选通脉冲照明转让专利
申请号 : CN200510088534.5
文献号 : CN1727983B
文献日 : 2010-09-22
发明人 : P·G·格兰德尼克 , R·韦瑟曼
申请人 : 株式会社三丰
摘要 :
提供了一种通过调节各相应光源的相应光脉冲图形来调节在希望的一致光强度所选通的多个光源中的每一个的相应光强度。在整个选通脉冲持续时间周期上控制所有光源来照明一对象。光脉冲图形可以是用各种方法形成的微选通光脉冲图形。该照明技术可用于保存对象的边光强度曲线的整个形状，并允许精确的边位置测量，不论该对象在图象获取期间是否正在移动。
权利要求 :
1.一种用于获取对象的图象的选通脉冲照明的方法，其特征在于，包括：在获取图象时根据包括一个或多个光脉冲的第一光脉冲图形来操作第一光源，所述第一光脉冲图形具有一个定义在第一光脉冲图形的第一光脉冲的开始和第一光脉冲图形的最后光脉冲的结束之间的整个选通脉冲持续时间周期；和在获取图象时根据第二光脉冲图形来微选通第二光源，所述第二光脉冲图形包括比第一光脉冲图形要多的光脉冲，所述第二光脉冲图形的光脉冲分布在整个选通脉冲持续时间周期的一部分上；在所述获取图象时，所述第一和第二光脉冲图形管理由所述第一和第二光源提供的相应时间平均光强度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，整个选通脉冲持续时间周期上分布着第二光脉冲图形的光脉冲的那一部分是整个选通脉冲持续时间周期的至少75％。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在整个选通脉冲持续时间周期上均匀地分布所述第二光脉冲图形的光脉冲。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于包括多个光脉冲的各相应光脉冲图形，该相应光脉冲图形中的多个光脉冲的每一个提供相同的峰值光强度。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于包括多个光脉冲的各相应光脉冲图形，该相应光脉冲图形中的多个光脉冲的每一个提供相同的照明能量。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，对于包括多个光脉冲的各相应光脉冲图形，该相应光脉冲图形与一相应占空比相对应。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，相应光脉冲图形中的多个光脉冲中的每一个提供预定量的照明能量且各相应光脉冲图形与相应光脉冲频率相对应。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述整个选通脉冲持续时间周期最长为100微秒。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，微选通所述第二光源包括：
当获取所述图象时，将第二光脉冲图形的光脉冲施加至所述第二光源以在一致的第一输出级和一致的第二输出级之间驱动光源，选择第二光脉冲图形的脉冲持续时间和脉冲个数以便管理由所述第二光源提供的相应时间平均光强度，并且在整个选通脉冲持续时间周期均匀地分布所述脉冲。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
在所述工件相对于所述照相机移动的同时获取所述工件的图象作为多个像素的一组图象光强度值；和处理所述图象，以在确定与图象中的工件边相应的图象光强度值斜度的位置的基础上来确定图象中至少一个工件边的位置。
说明书 :
技术领域
本发明涉及选通脉冲照明。
背景技术
成像系统广泛地用于在工件经过制作处理时检查它们。诸如机器视觉检查系统之类的设备经常用例如照相器来拍摄工件的图象并对拍摄的图象进行处理以通过识别图象中相关特征的边缘来验证各种工件的尺寸。
在图象数据的阵列中检测到的边缘的位置高度依赖于图象拍摄过程中工件的照明。由工件的不正确的照明引起的特定照明投影可以产生边伪像或边偏移。为了提高生产力，甚至在图象拍摄期间工件也常常保持移动。这给照明系统增加了使由移动引起的模糊最小化的负担。这些因素常常限制了可以将特征的边缘定位在图象中的准确度和/或拍摄期间可以忍受的速度。因此，非常希望改进工件的照明技术。
在图象数据的阵列中检测到的边缘的位置高度依赖于图象拍摄过程中工件的照明。由工件的不正确的照明引起的特定照明投影可以产生边伪像或边偏移。为了提高生产力，甚至在图象拍摄期间工件也常常保持移动。这给照明系统增加了使由移动引起的模糊最小化的负担。这些因素常常限制了可以将特征的边缘定位在图象中的准确度和/或拍摄期间可以忍受的速度。因此，非常希望改进工件的照明技术。
发明内容
选通脉冲照明可以用于将图象拍摄期间工件的移动所引起的模糊最小化。短选通脉冲持续时间产生一个工件移动“凝固”效果且照明机可以例如每一选通脉冲拍摄一幅图象。可以让照明工件的光源以它们最大的允许强度工作以使照相机CCD积分次数，或至少由照明所确定的有效图象曝光次数最小化。然而，通常不是所有照明系统的光源都能以它们的最大强度工作，因为所上所述，工件的不正确的照明可以产生边伪像或边偏移。工件的不正确照明可包括来自用于照明工件的各种光源的光强度的不正确混合。因此，必须维持光强度的正确混合以减少(如果不消除的话)伪像。
不幸的是，光源以小于它们的最大强度工作会带来不希望的光源行为。例如，以0和最大强度中间的特定强度来选通脉冲光源很困难。另外，诸如发出的频谱之类的其它光源特征会根据它们的工作强度而改变。与检查系统一起使用的光学系统常具有一个显著的频率敏感度，特别是有关一些精密机器视觉检查系统的额定精度。因此，频谱输出的变化会引起不希望的伪像、成像错误和/或测量错误。
另外，由选通脉冲照明完成的工件移动“凝固”在工件移动速度越高及选通脉冲持续时间越长时就越不理想。这在要以子像素精确度的精确水平确定在图象中边位置时特别重要。另外，在许多应用中，希望得到尽可能靠近相对成像系统不移动的工件的图象获得的选通脉冲图象相同的边位置测量结果。因此，设定一个实际选通脉冲的最短持续时间和向越来越高的工件速度的趋势，希望以可能补偿由选通脉冲的图象中的任何残留模糊引起的任何残留边缘偏移的方式实施选通脉冲照明。
考虑到这些环境，提供了一种工件照明技术，通过调节两个可控强度之间选通的相应的光源(选通开和关状态之间的光源)的光脉冲图形来调节相应光源的相应时间平均光强度。
根据本发明的一个方面，在整个脉冲选通时间周期内控制所有的光源以统一的方式照明工件。为了在整个脉冲选通时间周期内实现各种光源的时间平均光强度的正确混合，通过控制每一相应光源的相应时间平均光强度的微选通来控制光源的光强度。
根据本发明的又一方面，通过设置一个相应的微选通光脉冲图形来控制相应光源的时间平均光强度。
根据本发明的又一方面，在整个选通脉冲时间周期中每一相应光源的微选通光脉冲图形是一致的。
根据本发明的又一方面，通过设置一个相应的微选通占空比来设置微选通光脉冲图形。
根据本发明的又一方面，通过设置与规定脉冲持续时间一起使用的相应的微选择重复率来设置微选通光脉冲图形。
