CN103776770B - 一种基于信息熵的多路光源自适应系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于信息熵的多路光源自适应系统，其特征在于，包括图像采集装置与上位机连接，上位机与下位机连接，上位机包括图像采集卡，下位机由单片机、信号调理电路和LED灯组成，图像采集装置通过图像采集卡与单片机连接，单片机通过信号调理电路与LED灯连接。启动系统，让系统利用自适应算法不断调节光强，获取最佳图像。将系统获取的最佳图像与示教图像对比，发现系统自动获取的图像更加优秀。本发明具有应该广泛、客观性好、结果准确，减少了计算量及信息存储量的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于信息熵的多路光源自适应系统及其工作方法，属于机器视觉的光源控制领域。
背景技术
随着制造技术的不断进步，对测量的要求也在不断提高，传统的接触式测量方法易划伤工件，难以进行薄片、多孔零件的测量。基于MMS摄像头及数字图像处理技术的影像式测量方法是非接触的测量方法，具有高精度、快速、易于实现自动化等优点，已成为精密测量领域的一个重要的发展方向，相关的研究非常活跃。采用影像式测量方法对本身不发光的机械零件进量时，为得到便于处理的高品质图像，需加光源对其进行照射，使拍摄到的图像中的机械零件的轮廓形状更加清晰，图像处理时可提高处理精度，有利于获得较高的测量精度。当需要对工件表面的粗糙度进行测量时，或对工件表面进行纹理分析时，单通道光源照射下的图像无法满足测量要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供了一种应该广泛、客观性好、结果准确，减少了计算量及信息存储量的基于信息熵的多路光源自适应系统及其工作方法，解决了当需要对工件表面的粗糙度进行测量时，或对工件表面进行纹理分析时，单通道光源照射下的图像无法满足测量要求的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供了一种基于信息熵的多路光源自适应系统，其特征在于，包括图像采集装置与上位机连接，上位机与下位机连接，上位机包括图像采集卡，下位机由单片机、信号调理电路和LED灯组成，图像采集装置通过图像采集卡与单片机连接，单片机通过信号调理电路与LED灯连接。
优选地，所述的图像采集装置为CCD摄像机。
优选地，所述的上位机与下位机之间通过串口通信。
优选地，所述的上位机先提取图像的边界，并在获取了图像边界内的图像的信息熵之后，经过逻辑判断，向下位机发送指令，上位机发送数字信号后，经单片机进行D／A转换后，由调理电路进行信号放大，从而改变各个通道LED灯的电流大小。
优选地，所述的LED灯设有至少2个通道。
一种基于信息熵的多路光源自适应系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采集一幅经人眼判断的比较优秀的图像，计算其信息熵，并以此信息熵作为阈值；
步骤2：通过图像采集装置获取图像，判断图像采集装置所能采集的范围内是否有工件可以被获取图像，如果有，跳到步骤3；如果没有，跳到步骤11；
步骤3：通过上位机利用算法提取图像的边界；
步骤4：求取图像的熵值；
步骤5：判断该熵值是否大于步骤1中的阈值，如果是，则跳到步骤6；如果不是，则跳到步骤12；
步骤6：记录各通道的光强及图像熵值；
步骤7：判断遍历算法是否完毕，如果是，则跳到步骤8；如果不是，则跳到步骤12；
步骤8：对所有大于阈值的熵值进行排序，获取最大熵值；
步骤9：对最大熵值对应的各通道光强值进行微调；
步骤10：获取最优图像并记录此时的光强值；
步骤11：结束；
步骤12：上位机通过遍历算法不断发送指令给下位机，使其通过DA转换，改变各个通道的光强，然后跳到步骤2。
