本发明涉及视觉测量
技术领域：
：，具体为一种基于梯度下降的多路LED靶灯自适应亮度调节方法。
背景技术：
：随着机器视觉的迅速发展，基于计算机视觉技术的检测技术——视觉测量技术应运而生。基于视觉测量技术的仪器设备目前被广泛应用于工业、军事、医疗等领域。在视觉测量的众多环节中，光斑中心的精确定位在精密测量等场景中往往起着决定性作用。中心定位的算法众多，其中基于高斯分布拟合计算的方法较为广泛。因此快速调节出稳定可靠的高斯分布光斑具有重要的意义。现有的各种亮度调节中，靶灯亮度(电流或电压)的计算方法主要分为固定量化级调节和自适应调节。固定量化级的方法是：当光斑暗时，将亮度提升一个量化级，反之下降一个量化级，直到所有靶灯的光斑都达到理想状态。这种调节方法效率低，特别是在量化级较多时，严重制约测量速度。自适应调节方法是：基于光斑亮度与相机曝光或靶灯电流大小呈正比关系的前提，计算出光斑在理想状态时的曝光或电流，不断调节相机曝光或电流直到满足要求。该方法相比固定量化级调节方法能大幅度缩短调节次数。但在实际使用中，受成像芯片、靶灯、控制电路等多方面因素的影响，光斑亮度与相机曝光或靶灯亮度大小并非严格的正比关系，使用该方法调节的效率不稳定。CN106855390提出的分两步调节，先改变相机曝光时间完成粗调节，再改变电流完成精调节，虽然较传统自适应调节方法进一步提升了调节效率，但其仅适用于单光笔式坐标测量系统，当需要在大视场内同时测量多个靶板时，调整相机曝光时间将不可行。所以，目前现有技术存在如下缺点：1、调节效率低。固定量化级调节方法在量化级划分较多时效率变得极低。2、硬件要求高。现有常见的自适应调节方法要求光斑亮度与相机曝光或靶灯亮度大小呈线性正相关，对成像芯片、靶灯、电路板等设计加工增加了难度。3、大视场多设备测量适用性差。首先，大视场测量需要靶灯具有较高的调节分辨率，同时环境因素更加复杂，在调节过程中杂散光、振动等众多因素都会影响靶灯光斑状态，靶灯亮度估计困难。其次，多设备同时测量限制了相机曝光时间的调整，现有方法的调节策略难以满足多设备同时调整到理想状态。技术实现要素：本发明目的是针对上述技术的不足，提供了一种基于梯度下降的多路LED靶灯自适应亮度调节方法。本发明是采用如下技术方案实现的：一种基于梯度下降的多路LED靶灯自适应亮度调节方法，包括如下步骤：步骤(1)、点亮所有LED，第一次使用默认亮度值点亮，之后以每次新预测的理想亮度值点亮。步骤(2)、采集一帧图像，并依次判断每个LED光斑的状态，若所有光斑都达到理想状态，则结束调节，否则跳至步骤(3)；所述理想状态具体为，光斑中心像素灰度值满足如下条件：MIN_GRAY≤gray≤MAX_GRAY其中，gray为光斑中心像素灰度值；MIN_GRAY为最小灰度值；MAX_GRAY为最大灰度值，并且大于最小灰度值。步骤(3)、选取任一未估计亮度值的靶灯，记其灰度值为grayk，对应的电流值为brightk；根据灰度值判断光斑状态gray_statusk，具体为：其中，best_gray＝(MIN_GRAY MAX_GRAY)/2，stable_change为稳定光斑灰度值变化量。步骤(4)、计算亮度值更新梯度，具体计算方法为：gradientk＝(brightk-bright_beforek)/(grayk-gray_beforek)其中，bright_beforek为最近一次调节的亮度值，gray_beforek为对应的灰度值。步骤(5)、修正亮度值更新梯度，具体计算方法为：其中，MAX_GRAD为最大更新梯度。步骤(6)、根据光斑状态计算理想光斑的理想亮度值，具体计算方法为：当光斑状态gray_statusk＝0时，当前亮度值即为理想亮度值，即：best_bright＝brightk；当光斑状态gray_statusk＝1时，基于亮度值更新梯度计算理想亮度值，即：best_bright＝brightk (best_grayk-grayk)*gradientk；当光斑状态gray_statusk＝2时，基于二分法计算理想亮度值，即：best_bright＝(bright_beforek brightk)/2。