一种线激光相机的自主调节方法及设备与流程

1.本发明属于工业机器视觉3d测量领域，特别是涉及一种线激光相机的自主调节方法及设备。


背景技术：

2.物体表面三维数据信息一般通过接触式或者非接触式测量方法获取，传统接触式测量精度低，测量不准确，且容易损伤被测物体，因此，非接触式测量为目前常用的测量方法。其中，应用线激光视觉系统获取三维数据是非接触式测量中应用最广泛的方法之一。
3.线激光相机是由相机与激光线投射器组成的测量仪器。线激光相机的原理是：由线激光发射器向被测物体投射出激光平面，激光平面与被测物体表面相交为一条光亮的曲线，该曲线上的每一个点包含该点的三维位置信息，物体表面反射激光，相机镜头接收物体漫反射的光在cmos成像，当物体的位置发生改变时，其在相机上所成的像也随之发生改变，由于激光发生器和相机之间的相对位置不变，因此相机拍摄得到的二维像点坐标，可根据三角测量法通过建立相应的数学模型，得到对应的三维物点坐标，获取物体实际高度信息。利用线激光对被测物体表面进行扫描后，对相机采集到的线激光扫描图像进行处理和计算，就得到了大量物体表面的深度信息数据点，这些点就构成了表面三维点云数据。通过对这些点云数据的分析和处理，将其可视化展现，重建物体表面的三维轮廓，在此过程中会涉及到三维点云的重建、点云采样等等。
4.目前线激光相机已被广泛应用于测量和定位过程。线激光相机具有非接触、精度高、速度快、不依赖外部光源等优点，由于激光具有良好的单色性，因此该测量方法很少受到物体表面纹理或者颜色的影响，测量稳定。在相机拍摄过程中，由于物体的表面材质、放置位置、拍摄角度等的不同会导致反射率的不同。在目标和背景亮度变化比较大的环境下，相机获得的图像容易饱和或者亮度不够，为了获取清晰的激光线图像，通常根据不同物体表面的反射率，调整相机的曝光时间或信号增益，将图像调整至期望值。当待测物体表面具有较大的反射率时，一般使用较小的曝光时间或信号增益；当待测物体表面具有较小的反射率时，一般使用较大的曝光时间或信号增益。
5.专利申请cn201410121046.9公开了一种emccd增益自动调节方法，计算并判断采集到的图像的亮度均值是否处于最佳亮度区间，若当前帧图像亮度均值处于最佳亮度区间内，则对当前帧图像的光照条件进行判断并根据判断结果调整emccd相机拍摄下一帧图像的曝光时间，若未处于最佳亮度区间内，则根据当前帧图像的亮度均值对当前帧图像的增益情况进行判断，并根据判断结果调整emccd相机拍摄下一帧图像的曝光时间；然后计算出拍摄下一帧图像的增益值，实现对下一帧图像的亮度调节。该发明根据亮度均值与阈值的差距，动态预测灰度均值，从而获得下一帧图像可能具有的亮度均值，进一步计算增益值，提升了图像的局部细节，但调节时间长，仅考虑相机增益调节，未考虑搞曝光时间调节，调节效果一般。
6.现有技术中，主要依靠人工经验调整相机的曝光时间及信号增益，将图像调整至
期望值，这需要对从业人员进行单独的训练，需要消耗较高的人力成本及时间成本。同时，传统的自动曝光算法，采用固定步长调整曝光或信号增益，使成像的亮度逼近理想值，此时固定步长的大小取值尤为重要，但过短的步长会增加曝光时间，极大增加调节时间成本，而过长的步长可能会导致调节不收敛使得曝光值始终不能落入所设定的曝光范围内而出现图像明暗都懂得情况，影响实际效果。
7.因此采用此种调节方法无法使图像及时、准确地曝光而影响图像效果，需要设计一种快速自动地自主调节方法解决上述问题。


技术实现要素：

8.基于以上问题，本发明公开了一种线激光相机的自主调节方法及设备。主要解决不同应用场景难以高质量成像的问题，可以协同调节曝光时间、信号增益，实现不同反射率目标物体的曝光自适应控制，并采用动态步长减少调节时间。
9.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
