本發(fā)明屬于表面缺陷智能檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種圖像灰度的光源補償裝置及補償方法。

背景技術(shù)：

具有軸對稱形狀的機械零件，目前最新的技術(shù)是使用機器視覺系統(tǒng)對其進行非接觸式的無損檢測，檢測系統(tǒng)包括線陣工業(yè)相機、旋轉(zhuǎn)平臺、光源和計算機等，見圖1，系統(tǒng)的工作原理：將其放置在旋轉(zhuǎn)平臺上旋轉(zhuǎn)，放置于側(cè)面的工業(yè)線陣相機由上至下逐行掃描拍攝其側(cè)面，見圖2(b)，相機的采集卡收集每一行的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)組成一幅完整的圖像，但是由于光照不均勻或機械機構(gòu)不精確的原因經(jīng)常造成的工業(yè)相機采集圖像的縱向灰度不均勻。本發(fā)明為了解決這個問題，提出了硬件上和處理方法上的一系列方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供一種圖像灰度的光源補償裝置及補償方法。

為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

一種圖像灰度的光源補償裝置，包括終端以及用于安放被測物的旋轉(zhuǎn)平臺，終端包括殼體、安裝于殼體表面的LED光源和線陣相機以及設(shè)置于殼體內(nèi)用于控制圖像灰度的均勻性的圖像灰度閉環(huán)控制回路；旋轉(zhuǎn)平臺的下方安裝有光電編碼器，光電編碼器與安裝在旋轉(zhuǎn)平臺主軸上的輪子連接，用于產(chǎn)生作為線陣相機行掃描觸發(fā)信號的脈沖信號。

本發(fā)明進一步的改進在于：

LED光源為兩列豎直設(shè)置于線陣相機兩側(cè)的線型LED陣列，每列LED陣列包括外殼以及設(shè)置于外殼內(nèi)的呈線型排布的若干LED點光源，兩列LED陣列均與圖像灰度閉環(huán)控制回路中的光源控制和驅(qū)動電路電連接。

圖像灰度閉環(huán)控制回路包括控制器、執(zhí)行器以及傳感器，控制器，執(zhí)行器由光源控制和驅(qū)動電路以及LED光源構(gòu)成，傳感器由線陣相機、采集卡以及光電編碼器組成；控制器的控制端與光源控制和驅(qū)動電路電連接，光源控制和驅(qū)動電路與LED光源電連接；線陣相機與采集卡輸入端相連，光電編碼器與采集卡的控制信號輸入端相連，采集卡的信號輸出端與控制器的信號輸入端相連。

光源控制和驅(qū)動電路包括為整個電路供電的直流電源以及與控制器相連的并行I/O口，并行I/O口的控制端與地址分配電路相連，輸出端連接多路8位鎖存器，每路8位鎖存器的輸出依次連接D/A轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動電路以及LED點光源。

一種采圖像灰度的光源補償方法，包括以下步驟：

1)采用線陣相機獲取被測圖像，并提取被測圖像的灰度均值曲線；

2)利用最小二乘法對灰度均值曲線進行擬合，計算對應(yīng)的擬合多項式的擬合誤差；

3)將擬合誤差最小的擬合多項式設(shè)置為最佳擬合多項式，則最佳擬合多項式為：

其中，g(n)為圖像縱向的灰度；n為從上至下的灰度點位置，n＝1,2,...,N，N為灰度點位置總數(shù)；I為擬合多項式最高階次；i為代表各階多項式；a_i為擬合多項式系數(shù)；

4)利用最佳擬合多項式的最高階次判斷其是否需要補償，若其階次大于預(yù)設(shè)階數(shù)，則需要補償，執(zhí)行步驟5)；否則不需要補償；

5)根據(jù)LED光照位置與獲取到的圖像的灰度之間的對應(yīng)關(guān)系，采用比例控制P，發(fā)出對每個LED點光源的控制量。

其進一步的改進在于：

步驟1)中，線陣相機獲取的缺陷圖像的單一方向圖像灰度均值曲線，單一方向是圖像的水平方向或垂直方向。

步驟2)的具體方法如下：

利用最小二乘法對灰度均值曲線分別進行一次、二次、三次及四次多項式擬合，獲取一次、二次、三次及四次多項式擬合對應(yīng)的一次、二次、三次及四次擬合多項式，并計算一次、二次、三次及四次多項式擬合對應(yīng)的擬合誤差。