步骤(7)、修正理想亮度值，若在之前的调节过程中出现过理想光斑，则对新预测的理想亮度值进行修正，否则跳至步骤(8)；修正的具体方法为：其中，max_best为当前最大亮度估计值，即为最近一次理想光斑实际亮度值的1.2倍；min_best为当前最小亮度估计值，即为最近一次理想光斑实际亮度值的0.8倍。步骤(8)、判断是否所有靶灯均已预测理想亮度值，是则跳至步骤(1)，否则跳至步骤(3)。本发明方法利用连续两次的靶灯调节信息实时计算靶灯亮度值的更新梯度，解决了现有方法在光斑灰度与靶灯亮度非线性相关变化时调节效率低、成功率不高的问题，大幅缩短了调节的时间，同时可应用于户外、大视场、靶灯抖动和多靶板等多种复杂环境下靶板、测量笔的测量，算法的鲁棒性强。同时针对调节过程中光斑的不同状态采取了三种调节策略，既能够使已调节好的靶灯保持稳定，同时又可以快速地调节未达到理想状态的靶灯，最终实现稳定快速地调节多路LED靶灯的效果，极大提升了用户的体验感。本发明方法主要体现在如下三部分的创新。一、基于梯度下降的亮度值计算方法。计算亮度值更新梯度，具体计算方法为：gradientk＝(brightk-bright_beforek)/(grayk-gray_beforek)修正亮度值更新梯度，具体计算方法为：并设定：MAX_GRAD为最大更新梯度，通常为20。本方法使用最近两次调节的靶灯亮度和光斑灰度来计算灰度变化梯度，计算结果更加准确。特别是在光斑灰度-靶灯亮度变化关系为非线性曲线时，使用曲线上两点来计算梯度比单点更准确。因此相比现有技术采用的固定梯度或仅使用一次调节信息计算的梯度，本方法能够以更少的次数找到最优亮度值。二、根据光斑状态计算理想光斑的理想亮度值，针对光斑的不同状态采取的三种亮度值计算方式。具体计算方法为：当光斑状态gray_statusk＝0时，当前亮度值即为理想亮度值，即：best_bright＝brightk当光斑状态gray_statusk＝1时，基于亮度值更新梯度计算理想亮度值，即：best_bright＝brightk (best_grayk-grayk)*gradientk当光斑状态gray_statusk＝2时，基于二分法计算理想亮度值，即：best_bright＝(bright_beforek brightk)/2本方法针对光斑各种状态分别选取了相应的最优调节策略：当光斑已经达到理想状态时，亮度值保持不变；当光斑饱和时，使用二分法快速降低光斑灰度，使其达到不饱和状态；当光斑不饱和且未达到理想状态时，使用梯度下降法快速逼近最优亮度值。相比现有方法单一的调节策略，本方法效率更高，鲁棒性更强。三、理想亮度值的修正方法。修正理想亮度值，若在之前的调节过程中出现过理想光斑，则对新预测的理想亮度值进行修正，修正的具体方法为：并设定：max_best为当前最大亮度估计值，通常为最近一次理想光斑实际亮度值的1.2倍，min_best为当前最小亮度估计值，通常为最近一次理想光斑实际亮度值的0.8倍。由于噪声、振动等多种因素影响获取光斑灰度的准确性，可能会导致预测的理想亮度值异常。本方法通过对每次亮度值的更新进行限制，保证在调节过程中亮度值稳定变化。现有方法未对每次更新的亮度值进行保护，鲁棒性较差。本发明设计合理，具有很好的实际使用价值。附图说明图1表示本发明方法的流程示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。一种基于梯度下降的多路LED靶灯自适应亮度调节方法，具体如下：步骤1、点亮所有LED，第一次使用默认亮度值点亮，之后以每次新预测的理想亮度值点亮。步骤2、采集一帧图像，并依次判断每个LED光斑的状态，若所有光斑都达到理想状态，则结束调节。否则跳至步骤3。