专利名称：一种用于高精度影像测量仪的自适应光源照明系统及方法
技术领域：
本发明涉及影像测量系统中的光源照明，特别是涉及一种用于高精度影像测量仪 的自适应光源照明系统及方法。
背景技术：
光源照明系统是影像测量系统中最关键的部分之一，其主要目标是以合适的方式 将光线投射到被测物体上，突出被测特征部分的对比度。光源对成像质量有很大的影响，光 源的均勻性、几何形状、光照强度、光照方向、波长等因素都会直接影响到测量结果，它往往 是整个系统成败的关键，这就要求光源与照明方案的配合应尽可能地突出物体特征量，在 物体需要检测的部分与不重要部分之间应尽可能地产生明显的区别，增加对比度，同时还 应保证足够的整体亮度。目前用于影像测量的照明光源结构形式多种多样，主要有多角度照射环形灯，条 形灯，同轴光，Dome光源等，然而以上类型的光源配置或多或少地会引起以下问题，花点和 过度曝光隐藏图像重要的信息；阴影造成边缘的误检；信噪比的降低以及不均勻的照明导 致图像处理阈值选择的困难。在一般的影像测量中，照明强度的选择多采用人工调试和多次比较得出，具有受 人为因素影响大，测量效率低等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于高精度影像测量仪的自适应光源照 明系统及方法，它能根据不同测量工件，自动调节光源亮度，实现多方位照明，使影像测量 仪获得最佳的图像效果。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种用于高精度影像测量仪的 自适应光源照明系统，包括光源和控制系统，所述的光源包括正面光源和背面光源，其中， 正面光源位于被测工件的正上方，背面光源位于被测工件的正下方；所述的控制系统包括 MCU模块、数模转换模块、照明驱动模块和串口通讯模块；所述的MCU模块通过所述的模数 转换模块与所述的照明驱动模块相连，并通过所述的串口通讯模块与PC端内建的模糊专 家系统模块相连；所述的照明驱动模块分别与所述的正面光源和背面光源相连。所述的正面光源采用LED环形多角度直射型光源；所述的高精度影像测量仪位于 所述的LED环形多角度直射型光源的环中心。所述的LED环形多角度直射型光源采用三环设计，由内环光源、中环光源和外环 光源构成；所述的内环光源、中环光源和外环光源均是由三排LED成圆锥状排列并分别以 0°、30°、60°照射在被测工件上。所述的LED采用混联的方式连接，其中，串并联的LED数量平均分配。所述的串口通讯模块为采用RS232通信标准。所述的照明驱动模块采用四通道照明驱动模块，其中，三条通道对应正面光源，另外一条通道对应背面光源。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是还提供一种用于高精度影像测量仪 的自适应光源照明方法，包括以下步骤(1)取不同材料、不同表面质量的典型工件进行照明和成像试验，以照明效果的成 像质量评价指标为目标，在整个搜索空间中运算，得到典型工件的最佳照明参数；(2)根据试验所测得的数据建立最佳照明参数专家知识库，该专家知识库应全面 反映不同零件的特征；(3)将被测工件放置在正面光源与背面光源之间，由PC端输入被测工件的特征参 数，模糊专家系统模块将根据被测工件与专家知识库中最相似的典型零件进行比较，根据 其相似性度量由模糊推理策略推出控制矢量基点以及局部搜索范围；⑷PC端将设定的控制矢量搜索范围发送到MCU模块，由数模转换模块和照明驱 动模块完成光源的照明调节，由照明效果的成像质量评价指标来确定该局部搜索范围内的 最佳照明控制参数；(5)通过得到的最佳照明控制参数对专家知识库的进行完善。所述的成像质量评价指标是最大类间方差和最大平均灰度梯度，以突出物体和背 景的差异性，同时突出表面特征，增大图像对比度，以利于图像分割和边缘检测。所述的步骤(3)中模糊推理所依据的隶属度为被测工件与专家知识库中典型零 件的相似性，相似性越高，搜索空间范围越小。有益效果由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效 果本发明采用正面光源和背面光源相结合的光源配置，该配置不仅能实现均勻照射，还能 实现非均勻照射，从而突出显示被测重要部位的对比度。另外还建立了最佳照明参数专家 知识库，测量工件时，控制系统会根据输入的被测工件特征参数自动选择最佳照明参数，实 现自适应控制光源的亮度，使得影像测量仪获得最佳的图像。在相同零件测量时，由于相似 度最大，控制系统将采用相同的最佳参数进行工作，从而保证了同种零件图像质量的稳定 性。由于这种控制系统具有“光源记忆”功能，为确定性测量奠定了基础，使得测量精度的 重复性较好。
