能夠抵抗太陽光幹擾的視覺檢測系統及方法
2023-12-01 04:05:41
專利名稱：能夠抵抗太陽光幹擾的視覺檢測系統及方法
技術領域：
本發明涉及的是一種視覺檢測技術領域的系統及方法，具體是一種能夠抵抗太陽光幹擾的視覺檢測系統及方法。
背景技術：
視覺檢測系統是應用計算機技術、數字圖像處理技術、影像匹配模式識別、攝影測量等學科的理論和方法完成對物體的測量，因而具有智能化程度高、檢測效率高、測量精度高等卓越性能，並得到廣泛應用。實際測量中較為常見的情況是利用被測物體的若干個特徵點(例如設置一些特殊的標誌)來獲取相關信息。因此，整個測量系統的精度就取決於對標誌中心進行定位的精度，而整個檢測系統的可靠性取決於能否獲得標誌的清晰圖像並準確定位。然而在實際的應用過程中，當標誌周圍出現較強的環境光的時候，特別是在有太陽光直接照射的環境下，傳統的視覺檢測系統將出現很大問題隨著太陽光入射角度的不同，普通漫反射標誌的反射光強會發生變化。由於標誌區域反射係數與周圍背景相差不大， 因此標誌區域邊界不明顯，這樣就無法準確地將標誌區域提取出來，導致定位不準或失效。 這已成為視覺檢測系統的世界性共性難點問題之一，而國內外目前並無有效的方法來有效抑制太陽光對視覺檢測系統的幹擾。經過對現有技術的檢索發現，北京機械工業學院的呂乃光等人在三維立體視覺測量原理的基礎上，建立了用於微波天線面形測量的三維視覺測量系統。但是該現有技術只給出了測量原理以及系統組成，並未對如何抵抗環境光幹擾進行討論。而從被測對象、測量環境及測量原理來看，該測量系統是極易受到環境光幹擾的。此外，瑞士 ELAG公司研製一種0PTIMESS路面快速檢測系統，採用高精度高頻響抗強光、防水防塵雷射位移傳感器進行作業，通過採用調製強光的手段工作，可以適合不同路況如光亮水泥、砂礫、黑色或潮溼浙青，確保在陽光照射情況上不受幹擾。但是這個系統不是採用視覺方法實現測量的，而且是採用單點一維雷射工作。
發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種能夠抵抗太陽光幹擾的視覺檢測系統及方法，採用半導體雷射束進行定向照明，利用具有逆反射性能的薄膜材料製作反射標誌，將主動光源的入射光進行定向反射，同時輔以窄帶濾光技術，可以有效減小太陽光的影響，顯著提高檢測系統的穩定性和檢測精度。本發明是通過以下技術方案實現的本發明涉及一種能夠抵抗太陽光幹擾的視覺檢測系統，包括攝像機、雷射器、反射標誌和處理系統，其中雷射器與攝像機並列設置於檢測系統的測量點位置並分別與處理系統相連，反射標誌設置於被測目標的任一特徵點上並與被測目標之間無相互位移，雷射器與處理系統相連並接收控制指令，雷射器正對反射標誌射出雷射並照亮反射標誌，攝像機獲取反射標誌的圖像並將圖像傳輸到處理系統，處理系統對圖像進行處理並獲得反射標誌的具體位置。所述的攝像機為面陣CXD攝像機。所述的雷射器為半導體雷射器。所述的反射標誌由基板和反射層組成，其中基板為中心對稱結構的輕質板材，由亞光漫反射材料製成，反射層位於基板的幾何中心。所述的反射層由薄膜層和位於薄膜層表面的微稜鏡組成，其中薄膜層為透明塑料膜材料製成，微稜鏡為聚氯乙烯為原材料製成的顆粒組成。所述的基板的面積大於反射層的面積。所述的反射標誌設置有敏感區，是指包含反射層在內的一個區域範圍，該敏感區小於整個反射標誌基板的區域。本發明涉及上述系統的處理方法，由處理系統發出控制指令至雷射器，啟動雷射器發出聚焦準直光束至反射標誌，並由攝像機獲取反射標誌的圖像並傳輸至處理系統，最後通過處理系統對攝像機獲取的圖像進行圖像處理獲得反射標誌的中位置坐標。