專利名稱：變光照環(huán)境中機(jī)器視覺系統(tǒng)穩(wěn)定亮度圖像自適應(yīng)獲取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及在光照變化的外界環(huán)境中，機(jī)器視覺系統(tǒng)，特 別是沒有安裝照明設(shè)備的機(jī)器視覺系統(tǒng)，獲取質(zhì)量穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)圖像的方法。
背景技術(shù)：
機(jī)器視覺系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、機(jī)械、汽車、醫(yī)藥、食品等行業(yè)的工況監(jiān)視、成品檢 驗(yàn)及質(zhì)量控制等環(huán)節(jié)。近年來，在安全檢査等其他的非工業(yè)領(lǐng)域，機(jī)器視覺系統(tǒng)也受到了日 益的重視。
在大多數(shù)的工程實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)器視覺系統(tǒng)需要在各種復(fù)雜多變的光照環(huán)境中工作。變 化的光照條件造成圖像采集設(shè)備抓取的圖像清晰度差、對比度偏低、質(zhì)量不穩(wěn)定，和圖像處 理部分通常要求的標(biāo)準(zhǔn)采集圖像相比，有一定的質(zhì)量差距。這種現(xiàn)象在僅依靠自然光源而缺 少照明設(shè)備的無接觸尺寸測量、文字識別、人臉識別等應(yīng)用現(xiàn)場較為常見。外界環(huán)境中變化 的光照給機(jī)器視覺系統(tǒng)帶來了極大的挑戰(zhàn)，影響了機(jī)器視覺系統(tǒng)的性能。有資料表明，光照 變化是機(jī)器視覺系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時發(fā)生故障的主要原因之一。
為了確保機(jī)器視覺系統(tǒng)在大多數(shù)光照條件下都能正常工作，在設(shè)計過程中提高其對外界 環(huán)境中變化光照的適應(yīng)能力具有重要的意義。尤其對于那些缺少主動光源，單純依靠自然光 源的機(jī)器視覺系統(tǒng)而言，如何處理外界環(huán)境中的光照變化是一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如果忽視外界 環(huán)境中變化的光照條件，由于采集到的圖像質(zhì)量對比度偏低，在某些情況下有的機(jī)器視覺系 統(tǒng)將無法正常工作。
為了保證目標(biāo)對象表面光照的穩(wěn)定性和均勻性，設(shè)計者常常引入額外的照明設(shè)備來減弱 乃至去除自然光變化對待處理對象表面光照的影響，例如LED燈等主動的照明光源。雖然 采用額外的照明光源可以在一定程度上去除自然光變化的影響，但是此方法有以下的局限 性。
(1) 照明設(shè)備增加了機(jī)器視覺系統(tǒng)的整體造價。
(2) 需要購置支撐裝置、固定裝置、供電系統(tǒng)，并占用一定的安裝空間，增加了機(jī)器 視覺系統(tǒng)的造價和復(fù)雜性。由于空間有限，在某些場合中無法安裝照明設(shè)備。
(3) 照明設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)增加了機(jī)器視覺系統(tǒng)的能量損耗。由于電池容量等儲能設(shè)備的限 制，在深海探測、太空開發(fā)等任務(wù)中，提供給照明設(shè)備的能量是有限的甚至無法提供給照明 設(shè)備能量。此時，無法建立預(yù)先設(shè)定的對象表面的光照強(qiáng)度。
(4) 照明設(shè)備中的某些零件是耗材，需要定期的維護(hù)和更換，例如燈泡等零件，這需要額外的維護(hù)費(fèi)用。這些零件的工作狀態(tài)將影響系統(tǒng)的工作，增加了系統(tǒng)發(fā)生故障的風(fēng)險。 其故障甚至可能導(dǎo)致機(jī)器視覺系統(tǒng)無法正常地運(yùn)轉(zhuǎn)。
(5) 為了保證對象表面光照強(qiáng)度連續(xù)可調(diào)節(jié)，需要配置一定范圍內(nèi)發(fā)光強(qiáng)度連續(xù)可調(diào) 和照射角度連續(xù)可調(diào)的照明設(shè)備。
(6) 在一些情況下，照明設(shè)備的使用較為復(fù)雜。即使配置了發(fā)光強(qiáng)度和照射角度都連 續(xù)可調(diào)的照明設(shè)備，為了建立對象表面符合要求的光照強(qiáng)度，用戶必須根據(jù)外界的光照條件 來手動設(shè)定照明設(shè)備的發(fā)光強(qiáng)度和照射角度。在某些情況下，調(diào)整過程較為繁瑣。最終對象 表面的光照強(qiáng)度受到多方面因素的影響。
由于受到造價、工作環(huán)境、能源消耗等條件的限制，某些機(jī)器視覺系統(tǒng)缺少照明裝置， 只能完全在自然光照環(huán)境中工作。大多數(shù)機(jī)器視覺系統(tǒng)的圖像處理部分都是針對標(biāo)準(zhǔn)圖像設(shè) 計的。然而當(dāng)光照變化較大時，圖像采集裝置抓取到的圖像和預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)圖像，在圖像 質(zhì)量上有較大的差距。由此可能導(dǎo)致后繼的圖像處理出現(xiàn)較大的誤差甚至出錯。對于此類機(jī) 器視覺系統(tǒng)而言，如何在變化的光照環(huán)境中(要求外界光照的強(qiáng)度大于一定的門限值)獲取 到質(zhì)量穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)圖像，是確保機(jī)器系統(tǒng)正常工作的重要問題。解決這個問題的對安裝有照 明設(shè)備的機(jī)器視覺系統(tǒng)亦有積極的意義。如果在不引入照明設(shè)備的前提下，解決了變光照環(huán) 境中獲取標(biāo)準(zhǔn)圖像的問題，就可以在某些機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計中去除照明裝置，在保證機(jī)器視 覺系統(tǒng)對外界光照變化的魯棒性同時降低系統(tǒng)的整體造價。