10.一种线激光相机的自主调节方法，包括以下步骤：
11.s1、采集图片，处理图像信息；
12.s2、根据图像信息，得到激光线宽的平均值；
13.s3、判断激光线宽的平均值是否在目标线宽范围内，若在目标线宽范围内，则调节结束；若不在目标线宽范围内，则进入步骤s4；
14.s4、计算目标线宽与激光线宽的平均值的差值，并根据该差值按照预设函数调节曝光时间和/或信号增益；
15.其中设定目标线宽为m，设定n值为补偿值，则选定目标线宽范围为(m-n,m n)，在s2中所测得的激光线宽的平均值为x，其中m、n、x均为正实数。则其差值err为：err＝m-x。
16.s5、更新调整相机的参数后，重复上述s1-s4，直到激光线宽的平均值在目标线宽范围内，则当前参数值为最优参数，结束自适应控制过程；若调节失败，则发出异常警告，结束自主调节过程。
17.优选地，获取激光线宽平均值的具体操作为统计图像中每列过曝点的数量并计算全图过曝点数的均值。
18.优选地，过曝点的判断方法为：当像素点的值等于225时，该像素点记为过曝点；计算全图过曝点数均值的具体方法为：将图像中具有过曝点的列数记为col，图像中过曝点的数量记为sum，遍历图像的每一列，如果该列有过曝点，则过曝点的列数col累加1；遍历图像的每一个像素，如果该像素为过曝点，则过曝点个数sum累加1；
19.则全图过曝点数均值average＝sum/col。
20.优选地，所述相机的参数包括当前曝光时间ce、曝光上限值maxe、曝光下限值mine、当前信号增益cg、增益上限值maxg、增益下限值ming，步长值ns。
21.优选地，所述步骤s4的具体操作步骤为：
22.若激光线宽的平均值与目标线宽的差值为正，则判断所述当前曝光时间ce是否达到所述曝光上限值maxe，若达到所述曝光上限值maxe，则判断当前信号增益是否达到所述增益上限值maxg，若未达到所述曝光上限值maxe，则进入自动曝光时间下限调节；
23.若激光线宽的平均值与目标线宽的差值为负，则判断当前信号增益cg是否达到所
述增益下限值ming，若达到所述增益下限值ming，则判断当前曝光时间是否达到所述曝光下限值mine，若未达到所述增益下限值ming，则进入自动增益上限调节。
24.优选地，所述自动曝光时间下限调节的调节方式为：先调节步长值，再调节曝光下限值及当前曝光时间值，具体为：
25.自动曝光时间下限调节中步长值的取值为
26.设调节后的曝光下限值为nmine，则：nmine＝ce；
27.设自动曝光时间下限调节后曝光时间值为ne1，则：ne1＝ce ns1。
28.优选地，所述自动增益上限调节的调节方式为：先调节步长值，再调节增益上限和当前信号增益值，具体为：
29.自动增益上限调节中步长值的取值为
30.设调节后的增益上限为nmaxg，则：nmaxg＝cg；
31.设自动增益上限调节后信号增益值为ng1，则：ng1＝cg-ns2。
32.优选地，判断当前信号增益是否达到增益上限值maxg，若达到增益上限值maxg，则调节失败；若未达到增益上限值maxg，则进入自动增益下限调节。
33.优选地，所述自动增益下限调节的调节方式为：先调节步长值，再调节增益下限和当前信号增益值，具体为：
34.自动增益下限调节中步长值的取值为
35.设调节后的增益下限为nming，则：nming＝cg；
36.设自动增益下限调节后信号增益值为ng2，则：ng2＝cg ns3。
37.优选地，判断当前曝光时间ce是否达到曝光下限值ming，若达到曝光下限值ming，则调节失败；若未达到曝光下限值ming，则进入自动曝光上限调节。
38.优选地，所述自动曝光上限调节的调节方式为：先调节步长值，再调节曝光上限和当前曝光值，具体为：
39.自动曝光上限调节中步长值的取值为
40.设调节后的曝光上限值为nmaxe，则：nmaxe＝ce；
