本發(fā)明屬于成像系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及了一種尋找成像系統(tǒng)最優(yōu)工作參數(shù)的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

使用相機(jī)和光源構(gòu)成的成像系統(tǒng)是人們用于拍攝產(chǎn)品，繼而實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品進(jìn)行無損分析的主要設(shè)備，它提供一種很好的無損檢測手段，使得人們能夠快速地分析產(chǎn)品的質(zhì)量。使用前，人們需要對例如相機(jī)光圈、相機(jī)焦距、相機(jī)角度、光源角度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，結(jié)果一旦固定，那么在正常的、長期的檢測過程中，對于一批產(chǎn)品而言，這些參數(shù)一般是不用再進(jìn)行修正的。

在前期的參數(shù)設(shè)置過程中，這些參數(shù)的設(shè)定是一個非常麻煩的問題，人們現(xiàn)有的方法往往是依靠人工經(jīng)驗(yàn)，不斷嘗試調(diào)整這些參數(shù)，然后用肉眼的方法對拍攝到的圖片判斷是否變得清晰，在光源越多的情況下，這種工作有的時候甚至需要好幾天。這種方法不僅主觀性大，而且耗時耗力，效果有時也不是很理想。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述背景技術(shù)提出的技術(shù)問題，本發(fā)明旨在提供一種尋找成像系統(tǒng)最優(yōu)工作參數(shù)的系統(tǒng)和方法，解決現(xiàn)有技術(shù)主觀性強(qiáng)、準(zhǔn)確率低以及耗時耗力的問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種尋找成像系統(tǒng)最優(yōu)工作參數(shù)的系統(tǒng)，包括控制模塊、n路驅(qū)動電路、n組電機(jī)、n組精密轉(zhuǎn)動臺、pc機(jī)、光源產(chǎn)生模塊以及至少一個相機(jī)，n路驅(qū)動電路、n組電機(jī)與n組精密轉(zhuǎn)動臺一一對應(yīng)，n為成像系統(tǒng)工作參數(shù)的數(shù)目，相機(jī)與控制模塊分別與pc機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，光源產(chǎn)生模塊的控制端和n路驅(qū)動電路的控制端分別與控制模塊電性連接，n路驅(qū)動電路的輸出端分別與對應(yīng)電機(jī)的控制端電性連接，n組電機(jī)分別帶動對應(yīng)的精密轉(zhuǎn)動臺旋轉(zhuǎn)，通過n組精密控制臺的旋轉(zhuǎn)分別調(diào)節(jié)成像系統(tǒng)的n個工作參數(shù)；所述主控模塊接收pc機(jī)下發(fā)的控制指令，并根據(jù)該控制指令，通過n路驅(qū)動電路和n組電機(jī)驅(qū)動n組精密轉(zhuǎn)動臺的旋轉(zhuǎn)，相機(jī)將不同工作參數(shù)下拍攝的圖像傳送給pc機(jī)，pc機(jī)根據(jù)接收到的圖像數(shù)據(jù)尋找出成像系統(tǒng)的最優(yōu)工作參數(shù)。

進(jìn)一步地，成像系統(tǒng)的工作參數(shù)包括相機(jī)角度、相機(jī)光圈、相機(jī)焦距和光源照射角度。

進(jìn)一步地，該系統(tǒng)還包括電源模塊和觸發(fā)開關(guān)，觸發(fā)開關(guān)采用輕觸自鎖的微動開關(guān)，電源模塊的輸出端經(jīng)觸發(fā)開關(guān)與控制模塊的供電端相連，當(dāng)觸發(fā)開關(guān)閉合，電源模塊為控制模塊供電，系統(tǒng)開始工作。

進(jìn)一步地，該系統(tǒng)還包括分別與控制模塊相連的發(fā)光模塊和發(fā)音模塊，發(fā)光模塊和發(fā)音模塊用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

進(jìn)一步地，所述發(fā)光模塊采用發(fā)光二極管，所述發(fā)音模塊采用蜂鳴器。

進(jìn)一步地，所述驅(qū)動電路的型號為l298，所述電機(jī)的型號為bygh42，所述精密轉(zhuǎn)動臺的型號為ks332-12，所述光源產(chǎn)生模塊采用hf-hx12050環(huán)形光源發(fā)生器。

基于上述系統(tǒng)的成像系統(tǒng)最優(yōu)工作參數(shù)的尋找方法，包括以下步驟：

(1)將成像系統(tǒng)的各工作參數(shù)的運(yùn)動范圍歸一化；

(2)初始化粒子群搜索算法，設(shè)置m個粒子，隨機(jī)設(shè)置粒子在歸一化的各工作參數(shù)的位置，并設(shè)置粒子群搜索算法的最小變化閾值、最大尋優(yōu)次數(shù)和初始粒子運(yùn)動步長的自適應(yīng)最大倍率；