所述理想状态具体为，光斑中心像素灰度值较大但未饱和，即MIN_GRAY≤gray≤MAX_GRAY其中，gray为光斑中心像素灰度值(以下简称灰度值)；MIN_GRAY为最小灰度值，通常大于200；MAX_GRAY为最大灰度值，通常小于255，并且大于最小灰度值。步骤3、选取任一未估计亮度值的靶灯，记其灰度值为grayk，对应的电流值为brightk。根据灰度值判断光斑状态gray_statusk,具体为：其中，best_gray＝(MIN_GRAY MAX_GRAY)/2，stable_change为稳定光斑灰度值变化量。步骤4、计算亮度值更新梯度，具体计算方法为：gradientk＝(brightk-bright_beforek)/(grayk-gray_beforek)其中，bright_beforek为最近一次调节的亮度值，gray_beforek为对应的灰度值。步骤5、修正亮度值更新梯度，具体计算方法为：其中，MAX_GRAD为最大更新梯度，通常为20。步骤6、根据光斑状态计算理想光斑的理想亮度值，具体计算方法为：当光斑状态gray_statusk＝0时，当前亮度值即为理想亮度值，即：best_bright＝brightk；当光斑状态gray_statusk＝1时，基于亮度值更新梯度计算理想亮度值，即：best_bright＝brightk (best_grayk-grayk)*gradientk；当光斑状态gray_statusk＝2时，基于二分法计算理想亮度值，即：best_bright＝(bright_beforek brightk)/2。步骤7、修正理想亮度值，若在之前的调节过程中出现过理想光斑，则对新预测的理想亮度值进行修正，否则跳至步骤8。修正的具体方法为：其中，max_best为当前最大亮度估计值，通常为最近一次理想光斑实际亮度值的1.2倍，min_best为当前最小亮度估计值，通常为最近一次理想光斑实际亮度值的0.8倍。步骤8、判断是否所有靶灯均已预测理想亮度值，是则跳至步骤1，否则跳至步骤3。本实施例以含有5路靶灯的亮度调节为例，理想光斑中心像素灰度值为210～240，详细调节过程如下：①以1000的初始亮度值点亮5路靶灯。5路靶灯的光斑灰度值均为255，所有靶灯均采用二分法预测理想亮度值，即500；②以500的亮度值点亮5路靶。靶灯2、3、4的灰度值为255，继续采用二分法得到其预测亮度值为250；靶灯1灰度值为195，不饱和但未达到理想状态，根据最近2次调节信息亮度1000、灰度255和亮度500、灰度195，按照步骤4至步骤7的方法得到其预测亮度为750；同理得到靶灯5的预测亮度值为807；③分别以750、250、250、250、807点亮5路靶灯。靶灯1和5的灰度值已达到理想状态，下次调节的亮度值保持不变；；靶灯2、3和4按照步骤4至步骤7的方法得到预测亮度分别为392、408和437；④分别以750、392、408、437、807点亮5路靶灯。所有光斑均达到理想状态，调节结束。5路靶灯调节过程的亮度值及对应的光斑灰度值从上表可以看出，本方法仅用4次调节就同时将5路靶灯都调整到理想状态。以调节靶灯3为例，理想亮度值为408，并且可以看出当亮度值大于450时，光斑就达到饱和状态。如果采用传统根据单次调节信息计算的方法，第1次亮度值1000，灰度值255；第2次亮度值225/255*1000＝882，灰度值255；第3次亮度值225/255*882＝778，灰度值255；同理第4次至第8次亮度值依次为686、605、533、470、414。至少需要8次才可能将靶灯3调整到理想状态。比本方法使用的次数多一倍。要同时将5路靶灯都调整到理想状态，最终需要的次数更多。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。当前第1页12当前第1页12
技术领域：
：，具体为一种基于梯度下降的多路LED靶灯自适应亮度调节方法。