所述的處理系統對攝像機獲取的圖像進行處理過程如下(1)初定位由於每個反射標誌的初始位置是固定的，也是預知的，因而每個反射標誌在圖像中的初始位置也是確定的。因此，本方法以每個反射標誌的初始位置為中心，在所獲得的圖像上開設若干個測量窗口，測量窗口的數量與反射標誌的數量相同，測量窗口的大小大於反射標誌可能到達的位置，並留有一定餘量，避免測量過程中反射標誌的反射層超出該測量窗口的情況發生。(2)預處理分別在每個測量窗口內進行圖像預處理，其中包括中值濾波、腐蝕膨脹處理，去除噪聲和幹擾。(3)提取輪廓分別在每個測量窗口內在上述敏感區內進行二值化處理，得到該反射標誌的反射層輪廓。二值化處理所需的閾值採用常規的浮動閾值的方法確定。(4)計算位置分別在每個測量窗口內，利用得到的反射標誌反射層的邊緣，通過最小二乘擬合得到中點的坐標。該坐標是以圖像所在的視覺系統坐標係為基準的。(5)換算利用視覺系統與被測目標系統的空間坐標關係，通過坐標變化和換算， 最終得到被測反射標誌的空間位置坐標，從而實現了反射標誌的定位。該視覺檢測系統能夠抵抗太陽光幹擾的原理如下當太陽處於反射標誌正前方位置時此時整個反射標誌將被太陽光照亮。但是，太陽光對反射標誌的整個區域的照度是均勻的，而本發明的反射層的逆反射材料的定向反射作用使得逆反射區(即反射層)的亮度遠遠高於漫反射區(即基板)的反射光亮度，因此在攝像機所獲得圖像中，逆反射區成像的光斑與周圍區域對比度差異明顯。此時，處理系統通過上述的浮動閾值的方法，完全可以設置合適的閾值，並對攝像機獲得的圖像進行二值化處理，就可以將反射層的邊緣提取出來，從而實現可靠準確的定位。因此，太陽光的存在不會影響視覺檢測系統的工作。當太陽處於反射標誌的側前方位置時此時整個反射標誌將被太陽光照亮。但是， 由於本發明的逆反射材料的定向反射特性，太陽光照射在逆反射區的光線絕大部分將被反射回太陽所在位置而不會進入攝像機和雷射器所在的測量點位置，只有來自雷射器發出的雷射束照射到逆反射區後被反射回雷射器所在的測量點位置。因此，在攝像機獲所得的圖像中，漫反射區域的亮度將明顯弱於逆反射區。因此，處理系統通過上述的浮動閾值的方法，完全可以設置合適的閾值，並對攝像機獲得的圖像進行二值化處理，就可以將反射層的邊緣提取出來，從而實現可靠準確的定位，太陽光的存在同樣不會影響視覺檢測系統的工作。當太陽處在反射標誌背面或側後位置時此時反射標誌將不會被太陽光照亮，但會產生一定的衍射作用。但是，由於本發明的反射標誌基板的遮擋使其不會對逆反射區的亮度產生影響。只要反射標誌基板的尺寸顯著大於敏感區的尺寸(一半)，太陽光由於衍射作用產生的影響也可以消除，此時太陽光的存在同樣不會影響視覺檢測系統的工作。通過上述的措施，就保證了太陽光在360°入射範圍內變化時，逆反射區的成像位置基本保持恆定，從而完全克服了太陽光的幹擾和影響。
圖1是本發明的視覺檢測系統組成示意圖；圖2是實施例的視覺檢測系統布局示意圖；圖3是本發明的反射標誌結構示意圖；圖4是圖像處理方法示意圖；圖5是基於主動定向照明和逆反射技術的抗太陽光幹擾方法原理示意圖；圖中1雷射器、2攝像機、3鏡頭、4反射標誌、5基板、6敏感區、7反射層、8處理系統、9濾光片、10被測目標、11測量窗口。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。實施例如圖1所示，本實施例包括雷射器1、攝像機2、鏡頭3、反射標誌4、處理系統8和濾光片9，其中雷射器1與攝像機2並列設置在測量點位置並且緊密貼近，二者均與處理系統8連接。反射標誌4設置於被測目標10的某個特徵點上，並可以隨被測目標10 —同移動。