目前，減弱外界光照變化對圖像質(zhì)量影響的主要方法是圖像預(yù)處理。預(yù)處理的將采集到 的圖像轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)圖像或者質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)圖像近似的圖像。圖像預(yù)處理可以在一定程度上減弱 外界光照的影響。大多數(shù)圖像預(yù)處理方法通過調(diào)整抓取圖像的對比度來改善圖像的質(zhì)量，例 如直方圖均衡化以及其他的各種改進(jìn)方法。預(yù)處理有如下的缺點(diǎn)。
(1) 相對于原始圖像，增強(qiáng)操作帶來了額外的噪聲，造成了原始圖像部分信息的損失。
(2) 大多數(shù)情況下，圖像預(yù)處理是依靠軟件處理來實(shí)現(xiàn)的。這意味著機(jī)器視覺系統(tǒng)需 要為預(yù)處理提供額外的處理時間和存儲空間。當(dāng)抓取的圖像分辨率較大或者存儲空間較大 時，圖像預(yù)處理需要的較長的處理時間和較大的存儲空間。這在某些高速處理系統(tǒng)中是無法 允許的。
(3) 預(yù)處理的效果和某些參數(shù)的選取有直接關(guān)系。參數(shù)的選取和光照有直接的關(guān)系， 常常需要人工干預(yù)以便獲得較好的處理效果。所以當(dāng)預(yù)處理自動化運(yùn)行時，難以保證抓取圖 像增強(qiáng)后的效果。在抓取圖像的對比度較低等情況下，預(yù)處理方法很可能失效。
除了上述的圖像預(yù)處理方法，提取具有光照不變性的特征或引入一定的光照模型等方法 也可減弱對象表面光照變化對采集圖像質(zhì)量的影響。然而這些方法僅僅局限于人臉識別、目 標(biāo)跟蹤等某些特定的應(yīng)用場所，不具有普遍意義，難以在其他的機(jī)器視覺系統(tǒng)中廣泛地使用。
現(xiàn)有的技術(shù)大部分在獲取圖像的過程中都采取"先抓取再圖像預(yù)處理"的工作模式。這種工作模式忽視了外界光照的變化，每次都以固有的參數(shù)啟動采集設(shè)備抓取圖像，再被動地 依靠圖像預(yù)處理等軟件處理技術(shù)手段來改善圖像的質(zhì)量。在某些光照情況下，例如在較強(qiáng)的 光照或者較暗的光照環(huán)境中，上述僅靠采集后再單純軟件處理的方法有時難以獲得標(biāo)準(zhǔn)的圖 像。
綜上所述，現(xiàn)有的技術(shù)難以保證在大范圍的變光照環(huán)境中，機(jī)器視覺系統(tǒng)，特別是無照 明設(shè)備的機(jī)器視覺系統(tǒng)獲取質(zhì)量穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)圖像。 技術(shù)內(nèi)容
本發(fā)明提供一種變光照環(huán)境中機(jī)器視覺系統(tǒng)自動獲取質(zhì)量穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)圖像方法，其目的 在于解決現(xiàn)有的技術(shù)難以保證在大范圍的變光照環(huán)境中，機(jī)器視覺系統(tǒng)，特別是無照明設(shè)備 的機(jī)器視覺系統(tǒng)獲取質(zhì)量穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)圖像，以提高機(jī)器視覺系統(tǒng)對光照變化的魯棒性，特別 是在不引入照明設(shè)備的情況下(要求外界光照的強(qiáng)度大于一定的門限值)，幫助機(jī)器視覺系 統(tǒng)迅速地有效地獲取滿足質(zhì)量要求(對比度等)的標(biāo)準(zhǔn)圖像。
本發(fā)明的上述目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，結(jié)合
如下
一種變光照環(huán)境中機(jī)器視覺系統(tǒng)自動獲取質(zhì)量穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)圖像方法，其特征在于采用抓 取圖像質(zhì)量的自動調(diào)整方法，具體包括如下步驟
1) 按照預(yù)先設(shè)定的初始參數(shù)啟動數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，采集一幀圖像后，計算圖像的象素灰度
似 W
均值"，計算公式為<formula>formula see original document page 5</formula>
其中，/xj0是象素點(diǎn)坐標(biāo)(xj)的灰度均值，"為該幅圖像象素的灰度均值，M和iV是 表征圖像尺寸大小的參數(shù)；