背景技术：
：随着机器视觉的迅速发展，基于计算机视觉技术的检测技术——视觉测量技术应运而生。基于视觉测量技术的仪器设备目前被广泛应用于工业、军事、医疗等领域。在视觉测量的众多环节中，光斑中心的精确定位在精密测量等场景中往往起着决定性作用。中心定位的算法众多，其中基于高斯分布拟合计算的方法较为广泛。因此快速调节出稳定可靠的高斯分布光斑具有重要的意义。现有的各种亮度调节中，靶灯亮度(电流或电压)的计算方法主要分为固定量化级调节和自适应调节。固定量化级的方法是：当光斑暗时，将亮度提升一个量化级，反之下降一个量化级，直到所有靶灯的光斑都达到理想状态。这种调节方法效率低，特别是在量化级较多时，严重制约测量速度。自适应调节方法是：基于光斑亮度与相机曝光或靶灯电流大小呈正比关系的前提，计算出光斑在理想状态时的曝光或电流，不断调节相机曝光或电流直到满足要求。该方法相比固定量化级调节方法能大幅度缩短调节次数。但在实际使用中，受成像芯片、靶灯、控制电路等多方面因素的影响，光斑亮度与相机曝光或靶灯亮度大小并非严格的正比关系，使用该方法调节的效率不稳定。CN106855390提出的分两步调节，先改变相机曝光时间完成粗调节，再改变电流完成精调节，虽然较传统自适应调节方法进一步提升了调节效率，但其仅适用于单光笔式坐标测量系统，当需要在大视场内同时测量多个靶板时，调整相机曝光时间将不可行。所以，目前现有技术存在如下缺点：1、调节效率低。固定量化级调节方法在量化级划分较多时效率变得极低。2、硬件要求高。现有常见的自适应调节方法要求光斑亮度与相机曝光或靶灯亮度大小呈线性正相关，对成像芯片、靶灯、电路板等设计加工增加了难度。3、大视场多设备测量适用性差。首先，大视场测量需要靶灯具有较高的调节分辨率，同时环境因素更加复杂，在调节过程中杂散光、振动等众多因素都会影响靶灯光斑状态，靶灯亮度估计困难。其次，多设备同时测量限制了相机曝光时间的调整，现有方法的调节策略难以满足多设备同时调整到理想状态。技术实现要素：本发明目的是针对上述技术的不足，提供了一种基于梯度下降的多路LED靶灯自适应亮度调节方法。本发明是采用如下技术方案实现的：一种基于梯度下降的多路LED靶灯自适应亮度调节方法，包括如下步骤：步骤(1)、点亮所有LED，第一次使用默认亮度值点亮，之后以每次新预测的理想亮度值点亮。步骤(2)、采集一帧图像，并依次判断每个LED光斑的状态，若所有光斑都达到理想状态，则结束调节，否则跳至步骤(3)；所述理想状态具体为，光斑中心像素灰度值满足如下条件：MIN_GRAY≤gray≤MAX_GRAY其中，gray为光斑中心像素灰度值；MIN_GRAY为最小灰度值；MAX_GRAY为最大灰度值，并且大于最小灰度值。步骤(3)、选取任一未估计亮度值的靶灯，记其灰度值为grayk，对应的电流值为brightk；根据灰度值判断光斑状态gray_statusk，具体为：其中，best_gray＝(MIN_GRAY MAX_GRAY)/2，stable_change为稳定光斑灰度值变化量。步骤(4)、计算亮度值更新梯度，具体计算方法为：gradientk＝(brightk-bright_beforek)/(grayk-gray_beforek)其中，bright_beforek为最近一次调节的亮度值，gray_beforek为对应的灰度值。步骤(5)、修正亮度值更新梯度，具体计算方法为：其中，MAX_GRAD为最大更新梯度。步骤(6)、根据光斑状态计算理想光斑的理想亮度值，具体计算方法为：当光斑状态gray_statusk＝0时，当前亮度值即为理想亮度值，即：best_bright＝brightk；当光斑状态gray_statusk＝1时，基于亮度值更新梯度计算理想亮度值，即：best_bright＝brightk (best_grayk-grayk)*gradientk；当光斑状态gray_statusk＝2时，基于二分法计算理想亮度值，即：best_bright＝(bright_beforek brightk)/2。