步驟5)中，LED光照位置與獲取到的圖像的灰度之間的對應(yīng)關(guān)系如下：

每一個LED點光源中心點所對應(yīng)的像素點從上至下位置編號為m，m＝1,2,...,M，M為LED中心對應(yīng)的像素點總數(shù)；n與m的關(guān)系是：

n＝k_j-1,jm+n₀ (2)

其中，j＝1,2,...,J，J為LED總個數(shù)；k_j-1,j為編號為j-1和j的兩個相鄰LED點光源中心點所對應(yīng)的縱向灰度點的位置差，m同樣滿足式(1)，即有：

g(m)為每個LED對應(yīng)位置的灰度。

根據(jù)每個LED對應(yīng)位置的灰度g(m)，設(shè)定該控制系統(tǒng)的灰度給定值為G，目前的LED量度控制量為L(m)，如下：

L(m)＝L(m)+P[G-g(m)] (4)

其中，P是比例系數(shù)，根據(jù)式(4)的P控制算法能夠計算出第m個LED的亮度控制量，從而實現(xiàn)對每一個LED光源亮度的閉環(huán)控制，直至被測零件圖像縱向的灰度均勻為止。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明利用擬合和控制算法，實現(xiàn)了圖像灰度補償，避免了由于光照不均勻或機械機構(gòu)不精確的原因造成的工業(yè)相機采集圖像灰度不均勻的問題。使得圖像便于進行處理，從而增加缺陷特征的識別度，最終達到提高精密機械零件表面缺陷的檢測效率的目的。硬件方面包括每個LED點光源亮度都可單獨調(diào)節(jié)的線形光源及其控制和驅(qū)動電路、工業(yè)線陣相機及其采集卡和計算機，而每一個LED亮度調(diào)節(jié)過程由算法實施控制。測量過程中，對獲取圖像的垂直方向提取灰度均值曲線，所述裝置利用最小二乘法對灰度均值曲線進行多項式擬合，選取擬合誤差最小的擬合結(jié)果作為背景圖像灰度，根據(jù)擬合結(jié)果，計算機通過比例控制調(diào)節(jié)LED的亮度對缺陷圖像進行補償，從而解決由于光照不均勻或機械機構(gòu)不精確的原因造成的工業(yè)相機采集圖像的灰度不均勻問題。

【附圖說明】

圖1為本發(fā)明LED光源的安裝方式示意圖；

圖2為本發(fā)明光電編碼器的安裝位置示意圖；

圖3-1為LED光源的俯視圖；

圖3-2為LED光源的側(cè)視圖；

圖4為本發(fā)明圖像灰度閉環(huán)控制回路的示意圖；

圖5為本發(fā)明光源驅(qū)動和控制電路圖；

圖6為本發(fā)明補償方法的流程圖；

圖7為本發(fā)明實施例的缺陷圖像處理前后的對比圖；其中，(a)為原始圖像，(b)為背景圖像，(c)為補償圖像；

圖8為本發(fā)明實施例的最佳多項式擬合曲線圖。

其中：1-被測物；2-旋轉(zhuǎn)平臺；3-LED光源；4-線陣相機；5-外殼；6-LED點光源；7-光電編碼器。

【具體實施方式】

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述：

參見圖1-3，本發(fā)明圖像灰度的光源補償裝置，包括終端以及用于安放被測物1的旋轉(zhuǎn)平臺2，終端包括殼體、安裝于殼體表面的LED光源3和線陣相機4以及設(shè)置于殼體內(nèi)用于控制圖像灰度的均勻性的圖像灰度閉環(huán)控制回路；旋轉(zhuǎn)平臺2的下方安裝有光電編碼器7，光電編碼器7與安裝在旋轉(zhuǎn)平臺主軸上的輪子連接，用于產(chǎn)生作為線陣相機4行掃描觸發(fā)信號的脈沖信號。

如圖1所示，LED光源3為兩列豎直設(shè)置于線陣相機4兩側(cè)的線型LED陣列，每列LED陣列包括外殼5以及設(shè)置于外殼5內(nèi)的呈線型排布的若干LED點光源6，兩列LED陣列均與圖像灰度閉環(huán)控制回路中的光源控制和驅(qū)動電路電連接，如圖3-1和3-2所示。