41.设自动曝光上限调节后曝光时间值为ne2，则：ne2＝ce-ns4。
42.一种线激光相机的自主调节设备，所述自主调节设备包括以下模块：
43.图像采集模块，用于获取图像；所述图像采集模块包括线激光发射器及工业相机，所述线激光发射器用于发射线激光，并将线激光投射于物体表面，工业相机用于采集待测物体在线激光投射下的图像；
44.载物运动平台，用于搭载待测物体并控制待测物体运动；一般采用平移运动平台；
45.信息确认模块，用于获取当前激光线宽数据；所述信息确认模块可初步进行图像处理，并判断当前采集图像是否有效；
46.自主调节模块，用于调节曝光时间和/或信号增益；
47.pc端，用于搭载操作界面及显示报警信息；当调节失败，则在所述操作界面上显示异常警告并结束自主调节过程；
48.所述自主调节设备搭载了基于所述自主调节设备的控制程序，所述控制程序实现
如上述中任一项所述的线激光相机的自主调节方法的步骤。
49.优选地，所述图像采集模块与所述待测物体之间的位置关系为垂直入射式和斜入射式中的一种。若采用垂直入射式，线激光发射器所投射的激光束垂直于被测物体表面，入射光的光轴与相机的光轴之间的夹角可根据被测物体的表面形貌自由选取；若采用斜入射法，激光的入射光与被测物体表面的法线形成一个夹角，工业相机接收的主要是镜面反射光，入射光线与相机的光轴垂直。
50.与现有技术相比，本发明有以下优势：
51.本发明提出了一种线激光相机的自主调节方法、设备及储存介质，主要解决不同应用场景难以高质量成像的问题，可以协同调节曝光时间和相机增益，可以实现自主控制。
52.当激光线宽的平均值小于目标线宽范围时，本发明首先增大曝光时间，在曝光时间超出可调范围时，才增大信号增益，可以避免噪声放大；当激光线宽的平均值大于目标线宽范围时，本发明首先减小相机增益，使其达到目标亮度，可以减小噪声放大；在减小相机增益不能满足需要情况下，再减小曝光时间；同时本发明采用了动态可变步长的方法进行曝光时间、信号增益的调节，可平衡调节成本和调节时间。
附图说明
53.附图1是本发明一种线激光相机的自主调节方法的结构框图；
54.附图2是本发明一种线激光相机的自主调节方法中步骤四的方法流程图。
具体实施方式
55.为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
56.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
57.如图1和图2所示，本发明公开了一种线激光相机的自主调节方法、设备及储存介质，预先采集图片并处理图片信息，获得激光线宽的平均值，并判断激光线宽的平均值是否在目标线宽范围内，将激光线宽的平均值划分在三个不同的区域内，对于属于不同子区间的激光线宽值不同的函数来拟合曝光时间和系统增益，经过调节之后，再按照前述步骤依次循环运行，直到系统获得的激光线宽统计值落在由目标线宽的上限值和下限值所组成的区间内。
58.本发明公开的一种线激光相机的自主调节方法具体包括以下步骤：
59.s1、采集图片，处理图像信息；
60.s2、根据图像信息，统计图像中每列过曝点的数量并计算全图过曝点数的均值，得到激光线宽的平均值；
61.其中，过曝点的判断方法为：当像素点的值等于225时，该像素点记为过曝点；计算全图过曝点数均值的具体方法为：将图像中具有过曝点的列数记为col，图像中过曝点的数量记为sum，遍历图像的每一列，如果该列有过曝点，则过曝点的列数col累加1；遍历图像的
每一个像素，如果该像素为过曝点，则过曝点个数sum累加1；
62.则全图过曝点数均值average＝sum/col，将全图过曝点数均值average定义为激光线宽的平均值。