2) 根據(jù)圖像的象素灰度均值"判斷是否需要進(jìn)行圖像質(zhì)量的調(diào)整，按圖像對比度等質(zhì) 量的要求，設(shè)定圖像象素的灰度均值的期望區(qū)間為["min,Wmax]，若采集到的圖像的象素灰度 均值"處于期望區(qū)間內(nèi)，不需要調(diào)整機(jī)器視覺系統(tǒng)圖像采集設(shè)備的參數(shù)，則退出圖像質(zhì)量的 自動調(diào)整程序；
3) 過亮區(qū)調(diào)節(jié)，如果圖像的象素灰度均值"大于"max，則說明圖像處于過亮區(qū)，開始 圖像的過亮區(qū)調(diào)整，亮區(qū)調(diào)節(jié)包括按照一定的順序選擇數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)、指標(biāo)更改、圖像 的象素灰度均值更新、判斷是否處于過亮區(qū)。若經(jīng)過數(shù)字?jǐn)z像機(jī)指標(biāo)的調(diào)整脫離了過亮區(qū)， 則進(jìn)入下一步過暗區(qū)調(diào)節(jié)；如果外界的光照太強(qiáng)始終無法脫離過亮區(qū)，退出整個自動調(diào)整程 序；
4) 過暗區(qū)調(diào)節(jié)，如果圖像的象素灰度均值"小于"min，則說明圖像象素灰度均值處于 過暗區(qū)，開始圖像的過暗區(qū)調(diào)整，暗區(qū)調(diào)節(jié)包括按照一定的順序選擇數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)、指 標(biāo)更改、圖像的象素灰度均值更新、判斷是否處于過暗區(qū)，若經(jīng)過調(diào)整脫離了過暗區(qū)，則進(jìn)入精確調(diào)整單元；如果外界的光照太弱始終無法脫離過暗區(qū)，退出整個自動調(diào)整程序；
5)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)指標(biāo)的精確調(diào)整單元，此單元包括數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)選擇、參數(shù)求解、 判斷是否滿足圖像質(zhì)量要求，首先采用在線估計的方式獲取反映當(dāng)前環(huán)境中光照強(qiáng)度的參數(shù) 集合/;根據(jù)預(yù)先設(shè)定的圖像質(zhì)量要求，選擇若干數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)，相應(yīng)的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)參 數(shù)集合仏圖像的象素灰度均值w和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的參數(shù)集合兩者間的函數(shù)關(guān)系為w = / (Cy)。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的圖像的象素灰度均值^，求解數(shù)字?jǐn)z像機(jī)參數(shù)集合t^^T乂z^/);將 求得的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)參數(shù)集合，作為最終的圖像采集參數(shù)；如果以數(shù)字?jǐn)z像機(jī)參數(shù)采集的圖像 不滿足象素灰度均值的要求，則重新選擇若干數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)，求解新的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)參數(shù)
集合t//i。
本發(fā)明所提供的技術(shù)方案的積極效果是和現(xiàn)有的大部分每次均抓取圖像再處理的方式 不同，本發(fā)明根據(jù)外界的光照情況實(shí)時地改變作為圖像采集裝置的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的參數(shù)，節(jié)省 了 "先抓取再圖像預(yù)處理"需要的軟件處理時間，提高了圖像增強(qiáng)的效率。本發(fā)明在外界環(huán) 境中的光照強(qiáng)度近似保持不變的情況下，僅需一次調(diào)整就在可以在短時間內(nèi)自動地整定機(jī)器 視覺系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，并幫助采集設(shè)備抓取到符合要求的質(zhì)量穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)圖像。
本發(fā)明將通過示例，參考下述附圖以更進(jìn)一步的闡述
圖1為本發(fā)明在變光照環(huán)境中，自動地獲取質(zhì)量穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)圖像的系統(tǒng)框圖。 圖2是本發(fā)明在變光照環(huán)境中，自動地獲取質(zhì)量穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)圖像的程序流程圖。 圖3是圖像的象素灰度均值與數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的增益之間的函數(shù)曲線圖。 圖4是圖像的象素灰度均值與數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的曝光時間的函數(shù)曲線圖。 圖5是較過亮照下，未經(jīng)圖像質(zhì)量調(diào)整時的圖像灰度直方圖。 