图1是本发明采用的测量系统架构示意图； 图2是本发明的系统框图； 图3是本发明的正面光源结构示意图； 图4是本发明的正面光源内环照射示意图； 图5是本发明的正面光源中环照射示意图； 图6是本发明的正面光源外环照射示意图； 图7是本发明的LED连接图； 图8是本发明的串口通讯电路原理图； 图9是本发明的数模转换电路原理图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。本发明的第一实施方式涉及一种用于高精度影像测量仪的自适应光源照明系统， 图1为本实施方式的基本配置和架构。光源包括正面光源和背面光源，其中，正面光源位于 被测工件的正上方，背面光源位于被测工件的正下方。控制系统如图2所示，包括MCU模块、 数模转换模块、照明驱动模块、串口通讯模块和模糊专家系统模块。本系统采用了 MCS-51系列单片微型计算机作为主控制器，通过数模转换器和照 明驱动模块连接，由照明驱动模块产生相应的控制电流来实现不同通道的照明亮度。系统 采用了 8位D/A转换器，可以实现0-255不同等级的电流输出，也就是说，照明控制强度分 为256个不同等级。需要说明的是，照明亮度与控制电流并非呈线性关系，无确定的函数关 系，这是本系统实现照明自适应控制的核心价值所在。人机交互界面和模糊专家系统模块运行在PC端，并通过串口通讯模块与单片微 型计算机相连。本系统采用了 RS232通信方式，PC端发送控制矢量的信息码方式为“前导 字符” + “照明通道值” + “照明控制值”，单片机系统接收到相应指令后，以该控制值产生相 应的电流来驱动相应照明通道。为满足不同要求的照明效果，正面光源采用LED环形多角度直射型光源，如图3所 示，正面光源采用三环设计，由内环光源2、中环光源3、外环光源4构成。它们都是由三排 LED1成圆锥状排列并分别以0°、30°、60°照射在被测工件上。图4、图5和图6分别为三 个光源环单独照射的模型图，三个光源环一起点亮可以实现多个不同方向的照射，满足不 同形状表面工件的检测要求，从而可以实现对不透明物体的上表面或内部轮廓的检测。采 用光线导向平板式背面光源(本系统采用了 CCS公司生产的LFL-180作为背面照明)，特别 适合用于轮廓检测，它可以将工件的外形轮廓清晰的勾勒出来，不受工件的材质、颜色、表 面纹理、形状变化等对图片质量的影响，在使用背面光源时，透光的地方呈白色，不透光的 部分呈黑色，这样可以得到一个黑白对比明显的图片，使后续的图像处理变得更加简单。通 过正面光源与背面光源相互结合，克服光源几何形状、不均勻性、光照方向等因素对测量结 果的不良影响。如图2所示，系统采用四通道照明驱动模块，其中，通道1-3分别对应正面 光源的内环光源、中环光源和外环光源，通道4对应背面光源。如图7所示，正面光源所采用的LED采用混联方式进行连接，串并联的LED数量平 均分配，如图中每5个LED串联后并联在一起。通过这样的连接方式使得分配在每个LED 串联支路上的电压相同，并且在串联支路上的每个LED的电流也大致相同，亮度一致，同时 通过每个串联支路的电流也相近。这样的连接方式使线路简单、亮度稳定、可靠性高，并且 对器件的一致性要求较低，即使个别LED单管失效，对整个发光组件的影响也较小。串口通讯模块采用RS232通讯标准，其波特率为9600bps，通信采用典型的三线信 号TX，RX和GND方式，其电路设计图8所示。图9所示的是数模转换电路模块电路图，该 模块将MCU模块接收到的数据由型号为DAC0800LCN的数模转换芯片转换为模拟量即模拟 控制电流，并将模拟控制电流传送给照明驱动电路进而控制LED的亮度。
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本发明的第二实施方式涉及一种用于高精度影像测量仪的自适应光源照明方法， 该方法基于第一实施方式中的系统，包括以下步骤(1)取不同材料、不同表面质量的典型工件进行照明和成像试验，以照明效果的成 像质量评价指标为目标，在整个四维搜索空间中运算，得到典型工件的最佳照明参数。其 中，最佳照明参数是四个照明通道的控制值组合，可以以矢量V(chl，ch2, ch3, ch4)表示， 其中 chn e (0,255)。(2)在模糊专家系统模块中，根据试验所测数据建立最佳照明参数专家知识库。其 中，专家知识库应全面反映被测工件的特征参数，如被测工件的材料、颜色、形状、尺寸、表 面粗糙度、表面氧化程度等。该专家系统建立的数据库具有下表结构形式