根据本发明的另一方面，在图象曝光期间，希望相应的时间平均光强度来自各种光源中的每一个。通过使用相应的最大强度光脉冲图形来操作希望产生最高相应时间平均光强度的相应光源来管理选通脉冲持续时间周期。然后分别用较低强度光脉冲图形来操作其它各光源，以在同一选通脉冲持续时间周期上提供它们相应希望的时间平均光强度。
根据本发明的又一方面，各光源的时间平均光强度在同一选通脉冲持续时间周期内大致不变。
根据本发明的另一方面，在图象曝光期间，希望相应的整个照明能量来自各种光源中的每一个。通过使用相应的最大强度光脉冲图形来操作希望产生最高相应时间平均光强度的相应光源来管理最小选通脉冲持续时间周期。然后分别以较低强度光脉冲图形来操作其它各光源，以在同一选通脉冲持续时间周期上分配它们相应总的照明能量。
根据本发明的又一方面，在整个与之相同的选通脉冲持续时间周期内以相应一致的方式分配每一相应光源的总照明能量。
根据本发明的另一方面，为了补偿与一图象相关联的锁定位置值将等于选通脉冲持续时间周期的一部分的时间与选通图象期间的运行的工件速度一起使用。将锁定的位置值与该图象中模糊的边位置一起用于确定工件上相应边的整个测量的坐标值。
不幸的是，光源以小于它们的最大强度工作会带来不希望的光源行为。例如，以0和最大强度中间的特定强度来选通脉冲光源很困难。另外，诸如发出的频谱之类的其它光源特征会根据它们的工作强度而改变。与检查系统一起使用的光学系统常具有一个显著的频率敏感度，特别是有关一些精密机器视觉检查系统的额定精度。因此，频谱输出的变化会引起不希望的伪像、成像错误和/或测量错误。
另外，由选通脉冲照明完成的工件移动“凝固”在工件移动速度越高及选通脉冲持续时间越长时就越不理想。这在要以子像素精确度的精确水平确定在图象中边位置时特别重要。另外，在许多应用中，希望得到尽可能靠近相对成像系统不移动的工件的图象获得的选通脉冲图象相同的边位置测量结果。因此，设定一个实际选通脉冲的最短持续时间和向越来越高的工件速度的趋势，希望以可能补偿由选通脉冲的图象中的任何残留模糊引起的任何残留边缘偏移的方式实施选通脉冲照明。
考虑到这些环境，提供了一种工件照明技术，通过调节两个可控强度之间选通的相应的光源(选通开和关状态之间的光源)的光脉冲图形来调节相应光源的相应时间平均光强度。
根据本发明的一个方面，在整个脉冲选通时间周期内控制所有的光源以统一的方式照明工件。为了在整个脉冲选通时间周期内实现各种光源的时间平均光强度的正确混合，通过控制每一相应光源的相应时间平均光强度的微选通来控制光源的光强度。
根据本发明的又一方面，通过设置一个相应的微选通光脉冲图形来控制相应光源的时间平均光强度。
根据本发明的又一方面，在整个选通脉冲时间周期中每一相应光源的微选通光脉冲图形是一致的。
根据本发明的又一方面，通过设置一个相应的微选通占空比来设置微选通光脉冲图形。
根据本发明的又一方面，通过设置与规定脉冲持续时间一起使用的相应的微选择重复率来设置微选通光脉冲图形。
根据本发明的另一方面，在图象曝光期间，希望相应的时间平均光强度来自各种光源中的每一个。通过使用相应的最大强度光脉冲图形来操作希望产生最高相应时间平均光强度的相应光源来管理选通脉冲持续时间周期。然后分别用较低强度光脉冲图形来操作其它各光源，以在同一选通脉冲持续时间周期上提供它们相应希望的时间平均光强度。
根据本发明的又一方面，各光源的时间平均光强度在同一选通脉冲持续时间周期内大致不变。
根据本发明的另一方面，在图象曝光期间，希望相应的整个照明能量来自各种光源中的每一个。通过使用相应的最大强度光脉冲图形来操作希望产生最高相应时间平均光强度的相应光源来管理最小选通脉冲持续时间周期。然后分别以较低强度光脉冲图形来操作其它各光源，以在同一选通脉冲持续时间周期上分配它们相应总的照明能量。
根据本发明的又一方面，在整个与之相同的选通脉冲持续时间周期内以相应一致的方式分配每一相应光源的总照明能量。
根据本发明的另一方面，为了补偿与一图象相关联的锁定位置值将等于选通脉冲持续时间周期的一部分的时间与选通图象期间的运行的工件速度一起使用。将锁定的位置值与该图象中模糊的边位置一起用于确定工件上相应边的整个测量的坐标值。
附图说明
下面参照附图详细说明各种示例实施例，其中：
图1示出一照明系统的示例图；
图2示出用光电检测器看示例工件的顶视图和相应的光强度曲线；
图3-5示出工件移动的模糊效果；
图6-8示出一示例选通脉冲照明；
图9-12示出一种用于为了设置相互相关的光源的时间平均光强度而调节光选通脉冲时间的相对持续时间的技术；
图13-16示出一处为光源的选通脉冲次数定中心技术以提高边缘检测的准确度；
图17-20示出提高边缘检测的准确度的微选通光源；
图21示出包含微选通的视觉系统的示例图；
图22示出图21所示的照明同步和定时单元的详细示例图；
图23为用于建立和执行包含微选通操作的自动视频图象拍摄和检查处理的示例流程图；和
图24为用于包含一微选通处理的工件成像次序的示例流程图。
图1示出一照明系统的示例图；
图2示出用光电检测器看示例工件的顶视图和相应的光强度曲线；
图3-5示出工件移动的模糊效果；
图6-8示出一示例选通脉冲照明；
图9-12示出一种用于为了设置相互相关的光源的时间平均光强度而调节光选通脉冲时间的相对持续时间的技术；
图13-16示出一处为光源的选通脉冲次数定中心技术以提高边缘检测的准确度；
图17-20示出提高边缘检测的准确度的微选通光源；
图21示出包含微选通的视觉系统的示例图；
图22示出图21所示的照明同步和定时单元的详细示例图；
图23为用于建立和执行包含微选通操作的自动视频图象拍摄和检查处理的示例流程图；和
图24为用于包含一微选通处理的工件成像次序的示例流程图。
具体实施方式
可以将微选通应用于任何机器视觉照明系统以实现希望的、准确度提高的照明特征。例如，图1示出应用微选通技术的示例照明系统。将工件140放置在诸如透明台102之类的移动机构上。透明台102可包括X-Y台的透明部分、透明传送带等。台灯150、环形灯110和同轴灯130与半镀银的旋转镜120一起照明工件140。诸如丹麦哥本哈根的JAI制造的CV-A1-20C CD照相机之类的光电检测器100拍摄从工件140反射的光形成一种像素的阵列形式的图象，例如可以对该图象进行处理以验证和检查工件140的相关特征。为了说明，在图1中沿x轴示出了工件相关照明和成像元件的标称动力方向104。
图2示出工件140的侧视图141和顶视图142。在此图中顶视图142示出由工件140沿不透明梯形块的宽的顶角所形成的至少两条边144和146。在此例中，通过工件140的顶面和成角侧面将由环形灯110和同轴灯130产生的光反射，或漫射向着光电检测器100，同时工件140阻挡台灯150所发出的光。由光电检测器100检测到的光强度具有一个沿将边144和146显示为光强度级A和B之间的强度级的x轴方向上的标称的光强度曲线148。例如，如果光电检测器100为具有沿图2所示的x轴方向和移动方向104的行的CCD阵列，则对位于边144左边和边146的右边的区域成像的像素接收比边144和146之间的区域成像的像素低的光强度。