視覺檢測系統的布局如圖2所示，一共設置11個測量位置，共布置11個反射標誌，分布在長16m、寬6m的矩形框架上，每個標誌的垂直變形位移為士50mm。所述的攝像機2選擇高精度工業面陣CXD攝像機，像素為2035 X 1684pixeL·鏡頭 3根據被測目標的大小、距離和移動範圍進行設計和選取，可選用攝遠型物鏡。檢測系統的雷射器1選用高功率半導體雷射器，波長625nm，功率100mW。為了進一步減小環境光的影響，在鏡頭3前加裝與主動光波長匹配的濾光片9。如圖2所示，所述的反射標誌4由基板5 (即漫反射區)和反射層7 (即逆反射區) 兩部分組成。基板5表面塗有亞光塗料，為正方形。基板5具有一定尺寸，邊長為100mm，以減小光的衍射作用導致標誌的失效。反射層7居於基板5的中心位置，表面貼有逆反射材料。反射層7為圓形，其直徑為40mm。所述的逆反射材料是用玻璃微珠採用光學折射與反射原理製成的薄膜材料，表層是由無數個反射元素(玻璃微珠)構成。敏感區6為正方形， 邊長約為60mm。對於本發明的反射標誌4而言，當來自雷射器1發出的光束照射到反射標誌4的敏感區6時，由於逆反射材料的定向反射特性，絕大部分的反射光均將沿著與入射光平行的方向返回，並由攝像機2接收。因此，在攝像機2上的成像不僅僅是整個反射標誌4，還有反射層7形成的光斑。該光斑的形狀恰好就是反射層7的形狀，光斑的能量中心恰好就是反射層7的中心，也就是整個反射標誌4的中心。工作過程如下在處理系統8的控制下，由雷射器1發出準直光束並投向反射標誌 4，並照亮反射標誌4。攝像機2通過鏡頭3獲取反射標誌4的圖像，並將圖像傳輸到處理系統8。處理系統8對獲得的圖像進行處理，便可得到反射標誌4中心的絕對位置，由此可以實現相應參數(例如位移、變形、速度等)的檢測。具體處理過程如下(1)初定位以11個反射標誌的初始位置為中心，在所獲得的圖像上開設 11測量窗口，測量窗口的大小大於反射標誌可能到達的位置，並留有一定餘量，取為 100X200pixel。如圖 4 所示。(2)預處理分別在每個測量窗口內進行圖像預處理，其中包括中值濾波、腐蝕膨脹處理，去除噪聲和幹擾。(3)提取輪廓分別在每個測量窗口內在上述敏感區內進行二值化處理，得到該反射標誌的反射層輪廓。二值化處理所需的閾值採用常規的浮動閾值的方法確定。(4)計算位置分別在每個測量窗口內，利用得到的反射標誌反射層的邊緣，通過最小二乘擬合得到中點的坐標。該坐標是以圖像所在的視覺系統坐標係為基準的。(5)換算利用視覺系統與被測目標系統的空間坐標關係，通過坐標變化和換算， 最終得到被測反射標誌的空間位置坐標，從而實現了反射標誌的定位。該反射標誌4能夠抵抗太陽光幹擾的原理如下當太陽處於反射標誌4的正前方位置時，太陽光對反射標誌4的整個區域的照度是均勻的，而逆反射材料的定向反射作用使得逆反射區7的亮度遠遠高於漫反射區5的反射光亮度，因此在攝像機上逆反射區7成像的光斑與周圍區域對比度差異明顯，很容易通過設置合適的閾值將光斑的邊緣和能量中心提取出來，從而實現可靠準確的定位，太陽光的存在不會影響視覺檢測系統的工作。當太陽處於反射標誌4的側前方位置時，由於逆反射材料的定向反射特性，太陽光照射在逆反射區7的光線被反射回太陽所在位置而不會進入攝像機2，只有來自雷射器1 發出的雷射束照射到逆反射區7後被反射回攝像機2中，並成像形成光斑。而漫反射區5 的亮度將明顯弱於逆反射區7，因此，同樣可以通過設置合適的閾值將光斑的邊緣和能量中心提取出來，從而實現可靠準確的定位，太陽光的存在同樣不會影響視覺檢測系統的工作。當太陽處在反射標誌4的背面或側後位置時，由於反射標誌4基板的遮擋使其不會對逆反射區7的亮度產生影響。只要敏感區6的尺寸明顯小於整個反射標誌4的尺寸， 太陽光由於衍射作用產生的影響也可以消除，此時太陽光的存在同樣不會影響視覺檢測系統的工作。
