视觉检测系统的补光系统光源优化方法及所用实验装置

技术特征：
1.一种视觉检测系统的补光系统光源优化方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：安装补光光源和外部光源：将补光光源支架安装到实验台上，补光光源支架上的补光光源为检测区域提供补光照明，将外部光源安装到实验台一侧，用于模拟受干扰下的照明环境；步骤二：计算补光光源支架上各补光光源的空间位姿参数；步骤三：建立补光光源数学模型，通过单个补光光源数学模型，结合当前补光光源的位姿参数，获取补光系统中各补光光源单独工作时目标区域的照度行向量，并列排成照度向量组；步骤四：通过奇异值分解对补光系统的照度向量组进行分析，选取照度向量组中主元最大的前n个照度向量对应的补光光源取代原模型中全部补光光源，简化补光系统；步骤五：基于照度均匀度建立平面照度效果评价函数：(1)在当前照明环境下，对目标区域照度分布等距采样，获得n
×
n的照度矩阵，将照度矩阵各行按从上到下的顺序重新排序成1
×
n2的照度行向量(2)为1
×
n2的行向量中各补光光源在当前外部光源作用下的目标区域照度向量中的最大值，用减去照度行向量获得各个补光光源所需的补光照度向量获得各个补光光源所需的补光照度向量(3)向量表示为当前补光系统所提供照度分布与当前所需照度分布的差值，平面照度效果评价函数f表示为当前补光系统所提供理论照度分布与当前实际所需照度分布的趋势相似度，其中k
i
表示第i个补光光源的亮度权值，范围为[0，1]，当前补光光源亮度与最高亮度的比值为1时表示最大亮度，为第i个led对目标平面产生的照度向量,f越小表示两者分布规律越接近，此时目标区域照度分布越均匀：两者分布规律越接近，此时目标区域照度分布越均匀：步骤六：应用粒子群算法对平面照度效果评价函数进行优化求解，获取具有最优照度效果的补光系统各led照度权值；步骤七：调整补光光源亮度实现补光系统对目标区域的照明优化，使目标区域获得均匀照明效果。2.根据权利要求1所述的视觉检测系统的补光系统光源优化方法，其特征在于：所述补光光源包括呈矩阵排列于弧面上的led和arduino控制板,arduino控制板通过输出对应的
pwm脉冲控制补光系统中各led亮度，外部光源采用条形光源，并通过光源控制器控制条形光源模拟受干扰下的照明环境。3.根据权利要求2所述的视觉检测系统的补光系统光源优化方法，其特征在于：步骤二中：各补光光源的空间位姿参数计算方法如下：设(x0,y0,z0)为基座标系，(x1,y1,z1)为光源坐标系，并将补光系统的光源面板中的一个led位置定为光源坐标系原点；设dx、dy、dz为光源坐标系原点相对基座标系原点的偏移量，补光系统中当前led与光源坐标系原点高度差为dz2，两者在基座标系xy平面内相对原点的角度差为θ，则任意led在基座标系下的空间位置(x
01
,y
01
,z
01
)计算式为:4.根据权利要求3所述的视觉检测系统的补光系统光源优化方法，其特征在于：步骤三中照度向量组获取方法如下：s31.给单个led光源建立数学模型：e＝i0·
(cosα)
m
·
cosβ
·
d-2
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)；式中:i0为led球面的平均发光强度；m是led的半衰角参数，光源为理想朗伯体时m取1，通常m大于1，并由当前led的半衰角θ
1/2
确定；α为光线与光轴之间的夹角；β为光线与被测平面法线之间夹角；d为目标点到光源面之间距离；对应给定的led，其i0与m为常数；s32.变量的转换与获取：设补光系统中各led到目标点向量为a1，光源所在平面法向量为a2，空间竖直向量恒定为g＝(0,0,-1)，当前led与光源坐标系原点在基座标系xy平面内相对原点的角度差为θ，l为光源点到目标点的欧式距离；则d、α、β计算式为：其中，向量a1由基坐标系下被测点坐标(x
02
,y
02
,z
02
)与led坐标(x
01
,y
01
,z
01
)获得，光源法向量a2可由θ
i
计算获得；
l的计算式如下：l＝|a1|
ꢀꢀꢀꢀ
(5)；s33.通过步骤s31和步骤s32获取补光系统中各led单独工作时目标区域的照度行向量，并列排成照度向量组。5.根据权利要求2或4所述的视觉检测系统的补光系统光源优化方法，其特征在于：所述步骤四中简化补光系统的方法取下：s41：对补光系统照度向量组进行奇异值分解，计算补光系统中各led所对应照度向量在上述向量组中主元的大小，综合考虑补光系统照明效果多样性及减少系统led数量，确定简化补光系统中保留led的数量；s42：通过施密特正交化确定所需的n个led位置，采用对应的n个led代替原有补光系统中的光源模型，完成补光系统模型化简，具体步骤如下：设为第j个led对目标平面产生的照度向量，为第n个特征向量筛选过程中第j个led照度向量在正交空间轴向量上的投影，为简化后系统所保留led对应的照度向量：s421：选择照度向量组中模最大的行向量作为首个特征向量并将照度向量从照度向量组中移除；s422：根据施密特正交化确定第2至第n个特征向量：计算所有剩余照度向量在正交空间轴向量上的投影向量组计算公式如下：s423：将模长最大投影向量所对应的led照度向量记为再将照度向量从照度向量组中移除，计算公式如下：s424：重复步骤s422与步骤s423，直至获取γ2～γ