如上所述，在图象拍摄期间台102将工件140沿移动方向104移动使光电检测器100接收到与光强度曲线148不同的光强度曲线。在台102移动期间，边144和146扫过光电检测器100引起模糊影响。图3-5示出一个由有效曝光时间期间的移动引起的边144的图象的示例模糊影响。图5示出以恒定速度沿曝光时间增量n+1至n+41之间的x轴移动的工件140。然而，为了讨论使用了时间和空间增量。为了便于讨论，工件140沿x轴的增量的移动距离对应于光电检测器100(例如光电检测器100包括像素的二维阵列)的一个像素。图5示出与时间增量n+1，n+11，n+21和n+41相对应的工件40的位置。
图4示出对各时间增量n+1，n+11，...n+41相对应的图2的光强度曲线148的左边。因此，如果光电检测器100在n+1和n+41时间增量之间的曝光时间间隔(积分时间)上对光积分，边144沿x轴移动距离Δx引起模糊。
图3示出由光电检测器100的指定相邻像素p1-p51输出的光积累或积分值。光电检测器100累积由入射光所产生的电荷。因此，光积累由像素中累积的电荷量表示。光电检测器在积分时间的开始复位且检测到作为光量指示的积累(累计)电荷。因此，图3中的图表示各像素的光积累或积分值。所述值也称为光电检测器像素光强度值，光积累值或灰度值。
在时间n+1时，指定像素p1开始接收从工件140的顶面反射的光强度B。然而，由于移动光强度立即降至光强度A。在余下的光电检测器积分时间照明像素p1的光强度维持在A，导致一个可由约40A的相对值表示的累积像素光强度。
在像素p11上，在时间增量n+1至时间增量n+11之间光强度维持在B，而其后降到A。因此，在像素p11上累积的像素光强度值可以由约10B+30A的相对值表示。在像素p21上，在前20次时间增量n+1至时间增量n+21光强度维持在B，而其后降到A。因此，在像素p21上的光积累值可以由约20B+20A的相对值表示。出于像素p11和p21方面上述讨论的类似的原因，像素31具有约30B+10A的相对光积累值而像素41具有约40B的相对光积累值。
像素51上的光积累值与像素41的相同，因为对于光电检测器100的整个积分时间光强度值都保持在B。因此，它散布在像素p1-p41上而不是边144在像素p1和p11之间形成一个级。根据这一简单的例子，在这些像素中累积的光量形成一条固定斜率的线(假定工件140以恒定速度移动)。因此，捕获由图2中理想光强度级表示的清晰的边作为图3中像素p1和p41之间的增加的光积累值所表示的模糊的边。
如上所述，工件速度越高且选通脉冲持续时间越长则由选通脉冲照明所实现工件移动“凝固”就越不完美。相反，可以通过更快的选通脉冲照明或更慢的工件速度提高工件移动凝固，籍此通过减少受边移动影响的像素来使诸如边144之类清晰的边从而更准确地在图象中定位。然而，应理解在各种精密机器视觉检查系统中通常通过已知的子像素内插法用比一个像素的1/10强且常常在一个像素的1/100量级的可再现性定位图象边。因此，即使在将模糊限制在小于一个像素的范围内时，由于有效曝光时间期间工件的移动所引起的相邻像素的灰度值的微小变化图象边缘被“模糊”和/或不正确地定位在子像素级。在一些应用中，至少10毫米/秒的工件速度是所希望的。在这样一个例子中，为了提供最多为1微米的相应的模糊，至多100微秒的总选通脉冲持续时间周期是所希望的。当然，为了提高速度或减少模糊量，希望有尽可能短的总选通脉冲持续时间周期。
图6-8示出一个不希望的选通脉冲照明例子，其中为了提供给出合适的图象所需的光强度的混合而调节各种光源的幅度或额定输出光强度。示出了5个相应的选通脉冲例M+1至M+5，其中各选通脉冲具有选通脉冲持续时间周期T。每一个相应的选通脉冲例都适于相应图象的曝光。假定选通脉冲照明强度大大高于任何背景照明强度，选通脉冲持续时间周期T建立相关图象的有效曝光时间，如果它小于光电检测器100的积分时间。
为了在可能的最短的曝光时间内提供光电检测器100所需的足够的光，将所有光源的光强度设置在符合正确测量边缘特征所需的光强度混合要求的最高水平。对于此例，在整个选通脉冲持续时间周期T将环形灯110的光强度设置在100％；将同轴灯130设定在75％的光强度而将台灯150设置在50％的光强度。因此，如图6-8所示，对选通脉冲例M+1至M+5中每一个，环形灯、同轴灯和台灯110、130和150的光强度分别在100％、75％和50％。
如前所述，在不同光强度级工作的同轴灯130和台灯150在控制这些灯来可预测地和/或持续地产生相同频率和希望的照明强度时呈现了各种困难。因此，与图6-8相反，最好以100％的强度工作，或至少以持续固定的强度工作，并减少同轴和台灯130和150在光电检测器100的积分时间内的净时间量并依靠光电检测器100的光散射和时间平均特征来在结果图象中获得所希望的相应的时间平均光强度级。因此，在图9-11所示的例子中，对于选通脉冲例M+1至M+5中任何一个，对选通脉冲持续时间周期T将环形灯110开到100％光强度，在选通脉冲持续时间周期T内产生一个为其最大时间平均光强度的100％的时间平均光强度；对为选通脉冲持续时间周期T的75％的持续时间t2将同轴灯130开到100％光强度，在选通脉冲持续时间周期T内产生一个为其最大时间平均光强度的75％的时间平均光强度；并对为选通脉冲持续时间周期T的50％的持续时间t1将台灯150开到100％光强度，在选通脉冲持续时间周期T内产生一个为其最大时间平均光强度的50％的时间平均光强度。
此选择程序对光电检测器100的指定像素p1-p10的光积累值的影响在图12中示出。前述边144开始大致在像素p1的位置并以与图3-5中所示的例子相似的方式在整个选通脉冲持续时间周期T以恒定的速度移动。在时间增量n+1和n+6之间，将所有光源110、130和150设定成100％光强度。因此，像素p1-p5显示一连串与图3所示类似的增加的光积累值。光积累值沿斜率为S1的线从像素p1至像素p5线性增加。在时间增量n+6之后，台灯150关闭，因为在选通脉冲持续时间周期T内只要求来自台灯150的最大可用时间平均光强度的50％，以提供相同的相应的总照明能量，或如与图8相应的曝光能量。增量n+6和n+9之间的照明仅仅由环形灯110和同轴灯130提供，且到达光电检测器100的总光强度小于时间增量n+6之前的光强度。因此，当边144扫过像素p6、p7及p8的一半时，光积累的速度变小，因为这些像素及它们相应的光积累值逼近具有小于S1的斜率S2的线。为了提供相应的总照明能量，或如与图8相应的曝光能量在时间增量n+9之前关闭同轴灯130以提供来自该灯的最大可用时间平均光强度的75％。因此，在约n+9和n+11之间的时间增量期间像素p9和p10的光积累值形成一根具有小于S2的斜率S3的线。
因此，该选通技术通常提高光源照明特征(同轴灯130和台灯150)的可控性，而与图3-5所示的模拟例相反，边144所扫过的像素的像素值形成一个像素值(光积累值)的非线性行进。该例显示通常当在图象曝光期间在不相等的时间段选通多个光源时，所获得的边光强度曲线不仅会显示一个模糊，还会显示一个为不相等的选通时间段的纯伪像的变形(和一个相应的边位置错误)。与上述讨论相似，即使模糊限制在小于一个像素的范围内，在精密机器视觉检查系统中，由于相邻像素的相对灰度值中的模拟照明感生变形，子像素内插处理将不正确地定义图象边位置。