(3)按照設(shè)置的m個粒子位置，pc機(jī)生成控制指令，控制模塊根據(jù)控制指令驅(qū)動n組精密轉(zhuǎn)動臺旋轉(zhuǎn)，從而使成像系統(tǒng)的各工作參數(shù)到達(dá)設(shè)定的位置，并拍攝該位置下的待測對象的圖像，每一個粒子對應(yīng)一張圖像；

(4)對m張圖像進(jìn)行適應(yīng)度評價(jià)，找出當(dāng)前搜索批次中的最優(yōu)粒子和所有搜索批次中的歷史最優(yōu)粒子；

(5)判斷搜索結(jié)束條件，若連續(xù)q個搜索批次的粒子最優(yōu)值小于設(shè)定的最小變化閾值，或者當(dāng)前搜索次數(shù)大于設(shè)定的最大尋優(yōu)次數(shù)，則判斷搜索結(jié)束，轉(zhuǎn)入步驟(7)，否則轉(zhuǎn)入步驟(6)；

(6)對粒子群進(jìn)行更新，然后返回步驟(3)；

(7)輸出最優(yōu)粒子，pc機(jī)按照最優(yōu)粒子生成控制指令，控制模塊根據(jù)控制指令驅(qū)動4組精密轉(zhuǎn)動臺旋轉(zhuǎn)，從而使成像系統(tǒng)的各工作參數(shù)到達(dá)最優(yōu)位置，進(jìn)行拍攝。

進(jìn)一步地，步驟(4)的具體過程如下：

(41)計(jì)算當(dāng)前搜索批次的自適應(yīng)變化適應(yīng)度的倍率：

上式中，am2(i)為第i次搜索的自適應(yīng)變化適應(yīng)度的倍率，am1(i)為第i次搜索的粒子運(yùn)動步長的自適應(yīng)最大倍率，且am1(i)≥1，ttm為最大尋優(yōu)次數(shù)，am1為初始粒子運(yùn)動步長的自適應(yīng)最大倍率；

(42)采用鄰域灰度差分法計(jì)算當(dāng)前搜索批次m張圖像中的每個點(diǎn)與周圍的區(qū)分度之和：

上式中，為第i次搜索中的第j張圖像中的每個點(diǎn)與周圍的區(qū)分度之和，j＝1,2,…,m，(x,y)表示圖像中的像素點(diǎn)坐標(biāo)，d為圖像中像素點(diǎn)的集合，表示第i次搜索中的第j張圖像在(x,y)處的灰度值；

(43)將作為當(dāng)前搜索批次每個粒子的適應(yīng)度，將當(dāng)前搜索批次中適應(yīng)度最小的粒子作為當(dāng)前搜索批次的最優(yōu)粒子，將當(dāng)前搜索批次以前的所有批次中適應(yīng)度最小的粒子作為歷史最優(yōu)粒子。

進(jìn)一步地，在步驟(6)中，按下式更新粒子群：

上式中，為第i搜索批次中第j個粒子的速度，為第i搜索批次中第j個粒子的位置，j＝1,2,…,m，bi為第i搜索批次中的最優(yōu)粒子，bh為歷史最優(yōu)粒子。

進(jìn)一步地，在更新粒子群時，需要對粒子速度進(jìn)行如下限制：

上式中，j為粒子運(yùn)動的最小步長，j的取值為精密轉(zhuǎn)動臺的最小刻度對應(yīng)的歸一化數(shù)值。

采用上述技術(shù)方案帶來的有益效果：

本發(fā)明基于現(xiàn)有的電子技術(shù)和人工智能技術(shù)，采用客觀的評價(jià)清晰度的算法，全自動快速尋找相機(jī)和光源最優(yōu)參數(shù)，結(jié)果不僅客觀精確，而且節(jié)省了勞動力和時間，降低了成本，還提高了下一步圖像處理的準(zhǔn)確率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)組成框圖。

圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)工作示意圖。

圖3是本發(fā)明的方法流程圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1、圖2所示，一種尋找成像系統(tǒng)最優(yōu)工作參數(shù)的系統(tǒng)，硬件部分用于控制相機(jī)、光源等參數(shù)的變化，采集相應(yīng)的對象照片，提供分析的計(jì)算資源。其結(jié)構(gòu)包括電源模塊、觸發(fā)開關(guān)、發(fā)光模塊、發(fā)音模塊、控制模塊、驅(qū)動電路、電機(jī)、精密轉(zhuǎn)動臺、相機(jī)、光源產(chǎn)生模塊和pc機(jī)。本實(shí)施例以1個光源產(chǎn)生模塊與1個相機(jī)組成的成像系統(tǒng)來進(jìn)行說明。