步骤(7)、修正理想亮度值，若在之前的调节过程中出现过理想光斑，则对新预测的理想亮度值进行修正，否则跳至步骤(8)；修正的具体方法为：其中，max_best为当前最大亮度估计值，即为最近一次理想光斑实际亮度值的1.2倍；min_best为当前最小亮度估计值，即为最近一次理想光斑实际亮度值的0.8倍。步骤(8)、判断是否所有靶灯均已预测理想亮度值，是则跳至步骤(1)，否则跳至步骤(3)。本发明方法利用连续两次的靶灯调节信息实时计算靶灯亮度值的更新梯度，解决了现有方法在光斑灰度与靶灯亮度非线性相关变化时调节效率低、成功率不高的问题，大幅缩短了调节的时间，同时可应用于户外、大视场、靶灯抖动和多靶板等多种复杂环境下靶板、测量笔的测量，算法的鲁棒性强。同时针对调节过程中光斑的不同状态采取了三种调节策略，既能够使已调节好的靶灯保持稳定，同时又可以快速地调节未达到理想状态的靶灯，最终实现稳定快速地调节多路LED靶灯的效果，极大提升了用户的体验感。本发明方法主要体现在如下三部分的创新。一、基于梯度下降的亮度值计算方法。计算亮度值更新梯度，具体计算方法为：gradientk＝(brightk-bright_beforek)/(grayk-gray_beforek)修正亮度值更新梯度，具体计算方法为：并设定：MAX_GRAD为最大更新梯度，通常为20。本方法使用最近两次调节的靶灯亮度和光斑灰度来计算灰度变化梯度，计算结果更加准确。特别是在光斑灰度-靶灯亮度变化关系为非线性曲线时，使用曲线上两点来计算梯度比单点更准确。因此相比现有技术采用的固定梯度或仅使用一次调节信息计算的梯度，本方法能够以更少的次数找到最优亮度值。二、根据光斑状态计算理想光斑的理想亮度值，针对光斑的不同状态采取的三种亮度值计算方式。具体计算方法为：当光斑状态gray_statusk＝0时，当前亮度值即为理想亮度值，即：best_bright＝brightk当光斑状态gray_statusk＝1时，基于亮度值更新梯度计算理想亮度值，即：best_bright＝brightk (best_grayk-grayk)*gradientk当光斑状态gray_statusk＝2时，基于二分法计算理想亮度值，即：best_bright＝(bright_beforek brightk)/2本方法针对光斑各种状态分别选取了相应的最优调节策略：当光斑已经达到理想状态时，亮度值保持不变；当光斑饱和时，使用二分法快速降低光斑灰度，使其达到不饱和状态；当光斑不饱和且未达到理想状态时，使用梯度下降法快速逼近最优亮度值。相比现有方法单一的调节策略，本方法效率更高，鲁棒性更强。三、理想亮度值的修正方法。修正理想亮度值，若在之前的调节过程中出现过理想光斑，则对新预测的理想亮度值进行修正，修正的具体方法为：并设定：max_best为当前最大亮度估计值，通常为最近一次理想光斑实际亮度值的1.2倍，min_best为当前最小亮度估计值，通常为最近一次理想光斑实际亮度值的0.8倍。由于噪声、振动等多种因素影响获取光斑灰度的准确性，可能会导致预测的理想亮度值异常。本方法通过对每次亮度值的更新进行限制，保证在调节过程中亮度值稳定变化。现有方法未对每次更新的亮度值进行保护，鲁棒性较差。本发明设计合理，具有很好的实际使用价值。附图说明图1表示本发明方法的流程示意图。具体实施方式下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。一种基于梯度下降的多路LED靶灯自适应亮度调节方法，具体如下：步骤1、点亮所有LED，第一次使用默认亮度值点亮，之后以每次新预测的理想亮度值点亮。步骤2、采集一帧图像，并依次判断每个LED光斑的状态，若所有光斑都达到理想状态，则结束调节。否则跳至步骤3。