一種光條圖像成像參數(shù)的模糊自適應(yīng)調(diào)整方法與流程

本專利涉及線結(jié)構(gòu)光三維視覺測(cè)量中光條圖像成像參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整問題，屬于模糊控制及圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著數(shù)字技術(shù)和電荷耦合器件的發(fā)展，基于線結(jié)構(gòu)光的三維視覺測(cè)量技術(shù)由于具有高精度、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、主動(dòng)受控、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，在逆向工程、工業(yè)檢測(cè)、文物保護(hù)等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，成為光學(xué)非接觸測(cè)量中的重要分支。根據(jù)激光三角法的工作原理，激光器投射出的線結(jié)構(gòu)光光平面和被測(cè)物體表面相交，所成交線由圖像傳感器捕獲形成二維光條紋圖像，通過光學(xué)標(biāo)定環(huán)節(jié)，獲得當(dāng)前攝像機(jī)和激光器的相對(duì)位姿，由此建立起光條紋中心點(diǎn)和被測(cè)物表面被測(cè)點(diǎn)之間一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，經(jīng)過一個(gè)位姿的測(cè)量，可獲得當(dāng)前光條上所有點(diǎn)的三維信息，線結(jié)構(gòu)光傳感器再結(jié)合柔性關(guān)節(jié)臂裝置，即可獲得被測(cè)物完整的三維形貌信息。

其中，光條紋作為整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的信息源，無論在標(biāo)定環(huán)節(jié)還是在實(shí)際測(cè)量中，其中心點(diǎn)坐標(biāo)的提取是線結(jié)構(gòu)光三維視覺測(cè)量中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，提取的精度、速度和穩(wěn)定性直接影響到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的性能。光條紋提取的效果和的光條圖像的質(zhì)量息息相關(guān)。在實(shí)際的測(cè)量中，光條作為光條圖像中不變的成像要素，其形態(tài)受被測(cè)物表面形狀、顏色、粗糙度等性質(zhì)的調(diào)制，同時(shí)，圖像傳感器的成像受到系統(tǒng)光源、環(huán)境光、背景等外界干擾的影響。在激光器和攝像機(jī)的幾何位置、鏡頭成像畸變等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，被測(cè)物、測(cè)量狀態(tài)等眾多不確定因素的參與，會(huì)導(dǎo)致光條圖像的成像具有很大的不確定性，影響最后的測(cè)量精度，相應(yīng)的誤差影響可能使測(cè)量結(jié)果變得毫無意義。如何在未知多變的測(cè)量任務(wù)中，根據(jù)測(cè)量條件對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行智能自適應(yīng)調(diào)整，保證系統(tǒng)采集光條圖像的品質(zhì)，成為充分發(fā)揮steger算法亞像素提取精度這一優(yōu)勢(shì)的重中之重。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的大量研究集中在光條提取算法的改進(jìn)，相比之下，對(duì)光條圖像成像參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整方面的研究較少，相關(guān)研究主要在基于亮度直方圖的自動(dòng)曝光方法研究、激光三角法位移測(cè)量中的模糊自適應(yīng)控制和基于圖像相對(duì)照度指標(biāo)、光條高斯模型的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)等幾個(gè)方向?；趯?duì)理想曝光時(shí)間和增益的精確計(jì)算，算法復(fù)雜度較高，可采用dsp和fpga實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，一些算法雖然可以避免算法的復(fù)雜性，簡(jiǎn)單易行，但算法的有效性和自動(dòng)化程度有待提高。本專利在前人研究工作的基礎(chǔ)上，通過提取直方圖的有效特征定義評(píng)價(jià)因子，表征光條圖像的質(zhì)量，并通過模糊控制實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)曝光時(shí)間以及增益參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整，控制過程在通用開發(fā)平臺(tái)visualstudio2010中實(shí)現(xiàn)，在不增加系統(tǒng)復(fù)雜度并滿足需求的條件下，硬件復(fù)雜度低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一種光條圖像成像參數(shù)的模糊自適應(yīng)調(diào)整方法，包括步驟：a)首先，通過、調(diào)用模糊推理系統(tǒng)編輯器fuzzy，然后調(diào)用evalfis進(jìn)行解模糊，得到運(yùn)算結(jié)果；b)根據(jù)提供的com接口完成與其他編程語言的數(shù)據(jù)交互，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，返回處理結(jié)果；c)通過usb2.0接口調(diào)用相機(jī)api的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)實(shí)現(xiàn)圖像的采集和相機(jī)初始化以及采集參數(shù)的設(shè)置。