圖6是較過亮照下，經(jīng)圖像質(zhì)量自動調(diào)整時的圖像灰度直方圖。 圖7是較暗光照下，未經(jīng)圖像質(zhì)量調(diào)整時的圖像灰度直方圖。 圖8是較暗光照下，經(jīng)圖像質(zhì)量自動調(diào)整時的圖像灰度直方圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種變光照條件下，機(jī)器視覺系統(tǒng)特別是沒有照明設(shè)備的機(jī)器視覺系統(tǒng)自 動地獲取質(zhì)量穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)圖像的方法，用以解決機(jī)器視覺系統(tǒng)中圖像整體灰度隨著外界光照 變化而變化的問題。以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例，進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。
在本發(fā)明中，抓取圖像質(zhì)量的自動調(diào)整方法包括如下的步驟。
按照預(yù)先設(shè)定的初始參數(shù)啟動數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。采集一幀圖像后，計算圖像的象素灰度均值
根據(jù)圖像的象素灰度均值w判斷是否需要進(jìn)行圖像質(zhì)量的調(diào)整。倘若采集到的圖像滿足 要求，則退出圖像質(zhì)量的自動調(diào)整程序。否則，開始如下的圖像質(zhì)量自動調(diào)整。過亮區(qū)調(diào)節(jié)。此步驟主要是確保抓取圖像的灰度值不要過大，防止圖像處于過亮的狀態(tài)。 根據(jù)圖像的象素灰度均值"判斷是否需要過亮區(qū)調(diào)節(jié)。若需要過亮區(qū)調(diào)節(jié)，則根據(jù)當(dāng)前光線 的強(qiáng)度，選擇相應(yīng)的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整；否則轉(zhuǎn)到過暗區(qū)調(diào)節(jié)。過亮區(qū)調(diào)整包括按照 一定的順序選擇數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)、指標(biāo)更改、圖像的象素灰度均值更新、判斷是否處于過 亮區(qū)等步驟。若經(jīng)過數(shù)字?jǐn)z像機(jī)指標(biāo)的調(diào)整脫離了過亮區(qū)，則進(jìn)入過暗區(qū)調(diào)節(jié)。如果始終無 法脫離過亮區(qū)，則說明外界的光照過強(qiáng)以至于圖像灰度值偏大，圖像的對比度不滿足要求， 退出整個自動調(diào)整程序。過亮區(qū)調(diào)節(jié)到此結(jié)束。
過暗區(qū)調(diào)節(jié)。由圖像的象素灰度均值w判斷是否需要過暗區(qū)調(diào)節(jié)。判斷是否啟動圖像質(zhì) 量的過暗區(qū)調(diào)節(jié)。若需要過暗區(qū)調(diào)節(jié)，則調(diào)整數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的相應(yīng)指標(biāo)；否則轉(zhuǎn)到精確調(diào)整單 元。過暗區(qū)調(diào)整包括按照一定的順序選擇數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)、指標(biāo)更改、圖像的象素灰度均 值更新、判斷是否處于過暗區(qū)等步驟。若經(jīng)過調(diào)整脫離了過暗區(qū)，則進(jìn)入精確調(diào)整單元。如 果始終無法脫離過暗區(qū)，則說明外界的光照太弱，退出整個自動調(diào)整程序。數(shù)字?jǐn)z像機(jī)指標(biāo) 的過暗區(qū)調(diào)節(jié)到此結(jié)束。
數(shù)字?jǐn)z像機(jī)指標(biāo)的精確調(diào)整單元。經(jīng)過此單元的操作，可以確定數(shù)字?jǐn)z像機(jī)若干內(nèi)部指 標(biāo)的精確數(shù)值。此單元包括數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)選擇、參數(shù)求解、判斷是否滿足圖像質(zhì)量要求 等步驟。首先采用在線估計的方式獲取反映當(dāng)前環(huán)境中光照強(qiáng)度的參數(shù)集合/。根據(jù)預(yù)先設(shè) 定的圖像質(zhì)量要求，選擇若干數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)，相應(yīng)的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)參數(shù)集合仏例如增益 g、曝光時間4等指標(biāo)。圖像的象素灰度均值"和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的參數(shù)集合f/兩者間的函數(shù)關(guān) 系為"=/(^/)。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的圖像的象素灰度均值^，求解數(shù)字?jǐn)z像機(jī)參數(shù)集合=/ —乂"^T)。將求得的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)參數(shù)集合，作為最終的圖像采集參數(shù)。如果以數(shù)字?jǐn)z像機(jī)參數(shù) 采集的圖像不滿足象素灰度均值的要求，則重新選擇若干數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)，求解新的數(shù)字 攝像機(jī)參數(shù)集合C/"。