如圖4所示，圖像灰度閉環(huán)控制回路包括控制器、執(zhí)行器以及傳感器，控制器，執(zhí)行器由光源控制和驅(qū)動電路以及LED光源3構(gòu)成，傳感器由線陣相機4、采集卡以及光電編碼器7組成；控制器的控制端與光源控制和驅(qū)動電路電連接，光源控制和驅(qū)動電路與LED光源3電連接；線陣相機4與采集卡輸入端相連，光電編碼器7與采集卡的控制信號輸入端相連，采集卡的信號輸出端與控制器的信號輸入端相連。

如圖5所示，光源控制和驅(qū)動電路包括為整個電路供電的直流電源以及與控制器相連的并行I/O口，并行I/O口的控制端與地址分配電路相連，輸出端連接多路8位鎖存器，每路8位鎖存器的輸出依次連接D/A轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動電路以及LED點光源6。

本發(fā)明圖像灰度補償?shù)难b置，可以應(yīng)用于進行圖像灰度補償?shù)慕K端，終端包括：線性補償光源、光源控制和驅(qū)動電路、檢測系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)平臺測速裝置、工業(yè)相機和采集卡以及計算機等組成的圖像灰度閉環(huán)控制回路，其中，

終端是指能夠獲取圖像的終端，獲取的方式可以通過在終端上安裝工業(yè)相機，比如CCD相機或CMOS相機，所述相機的安裝方式根據(jù)需要可以為線形和/或環(huán)形和/或面形；

線性補償光源，對通過LED點光源的亮度控制，用于改變被測機械零件圖像灰度的分布，最終使其縱向灰度分布均勻，從而改善被測零件圖像的成像質(zhì)量；

光源控制和驅(qū)動電路，用于實現(xiàn)對每一個LED點光源的功率控制，從而控制其亮度。該電路見圖3，它是由電源、并行I/O口，地址分配電路和多路的驅(qū)動電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、8位鎖存器組成。具體工作過程是，計算機發(fā)出對于每一個LED點光源控制量(亮度給定值，一個8位的數(shù)字量)，由并行I/O口和地址分配電路發(fā)送和保存到對應(yīng)每一個LED的鎖存器上，再由A/D轉(zhuǎn)換電路將該數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬電壓，該模擬電壓作為控制信號控制驅(qū)動電路的工作電流，控制這個LED的亮度。

檢測系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)平臺測速裝置，用于克服由于旋轉(zhuǎn)平臺速度不穩(wěn)定造成的工業(yè)相機采集卡組成的圖像橫向變形問題。其工作原理見圖2(b)，工作原理是光電編碼器測量旋轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)速，作為速度信號的光電編碼器輸出脈沖被用來作為工業(yè)相機采集卡的行掃描觸發(fā)信號，即采集卡每接到一個脈沖，就對拍攝對象進行一行掃描拍攝，當旋轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)速高，工業(yè)相機掃描快，旋轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)速低，工業(yè)相機掃描慢，從而能夠克服由于旋轉(zhuǎn)平臺速度不穩(wěn)定造成的工業(yè)相機采集卡組成的圖像橫向變形的問題。

圖像灰度閉環(huán)控制回路，用于控制圖像灰度的均勻性?？刂苹芈返目刂破鳛橛嬎銠C，執(zhí)行器為LED光源及其控制和驅(qū)動電路，工業(yè)相機及其采集卡和光電編碼器組成了控制回路的傳感器，控制回路的被控對象為所拍攝零件圖像的灰度。

參見圖6，本發(fā)明基于閉環(huán)控制原理的圖像灰度補償?shù)姆椒ǎ瑧?yīng)用于進行圖像灰度補償?shù)慕K端側(cè)，具體包括以下步驟：

1)采用線陣相機獲取被測圖像，并提取被測圖像的灰度均值曲線；

線陣相機獲取的缺陷圖像的單一方向圖像灰度均值曲線，單一方向是圖像的水平方向或垂直方向。

2)利用最小二乘法對灰度均值曲線進行擬合，計算對應(yīng)的擬合多項式的擬合誤差；具體方法如下：

利用最小二乘法對灰度均值曲線分別進行一次、二次、三次及四次多項式擬合，獲取一次、二次、三次及四次多項式擬合對應(yīng)的一次、二次、三次及四次擬合多項式，并計算一次、二次、三次及四次多項式擬合對應(yīng)的擬合誤差。

一個擬合多項式表征一個圖像信息，對應(yīng)一個圖像，不同的擬合多項式表征的圖像信息不同，對應(yīng)的圖像不相同。預(yù)定階數(shù)用于表征終端對缺陷圖像進行灰度補償?shù)呐R界階數(shù)。