63.s3、对于目标线宽值，还需要设置该目标线宽值的上限值和下限值，即设置一个目标线宽范围，以便根据该目标线宽范围判断是否需要进行曝光调节和增益调节；判断激光线宽的平均值是否在目标线宽范围内，若在目标线宽范围内，则调节结束，表明此时所设置的参数可以满足需求；若不在目标线宽范围内，则进入步骤s4；
64.其中设定目标线宽为m，设定n值为补偿值，则选定目标线宽范围为(m-n,m n)，在s2中所测得的激光线宽的平均值为x，其中m、n、x均为正实数。则目标线宽与激光线宽的平均值的差值err为：err＝m-x。
65.s4、计算目标线宽与激光线宽的平均值的差值，并根据该差值按照预设函数调节曝光时间和/或信号增益；
66.所述相机的参数包括当前曝光时间ce、曝光上限值maxe、曝光下限值mine、当前信号增益cg、增益上限值maxg、增益下限值ming，步长值ns。
67.根据该差值按照预设函数调节曝光时间和/或信号增益的具体操作步骤为：
68.s4-1：若激光线宽的平均值与目标线宽的差值为正，则判断所述当前曝光时间ce是否达到所述曝光上限值maxe，
69.若达到所述曝光上限值maxe，则判断当前信号增益是否达到所述增益上限值maxg，若达到增益上限值maxg，则调节失败，进行报警，并结束自主调节过程；若未达到增益上限值maxg，则进入步骤s4-1-1自动增益下限调节；
70.s4-1-1所述自动增益下限调节的调节方式为：先调节步长值，再调节增益下限和当前信号增益值，具体为：
71.自动增益下限调节中步长值的取值为
72.设调节后的增益下限为nming，则：nming＝cg；
73.设自动增益下限调节后信号增益值为ng2，则：ng2＝cg ns3。
74.调节更新调整相机的参数之后，返回步骤s1，重新进行图像采集，并重复调节过程，直到激光线宽的平均值在目标线宽范围内，则当前参数值选取为最优参数，结束自主控制过程。
75.若未达到所述曝光上限值maxe，则进入步骤s4-1-2自动曝光时间下限调节；
76.s4-1-2所述自动曝光时间下限调节的调节方式为：先调节步长值，再调节曝光下限值及当前曝光时间值，具体为：
77.自动曝光时间下限调节中步长值的取值为
78.设调节后的曝光下限值为nmine，则：nmine＝ce；
79.设自动曝光时间下限调节后曝光时间值为ne1，则：ne1＝ce ns1。
80.调节更新调整相机的参数之后，返回步骤s1，重新进行图像采集，并重复调节过程，直到激光线宽的平均值在目标线宽范围内，则当前参数值选取为最优参数，结束自主控制过程。
81.s4-2若激光线宽的平均值与目标线宽的差值为负，则判断当前信号增益cg是否达
到所述增益下限值ming，
82.若达到所述增益下限值ming，则判断当前曝光时间是否达到所述曝光下限值mine，
83.若达到曝光下限值ming，则调节失败，进行报警，并结束自主调节过程；若未达到曝光下限值ming，则进入s4-2-1自动曝光上限调节。
84.s4-2-1所述自动曝光上限调节的调节方式为：先调节步长值，再调节曝光上限和当前曝光值，具体为：
85.自动曝光上限调节中步长值的取值为
86.设调节后的曝光上限值为nmaxe，则：nmaxe＝ce；
87.设自动曝光上限调节后曝光时间值为ne2，则：ne2＝ce-ns4。
88.若未达到所述增益下限值ming，则进入s4-2-2自动增益上限调节。
89.调节更新调整相机的参数之后，返回步骤s1，重新进行图像采集，并重复调节过程，直到激光线宽的平均值在目标线宽范围内，则当前参数值选取为最优参数，结束自主控制过程。
90.s4-2-2所述自动增益上限调节的调节方式为：先调节步长值，再调节增益上限和当前信号增益值，具体为：
91.自动增益上限调节中步长值的取值为
92.设调节后的增益上限为nmaxg，则：nmaxg＝cg；
93.设自动增益上限调节后信号增益值为ng1，则：ng1＝cg-ns2。