通常，工件会大于机器视觉系统的视野。因此，通过将边102或与光电检测器相关的工件140的巨观位置测量结果与光电检测器100捕捉到的图象帧中的特征的位置确定相结合来确定特征坐标或位置测量结果(例如边测量结果)。通常由监控台102和光电检测器100之间的相对位移的编码器来提供巨观位置测量。如前所述，在许多应用中希望得到尽可能靠近与会从相对成像系统不移动的工件的图象获得的选通脉冲图象相同的边位置测量结果。
例如，在一训练模式中建立和/或证明许多自动机器视觉系统检测程序，在模式中，使机器视觉系统经历各种程序步骤并通过操作员(器)将台停在各个希望的图象获取位置来获取和/或验证检查图象。在这些情况下，为了提供希望的可比较的测量结果，理想的是在以高速自动模式执行程序并用移动台来获取图象时，会获得该标称上相同的测量结果。这可以在已知台的速度及编码器的巨观位置的锁定与图象曝光的标称表示时间之间的时间差是已知时用提高的准确度来实现。
例如，从图3所示的理想边例子看出，在曝光时间期间，前述边最初大致在像素p1的位置并在曝光期间匀速移动至大约像素p41的位置而结束。对于这一理想的边例子，边在与图3相应的图象中的边的位置的最佳估计可以是在模糊的边光强度曲线的中点，即大约在像素p21。假定：
1)像素的中点具有一个X坐标值Xp21；
2)选通脉冲持续时间周期(即对应于X模糊的时间跨度)为T。
此假定与参照图13-16使用的选通脉冲持续时间周期T的符号一致；和
3)相应图象曝光的标称表示时间是选通脉冲持续时间周期的中点，在T/2。
如果将相对位置编码器值Xe锁定在选通脉冲持续时间周期T的开始，则边的移动补偿测量坐标可以由以下公式确定：
X＝Xe+Xp21-(V*0.5*T)
其中V为工件140移动的速度。
根据与图2所示的理想边光强度曲线的以上例子及图3所示的相应模糊的理想边光强度曲线相比，实际的边光强度曲线常常近似于跨越少数或几个像素的S形曲线，且该曲线大约在跨距的中心具有S形曲线的最大斜率或最大斜度。常常将图象模糊方便地限制在小于几个像素或子像素的水平。在该情况下，用合适的选通脉冲照明所得到的模糊边光强度曲线将会是具有延伸的跨距和约在延伸的跨距中心的最大斜率或斜度的S形曲线。
许多已知边检测算法通过沿边光强度曲线确定最大斜度的位置(例如：苏贝尔算子算法等)，和/或通过确定超过根据参考工件的特征预定或“知道的”阈值并且也可满足其它“知道的”标准的斜率的位置，来以子像素级确定边位置。将等式(1)和相关的说明应用于这些情况中是有效的。对于这些情况，等式(1)提供一个约等于会被提供完全凝固的不模糊图象或无移动获得的图象的边位置测量值。
上述处理的准确度取决于大致维持不模糊边光强度曲线的形状的模糊边光强度曲线，这样基于斜率的边检测算法仍会将边位置确定在模糊图象的大致跨距中点。更通常来说，如果即使在模糊图象中维持了更多复杂不模糊的边光强度曲线，基于斜率的边检测算法会趋向于大致在沿边光强度曲线的跨度的相同比例的或标准化的位置来检测边，不论它是模糊的或是清楚的。这通常要求图象模糊的持续时间比不模糊的边光强度曲线的跨距短，否则不论其原来的形状如何在边光强度曲线中的模糊都趋向于线性。
在该情况下，用合适的图象处理，可以在述训练模式期间获得的不模糊图象中确定检测到的沿边光强度曲线的长度的边位置的比例位置并将其记录在与该边的测量操作的边测量相关联的自动检查程序中。然后，在自动执行检查程序期间，可以将相同的比例用于代替等式(1)中的因数0.5并会得到合适的移动补偿测量结果。当然，即使图象模糊的持续时间比不模糊的边光强度曲线的跨距短，各种光源之间的不正确选通脉冲定时关系也会人为地使模糊边光强度曲线变形，如前面图9-12的说明中为光源110、130和150所示出的。
图13-16示出一种光选通脉冲设置，其中各光源110、130和150的选通脉冲标称地以整个选通脉冲持续时间周期T的中点为中心。获得的像素p1-p10的光积累值形成五个线段，其中第一个线段的斜率为S3，第二个线段的斜率为S2，第三个线段的斜率为S1，第早个线段的斜率为S2而第五个线段的斜率为S3。S1大于S2或S3。因此，为S形曲线的不模糊的边光强度曲线在使用该选通脉冲技术时会保持S形曲线，并在使用以上等式(1)及相关联的说明时会返回到一个合适的移动补偿测量结果。然而，该选通脉冲技术会使更不规则的边光强度曲线变形，并会产生从相应的模糊图象得到的错误测量结果。
不论使用任何以上技术，因为不同的光源由于不同的投影效果通常会显示一条在图象中的稍微不同的位置边，当在图象曝光期间个别地关掉任何光源时通常会在模糊的图象中出现另外的边偏移效果。该效果会进一步使边光强度曲线及明显的边位置变形。
通过微选通各种光源可以大大减少由任何或所有前述效果引起的边位置错误，如图17-20所示的例子所示，其中边144开始大致在像素p1的位置并以与图3-5中所示的例子相似的方式在整个选通脉冲持续时间周期T以恒定的速度移动。与图13相似，图17示出在整个选通脉冲持续时间周期T上以100％光强度选通的环形灯110，在选通脉冲持续时间周期T上产生为其最大时间平均光强度的100％的时间平均光强度。连续以选通脉冲持续时间周期T的75％和50％的光强度而非100％的光强度选通同轴灯130和台灯150，如图18和19所示在整个选通脉冲持续时间周期T上分别以具有75％和50％的占空比的100％的光强度微选通这些灯130、150，产生在选通脉冲持续时间周期T上为它们相应最大时间平均光强度的75％和50％的相应的平均时间光强度。因此，同轴灯130和台灯150较均匀地在积分时间T上用一致的光脉冲图形照明工件140使模糊边光强度曲线保持不变形。
例如，由像素p1-p10示出的模糊边光强度曲线形成一个具有如图20所示的斜率S的理想线性行进，这是为图2所示的理想不模糊边光强度曲线148预计的模糊边光强度曲线。更通常来说，用该微选通技术，对S形边光强度曲线甚至是更复杂的边光强度曲线，不模糊的边光强度曲线的形状维持在模糊图象中，且基于斜率的边检测算法会趋向于大致在沿边光强度曲线的跨度的相同比例的或标称的位置检测边，不论它是模糊的或是清楚的，如前面对合适地照明的选通图象所述的，允许更多可重复的准确的移动补偿边位置测量结果。
微选通同轴灯130和台灯150的频率可以是照明硬件特征和控制要求所允许的最高频率。最好设定微选通频率使整个开关周期跨越的时间相应于小于工件140的移动的一个像素持续时间。这样，所有的像素从各光源110、130和150接收一个光积累的平均值。
以上例子假定对光电检测器100的整个积分时间以100％光强度选通环形灯110，因为假定希望的光强度混合要求的环形灯110具有最长周期的最高光强度。光强度混合可以根据任何特定的工件和/或光源配置变化。另外，虽然以上所示的微选通是在整个积分持续时间内均匀分布的，且相应的光源的相应光脉冲提供等量的照明能量，该分布并不是必要条件。更通常来说，微选通的分布只需要足够均匀以获得希望级的边检测精确度和耐久性。例如，虽然不是首选的，可以在小到75％的整个选通脉冲持续时间周期上分布光源的微选通脉冲的分布，且对于较不精确的应用仍可以提供前述优点的充分测量。另外，更通常来说，如上所述，可以通过设定相应的微选通占空比，通过设定和规定脉冲持续时间一起使用的相应的微选通重复率，或通过任何配置光脉冲图形以在整个选通脉冲持续时间周期提供时间平均的光强度和/或总照明能量的希望的量级和一致性的其它方法来控制相应光源的相应的微选通光脉冲图形。
