照度不满足要求。对边部非均匀区域部分的LED阵列间距dl和dl'进 行修改，本方案中，仅仅增加横向边部数量，调节边部LED距离为28mm，循环计算直到满足 照度70001ux的要求，LED优化排列照度曲线如图3所示。
[0026] 经计算可得到，采用高亮度LED等间距56mm排布，边部5列LED各纵列之间距离 缩短成28mm，中心部位依然会产生均匀照度可达到80681uX，但是边部照度衰减变化较小， 在1000 mm均匀照明范围内，最小照度也能够达到75921ux，波动小于6%。
[0027] 在线应用时，光源距离带钢3. 2m，具体排布为3行、32列，每行32颗高亮度LED，行 距为22mm，每列3颗高亮度LED，其中1-5列之间的列间距为28mm，6-27列之间的列间距为 56mm，28-32列之间的列间距为28mm，在带钢表面可以形成照度为70001x，波动小于6%的矩 形光斑，完全可以达到检测要求。通过软件计算经较短时间得到较为优化的结果，免去了重 复试验摸索的时间，大大提高了设计效率。
[0028] 本发明的用于带钢表面检测的照明LED阵列光源的均匀优化方法能实现光源结 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。
[0029] 以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在 本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范 围之内。
【主权项】
1. 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，其特征是： 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L_和 宽度W_，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；式中：及为被测物体表面照度； ￡为物体表面亮度； /W为镜头F数（光圈）； #为成像系统的放大倍率； 先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； 第三，根据步骤一提供的光源最大安装尺寸长度L_和宽度W_，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N'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N' ； 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N'，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N*M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：当N，M为偶数时：当N为奇数,M为偶数时：当N为偶数,M为奇数时：5 (x，y，z)为LED阵列排布后被测物体表面照度； 为单个LED沿光轴方向发光强度； y为LED所在y轴向方向；z为LED所在z轴向方向； x为LED所在x轴向方向； N为LED阵列的行数； M为LED阵列的列数；d为相邻两LED行之间的中心距离； d'为相邻两LED列之间的中心距离； k为LED光强余弦分布修正值，通常取82 ; 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阵列间距屯和d/进行修改，增加LED边部数 量ni和n/，循环计算直到满足照度E的要求，输出优化结果。2.根据权利要求1所述的用于带钢表面检测的照明LED阵列光源的均匀优化方法，其 特征是：所述步骤二中的约定值为20%。
【专利摘要】本发明涉及一种机器视觉检测技术领域。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，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，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。本发明的均匀优化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。
【IPC分类】G06N3/12
【公开号】CN104915716
【申请号】CN201410093222
【发明人】梁爽, 何永辉, 杨水山, 彭铁根, 石桂芬, 宗德祥
【申请人】宝山钢铁股份有限公司
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2014年3月14日