如圖2所示，電源模塊、觸發(fā)開關(guān)、發(fā)光模塊、發(fā)音模塊、控制模塊、驅(qū)動電路集中在一個控制板內(nèi)，該控制板與pc機(jī)溝通，驅(qū)動電機(jī)，帶動精密轉(zhuǎn)動臺的旋轉(zhuǎn)，從而調(diào)節(jié)相機(jī)的光圈、焦距、角度，以及光源的照射角度等參數(shù)。

在本實(shí)施例中，電源模塊用于對整個系統(tǒng)進(jìn)行供電，本實(shí)施例中采用的是220v的交流電源轉(zhuǎn)24v和5v的模塊電源，其中24v為給電機(jī)使用，5v為給電路板使用。觸發(fā)開關(guān)為控制電源打開和關(guān)閉時使用，采用的是輕觸自鎖的微動開關(guān)。發(fā)光模塊用于顯示硬件的工作狀態(tài)，正?；蛘邎?bào)警，采用的是全彩的發(fā)光二極管。發(fā)音模塊用于顯示硬件的工作狀態(tài)，采用的是普通蜂鳴器?？刂破髂K用于接收pc機(jī)的控制指令，控制驅(qū)動電路驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)行，然后帶動精密轉(zhuǎn)動臺的運(yùn)動，從而改變相機(jī)的光圈、焦距、角度，以及光源的照射角度的參數(shù)，它還控制發(fā)音模塊、發(fā)光模塊的工作，采用的是stm32f107芯片。驅(qū)動電路用于根據(jù)控制模塊的指令驅(qū)動電機(jī)的工作，采用的是4路l298的驅(qū)動電路。電機(jī)用于在驅(qū)動電路的驅(qū)動下，帶動精密轉(zhuǎn)動臺，采用的是4個bygh42的高精密步進(jìn)電機(jī)，并且其精度等于精密轉(zhuǎn)動臺。精密轉(zhuǎn)動臺用于在電機(jī)的帶動下，進(jìn)行微小的轉(zhuǎn)動，從而帶動與之連接的相機(jī)的光圈、焦距、角度，以及光源的照射角度的參數(shù)，采用的是4個ks332-12型，最大行程為12mm,精度為0.5um，4個旋轉(zhuǎn)平臺分別對應(yīng)相機(jī)光圈、相機(jī)焦距、相機(jī)角度以及光源角度這4個參數(shù)。相機(jī)用于在電腦的操作下，拍攝需要檢測的對象，采用的是大恒水星1000型1000萬像素的工業(yè)相機(jī)。光源產(chǎn)生模塊用于提供亮度給相機(jī)，配合其工作，采用的是hf-hx12050型環(huán)形光源發(fā)生器。pc機(jī)用于管理控制板的工作，獲得相機(jī)的拍攝結(jié)果，分析和保存相機(jī)拍攝的照片，用智能搜索算法尋找相機(jī)的光圈、焦距、角度以及光源的照射角度的最優(yōu)參數(shù)，記錄這些參數(shù)以備下次同批產(chǎn)品直接使用，采用的是戴爾t5810型圖形工作站。

本發(fā)明還提出了一種成像系統(tǒng)最優(yōu)工作參數(shù)的尋找方法，如圖3所示，包括以下步驟。

步驟1：工作范圍歸一化。把相機(jī)光圈、相機(jī)焦距、相機(jī)角度、光源角度的運(yùn)動范圍全部歸一化，轉(zhuǎn)換到[0～1]之間。

步驟2：粒子群搜索算法初始化。設(shè)置m個粒子，隨機(jī)設(shè)置它們在相機(jī)光圈、相機(jī)焦距、相機(jī)角度、光源角度的[0～1]之間的歸一化的初始化(即第一個)的位置并將這種歸一化的位置與其實(shí)際工作范圍的工作刻度相對應(yīng)。設(shè)置一個最小變化閾值tc，一個最大尋優(yōu)次數(shù)ttm，初始粒子運(yùn)動步長的自適應(yīng)最大倍率am1。這三個參數(shù)可以由人工設(shè)置。