图21示出包含上述微选通技术的示例系统500(例如：机器视觉检查系统)。系统500可包括个人电脑(PC)200、照明同步和定时单元(LSTU)220、帧接收器240、移动控制器260、照相机280、台302、环形灯300、台灯320和具有一个半镀银的旋转镜360的同轴灯340。环形灯300可以形成为单个可控扇形灯的组合。然而，为了便于讨论，将环形灯300视作单个可控灯。可以将诸如工件380之类的工件设置在台302的特定位置上。通过检测台302和/或工件的巨观位置，系统500可以准确地确定何时开始拍摄图象来进行检查操作。
操作员可以通过一个PC200输入诸如工件位置、光源强度混合之类的控制参数以手工地、半自动地或自动地检查一个或多个工件。下列表1中示出可以输入的参数类型的一个例子。可提供诸如工件图象获取位置、台速度、放大率、积分时间、有效曝光时间、选通脉冲持续时间周期、光强度、微选通频率、每一工件图象的每一光源的选通脉冲的总数等参数。表1中的参数仅仅是例子，在特定情形下，与不同设备设计兼容需要更多，或更少，或不同的参数。例如，可以由灯控制器硬件确定微选通的频率并根据各种光源的特性将其设定为特定频率。控制参数可以由将操作员一样本工件放置到台302上并确定最佳位置，放大率，照明等，通过这些进行图象拍摄，以取得最佳效果。操作员可以用各种参数组合来对一个样本工件成像并观察照相机280所拍摄的图象，并估计边是否合适地被确定了。在得到可操作参数组之后，操作员可以输入这些参数值作为编程的控制参数。
表1
PC200可以处理在训练模式的静态成像条件期间获得的由操作员建立的控制参数，并将它们转变成用于在自动检查模式的连续运动条件期间拍摄动态图象的合适的控制命令。例如，可以在训练模式期间由操作员建立要由各光源提供的连续的图象获取位置和相关联的总照明能量，然后可以通过PC200中的合适的处理和/或分析来最优化测量结果路径、速度、选通脉冲持续时间周期和占空比，以在自动检查程序执行期间产生最高吞吐量、或最佳准确度等。一旦生成了要在自动检查程序中使用的动态图象拍摄控制命令，就可以将该控制命令(和控制参数)存储在存储器210以便将来检索和使用。
在处理了来自存储器210的控制参数和/或检索控制命令之后，PC200将图象获取位置参数、相关联的光控制命令信息及任何其它合适的信息下载至LSTU220并控制其它系统部件来执行一个检查处理。在各种应用中，为了以足够的准确度和沿着高速运动通路的理想位置上同步控制多个光源的高速光脉冲图形，使用专用的处理和LSTU220的确定性的定时是理想的。例如，在从LSTU220接收位置信息后移动控制器260接收台速度信息和命令台302以移动工件380。LSTU220从PC 200接收控制命令并将其处理成具体数据来控制一个图象拍摄操作。例如，LSTU 220可以初始化光源300、320和340的控制器，或将从控制命令提取的位置信息发送至移动控制器260。
当从LSTU 220接收到位置参数时，移动控制器260开始移动工件380并在工件的位置到达特定图象获取位置时产生一个触发信号。例如，当帧接收器240产生一个可包括编码成脉冲持续时间的积分时间的复位信号时，接收到来自移动控制器260的触发信号且该帧接收器将该复位信号发送至LSTU 220和照相机280。当接收到复位信号时，照相机280通过清除例如任何残留的电荷并设置积分时间来初始化诸如CCD阵列之类的光电检测器。在完成初始化处理后，照相机280将一使能信号发送至LSTU 220来使能图象拍摄周期工作。
当接收到该使能信号时，LSTU220开始在光电检测器积分时间(来自复位信号)期间的一个选通脉冲持续时间周期微选通光源300、320和340光源并使来自移动控制器260的解码器位置值锁定在相关时间。当该积分时间完成时，照相机280将一视频信号输出至从照相机280接收所有象素值的帧接收器240和输出一帧至PC 220用于由图象处理电路205处理，如前所述该处理可包括移动感生图象模糊效果的补偿。然后LSTU 220产生另一位置信号给移动控制器260来启动另一图象拍摄周期。重复该图象拍摄周期直到完成各工件的所有检查图象帧或LSTU 220发出一个与下一工件相对应的下一位置信号(如果有的话)。
图22示出LSTU 220的一个示例方框图，该LSTU 220包括LSTU处理器/包括一个高速时钟的控制器400(未示出)，LSTU存储器402和环形、同轴和台灯控制器404、406和408。LSTU控制器400可以是数字式信号处理器、特定用途集成电路(ASIC)或其它执行要求的处理的微处理器。LSTU控制器400从PC 200接收处理控制参数并将这些参数转换成用于各灯控制器404-408的特定操作命令和移动控制器260的位置参数。
可以将各灯控制器404、406和408硬接线至特定的微选通频率。如果是这样，LSTU控制器400可以输出一个占空比控制信号和一个开关信号来控制各光源300、320和340的微选通。各灯控制器404、406和408可以是硬接线以提供特定的微选通脉冲持续时间。如果是这样，LSTU控制器400可以输出一重复率信号来控制在整个选通脉冲持续时间周期内(即，在有效图象曝光时间内)由各光源300、320和340输出的微选通脉冲数。如果灯控制器404、406和408是诸如驱动器之类的简单器件，则LSTU控制器400可以在合适的频率和占空比等产生开关信号以直接控制光源300、320和340。
可以由LSTU控制器400将从PC 200接收到的控制命令存储至LSTU存储器402备用。LSTU存储器402k可包含从PC 200加载的许多不同组控制命令，从而PC 200可以仅仅提供一索引号来将LSTU控制器400引导至已存储在LSTU存储器402中的所希望的一组控制命令。
如上所述，从帧接收器240接收到的复位信号可包括特定积分时间的信息且LSTU控制器410可以将其存储在LSTU存储器402中。在从帧接收器240接收到该复位信号后，LSTU控制器400可以初始化所有所需的光源控制器使得可以在从照相机280接收到使能信号时开始微选通操作。
LSTU控制器400从控制命令中提取与所需的各选通脉冲相应的位置信息。当准备开始下一微选通周期时，LSTU控制器400将下一位置参数发送至移动控制器260以产生下一触发信号来开始微选通处理。来自PC 200的控制命令还可包括多个应检查的工件及它们的位置。因此，LSTU控制器400可以将此信息存储在LSTU存储器402中用于检索以控制微选通处理。
图23是用于产生和执行自动视频图象拍摄和包括了前述微选通操作的检查处理的方法的示例流程图。在步骤1000中，接收到操作员输出且处理进到1002。在步骤1002中，处理确定接收到的操作员输入是否包括全新的控制参数。如果它们包括新的控制参数，处理进入步骤1008；否则，处理进入步骤1004。在步骤1008中，处理将新的控制参数转换成适于在自动检查操作期间获取动态图象的控制命令。