圖1為本發(fā)明在變光照環(huán)境中，自動地獲取質(zhì)量穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)圖像的系統(tǒng)框圖。參閱附圖 按照初始的參數(shù)設(shè)置啟動數(shù)字?jǐn)z像機(jī)采集一幀圖像，計算該圖像的象素灰度均值。
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中/jc,力是象素點(diǎn)坐標(biāo)(xjO的灰度均值，"為該幅圖像象素的灰度均值，M和iV是表 征圖像尺寸大小的參數(shù)。
考慮圖像對比度等質(zhì)量的要求，設(shè)定圖像象素的灰度均值的期望區(qū)間為[wmin,Wmax]。 如果圖像的象素灰度均值"處于期望區(qū)間內(nèi)，說明當(dāng)前圖像的質(zhì)量符合后繼處理的要 求，即采集到的圖像質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)圖像的質(zhì)量相差較小。此時不需要調(diào)整機(jī)器視覺系統(tǒng)圖像采 集設(shè)備的參數(shù)，退出自動調(diào)整過程。否則進(jìn)入如圖2所示的過亮區(qū)調(diào)節(jié)。過亮區(qū)調(diào)節(jié)。如果圖像的象素灰度均值W大于^ax,則說明圖像處于過亮區(qū)，開始圖像 的過亮區(qū)調(diào)整；否則轉(zhuǎn)到過暗區(qū)調(diào)節(jié)。過亮區(qū)調(diào)整包括按照一定的順序選擇數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指 標(biāo)、指標(biāo)更改、圖像的象素灰度均值更新、判斷是否處于過亮區(qū)等歩驟?？梢哉{(diào)節(jié)的數(shù)字?jǐn)z 像機(jī)指標(biāo)包括曝光時間、白平衡、黑電平、增益及Gamma校正等多個指標(biāo)。
以曝光時間4為例，說明數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)調(diào)節(jié)過程。
(a) 適當(dāng)減少數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的曝光時間~
We-G (2)
其中"為減小曝光時間的步長。
(b) 判斷曝光時間是否達(dá)到預(yù)先設(shè)定的最小值^ax。若是，則說明調(diào)節(jié)曝光時間無法使 圖像的象素灰度均值脫離過亮區(qū)，退出曝光時間的調(diào)節(jié)，選擇其他的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)指標(biāo)繼續(xù)調(diào) 節(jié)。否則，繼續(xù)下一步。
(C)計算圖像的象素灰度均值。
(d)測試W是否處于期望區(qū)間[Wmin， Wmax]。若"處于期望區(qū)間，則說明圖像的象素灰
度均值脫離了過亮區(qū)，轉(zhuǎn)動過暗區(qū)調(diào)節(jié)；否則轉(zhuǎn)到(a)，繼續(xù)調(diào)節(jié)曝光時間。
如果按照一定的順序調(diào)節(jié)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)后，仍然無法脫離過亮區(qū)，則說明外界環(huán)境 中的光照過強(qiáng)以至于無法調(diào)整抓取圖像的灰度均值到期望區(qū)間，退出整個圖像質(zhì)量的自動調(diào) 整程序。過亮區(qū)調(diào)節(jié)到此結(jié)束。
調(diào)節(jié)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)應(yīng)該遵循一定的順序。這其中要考慮數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的特性，不能沒 有規(guī)律地胡亂調(diào)節(jié)。合理安排數(shù)字?jǐn)z像機(jī)指標(biāo)的調(diào)節(jié)順序，可以達(dá)到事半功倍的效果；否則， 如果采用不恰當(dāng)?shù)捻樞蛘{(diào)節(jié)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)，將延長整個圖像質(zhì)量的調(diào)整過程，浪費(fèi)不必 要的時間。在完全可以脫離過亮區(qū)的情況下，采用不恰當(dāng)?shù)闹笜?biāo)調(diào)節(jié)順序可能無法降低圖像 的象素灰度均值，導(dǎo)致出現(xiàn)斷言外界光線過強(qiáng)無法調(diào)整圖像質(zhì)量的錯誤。
過暗區(qū)調(diào)節(jié)。由圖像的象素灰度均值"判斷是否需要過暗區(qū)調(diào)節(jié)。如果圖像的象素灰度 均值"小于"n^，則說明圖像象素灰度均值處于過暗區(qū)，丌始圖像的過暗區(qū)調(diào)整；否則轉(zhuǎn)到 精確調(diào)整單元。過暗區(qū)調(diào)整包括按照一定的順序選擇數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)、指標(biāo)更改、圖像的 象素灰度均值更新、判斷圖像的質(zhì)量是否處于過暗區(qū)等步驟。待選擇的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)調(diào)節(jié)指標(biāo) 包括曝光時間、白平衡、黑電平、增益及Gamma校正等多個指標(biāo)。
