用于帶鋼表面檢測的照明led陣列光源的均勻優化方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種機器視覺檢測技術領域，尤其涉及一種用于帶鋼表面檢測的均勻 照明LED陣列光源的優化設計方法。
【背景技術】
[0002] 機器視覺系統的核心是圖像采集和處理。所有信息均來源于圖像之中，圖像本身 的質量對整個視覺系統極為關鍵。而光源則是影響機器視覺系統圖像水平的重要因素，因 為光源直接影響輸入數據的質量和至少30%的應用效果。因此，光源及光學系統設計的成 敗是決定機器視覺系統成敗的首要因素。
[0003] 由于被檢測目標自身性質、周圍環境以及檢測要求各有不同，沒有一種光源可以 有效地通用在各種帶鋼表面檢測系統環境中，而需要針對每個具體的案例來設計光源方 案，這就使得光源照明技術顯得更為重要。
[0004] 目前，由于單個LED的發光效率有限，因此目前在采用LED作為光源的照明光學系 統中，一般都是將多個LED以一定的形狀陣列，將每個LED發出的到達目標平面的光線進行 處理就可以得到目標平面的光照度分布，并和相應的評價標準對比。需要陣列LED數量的 多少決定于目標面的光照度要求及照明光學系統的空間光強分布。而如何合理安排LED的 排布達到利用較少LED顆粒達到大面積的均勻照明要求是一個較為復雜的過程。
[0005] 為了達到照度一致的要求，需要根據被測對象的表面狀況及時調整光源的照度， 使相機曝光量保持穩定。一種可行的方法是通過增加更多的LED數量，只取中間均勻照度 部分，邊部照度不再利用；另外一種可行的方法是通過照度測量傳感器，人工調節光源部分 LED角度，達到近似均勻照明要求。中國專利CN201210497326. 0公開了一種機器視覺LED 照明光源，該照明光源在LED矩陣光源的照射面設置有漫射板，通過漫射板的漫射作用使 得光線變均勻。中國專利CN201110366801. 6公開了一種大功率LED陣列照度均勻化的方 法，該方法將照明面上多點照度的方差作為目標評價函數，通過優化LED的位置，獲得了照 明面上照度的均勻分布。這些專利均未考慮相機自身參數來獲取光源的照度值，以及LED 陣列排布受空間限制及如何利用邊部排列優化來進行光源的LED排列設計。因此，這些專 利涉及的方法均不適應于空間限制的機器視覺檢測的均勻照明LED陣列光源的優化設計 和成像。
[0006] 在帶鋼熱軋生產線的視覺檢測方面，因帶鋼溫度高，光源一直采用遠距離照射。而 光源一般離帶鋼表面要保持2米以上距離，若是采用透鏡的方式進行聚光，則需要很大的 透鏡弧面，光源的體積將會很大，透鏡的制作也會相當復雜。由于LED等間距排列會產生中 間部分等照度而邊部也會急劇下降的照度趨勢，并且由于空間限制的條件下表面光源有效 照明寬度有限，達不到帶鋼熱軋生產線的均勻照射的視覺檢測要求。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在于提供一種用于帶鋼表面檢測的照明LED陣列光源的均勻優化 方法，該方法能實現光源結構緊湊，均勻照度面積大，從而獲得灰度均勻的被測對象圖像。
[0008] 為了實現上述技術目的，本發明采用如下技術方案： 一種用于帶鋼表面檢測的照明LED陣列光源的均勻優化方法，其步驟是： 第一，設置和獲取相機參數，根據現場安裝光源空間得到光源最大安裝尺寸長度Lmax和 寬度Wmax，同時給出初始LED陣列計算的橫縱間距d和d' ； 第二，通過公式（1)計算得到被測帶鋼表面的照度參考值；