3)將擬合誤差最小的擬合多項式設(shè)置為最佳擬合多項式，則最佳擬合多項式為：

其中，g(n)為圖像縱向的灰度；n為從上至下的灰度點位置，n＝1,2,...,N，N為灰度點位置總數(shù)；I為擬合多項式最高階次；i為代表各階多項式；a為a_i為擬合多項式系數(shù)；

4)利用最佳擬合多項式的最高階次判斷其是否需要補償，若其階次大于預(yù)設(shè)階數(shù)，則需要補償，執(zhí)行步驟5)；否則不需要補償；

5)根據(jù)LED光照位置與獲取到的圖像的灰度之間的對應(yīng)關(guān)系，采用比例控制P，發(fā)出對每個LED點光源的控制量。

LED光照位置與獲取到的圖像的灰度之間的對應(yīng)關(guān)系如下：

每一個LED點光源中心點所對應(yīng)的像素點從上至下位置編號為m，m＝1,2,...,M，M為LED中心對應(yīng)的像素點總數(shù)；n與m的關(guān)系是：

n＝k_j-1,jm+n₀ (2)

其中，j＝1,2,...,J，J為LED總個數(shù)；k_j-1,j為編號為j-1和j的兩個相鄰LED點光源中心店所對應(yīng)的縱向灰度點的位置差，m同樣滿足式(1)，即有：

g(m)為每個LED對應(yīng)位置的灰度。

根據(jù)每個LED對應(yīng)位置的灰度g(m)，設(shè)定該控制系統(tǒng)的灰度給定值為G，目前的LED量度控制量為L(m)，如下：

L(m)＝L(m)+P[G-g(m)] (4)

其中，P是比例系數(shù)，根據(jù)式(4)的P控制算法能夠計算出第m個LED的亮度控制量，從而實現(xiàn)對每一個LED光源亮度的閉環(huán)控制，直至被測零件圖像縱向的灰度均勻為止。

本發(fā)明的原理：

由于終端通過對獲取的缺陷圖像提取圖像灰度均值曲線，通過最小二乘法對提取的圖像灰度均值曲線記性多項式擬合，獲取擬合誤差最小的擬合多項式，將擬合誤差最小的擬合多項式作為最佳擬合多項式，將最佳擬合多項式對應(yīng)的圖像作為背景圖像，當最佳擬合多項式的最高階數(shù)大于預(yù)設(shè)階數(shù)時，利用背景圖像對缺陷圖像進行灰度補償，解決了由于光照不均勻或機械機構(gòu)不精確的原因造成的工業(yè)相機采集圖像的灰度不均勻問題。

實施例：

灰度均值曲線的表達式為：a_n*xⁿ+a_n-1*x^n-1+...+a₁*x+a₀，n＝4；

對應(yīng)的一次擬合多項式為：-0.009615*x+111.52；

對應(yīng)的二次擬合多項式為：0.000008*x²+-0.048186x+143.63；

對應(yīng)的三次擬合多項式為：1.4767*10^-9*x³-3.3498*10^-6*x²-0.026069*x+134.43；

對應(yīng)的四次擬合多項式為：-1.4571*10^-12*x⁴+1.6039*10^-8*x³-5.0121*10^-5*x²-0.025832*x+121.5。

計算對應(yīng)的擬合誤差分別為：

對應(yīng)的一次擬合誤差為：524.9283；

對應(yīng)的二次擬合誤差為：262.0559；

對應(yīng)的三次擬合誤差為：237.7067；

對應(yīng)的四次擬合誤差為：194.1598。

可以得出，四次擬合誤差最小，因此最佳擬合多項式為四次擬合多項式。最佳擬合多項式為四次擬合多項式，因此最高階數(shù)為4。預(yù)定階數(shù)用于表征終端對缺陷圖像進行灰度補償?shù)呐R界階數(shù)；

預(yù)定階數(shù)為1時，基于步驟S207，最高階數(shù)為4，最高階數(shù)大于預(yù)定階數(shù)，終端利用擬合誤差最小的擬合多項式對應(yīng)的圖像作為背景圖像，對采集的缺陷圖像進行灰度補償，進行灰度補償之后得到的圖像可以如圖7(c)所示，圖8中，兩邊較粗糙的為縱向灰度均值，中間較光滑的為最佳擬合曲線。

以上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護范圍之內(nèi)。