优选地，所述的步骤1具体为：手动调节图像采集装置的镜头，使工件基本上占据该镜头的全部空间；手动调节光源，选择一幅成像效果较好的图像作为示教图像，通过利用算法提取图像的边界，用相应的算法计算边界内图像的信息熵，并以此信息熵作为粗采样的阈值。
优选地，所述的遍历算法为粗采样阶段的插值法或细采样阶段的二分法。
本发明使用多路光源进行照明，因此可以获取工件表面的纹理，并由此计算工件的粗糙度，相比于单路光源照明，应该更加广泛。使用图像的信息熵作为图像质量的评价标准，客观性好。在计算图像的信息熵之前对图像的轮廓进行提取，降低了轮廓外的图像对图像信息熵计算造成的干扰，使结果更加准确。使用插值法和二分法控制采样次数，大大减少了计算量及信息存储量。
附图说明
图1为光源布置示意图；
图2为一种基于信息熵的多路光源自适应系统的原理图；
图3为一种基于信息熵的多路光源自适应系统的算法流程图。
其中：1-背光源，2-工作台，3-工件，4-上光源外环，5-上光源中环，6-上光源内环，7-CCD摄像机。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本发明为一种基于信息熵的多路光源自适应系统，其包括如下几个部分：工件图像采集装置，进行信息熵计算及光强调节的上位机，接受上位机指令并改变光强的下位机。图像采集装置与上位机连接，上位机与下位机连接。其中，图像采集装置由CCD(CCD是ChargeCoupledDevice(电荷耦合器件)的缩写，它是一种半导体成像器件，因而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。)摄像机7进行拍照，位于不同高度的多路光源(至少2路光源。)对工作台2上的工件3进行照射，对于不同的测量要求使用不同的通道数，如图1所示。
本实施例使用四路光源，即背光源1、上光源外环4、上光源中环5、上光源内环6。
如图2所示，上位机包括图像采集卡，下位机由单片机、信号调理电路和LED灯组成，图像采集装置通过图像采集卡与单片机连接，单片机通过信号调理电路与LED灯连接。上位机与下位机之间通过串口通信。
图像质量评价的标准为信息熵，对于信息熵大于一定阈值的图像可认为是优良图像。
上位机先提取图像的边界，并在获取了图像边界内的图像的信息熵之后，经过逻辑判断，向下位机发送指令，改变各个通道的光照强度，直到获取的图像信息熵不在增加，取信息熵值最大图像为优选图像。上位机发送数字信号后，经单片机进行D／A转换后，由调理电路进行信号放大，从而改变各个通道LED灯的电流大小。上位机算法通过插值法和二分法来控制采样图像的数量，并按照一定的流程进行最优图像筛选，如图3所示。
对于由8位单片机控制的每路LED，光照强度共分为256个等级。根据信息熵公式：
EN是一个开口向下的抛物线，因此存在最大值。理论上利用穷举法经过2564次计算可获取图像信息熵最大值对应的各路光照强度，但是计算量太大。本发明利用插值法和二分法，配合信息熵阈值，大大减少了计算的次数。
一种基于信息熵的多路光源自适应系统的工作方法，如图3所示，包括以下步骤：
步骤1：采集一幅经人眼判断的比较优秀的图像，计算其信息熵，并以此信息熵作为阈值；
步骤2：通过图像采集装置获取图像，判断图像采集装置所能采集的范围内是否有工件可以被获取图像，如果有，跳到步骤3；如果没有，跳到步骤11；
步骤3：通过上位机利用算法提取图像的边界；
步骤4：求取图像的熵值；
步骤5：判断该熵值是否大于步骤1中的阈值，如果是，则跳到步骤6；如果不是，则跳到步骤12；
步骤6：记录各通道的光强及图像熵值；
步骤7：判断遍历算法是否完毕，如果是，则跳到步骤8；如果不是，则跳到步骤12；
步骤8：对所有大于阈值的熵值进行排序，获取最大熵值；
步骤9：对最大熵值对应的各通道光强值进行微调；
步骤10：获取最优图像并记录此时的光强值；
步骤11：结束；