(1) 以公式（1)計算所得的照度參考值與目標灰度照度參考值進行比對，如果差值小于約 定值，取計算得到的灰度照度值，若差值大于等于約定值，則直接取灰度照度參考值； 第三，根據步驟一提供的光源最大安裝尺寸長度Lmax和寬度Wmax，以及LED陣列間距縱 列間距d和橫行間距d'，直接計算得到LED排布數量每橫行排列數量N和每縱列排列數量 N，； 第四，由橫縱LED排布數量N和Ν'根據相應公式（2)-(5)進行優化計算，縱向排布從 單行等間距開始計算，中間等照度部分是否滿足照度E的要求，若照度不足，增加 LED行數 逐一判斷是否滿足照度E的要求，直到行數增加至Ν' ； 若滿足照度要求進行下一步，若不滿足，則修改初始設置的LED間距d和d'，重新計算 橫縱LED排布數量N和Ν'，再次按照步驟四計算照度是否滿足要求，直到滿足要求為止； LED的Ν*Μ陣列的照度由單個LED照度進行疊加，用公式來表示為： 當N，M為奇數時：
第五，根據圖像灰度變化，計算中心均勻照度區域長度是否滿足被測表面照明區域，若 滿足直接輸出結果； 若不滿足，對邊部非均勻區域部分的LED陣列間距Cl1和Cl1 '進行修改，增加 LED邊部數 量ηι和n/，循環計算直到滿足照度E的要求，輸出優化結果。
[0009] 所述步驟二中的約定值為20%。
[0010] 本發明的照明LED陣列光源的均勻優化方法是應用相機自身參數來計算帶鋼表 面照度參考值，并以該照度參考值與目標灰度照度參考值進行比對，即該照度參考值作為 相機輸出圖像的參考值與圖像的目標灰度值進行比對；同時根據現場空間要求計算光源的 尺寸；以上述照度值和光源尺寸為基礎，并考慮到LED陣列間距大小的不同決定整個光源 照度的強度分布和均勻性，對LED陣列進行優化設計后得到滿足現場實際需求的LED光源 結構。
[0011] 本發明的技術方案與現有技術相比，其有益效果是： (1)根據相機自身參數與材料本身參數即可預估帶鋼表面照度需求。
[0012] (2)可根據現場實際可利用空間尺寸，優化設計光源尺寸，光源結構緊湊，滿足現 場安裝需求。
[0013] (3)充分利用每一顆LED發光性能，減少邊部照明損失，最大限度滿足光源較大面 積的均勻照明需求，獲得更為穩定的灰度圖像。
[0014] (4)光源優化計算可通過計算機程序運行實現，減少人工設計時間 本發明的照明LED陣列光源的均勻優化方法適用于現場不同檢測條件下的LED光源的 設計，可實現光源結構緊湊，均勻照度面積大，從而獲得灰度均勻的被測對象圖像，有效實 現被測對象的檢測，對于提高表面檢測系統的檢測精度具有重要意義。
【附圖說明】
[0015] 圖1為單個LED照度分布圖； 圖2為本發明用于帶鋼表面檢測的照明LED陣列光源的均勻優化方法流程圖； 圖3為本發明的一個實施例中的優化光源照度分布曲線圖。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明。
[0017] 本發明是針對需要在不同檢測環境下應用不同相機對不同材質和不同反射狀況 的帶鋼表面而設計的一種LED陣列光源優化設計方法，可實現設計的光源結構緊湊，均勻 照度面積大，從而獲得灰度均勻的圖像。
[0018] 參見圖2, 一種用于帶鋼表面檢測的照明LED陣列光源的均勻優化方法，其步驟 是： 第一，設置和獲取相機參數，根據現場安裝光源空間得到光源最大安裝尺寸長度Lmax和 寬度Wmax，同時給出初始LED陣列計算的橫縱間距d和d'。
[0019] 第二，通過公式（1)計算得到被測帶鋼表面的照度參考值；
(1) 式中：5為被測物體表面照度； ￡為物體表面亮度； /(F)為鏡頭F數（光圈）； 4為成像系統的放大倍率； I為相機在某波長處灰度值； V為相機傳感器飽和電壓； i?為物體表面發射率； 4為相機在相應波長處的輻射度； ?為曝光時間； %為鏡頭的透射率； 以公式（1)計算所得的照度參考值與目標灰度照度參考值進行比對，如果差值小于約 定值，取計算得到的灰度照度值，若差值大于等于約定值，則直接取灰度照度參考值；所述 約定值為20%。
[0020] 第三，根據步驟一提供的光源最大安裝尺寸長度Lmax和寬度Wmax，以及LED陣列橫 縱間距d和d'，直接計算得到橫縱LED排布數量N和Ν' ； 第四，由