权利要求
一种用于高精度影像测量仪的自适应光源照明系统，包括光源和控制系统，其特征在于，所述的光源包括正面光源和背面光源，其中，正面光源位于被测工件的正上方，背面光源位于被测工件的正下方；所述的控制系统包括MCU模块、数模转换模块、照明驱动模块和串口通讯模块；所述的MCU模块通过所述的模数转换模块与所述的照明驱动模块相连，并通过所述的串口通讯模块与PC端内建的模糊专家系统模块相连；所述的照明驱动模块分别与所述的正面光源和背面光源相连。
2.根据权利要求1所述的用于高精度影像测量仪的自适应光源照明系统，其特征在 于，所述的正面光源采用LED环形多角度直射型光源；所述的高精度影像测量仪位于所述 的LED环形多角度直射型光源的环中心。
3.根据权利要求2所述的用于高精度影像测量仪的自适应光源照明系统，其特征在 于，所述的LED环形多角度直射型光源采用三环设计，由内环光源、中环光源和外环光源 构成；所述的内环光源、中环光源和外环光源均是由三排LED成圆锥状排列并分别以0°、 30°、60°照射在被测工件上。
4.根据权利要求2所述的用于高精度影像测量仪的自适应光源照明系统，其特征在 于，所述的LED采用混联的方式连接，其中，串并联的LED数量平均分配。
5.根据权利要求1所述的用于高精度影像测量仪的自适应光源照明系统，其特征在 于，所述的背面光源采用光线导向技术进行照明。
6.根据权利要求1所述的用于高精度影像测量仪的自适应光源照明系统，其特征在 于，所述的串口通讯模块为采用RS232通信标准。
7.根据权利要求3所述的用于高精度影像测量仪的自适应光源照明系统，其特征在 于，所述的照明驱动模块采用四通道照明驱动模块，其中，三条通道对应正面光源，另外一 条通道对应背面光源。
8.一种用于高精度影像测量仪的自适应光源照明方法，其特征在于，包括以下步骤(1)取不同材料、不同表面质量的典型工件进行照明和成像试验，以照明效果的成像质 量评价指标为目标，在整个搜索空间中运算，得到典型工件的最佳照明参数；(2)根据试验所测得的数据建立最佳照明参数专家知识库，该专家知识库应全面反映 不同零件的特征；(3)将被测工件放置在正面光源与背面光源之间，由PC端输入被测工件的特征参数， 模糊专家系统模块将根据被测工件与专家知识库中最相似的典型零件进行比较，根据其相 似性度量由模糊推理策略推出控制矢量基点以及局部搜索范围；(4)PC端将设定的控制矢量搜索范围发送到MCU模块，由数模转换模块和照明驱动模 块完成光源的照明调节，由照明效果的成像质量评价指标来确定该局部搜索范围内的最佳 照明控制参数；(5)通过得到的最佳照明控制参数对专家知识库的进行完善。
9.根据权利要求8所述的用于高精度影像测量仪的自适应光源照明方法，其特征在 于，所述的成像质量评价指标是最大类间方差和最大平均灰度梯度，以突出物体和背景的 差异性，同时突出表面特征，增大图像对比度，以利于图像分割和边缘检测。
10.根据权利要求8所述的用于高精度影像测量仪的自适应光源照明方法，其特征在 于，所述的步骤(3)中模糊推理所依据的隶属度为被测工件与专家知识库中典型零件的相 似性，相似性越高，搜索空间范围越小。
全文摘要
本发明涉及一种用于高精度影像测量仪的自适应光源照明系统及方法，该系统包括包括光源和控制系统，其中，光源包括正面光源和背面光源，控制系统包括MCU模块、数模转换模块、照明驱动模块、串口通讯模块和模糊专家系统模块。本发明中MCU模块通过数模转换模块连接照明驱动模块，通过串口通信模块与上位PC机进行数据交互，上位PC机与控制系统构成了“主-从”式照明控制系统，上位PC机运行照明控制用人机界面，并内建有模糊专家系统模块和最佳照明参数模糊数据库，测量工件时，控制系统会根据输入的被测工件特征参数自动选择最佳照明参数，实现自适应控制各通道光源的亮度，使影像测量仪获得最佳效果的图像。
文档编号H05B37/02GK101975357SQ20101029030
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月25日 优先权日2010年9月25日
发明者周虎, 朱超, 杨建国, 陈栋梁 申请人:东华大学