步骤12：上位机通过遍历算法不断发送指令给下位机，使其通过DA转换，改变各个通道的光强，然后跳到步骤2。
手动调节镜头，使工件基本上占据相机镜头的全部空间。手动调节光源，选择一幅成像效果较好的图像作为示教图像，利用算法提取图像的边界，用相应的算法计算边界内图像的信息熵，并以此信息熵作为粗采样的阈值。启动系统，让系统利用自适应算法不断调节光强，获取最佳图像。将系统获取的最佳图像与示教图像对比，发现系统自动获取的图像更加优秀。
采集一幅经人眼判断的比较优秀的图像，计算其信息熵，并以此信息熵作为阈值。使用插值法(即粗采样阶段时候的遍历算法)将光照强度以20为增量分为12组，共需采集124幅图像。记录所有信息熵大于此阈值的图像及其对应的各路光强，满足条件的图像为优良图像。粗采样完成后，对所有优良图像按阈值进行排序，得到阈值最大的图像，并在此图像对应的光强附近利用二分法(即细采样阶段时候的遍历算法)进行细采样。每利用一次二分法，需要采集16幅图像，找出16幅图像中信息熵值最大的图像，再次利用二分法，这时找出的图像已基本上是最优图像。通过该最优图像对应的控制参数，可以确定最优光源控制参数。
Claims (7)
1.一种基于信息熵的多路光源自适应系统的工作方法，所述的基于信息熵的多路光源自适应系统包括图像采集装置与上位机连接，上位机与下位机连接，上位机包括图像采集卡，下位机由单片机、信号调理电路和LED灯组成，图像采集装置通过图像采集卡与单片机连接，单片机通过信号调理电路与LED灯连接，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采集一幅经人眼判断的比较优秀的图像，计算其信息熵，并以此信息熵作为阈值；
步骤2：通过图像采集装置获取图像，判断图像采集装置所能采集的范围内是否有工件可以被获取图像，如果有，跳到步骤3；如果没有，跳到步骤11；
步骤3：通过上位机利用算法提取图像的边界；
步骤4：求取图像的熵值；
步骤5：判断该熵值是否大于步骤1中的阈值，如果是，则跳到步骤6；如果不是，则跳到步骤12；
步骤6：记录各通道的光强及图像熵值；
步骤7：判断遍历算法是否完毕，如果是，则跳到步骤8；如果不是，则跳到步骤12；
步骤8：对所有大于阈值的熵值进行排序，获取最大熵值；
步骤9：对最大熵值对应的各通道光强值进行微调；
步骤10：获取最优图像并记录此时的光强值；
步骤11：结束；
步骤12：上位机通过遍历算法不断发送指令给下位机，使其通过DA转换，改变各个通道的光强，然后跳到步骤2。
2.如权利要求1所述的一种基于信息熵的多路光源自适应系统的工作方法，其特征在于，所述的步骤1具体为：手动调节图像采集装置的镜头，使工件基本上占据该镜头的全部空间；手动调节光源，选择一幅成像效果较好的图像作为示教图像，通过利用算法提取图像的边界，用相应的算法计算边界内图像的信息熵，并以此信息熵作为粗采样的阈值。
3.如权利要求1所述的一种基于信息熵的多路光源自适应系统的工作方法，其特征在于，所述的遍历算法为粗采样阶段的插值法或细采样阶段的二分法。
4.如权利要求1所述的一种基于信息熵的多路光源自适应系统的工作方法，其特征在于，所述的图像采集装置为CCD摄像机。
5.如权利要求1所述的一种基于信息熵的多路光源自适应系统的工作方法，其特征在于，所述的上位机与下位机之间通过串口通信。
6.如权利要求1所述的一种基于信息熵的多路光源自适应系统的工作方法，其特征在于，所述的上位机先提取图像的边界，并在获取了图像边界内的图像的信息熵之后，经过逻辑判断，向下位机发送指令，上位机发送数字信号后，经单片机进行D/A转换后，由调理电路进行信号放大，从而改变各个通道LED灯的电流大小。
7.如权利要求6所述的一种基于信息熵的多路光源自适应系统的工作方法，其特征在于，所述的LED灯设有至少2个通道。
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