如上所述，由操作者输入的控制参数可以是基于静态条件并需要转换成工件移动的动态条件。可以确定与工件移动的速度、要拍摄的视频图象或帧的数量、积分持续时间、整个选通脉冲持续时间周期、来自可用光源的合适的光强度混合等有关的决定，并且可以产生基于这些决定的控制命令并将它们以可操作和序列的形式存储，以进行要求的工件检查。在将控制参数转换至合适的控制命令和以可操作的形式和序列并存储它们，处理进到步骤1010。
在步骤1004中，该处理确定操作员是否请求检索和修改现有的控制参数。如果请求了现有控制参数的修改，则处理进入步骤1008；否则，处理进入步骤1006。在步骤1006中，该处理从存储器检索控制命令，根据操作员的输入将它们以可操作的形式和序列存储，处理进到步骤1010。
在步骤1010中，该处理将新转换的控制命令或从存储器检索到的以它们的可操作和序列的形式(例如在部分程序的形式)存储的控制命令加载至执行图象拍摄的各种操作单元。例如，可以将关于微选通以实现希望的光强度混合的控制命令，位于应执行微选通的位置的工件位置和待拍摄视频图象数加载至一LSTU中以备一连串图象拍摄操作。另外，可以将积分时间加载至诸如照相机之类的光电检测器和LSTU中使得该光电检测器和LSTU可以同步地执行它们的操作。在将控制命令加载至操作单元后，处理进入步骤1012。
在步骤1012中，通过采用微选通技术拍摄工件的检查图象且处理进入步骤1014。在步骤1014中，对拍摄到的图象进行处理以识别工件的边特征并为了检查确定它们的坐标，且处理进入步骤1016。在步骤1016中，该处理确定是否检查了所有请求的工件(例如在一批或一盘工件中)。如果检查了所有的工件，处理进入步骤1018并结束；否则，处理返回步骤1012并对下一工件重复处理。
图24为可用于拍摄一组用于当前工件的检查图象的微选通图象获取处理的示例流程图。在步骤1100中，该处理产生用于相应光源的相应的光源命令，例如，以用于选通脉冲持续时间周期的命令参数、占空比和微选通频率的形式或任何其它可用于为要用于当前检查图象的各光源建立希望的微选通光脉冲图形的形式，处理进入步骤1102。在步骤1102中，该处理将工件位置和速度命令发送至一移动工件的移动控制器，且处理进入步骤1104。在步骤1104中，该处理确定该工件是否位于当前图象拍摄位置。如果它位于当前图象拍摄位置，则处理进入步骤1106；否则，该处理等待指定长度时间同时工件继续移向图象拍摄位置，然后返回或重复步骤1104。在步骤1106中，该处理产生一个触发信号以开始图象拍摄处理，并进至步骤1108。
在步骤1108中，该处理对诸如CCD阵列的光电检测器复位以去除所有残留电荷以准备新的图象拍摄帧。另外，该复位处理还可以传送光电检测器和光源控制器的积分时间使光电检测器和光源选通控制器同步地拍摄工件的视频图象。然后处理进入步骤1110。在步骤1110中，在成功地复位光电检测器之后产生一个选通脉冲使能信号，且处理进入步骤1112。在步骤1112中，光源是根据可用于为各光源建立希望的微选通光脉冲图形的命令来微选通的，并产生和存储一个检查图象。然后处理进入步骤1114。
在步骤1114中，该处理确定是否已产生了所有希望的检查图象。如果是则处理进入步骤1116；否则处理返回步骤1100以对新的或下一当前图象进行图象获取处理。在步骤1116中，为了检查当前工件，对所存储的该组检查图象进行图象处理和分析。如果希望的话，该图象处理和分析可包括任何各种本文所述用于检测和补偿移动感生模糊的方法。然后处理继续到步骤1118。在步骤1118中，该处理返回至图23所示流程图的步骤1016。
虽然结合上述实施例对本发明进行说明，许多变型、修改和变化对本领域的技术人员是显而易见的。微选通技术对上述精密机器视觉检查系统特别有用，然而，它并未受到如此限制。在将多照明源用于对移动对象成像(不论照明源用可视或不可视射线)并且不希望照明技术会使各种图象特征的位置变形时，微选通技术通常是有用的。该应用可包括例如医疗诊断成像、高速移动研究、或者甚至传统视频摄影棚成像。在使用发光二极管作为选通的照明源的应用中特定有用。因此，上述本发明的示例实施例仅旨在示例而非限定。可以作出各种变化而不偏离本发明的精神和范围。
图2示出工件140的侧视图141和顶视图142。在此图中顶视图142示出由工件140沿不透明梯形块的宽的顶角所形成的至少两条边144和146。在此例中，通过工件140的顶面和成角侧面将由环形灯110和同轴灯130产生的光反射，或漫射向着光电检测器100，同时工件140阻挡台灯150所发出的光。由光电检测器100检测到的光强度具有一个沿将边144和146显示为光强度级A和B之间的强度级的x轴方向上的标称的光强度曲线148。例如，如果光电检测器100为具有沿图2所示的x轴方向和移动方向104的行的CCD阵列，则对位于边144左边和边146的右边的区域成像的像素接收比边144和146之间的区域成像的像素低的光强度。
如上所述，在图象拍摄期间台102将工件140沿移动方向104移动使光电检测器100接收到与光强度曲线148不同的光强度曲线。在台102移动期间，边144和146扫过光电检测器100引起模糊影响。图3-5示出一个由有效曝光时间期间的移动引起的边144的图象的示例模糊影响。图5示出以恒定速度沿曝光时间增量n+1至n+41之间的x轴移动的工件140。然而，为了讨论使用了时间和空间增量。为了便于讨论，工件140沿x轴的增量的移动距离对应于光电检测器100(例如光电检测器100包括像素的二维阵列)的一个像素。图5示出与时间增量n+1，n+11，n+21和n+41相对应的工件40的位置。
图4示出对各时间增量n+1，n+11，...n+41相对应的图2的光强度曲线148的左边。因此，如果光电检测器100在n+1和n+41时间增量之间的曝光时间间隔(积分时间)上对光积分，边144沿x轴移动距离Δx引起模糊。
图3示出由光电检测器100的指定相邻像素p1-p51输出的光积累或积分值。光电检测器100累积由入射光所产生的电荷。因此，光积累由像素中累积的电荷量表示。光电检测器在积分时间的开始复位且检测到作为光量指示的积累(累计)电荷。因此，图3中的图表示各像素的光积累或积分值。所述值也称为光电检测器像素光强度值，光积累值或灰度值。
在时间n+1时，指定像素p1开始接收从工件140的顶面反射的光强度B。然而，由于移动光强度立即降至光强度A。在余下的光电检测器积分时间照明像素p1的光强度维持在A，导致一个可由约40A的相对值表示的累积像素光强度。
在像素p11上，在时间增量n+1至时间增量n+11之间光强度维持在B，而其后降到A。因此，在像素p11上累积的像素光强度值可以由约10B+30A的相对值表示。在像素p21上，在前20次时间增量n+1至时间增量n+21光强度维持在B，而其后降到A。因此，在像素p21上的光积累值可以由约20B+20A的相对值表示。出于像素p11和p21方面上述讨论的类似的原因，像素31具有约30B+10A的相对光积累值而像素41具有约40B的相对光积累值。