如果按照一定的順序調(diào)節(jié)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)后，仍然無法使圖像象素的灰度均值脫離過 暗區(qū)，則說明外界環(huán)境中的光照太弱以至于無法通過調(diào)整圖像采集設(shè)備的參數(shù)來抓取到滿足 要求的圖像。退出整個圖像質(zhì)量的自動調(diào)整程序。過暗區(qū)調(diào)節(jié)到此結(jié)束。
和過亮區(qū)的調(diào)節(jié)類似，調(diào)節(jié)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)應(yīng)該遵循一定的順序。如果采用不恰當(dāng)?shù)?順序調(diào)節(jié)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)，將延長整個過暗區(qū)的調(diào)整過程，浪費(fèi)不必要的時間。釆用不恰 當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)順序，甚至導(dǎo)致在完全可以脫離過暗區(qū)的情況下，出現(xiàn)斷言外界光照強(qiáng)度太弱以至于無法調(diào)整圖像質(zhì)量的錯誤。
精確調(diào)整。經(jīng)過此單元的操作，可以確定數(shù)字?jǐn)z像機(jī)若干內(nèi)部指標(biāo)的確切數(shù)值。采用在 線估計的方式求取反映當(dāng)前環(huán)境中光照強(qiáng)度的參數(shù)集合厶根據(jù)當(dāng)前環(huán)境中的光照強(qiáng)度和圖 像象素的灰度均值的期望區(qū)間[Wrmn, "max]，選擇若干數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)，構(gòu)成相應(yīng)的數(shù)字?jǐn)z 像機(jī)參數(shù)集合J7。參數(shù)集合包括增益g、曝光時間f。白平衡W、黑電平6等指標(biāo)。經(jīng)過實(shí) 驗(yàn)獲知，圖像的象素灰度均值"和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的參數(shù)集合t/兩者滿足一定的函數(shù)關(guān)系，用" 二/(t/力來描述。圖3是在不同光照情況下，圖像的象素灰度均值"和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的增益g 間的函數(shù)關(guān)系，其中除增益外數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的其他指標(biāo)均維持恒定。圖4圖像的象素灰度均值 "和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)曝光時間^的函數(shù)關(guān)系，其中除曝光時間外，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的其他指標(biāo)均維持 恒定。
由圖像象素的灰度均值的期望區(qū)間求解數(shù)字?jǐn)z像機(jī)參數(shù)集合"-尸10^/)。將求得的參
數(shù)集合，作為最終的采集參數(shù)來設(shè)置數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。如果數(shù)字?jǐn)z像機(jī)參數(shù)采集的圖像仍然不滿 足象素灰度均值的要求，則重新選擇若干數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)，求解新的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)參數(shù)集合 仏。
下面以數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的增益g為例說明精確調(diào)整的過程。
由圖3可知，在不同光照下，兩者間的曲線均分成兩個區(qū)域。當(dāng)增益超過一定幅度時， 圖像的象素灰度均值近似不變，圖像的象素灰度均值和增益的曲線進(jìn)入飽和區(qū)；在曲線其余 的區(qū)域，圖像的象素灰度均值和增益近似地滿足線性關(guān)系，可以認(rèn)為在這個區(qū)域內(nèi)，圖像的 象素灰度均值"和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的增益g兩者間近似地滿足如下關(guān)系
m = Ag + c (3)
采用在線估計的方法求取當(dāng)前光照強(qiáng)度下的未知參數(shù)t
在一定的區(qū)間內(nèi)取增益序列{&} (y'=l,2,...A0。采用這些增益分別啟動數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，采 集圖像后得到圖像的象素灰度均值序列{ }。設(shè)置如下的待優(yōu)化函數(shù)r。<formula>formula see original document page 9</formula>