94.调节更新调整相机的参数之后，返回步骤s1，重新进行图像采集，并重复调节过程，直到激光线宽的平均值在目标线宽范围内，则当前参数值选取为最优参数，结束自主控制过程。
95.本发明还提供一种线激光相机的自主调节设备，利用上述线激光相机的自主调节方法进行线激光相机的自主调节。
96.所述自主调节设备包括以下模块：
97.图像采集模块，用于获取图像；所述图像采集模块包括线激光发射器及工业相机，所述线激光发射器用于发射线激光，并将线激光投射于物体表面，工业相机用于采集待测物体在线激光投射下的图像；
98.载物运动平台，用于搭载待测物体并控制待测物体运动；一般采用平移运动平台；待测物体放置在载物运动平台上，可以通过移动平台寻找待测物体的最佳拍照位置。
99.信息确认模块，用于获取当前激光线宽数据并存储到存储器中；所述信息确认模块可初步进行图像处理，并判断当前采集图像是否有效；若当前采集图像有效，则进入自主调节模块进行曝光时间和/或信号增益，若当前采集图像五效，则需要重新进行图像采集；
100.自主调节模块，用于调节曝光时间和/或信号增益；
101.pc端，用于搭载操作界面及显示报警信息；pc端可包括键盘，用于接收用户的按键指令，以及显示器，用于显示相关的控制系统以及提示信息，当调节失败，则在所述操作界面上显示异常警告并结束自主调节过程；
102.所述自主调节设备搭载了基于所述自主调节设备的控制程序，所述控制程序实现
如上述一种线激光相机的自主调节方法的步骤。
103.所述图像采集模块与所述待测物体之间的位置关系为垂直入射式和斜入射式中的一种。
104.若采用垂直入射式，线激光发射器所投射的激光束垂直于被测物体表面，工业相机主要接收的是散射和漫反射光，入射光的光轴与相机的光轴之间的夹角可根据被测物体的表面形貌自由选取；对于被测物体表面的粗糙度要求就比较低，适用于各种表面。而且测量范围也比斜入射式更大，但测量系统体积则相对小一些。
105.若采用斜入射法，激光的入射光与被测物体表面的法线形成一个夹角，工业相机主要接收的是镜面反射光，对被测物体表面的粗糙度要求比较高，最好是近乎于镜面的表面。入射光线与相机的光轴垂直，若入射光线与基准平面之间的夹角过大，对于一些表面复杂的物体就会有遮光，导致测量范围变小，此外斜入射方式的测量系统体积也会较大，它的优点是分辨率较高。
106.本发明中一种线激光相机的自主调节方法及设备适用于以上两种环境情况。
107.本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行上述中任一项所述的线激光相机的自主调节方法。所述计算机可读存储介质可设置在自主调节设备的存储器中，例如rom/ram、磁碟、光盘等。
108.本发明公开了一种线激光相机的自主调节方法、设备及储存介质。主要解决不同应用场景难以高质量成像的问题，可以协同调节曝光时间、相机增益，因此在曝光及增益的调节过程中可以根据不同的拟合函数计算出不同区间的新的增益和曝光时间，使得由拟合函数组成的整体曲线更为接近系统的真实函数曲线，由此减少了超调量，并增强了系统曝光控制的稳定性；且本方法可以实现目标物体与背景反差过大时的自适应控制，采用动态步长减少调节时间。
109.当激光线宽的平均值小于目标线宽范围时，本发明首先增大曝光时间，在曝光时间超出可调范围时，才增大信号增益，可以避免噪声放大；
110.当激光线宽的平均值大于目标线宽范围时，本发明首先减小相机增益，使其达到目标亮度，可以减小噪声放大；在减小相机增益不能满足需要情况下，再减小曝光时间；
111.本发明采用了动态可变步长的方法进行曝光时间、信号增益的调节，当目标线宽范围与激光线宽的平均值的差值较大时，使用较大的步长；当差值较小时，使用较小的步长，可以稳定、快速的完成调节过程。
112.以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。