所述理想状态具体为，光斑中心像素灰度值较大但未饱和，即MIN_GRAY≤gray≤MAX_GRAY其中，gray为光斑中心像素灰度值(以下简称灰度值)；MIN_GRAY为最小灰度值，通常大于200；MAX_GRAY为最大灰度值，通常小于255，并且大于最小灰度值。步骤3、选取任一未估计亮度值的靶灯，记其灰度值为grayk，对应的电流值为brightk。根据灰度值判断光斑状态gray_statusk,具体为：其中，best_gray＝(MIN_GRAY MAX_GRAY)/2，stable_change为稳定光斑灰度值变化量。步骤4、计算亮度值更新梯度，具体计算方法为：gradientk＝(brightk-bright_beforek)/(grayk-gray_beforek)其中，bright_beforek为最近一次调节的亮度值，gray_beforek为对应的灰度值。步骤5、修正亮度值更新梯度，具体计算方法为：其中，MAX_GRAD为最大更新梯度，通常为20。步骤6、根据光斑状态计算理想光斑的理想亮度值，具体计算方法为：当光斑状态gray_statusk＝0时，当前亮度值即为理想亮度值，即：best_bright＝brightk；当光斑状态gray_statusk＝1时，基于亮度值更新梯度计算理想亮度值，即：best_bright＝brightk (best_grayk-grayk)*gradientk；当光斑状态gray_statusk＝2时，基于二分法计算理想亮度值，即：best_bright＝(bright_beforek brightk)/2。步骤7、修正理想亮度值，若在之前的调节过程中出现过理想光斑，则对新预测的理想亮度值进行修正，否则跳至步骤8。修正的具体方法为：其中，max_best为当前最大亮度估计值，通常为最近一次理想光斑实际亮度值的1.2倍，min_best为当前最小亮度估计值，通常为最近一次理想光斑实际亮度值的0.8倍。步骤8、判断是否所有靶灯均已预测理想亮度值，是则跳至步骤1，否则跳至步骤3。本实施例以含有5路靶灯的亮度调节为例，理想光斑中心像素灰度值为210～240，详细调节过程如下：①以1000的初始亮度值点亮5路靶灯。5路靶灯的光斑灰度值均为255，所有靶灯均采用二分法预测理想亮度值，即500；②以500的亮度值点亮5路靶。靶灯2、3、4的灰度值为255，继续采用二分法得到其预测亮度值为250；靶灯1灰度值为195，不饱和但未达到理想状态，根据最近2次调节信息亮度1000、灰度255和亮度500、灰度195，按照步骤4至步骤7的方法得到其预测亮度为750；同理得到靶灯5的预测亮度值为807；③分别以750、250、250、250、807点亮5路靶灯。靶灯1和5的灰度值已达到理想状态，下次调节的亮度值保持不变；；靶灯2、3和4按照步骤4至步骤7的方法得到预测亮度分别为392、408和437；④分别以750、392、408、437、807点亮5路靶灯。所有光斑均达到理想状态，调节结束。5路靶灯调节过程的亮度值及对应的光斑灰度值从上表可以看出，本方法仅用4次调节就同时将5路靶灯都调整到理想状态。以调节靶灯3为例，理想亮度值为408，并且可以看出当亮度值大于450时，光斑就达到饱和状态。如果采用传统根据单次调节信息计算的方法，第1次亮度值1000，灰度值255；第2次亮度值225/255*1000＝882，灰度值255；第3次亮度值225/255*882＝778，灰度值255；同理第4次至第8次亮度值依次为686、605、533、470、414。至少需要8次才可能将靶灯3调整到理想状态。比本方法使用的次数多一倍。要同时将5路靶灯都调整到理想状态，最终需要的次数更多。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。当前第1页12当前第1页12
再多了解一些
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。