像素51上的光积累值与像素41的相同，因为对于光电检测器100的整个积分时间光强度值都保持在B。因此，它散布在像素p1-p41上而不是边144在像素p1和p11之间形成一个级。根据这一简单的例子，在这些像素中累积的光量形成一条固定斜率的线(假定工件140以恒定速度移动)。因此，捕获由图2中理想光强度级表示的清晰的边作为图3中像素p1和p41之间的增加的光积累值所表示的模糊的边。
如上所述，工件速度越高且选通脉冲持续时间越长则由选通脉冲照明所实现工件移动“凝固”就越不完美。相反，可以通过更快的选通脉冲照明或更慢的工件速度提高工件移动凝固，籍此通过减少受边移动影响的像素来使诸如边144之类清晰的边从而更准确地在图象中定位。然而，应理解在各种精密机器视觉检查系统中通常通过已知的子像素内插法用比一个像素的1/10强且常常在一个像素的1/100量级的可再现性定位图象边。因此，即使在将模糊限制在小于一个像素的范围内时，由于有效曝光时间期间工件的移动所引起的相邻像素的灰度值的微小变化图象边缘被“模糊”和/或不正确地定位在子像素级。在一些应用中，至少10毫米/秒的工件速度是所希望的。在这样一个例子中，为了提供最多为1微米的相应的模糊，至多100微秒的总选通脉冲持续时间周期是所希望的。当然，为了提高速度或减少模糊量，希望有尽可能短的总选通脉冲持续时间周期。
图6-8示出一个不希望的选通脉冲照明例子，其中为了提供给出合适的图象所需的光强度的混合而调节各种光源的幅度或额定输出光强度。示出了5个相应的选通脉冲例M+1至M+5，其中各选通脉冲具有选通脉冲持续时间周期T。每一个相应的选通脉冲例都适于相应图象的曝光。假定选通脉冲照明强度大大高于任何背景照明强度，选通脉冲持续时间周期T建立相关图象的有效曝光时间，如果它小于光电检测器100的积分时间。
为了在可能的最短的曝光时间内提供光电检测器100所需的足够的光，将所有光源的光强度设置在符合正确测量边缘特征所需的光强度混合要求的最高水平。对于此例，在整个选通脉冲持续时间周期T将环形灯110的光强度设置在100％；将同轴灯130设定在75％的光强度而将台灯150设置在50％的光强度。因此，如图6-8所示，对选通脉冲例M+1至M+5中每一个，环形灯、同轴灯和台灯110、130和150的光强度分别在100％、75％和50％。
如前所述，在不同光强度级工作的同轴灯130和台灯150在控制这些灯来可预测地和/或持续地产生相同频率和希望的照明强度时呈现了各种困难。因此，与图6-8相反，最好以100％的强度工作，或至少以持续固定的强度工作，并减少同轴和台灯130和150在光电检测器100的积分时间内的净时间量并依靠光电检测器100的光散射和时间平均特征来在结果图象中获得所希望的相应的时间平均光强度级。因此，在图9-11所示的例子中，对于选通脉冲例M+1至M+5中任何一个，对选通脉冲持续时间周期T将环形灯110开到100％光强度，在选通脉冲持续时间周期T内产生一个为其最大时间平均光强度的100％的时间平均光强度；对为选通脉冲持续时间周期T的75％的持续时间t2将同轴灯130开到100％光强度，在选通脉冲持续时间周期T内产生一个为其最大时间平均光强度的75％的时间平均光强度；并对为选通脉冲持续时间周期T的50％的持续时间t1将台灯150开到100％光强度，在选通脉冲持续时间周期T内产生一个为其最大时间平均光强度的50％的时间平均光强度。
此选择程序对光电检测器100的指定像素p1-p10的光积累值的影响在图12中示出。前述边144开始大致在像素p1的位置并以与图3-5中所示的例子相似的方式在整个选通脉冲持续时间周期T以恒定的速度移动。在时间增量n+1和n+6之间，将所有光源110、130和150设定成100％光强度。因此，像素p1-p5显示一连串与图3所示类似的增加的光积累值。光积累值沿斜率为S1的线从像素p1至像素p5线性增加。在时间增量n+6之后，台灯150关闭，因为在选通脉冲持续时间周期T内只要求来自台灯150的最大可用时间平均光强度的50％，以提供相同的相应的总照明能量，或如与图8相应的曝光能量。增量n+6和n+9之间的照明仅仅由环形灯110和同轴灯130提供，且到达光电检测器100的总光强度小于时间增量n+6之前的光强度。因此，当边144扫过像素p6、p7及p8的一半时，光积累的速度变小，因为这些像素及它们相应的光积累值逼近具有小于S1的斜率S2的线。为了提供相应的总照明能量，或如与图8相应的曝光能量在时间增量n+9之前关闭同轴灯130以提供来自该灯的最大可用时间平均光强度的75％。因此，在约n+9和n+11之间的时间增量期间像素p9和p10的光积累值形成一根具有小于S2的斜率S3的线。
因此，该选通技术通常提高光源照明特征(同轴灯130和台灯150)的可控性，而与图3-5所示的模拟例相反，边144所扫过的像素的像素值形成一个像素值(光积累值)的非线性行进。该例显示通常当在图象曝光期间在不相等的时间段选通多个光源时，所获得的边光强度曲线不仅会显示一个模糊，还会显示一个为不相等的选通时间段的纯伪像的变形(和一个相应的边位置错误)。与上述讨论相似，即使模糊限制在小于一个像素的范围内，在精密机器视觉检查系统中，由于相邻像素的相对灰度值中的模拟照明感生变形，子像素内插处理将不正确地定义图象边位置。
通常，工件会大于机器视觉系统的视野。因此，通过将边102或与光电检测器相关的工件140的巨观位置测量结果与光电检测器100捕捉到的图象帧中的特征的位置确定相结合来确定特征坐标或位置测量结果(例如边测量结果)。通常由监控台102和光电检测器100之间的相对位移的编码器来提供巨观位置测量。如前所述，在许多应用中希望得到尽可能靠近与会从相对成像系统不移动的工件的图象获得的选通脉冲图象相同的边位置测量结果。
例如，在一训练模式中建立和/或证明许多自动机器视觉系统检测程序，在模式中，使机器视觉系统经历各种程序步骤并通过操作员(器)将台停在各个希望的图象获取位置来获取和/或验证检查图象。在这些情况下，为了提供希望的可比较的测量结果，理想的是在以高速自动模式执行程序并用移动台来获取图象时，会获得该标称上相同的测量结果。这可以在已知台的速度及编码器的巨观位置的锁定与图象曝光的标称表示时间之间的时间差是已知时用提高的准确度来实现。
例如，从图3所示的理想边例子看出，在曝光时间期间，前述边最初大致在像素p1的位置并在曝光期间匀速移动至大约像素p41的位置而结束。对于这一理想的边例子，边在与图3相应的图象中的边的位置的最佳估计可以是在模糊的边光强度曲线的中点，即大约在像素p21。假定：
1)像素的中点具有一个X坐标值Xp21；
2)选通脉冲持续时间周期(即对应于X模糊的时间跨度)为T。
此假定与参照图13-16使用的选通脉冲持续时间周期T的符号一致；和
3)相应图象曝光的标称表示时间是选通脉冲持续时间周期的中点，在T/2。
如果将相对位置编码器值Xe锁定在选通脉冲持续时间周期T的开始，则边的移动补偿测量坐标可以由以下公式确定：
X＝Xe+Xp21-(V*0.5*T)
其中V为工件140移动的速度。