應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。

附圖說明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的光條圖像的灰度直方圖；

圖2(a)示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的vga變化的采樣實(shí)物圖；

圖2(b)示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的vga變化的灰度直方圖；

圖3(a)示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的lines變化的采樣實(shí)物圖；

圖3(b)示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的lines變化的灰度直方圖；

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的lines變化的灰度直方圖；

圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的特征s的模糊集；

圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的輸出模糊集dv；

圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的輸出模糊集de；

圖8(a)示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的調(diào)整前光條圖像；

圖8(b)示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的調(diào)整前的直方圖；

圖9(a)示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的調(diào)整后的光條圖像；

圖9(b)示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的調(diào)整后的灰度直方圖。

具體實(shí)施方式

通過參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實(shí)施例；可以通過不同形式來對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說明書的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

本專利公開了一種基于模糊控制的相機(jī)參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整方法。針對(duì)結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)中激光光條易受多種因素調(diào)制成像質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，以灰度直方圖為基礎(chǔ)，分析光條圖像具有代表性的灰度分布特征，研究了攝像機(jī)曝光時(shí)間和增益兩種可控的系統(tǒng)采集參數(shù)與直方圖特征變化之間的規(guī)律，提出了一種基于模糊控制策略的相機(jī)參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整方法，利用c#編程語言和matlab的com組件搭建測(cè)試環(huán)境。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光掃描測(cè)頭系統(tǒng)經(jīng)過成像參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整，光條圖像能夠達(dá)到到預(yù)期的效果，滿足steger算法對(duì)光條和背景的處理要求。

steger算法在提取光條中心的時(shí)候，為了使算法更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確，光條信息需要能夠在圖像背景中分離出來。然而，光條圖像的成像往往受到多種因素的影響，例如，環(huán)境光的變化、相機(jī)曝光和增益值。如何在不同的環(huán)境光下采用合適的相機(jī)參數(shù)以獲得合適的圖像作為steger算法的輸入，是本專利研究的核心內(nèi)容。盡可能的從圖像中抽取光條部分的有效信息同時(shí)抑制背景的干擾是steger算法保證其穩(wěn)定性和精度的前提。

ccd的成像是多重因素參與綜合效果，普通意義上的圖像質(zhì)量是指清晰度，而清晰度評(píng)價(jià)易受采集場(chǎng)景中參數(shù)變化的影響，對(duì)于相同清晰度不同曝光下的同一場(chǎng)景，評(píng)價(jià)函數(shù)給出的評(píng)價(jià)結(jié)果不一致。對(duì)于光條圖像成像質(zhì)量的評(píng)價(jià)，沒有量化的數(shù)學(xué)模型，只能根據(jù)算法的具體要求提取合理的圖像特征。如圖1所示，為光條圖像的灰度直方圖，由于測(cè)頭系統(tǒng)中激光光條的特殊性，光條自身的亮度和背景的亮度明顯有所區(qū)分，steger提取算法本身也要求二者有較高的對(duì)比度，以排除無用信息的干擾。直方圖中，整體灰度區(qū)間可劃分為兩個(gè)區(qū)域，灰度靠近0的低亮度區(qū)域，寬度為lbarea，和灰度靠近255的高亮度區(qū)域，寬度為hbarea。lbarea包含較多的灰度級(jí)和陡峭的峰值，對(duì)應(yīng)圖像中豐富的邊緣和線條，代表圖像中整體亮度偏低的背景區(qū)域信息，l1和l2分別為lbarea左、右邊界的灰度級(jí)，相比于前者，hbarea包含的灰度級(jí)峰值平坦，灰度級(jí)成分較少，低頻分量豐富，對(duì)應(yīng)圖像中的內(nèi)容復(fù)雜度低，即相對(duì)純粹的光條信息，h1和h2分別為hbarea左、右邊界的灰度級(jí)，d為高亮區(qū)和低亮區(qū)的灰度級(jí)差值，d區(qū)域的存在，能夠通過閾值法將背景l(fā)barea消除，保留hbarea部分有用的光條信息部分。s為高亮區(qū)的右邊界h2到最大灰度級(jí)255之間的安全溢出距離。