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通過上述的措施，就保證了太陽光在360°入射範圍內變化時，逆反射區7的成像位置基本保持恆定，從而完全克服了太陽光的幹擾和影響。
權利要求
1.一種能夠抵抗太陽光幹擾的視覺檢測系統，包括攝像機、雷射器、反射標誌和處理系統，其特徵在於雷射器與攝像機並列設置於檢測系統的測量點位置並分別與處理系統相連，反射標誌設置於被測目標的任一特徵點上並與被測目標之間無相互位移，雷射器與處理系統相連並接收控制指令，雷射器正對反射標誌射出雷射並照亮反射標誌，攝像機獲取反射標誌的圖像並將圖像傳輸到處理系統，處理系統對圖像進行處理並獲得反射標誌的具體位置。
2.根據權利要求1所述的能夠抵抗太陽光幹擾的視覺檢測系統，其特徵是，所述的反射標誌由基板和反射層組成，其中基板為中心對稱結構的輕質板材，由亞光漫反射材料製成，反射層位於基板的幾何中心。
3.根據權利要求1所述的能夠抵抗太陽光幹擾的視覺檢測系統，其特徵是，所述的反射層由薄膜層和位於薄膜層表面的微稜鏡組成，其中薄膜層為透明塑料膜材料製成，微稜鏡為聚氯乙烯為原材料製成的顆粒組成。
4.根據權利要求1所述的能夠抵抗太陽光幹擾的視覺檢測系統，其特徵是，所述的基板的面積大於反射層的面積。
5.根據權利要求1所述的能夠抵抗太陽光幹擾的視覺檢測系統，其特徵是，所述的反射標誌設置有敏感區，是指包含反射層在內的一個區域範圍，該敏感區小於整個反射標誌基板的區域。
6.一種根據上述任一權利要求所述系統的處理方法，其特徵在於，由處理系統發出控制指令至雷射器，啟動雷射器發出聚焦準直光束至反射標誌，並由攝像機獲取反射標誌的圖像並傳輸至處理系統，最後通過處理系統對攝像機獲取的圖像進行圖像處理獲得反射標誌的中位置坐標；所述的圖像處理是指步驟一、初定位以每個反射標誌的初始位置為中心，在所獲得的圖像上開設若干個測量窗口，測量窗口的數量與反射標誌的數量相同，測量窗口的大小大於反射標誌可能到達的位置；步驟二、預處理分別在每個測量窗口內進行包括中值濾波、腐蝕膨脹處理，去除噪聲和幹擾的圖像預處理；步驟三、提取輪廓分別在每個測量窗口內在上述敏感區內進行二值化處理，得到該反射標誌的反射層輪廓；步驟四、計算位置分別在每個測量窗口內，利用得到的反射標誌反射層的邊緣，通過最小二乘擬合得到中點的、以圖像所在的視覺系統坐標係為基準的坐標；步驟五、換算利用視覺系統與被測目標系統的空間坐標關係，通過坐標變化和換算， 最終得到被測反射標誌的空間位置坐標，從而實現了反射標誌的定位。
全文摘要
一種視覺檢測技術領域的能夠抵抗太陽光幹擾的視覺檢測系統及方法，該系統包括攝像機、雷射器、反射標誌和處理系統，雷射器與攝像機並列設置於檢測系統的測量點位置並分別與處理系統相連，反射標誌設置於被測目標的任一特徵點上並與被測目標之間無相互位移，雷射器與處理系統相連並接收控制指令，雷射器正對反射標誌射出雷射並照亮反射標誌，攝像機獲取反射標誌的圖像並將圖像傳輸到處理系統，處理系統對圖像進行處理並獲得反射標誌的具體位置。本發明採用半導體雷射束進行定向照明，利用具有逆反射性能的薄膜材料製作反射標誌，將主動光源的入射光進行定向反射，以窄帶濾光有效減小太陽光的影響，顯著提高檢測系統的穩定性和檢測精度。
文檔編號G01C11/04GK102261910SQ20111010819
公開日2011年11月30日 申請日期2011年4月28日 優先權日2011年4月28日
發明者劉偉文, 劉煒浩, 楊金峰, 趙輝, 陶衛 申請人:上海交通大學