(4)
待優(yōu)化函數(shù)r取極小值的必要條件是
欲
<formula>formula see original document page 9</formula>
于是得到下列的方程組<formula>formula see original document page 10</formula>解上述的方程組得到未知參數(shù)t c的最小二乘估計值&、 ce 如果設(shè)定采集圖像的象素灰度均值為w，則數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的增益g為
(8)
為了保證圖像象素的灰度均值處于期望區(qū)間[^in,"max]，選擇數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的增益g為
<formula>formula see original document page 10</formula>0
(9)
其中[]表示向下取整運(yùn)算，{}表示向上取整運(yùn)算，gm,n和gmax為
<formula>formula see original document page 10</formula>(10)
(11)
將求得的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)參數(shù)集合，作為最終的圖像采集參數(shù)。如果以數(shù)字?jǐn)z像機(jī)參數(shù)采集 的圖像不滿足象素灰度均值的要求，則重新選擇若干數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)，求解新的數(shù)字?jǐn)z像 機(jī)參數(shù)集合f/ 。
在較強(qiáng)光照條件下，采用固定參數(shù)啟動數(shù)字?jǐn)z像機(jī)抓取圖像的灰度直方圖見圖5。經(jīng)過 圖像質(zhì)量自動調(diào)整后，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)抓取圖像的灰度直方圖見圖6。比較兩個灰度直方圖可知， 經(jīng)過圖像質(zhì)量的自動調(diào)整后，圖像的對比度得到了改善，圖像中象素的灰度分布更加均勻。
在較弱的光照條件下，采用固定參數(shù)啟動數(shù)字?jǐn)z像機(jī)抓取圖像的灰度直方圖見圖7。經(jīng) 過圖像質(zhì)量的自動調(diào)整后，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)抓取圖像的灰度直方圖見圖8。比較兩幅圖像的灰度 直方圖可知，未經(jīng)圖像質(zhì)量自動調(diào)整而抓取的圖像象素的灰度大部分集中于
的區(qū)間， 灰度分布及其不均勻，對比度偏低，不利于后繼處理的進(jìn)行。經(jīng)過圖像質(zhì)量的自動調(diào)整后， 數(shù)字?jǐn)z像機(jī)抓取圖像的灰度分布均勻多了，有效的改變了圖像的對比度。
上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明在變光照條件下，可以幫助機(jī)器視覺系統(tǒng)特別是沒有照明設(shè) 備的機(jī)器視覺系統(tǒng)自動地獲取質(zhì)量穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)圖像，提高了機(jī)器視覺系統(tǒng)對光照的適應(yīng)能 力。
顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范 圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則 本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種變光照環(huán)境中機(jī)器視覺系統(tǒng)自動獲取質(zhì)量穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)圖像方法，其特征在于采用抓取圖像質(zhì)量的自動調(diào)整方法，具體包括如下步驟1)按照預(yù)先設(shè)定的初始參數(shù)啟動數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，采集一幀圖像后，計算圖像的象素灰度均值u，計算公式為<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><mi>u</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>M</mi></munderover><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>j</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mi>f</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mi>MN</mi></mfrac> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="S2008100507006C00011.gif" wi="28" he="15" top= "57" left = "66" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/-->其中，f(x，y)是象素點(diǎn)坐標(biāo)(x，y)的灰度均值，u為該幅圖像象素的灰度均值，M和N是表征圖像尺寸大小的參數(shù)；2)根據(jù)圖像的象素灰度均值u判斷是否需要進(jìn)行圖像質(zhì)量的調(diào)整，按圖像對比度等質(zhì)量的要求，設(shè)定圖像象素的灰度均值的期望區(qū)間為[umin，umax]，若采集到的圖像的象素灰度均值u處于期望區(qū)間內(nèi)，不需要調(diào)整機(jī)器視覺系統(tǒng)圖像采集設(shè)備的參數(shù)，則退出圖像質(zhì)量的自動調(diào)整程序；3)過亮區(qū)調(diào)節(jié)，如果圖像的象素灰度均值u大于umax，則說明圖像處于過亮區(qū)，開始圖像的過亮區(qū)調(diào)整，亮區(qū)調(diào)節(jié)包括按照一定的順序選擇數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)、指標(biāo)更改、圖像的象素灰度均值更新、判斷是否處于過亮區(qū)，若經(jīng)過數(shù)字?jǐn)z像機(jī)指標(biāo)的調(diào)整脫離了過亮區(qū)，則進(jìn)入下一步過暗區(qū)調(diào)節(jié)，如果外界的光照太強(qiáng)始終無法脫離過亮區(qū)，退出整個自動調(diào)整程序；4)過暗區(qū)調(diào)節(jié)，如果圖像的象素灰度均值u小于umin，則說明圖像象素灰度均值處于過暗區(qū)，開始圖像的過暗區(qū)調(diào)整，暗區(qū)調(diào)節(jié)包括按照一定的順序選擇數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)、指標(biāo)更改、圖像的象素灰度均值更新、判斷是否處于過暗區(qū)，若經(jīng)過調(diào)整脫離了過暗區(qū)，則進(jìn)入精確調(diào)整單元，如果外界的光照太弱始終無法脫離過暗區(qū)，退出整個自動調(diào)整程序；5)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)指標(biāo)的精確調(diào)整單元，此單元包括數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)選擇、參數(shù)求解、判斷是否滿足圖像質(zhì)量要求；首先采用在線估計的方式獲取反映當(dāng)前環(huán)境中光照強(qiáng)度的參數(shù)集合I；根據(jù)預(yù)先設(shè)定的圖像質(zhì)量要求，選擇若干數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)，相應(yīng)的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)參數(shù)集合U；圖像的象素灰度均值u和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的參數(shù)集合U兩者間的函數(shù)關(guān)系為u＝f(U，I)；根據(jù)預(yù)先設(shè)定的圖像的象素灰度均值ud，求解數(shù)字?jǐn)z像機(jī)參數(shù)集合Ud＝f-1(ud，I)；將求得的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)參數(shù)集合，作為最終的圖像采集參數(shù)；如果以數(shù)字?jǐn)z像機(jī)參數(shù)采集的圖像不滿足象素灰度均值的要求，則重新選擇若干數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的指標(biāo)，求解新的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)參數(shù)集合Un。
全文摘要
本發(fā)明提供的一種變光照環(huán)境中機(jī)器視覺系統(tǒng)自動獲取質(zhì)量穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)圖像方法，涉及圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，其目的在于解決現(xiàn)有的技術(shù)難以保證在大范圍的變光照環(huán)境中，機(jī)器視覺系統(tǒng)，特別是無照明設(shè)備的機(jī)器視覺系統(tǒng)獲取質(zhì)量穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)圖像。獲取圖像質(zhì)量的自動調(diào)整方法包括如下的步驟按照預(yù)先設(shè)定的初始參數(shù)啟動數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，采集一幀圖像后，計算圖像的象素灰度均值u；根據(jù)圖像的象素灰度均值u判斷是否需要進(jìn)行圖像質(zhì)量的調(diào)整，包括過亮區(qū)調(diào)節(jié)、過暗區(qū)調(diào)節(jié)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)指標(biāo)的精確調(diào)整單元。
文檔編號G06T5/00GK101287073SQ200810050700
公開日2008年10月15日 申請日期2008年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月12日
發(fā)明者盧輝遒, 偉 洪, 王紅睿, 田彥濤, 振 隋, 慶 顧 申請人:吉林大學(xué)