相機(jī)增益，即圖像傳感器前端模擬電路中數(shù)字可編程增益放大器的放大系數(shù)，系統(tǒng)中vga即其控制調(diào)節(jié)參數(shù)。如圖2所示，vga為0時(shí)，圖像整體偏暗，灰度位于低亮度區(qū)域，hbarea較小，安全溢出距離s>0，隨著vga的增加，圖像亮度趨于正常，灰度級(jí)逐漸擴(kuò)展，邊界li、hi(i＝1,2)右移，s減小，lbarea、hbarea增加，vga等于240時(shí)，hbarea和lbarea重疊，光條區(qū)域被淹沒在低亮度區(qū)域且灰度級(jí)發(fā)生溢出，s＝0，繼續(xù)增加vga，圖像整體偏亮，噪點(diǎn)逐漸增多最后直至整張圖像全白，對(duì)應(yīng)灰度圖中l(wèi)barea減小為0，所有灰度級(jí)溢出。由以上調(diào)整過程可以看出，增益對(duì)整張圖像的灰度值影響呈近似正相關(guān)，因?yàn)樗苯涌刂圃鲆娣糯笃鞯姆糯笙禂?shù)，與ccd的硬件有關(guān)，因此，無論是光條部位還是環(huán)境光都會(huì)明顯受到增益的影響。

根據(jù)曝光量的計(jì)算公式，系統(tǒng)總曝光由快門速度、光圈值和感光度三個(gè)參數(shù)共同決定。本系統(tǒng)中，ms為相機(jī)的真實(shí)曝光時(shí)間，光圈值和感光度不變，曝光時(shí)間的調(diào)節(jié)可通過曝光參數(shù)lines實(shí)現(xiàn)，ms和參數(shù)lines之間擬合關(guān)系如下，見(1)式，單位毫秒。

ms＝0.0533×lines+0.0071(1)

當(dāng)參數(shù)lines為0時(shí)，圖像整體為黑，像素全部集中在灰度為0的一端，hbarea＝0。隨著lines增加，如圖3所示，當(dāng)lines參數(shù)等于250時(shí)，圖像整體偏暗，對(duì)應(yīng)灰度直方圖中光條區(qū)域開始出現(xiàn)，hbarea>0，當(dāng)lines∈[250,550]，灰度級(jí)擴(kuò)展，lbarea、hbarea增加，低亮區(qū)域變化速度較快，l2、h1的灰度級(jí)之差d逐漸減小至0，lbarea和hbarea區(qū)域產(chǎn)生重疊，s>0，繼續(xù)增大曝光，lbarea右邊界l2和hbarea左邊界h1的灰度級(jí)開始合并，右側(cè)的兩個(gè)波峰逐漸融合，如圖3(b)lines＝1350時(shí)圖像曝光過度，缺乏層次感，圖像光條和背景對(duì)比度下降。

可以看出，在調(diào)節(jié)曝光參數(shù)lines時(shí)，直方圖特征特征d變化明顯，s變化不明顯。這是由于激光能量較高，即使曝光較低，被反射進(jìn)入鏡頭的激光也可使圖像傳感器飽和；而背景區(qū)域的成像灰度是隨著曝光水平的提高而增加，在低曝光時(shí)成像灰度較低，當(dāng)曝光達(dá)到一定程度才會(huì)使圖像傳感器飽和，此時(shí)，激光和背景區(qū)域的干擾混在一起，不利于steger算法對(duì)于光條中心的提取。

本方法的具體實(shí)現(xiàn)方案為：

實(shí)驗(yàn)采用凱視佳工業(yè)相機(jī)catchbestud274m，ccd分辨率為1628pixel×1236pixel，像元尺寸4.4um，所用鏡頭焦距12mm，光圈大小手動(dòng)控制，不進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。采用的半導(dǎo)體激光器為紅光一字，工作電壓為5v，輸出波長(zhǎng)660nm。

首先，通過matlab調(diào)用模糊推理系統(tǒng)編輯器fuzzy，將3.1節(jié)設(shè)計(jì)的控制器導(dǎo)出為.fis文件。matlab腳本使用readfis函數(shù)將fis文件讀取到matlab工作空間，然后調(diào)用evalfis進(jìn)行解模糊，得到運(yùn)算結(jié)果。

然后，根據(jù)matlab提供的com接口完成與其他編程語言的數(shù)據(jù)交互，如c#、vb、c++等。本系統(tǒng)中，使用c#將數(shù)據(jù)送至matlab，并執(zhí)行matlab腳本文件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理結(jié)果最后返回到c#編程語言中。

最后，通過usb2.0接口調(diào)用相機(jī)api的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)實(shí)現(xiàn)圖像的采集和相機(jī)初始化以及采集參數(shù)的設(shè)置。開發(fā)環(huán)境為visualstudio2010。