n
；s425：根据至对应原照度向量在的补光系统照度矩阵中的位置，得出相应的n个led的位置；s43：考虑补光系统光源模型的简化对系统平均照度、照度均匀度、照度分布规律等方面的影响，设计相对照度计算公式如下：
其中，e
total_max
为系统优化前后目标区域两个照度分布矩阵中元素最大值。6.根据权利要求1所述的视觉检测系统的补光系统光源优化方法，其特征在于：所述步骤五中通过使评价函数式(12)取值最小使照明效果最优，此时为补光系统各led亮度权值最优解k
i
所组成的向量，即：7.根据权利要求6所述的视觉检测系统的补光系统光源优化方法，其特征在于：所述步骤五中在当前照明环境下目标区域照度分布等距采样，获得9
×
9的照度矩阵，将照度矩阵各行按从上到下的顺序重新排序成1
×
81的照度行向量8.根据权利要求6所述的视觉检测系统的补光系统光源优化方法，其特征在于：步骤七中通过arduino控制板输出优化后亮度权值对应的pwm脉冲控制led，实现补光系统对目标区域的照明优化，使目标区域获得均匀照明效果，具体步骤如下：s71：获取控制板输出端口模拟量数值与led亮度权值换算关系：通过测试获得控制板输出端口模拟量数值与流过led电流之间的关系为近似线性关系，结合led亮度与电流成正比，获得控制板输出端口模拟量u与led亮度权值k近似为线性关系；将led亮度权值k映射为控制板输出端模拟量u，具体计算公式如下：u＝255
·
k
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)；根据目标区域的理论与实际照度分布数据，进行相对照度计算：式中，e(i,j)为点(i,j)的绝对照度值，e
single_max
为优化前后各自情况下被测面的最大照度值。9.一种权利要求1中所述的视觉检测系统的补光系统光源优化方法中使用的实验装置，其特征在于：包括实验台(1)、补光光源支架、led(2)、arduino控制板、照度计(3)、外部光源(4)、光源控制器和处理器，所述实验台上形成有用于安装待测试产品的目标区域，补光光源支架固定安装于目标区域一侧的实验台上，补光光源支架上固定安装有一沿竖直方向延伸的圆弧形的光源定位板(5)，若干led呈矩阵状均匀分布于光源定位板凹面的表面上，所述光源定位板上的led光线能够照射于目标区域上的待测试产品，arduino控制板与各个led电性连接，arduino控制板能够向各led输出pwm脉冲信号，外部光源固定安装于实验台上，外部光源能够朝向目标区域发射模拟实际检测环境的光线，光源控制器控制外部光源发射光线的强度，照度计位于实验台上，照度计能够检目标区域上对应点的照度值，照度计与处理器电性连接通信，处理器能够对led光源进行优化计算并控制arduino控制板输出相应的pwm脉冲信号，处理器还能够控制光源控制器向外部光源发射信号。10.根据权利要求9所述的实验装置，其特征在于：所述补光光源支架包括支架本体
(6)、连接块(7)和连接块定位件，所述支架本体在实验台上沿与实验台垂直的竖向延伸，连接块能够沿纵向滑动的套设于支架本体上，连接块定位件能够将任意高度的连接块与支架本体固定定位，所述光源定位板固定安装于连接块上，光源定位板上的光源定位板上安装有四行九列led，以基坐标系原点为圆心，相邻列led角度间隔为10
°
，相邻行led高度差为30mm，且各led法向量均为光源定位板曲面上当前位置切线的法线，所述外部光源为条形光源，条形光源通过多轴手臂(8)安装于实验台上，所述多轴手臂能够改变外部光源的在三维空间的位置以及倾斜方向。

技术总结
本发明公开了一种视觉检测系统的补光系统光源优化方法及所用实验装置，其步骤为：设计实验装置，包括固定于实验台上的补光光源支架、设于补光支架上的LED矩阵、控制LED的Arduino控制板、用于检测亮度的照度计、模拟实际检测环境光线的外部光源、光源控制器和用于运算的处理器，然后计算补光光源的空间位姿参数，并建立补光光源数学模型获取并列排成照度向量组，利用奇异值分解对补光系统进行简化并建立平面照度效果评价函数，获取具有最优照度效果LED照度权值，调整补光光源亮度使目标区域获得均匀照明，本发明在保证视觉检测系统照明效果基础上简化了补光系统模型，降低了对LED硬件控制电路及亮度权值寻优算法的要求。LED硬件控制电路及亮度权值寻优算法的要求。LED硬件控制电路及亮度权值寻优算法的要求。


技术研发人员：巢渊 徐鹏 朱俊杰 马成霞 曹震 梁栋 史璠 刘凯磊 韩振华 单文桃
受保护的技术使用者：江苏理工学院
技术研发日：2022.07.05
技术公布日：2022/11/18