在本實(shí)施例中，粒子數(shù)設(shè)置為20個。中的4個w分別對應(yīng)的位置為相機(jī)光圈、相機(jī)焦距、相機(jī)角度、光源角度。最小變化閾值tc被設(shè)置為1％，即連續(xù)三個量的變化均小于1％，即可以結(jié)束。一個最大尋優(yōu)次數(shù)ttm被設(shè)置為5000次，只要有足夠的時間，這個數(shù)值可以設(shè)置的大些。粒子運(yùn)動步長的自適應(yīng)最大倍率am1設(shè)置為10，即精度從放大10倍開始計(jì)算，比較粗糙些，但是速度會快。粒子運(yùn)動的最小步長j由精密轉(zhuǎn)動臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)決定，本實(shí)施例中的精密轉(zhuǎn)動臺為最大行程為12mm，精度為0.5um，那么24000個運(yùn)動點(diǎn)，最小步長j為0.5um。這樣本實(shí)施例的數(shù)學(xué)任務(wù)也就是一個24000的4次方個數(shù)中尋找最小值的概念。

步驟3：獲得圖像。將成像系統(tǒng)的參數(shù)按照這m個粒子的位置進(jìn)行設(shè)置，即電腦通過發(fā)送信號給控制板，控制板驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)到對應(yīng)的位置，相機(jī)在該位置拍攝待檢對象的圖片，得到圖片，每個粒子的位置即對應(yīng)一張圖片，即可以得到第1批工作下的圖片組如果是第n批粒子，那么就有第n批工作下的圖片組

步驟4：評價(jià)適應(yīng)度。評價(jià)過程如下：

步驟4-1：計(jì)算當(dāng)前搜索批次的自適應(yīng)變化適應(yīng)度的倍率：

上式中，am2(i)為第i次搜索的自適應(yīng)變化適應(yīng)度的倍率，am1(i)為第i次搜索的粒子運(yùn)動步長的自適應(yīng)最大倍率，且am1(i)≥1，ttm為最大尋優(yōu)次數(shù)，am1為初始粒子運(yùn)動步長的自適應(yīng)最大倍率步驟。

步驟4-2：采用鄰域灰度差分法計(jì)算當(dāng)前搜索批次m張圖像中的每個點(diǎn)與周圍的區(qū)分度之和，本實(shí)施例中鄰域灰度差分法采用的是3鄰域的計(jì)算法：

上式中，為第i次搜索中的第j張圖像中的每個點(diǎn)與周圍的區(qū)分度之和，j＝1,2,…,m，(x,y)表示圖像中的像素點(diǎn)坐標(biāo)，d為圖像中像素點(diǎn)的集合，表示第i次搜索中的第j張圖像在(x,y)處的灰度值。

步驟4-3：將鄰域灰度差分法計(jì)算的結(jié)果按照am2(i)進(jìn)行指數(shù)放大，得到這樣做的益處在于，當(dāng)搜索的運(yùn)動步長不斷變小時，不斷接近最優(yōu)目標(biāo)值時，每批的值的結(jié)果之間的差是非常接近，采用變化的am2(i)的倍數(shù)放大差異，可以起到一個放大鏡的作用。將作為當(dāng)前搜索批次每個粒子的適應(yīng)度，將當(dāng)前搜索批次中適應(yīng)度最小的粒子作為當(dāng)前搜索批次的最優(yōu)粒子，將當(dāng)前搜索批次以前的所有批次中適應(yīng)度最小的粒子作為歷史最優(yōu)粒子。

步驟5：判斷搜索結(jié)束條件。若連續(xù)q個搜索批次的粒子最優(yōu)值小于設(shè)定的最小變化閾值，或者當(dāng)前搜索次數(shù)大于設(shè)定的最大尋優(yōu)次數(shù)，則判斷搜索結(jié)束，轉(zhuǎn)入步驟7，否則轉(zhuǎn)入步驟6。

步驟6：按下式更新粒子群：

上式中，為第i搜索批次中第j個粒子的速度，為第i搜索批次中第j個粒子的位置，j＝1,2,…,m，bi為第i搜索批次中的最優(yōu)粒子，bh為歷史最優(yōu)粒子。

另外，為了防止粒子盲目搜索，粒子運(yùn)動步長的自適應(yīng)最大倍率am1(i)控制了最大的運(yùn)動速度，即：

上式中，j為粒子運(yùn)動的最小步長。

更新后返回到步驟3。

步驟7：輸出最優(yōu)粒子，pc機(jī)按照最優(yōu)粒子生成控制指令，控制模塊根據(jù)控制指令驅(qū)動4組精密轉(zhuǎn)動臺旋轉(zhuǎn)，從而使相機(jī)角度、相機(jī)光圈、相機(jī)焦距和光源角度到達(dá)最優(yōu)位置，進(jìn)行拍攝。

以上實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。