光條圖像直方圖特征的變化和相機(jī)參數(shù)的調(diào)整密切相關(guān)，增益參數(shù)vga和特征s之間、曝光參數(shù)lines和特征d之間均呈負(fù)相關(guān)?？紤]到直方圖特征與相機(jī)參數(shù)之間沒有精確的數(shù)學(xué)模型，在實(shí)際測(cè)量中，系統(tǒng)參數(shù)通過人工操作可以達(dá)到理想的效果，具體的調(diào)節(jié)規(guī)律具有經(jīng)驗(yàn)性和模糊性，所以，本系統(tǒng)可采用模糊控制策略進(jìn)行自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)，它是非線性系統(tǒng)建模和控制強(qiáng)有力的工具。

matlab模糊控制工具箱為模糊控制器的設(shè)計(jì)提供了非常便捷的途徑，利用matlab模糊工具箱，不需要進(jìn)行復(fù)雜的模糊化、模糊推理及反模糊化運(yùn)算，通過相應(yīng)參數(shù)的設(shè)計(jì)，可得到我們所需要的控制器，模糊控制器的設(shè)計(jì)如下。

通過多次實(shí)驗(yàn)，光條圖像的直方圖特征s達(dá)到35左右時(shí)，調(diào)整效果較好，如圖4所示，為特征s模糊集的定義。直方圖特征d達(dá)到80附近及以上時(shí)，光條圖像能夠較好地將背景干擾信息去除，特征s模糊集的定義如圖5所示。

由于相機(jī)參數(shù)和直方圖特征沒有清晰的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在不同的環(huán)境下，即使相機(jī)的參數(shù)相同，也會(huì)產(chǎn)生不同的直方圖特征，因此，相機(jī)參數(shù)調(diào)整時(shí)采用增量式的調(diào)整方法。定義相機(jī)增益的輸出增量為dv，曝光的輸出增量為de，增益對(duì)特征s的影響顯著，選取較小的步長(zhǎng)，輸出模糊集dv的定義如圖6所示。曝光的變化范圍較大，選取較大的步長(zhǎng)，以使光條圖像直方圖的被控特征快速收斂，定義輸出模糊集de如圖7所示。

模糊規(guī)則是對(duì)系統(tǒng)輸入與輸出關(guān)系的定義。根據(jù)激光掃描測(cè)頭用于工程測(cè)量實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，若光條圖像直方圖特征s較大，則應(yīng)加大增益參數(shù)vga使s減小，反之，若特征s比較小，應(yīng)減小增益使s增大，特征s與dv的模糊關(guān)系如表1所示。與特征s類似，特征d與曝光參數(shù)lines呈負(fù)相關(guān)，不同的是，特征d過大時(shí)不影響光條信息的提取和背景的去除，特征d和de的模糊關(guān)系見表2。

表1直方圖特征s與dv之間的模糊關(guān)系

表2直方圖特征d與de之間的模糊關(guān)系

將相機(jī)曝光參數(shù)lines初始值設(shè)置為500，增益vga初始值設(shè)置為400，被測(cè)物體的初始成像如圖8(a)所示；其灰度直方圖特征s＝0，特征d＝38，如圖8(b)。從灰度直方圖上可以看出，背景部分占據(jù)了80％以上的信息，而光條的灰度值則集中在了255的灰度級(jí)。采用本專利設(shè)計(jì)的自動(dòng)調(diào)整方法調(diào)整后，相機(jī)曝光參數(shù)lines為98，增益參數(shù)vga為251，被測(cè)物體成像如圖9(a)所示，灰度直方圖如圖9(b)所示，其度直方圖特征s＝34，特征d＝81，調(diào)整結(jié)果較為理想。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于模糊控制的相機(jī)參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整方法是可行的。

針對(duì)光條圖像成像質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，本專利提出了一種基于模糊控制的相機(jī)參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整方法。該方法通過對(duì)光條圖像灰度直方圖的分析，提取了可用于質(zhì)量評(píng)價(jià)的有效特征，在此基礎(chǔ)上確定了ccd相機(jī)曝光時(shí)間和增益兩種成像參數(shù)的調(diào)整和直方圖特征的變化之間的規(guī)律，并利用通用開發(fā)平臺(tái)搭建測(cè)試環(huán)境，最后，利用模糊控制策略實(shí)現(xiàn)成像參數(shù)調(diào)節(jié)的自動(dòng)化過程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能夠有效地根據(jù)場(chǎng)景對(duì)相機(jī)參數(shù)的初始設(shè)置進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使激光掃描測(cè)頭系統(tǒng)的成像克服測(cè)量環(huán)境的多樣性，增加測(cè)頭工作的魯棒性，該方法復(fù)雜度低，易于實(shí)現(xiàn)。

結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。