根据与图2所示的理想边光强度曲线的以上例子及图3所示的相应模糊的理想边光强度曲线相比，实际的边光强度曲线常常近似于跨越少数或几个像素的S形曲线，且该曲线大约在跨距的中心具有S形曲线的最大斜率或最大斜度。常常将图象模糊方便地限制在小于几个像素或子像素的水平。在该情况下，用合适的选通脉冲照明所得到的模糊边光强度曲线将会是具有延伸的跨距和约在延伸的跨距中心的最大斜率或斜度的S形曲线。
许多已知边检测算法通过沿边光强度曲线确定最大斜度的位置(例如：苏贝尔算子算法等)，和/或通过确定超过根据参考工件的特征预定或“知道的”阈值并且也可满足其它“知道的”标准的斜率的位置，来以子像素级确定边位置。将等式(1)和相关的说明应用于这些情况中是有效的。对于这些情况，等式(1)提供一个约等于会被提供完全凝固的不模糊图象或无移动获得的图象的边位置测量值。
上述处理的准确度取决于大致维持不模糊边光强度曲线的形状的模糊边光强度曲线，这样基于斜率的边检测算法仍会将边位置确定在模糊图象的大致跨距中点。更通常来说，如果即使在模糊图象中维持了更多复杂不模糊的边光强度曲线，基于斜率的边检测算法会趋向于大致在沿边光强度曲线的跨度的相同比例的或标准化的位置来检测边，不论它是模糊的或是清楚的。这通常要求图象模糊的持续时间比不模糊的边光强度曲线的跨距短，否则不论其原来的形状如何在边光强度曲线中的模糊都趋向于线性。
在该情况下，用合适的图象处理，可以在述训练模式期间获得的不模糊图象中确定检测到的沿边光强度曲线的长度的边位置的比例位置并将其记录在与该边的测量操作的边测量相关联的自动检查程序中。然后，在自动执行检查程序期间，可以将相同的比例用于代替等式(1)中的因数0.5并会得到合适的移动补偿测量结果。当然，即使图象模糊的持续时间比不模糊的边光强度曲线的跨距短，各种光源之间的不正确选通脉冲定时关系也会人为地使模糊边光强度曲线变形，如前面图9-12的说明中为光源110、130和150所示出的。
图13-16示出一种光选通脉冲设置，其中各光源110、130和150的选通脉冲标称地以整个选通脉冲持续时间周期T的中点为中心。获得的像素p1-p10的光积累值形成五个线段，其中第一个线段的斜率为S3，第二个线段的斜率为S2，第三个线段的斜率为S1，第早个线段的斜率为S2而第五个线段的斜率为S3。S1大于S2或S3。因此，为S形曲线的不模糊的边光强度曲线在使用该选通脉冲技术时会保持S形曲线，并在使用以上等式(1)及相关联的说明时会返回到一个合适的移动补偿测量结果。然而，该选通脉冲技术会使更不规则的边光强度曲线变形，并会产生从相应的模糊图象得到的错误测量结果。
不论使用任何以上技术，因为不同的光源由于不同的投影效果通常会显示一条在图象中的稍微不同的位置边，当在图象曝光期间个别地关掉任何光源时通常会在模糊的图象中出现另外的边偏移效果。该效果会进一步使边光强度曲线及明显的边位置变形。
通过微选通各种光源可以大大减少由任何或所有前述效果引起的边位置错误，如图17-20所示的例子所示，其中边144开始大致在像素p1的位置并以与图3-5中所示的例子相似的方式在整个选通脉冲持续时间周期T以恒定的速度移动。与图13相似，图17示出在整个选通脉冲持续时间周期T上以100％光强度选通的环形灯110，在选通脉冲持续时间周期T上产生为其最大时间平均光强度的100％的时间平均光强度。连续以选通脉冲持续时间周期T的75％和50％的光强度而非100％的光强度选通同轴灯130和台灯150，如图18和19所示在整个选通脉冲持续时间周期T上分别以具有75％和50％的占空比的100％的光强度微选通这些灯130、150，产生在选通脉冲持续时间周期T上为它们相应最大时间平均光强度的75％和50％的相应的平均时间光强度。因此，同轴灯130和台灯150较均匀地在积分时间T上用一致的光脉冲图形照明工件140使模糊边光强度曲线保持不变形。
例如，由像素p1-p10示出的模糊边光强度曲线形成一个具有如图20所示的斜率S的理想线性行进，这是为图2所示的理想不模糊边光强度曲线148预计的模糊边光强度曲线。更通常来说，用该微选通技术，对S形边光强度曲线甚至是更复杂的边光强度曲线，不模糊的边光强度曲线的形状维持在模糊图象中，且基于斜率的边检测算法会趋向于大致在沿边光强度曲线的跨度的相同比例的或标称的位置检测边，不论它是模糊的或是清楚的，如前面对合适地照明的选通图象所述的，允许更多可重复的准确的移动补偿边位置测量结果。
微选通同轴灯130和台灯150的频率可以是照明硬件特征和控制要求所允许的最高频率。最好设定微选通频率使整个开关周期跨越的时间相应于小于工件140的移动的一个像素持续时间。这样，所有的像素从各光源110、130和150接收一个光积累的平均值。
以上例子假定对光电检测器100的整个积分时间以100％光强度选通环形灯110，因为假定希望的光强度混合要求的环形灯110具有最长周期的最高光强度。光强度混合可以根据任何特定的工件和/或光源配置变化。另外，虽然以上所示的微选通是在整个积分持续时间内均匀分布的，且相应的光源的相应光脉冲提供等量的照明能量，该分布并不是必要条件。更通常来说，微选通的分布只需要足够均匀以获得希望级的边检测精确度和耐久性。例如，虽然不是首选的，可以在小到75％的整个选通脉冲持续时间周期上分布光源的微选通脉冲的分布，且对于较不精确的应用仍可以提供前述优点的充分测量。另外，更通常来说，如上所述，可以通过设定相应的微选通占空比，通过设定和规定脉冲持续时间一起使用的相应的微选通重复率，或通过任何配置光脉冲图形以在整个选通脉冲持续时间周期提供时间平均的光强度和/或总照明能量的希望的量级和一致性的其它方法来控制相应光源的相应的微选通光脉冲图形。
图21示出包含上述微选通技术的示例系统500(例如：机器视觉检查系统)。系统500可包括个人电脑(PC)200、照明同步和定时单元(LSTU)220、帧接收器240、移动控制器260、照相机280、台302、环形灯300、台灯320和具有一个半镀银的旋转镜360的同轴灯340。环形灯300可以形成为单个可控扇形灯的组合。然而，为了便于讨论，将环形灯300视作单个可控灯。可以将诸如工件380之类的工件设置在台302的特定位置上。通过检测台302和/或工件的巨观位置，系统500可以准确地确定何时开始拍摄图象来进行检查操作。
操作员可以通过一个PC200输入诸如工件位置、光源强度混合之类的控制参数以手工地、半自动地或自动地检查一个或多个工件。下列表1中示出可以输入的参数类型的一个例子。可提供诸如工件图象获取位置、台速度、放大率、积分时间、有效曝光时间、选通脉冲持续时间周期、光强度、微选通频率、每一工件图象的每一光源的选通脉冲的总数等参数。表1中的参数仅仅是例子，在特定情形下，与不同设备设计兼容需要更多，或更少，或不同的参数。例如，可以由灯控制器硬件确定微选通的频率并根据各种光源的特性将其设定为特定频率。控制参数可以由将操作员一样本工件放置到台302上并确定最佳位置，放大率，照明等，通过这些进行图象拍摄，以取得最佳效果。操作员可以用各种参数组合来对一个样本工件成像并观察照相机280所拍摄的图象，并估计边是否合适地被确定了。在得到可操作参数组之后，操作员可以输入这些参数值作为编程的控制参数。
表1
PC200可以处理在训练模式的静态成像条件期间获得的由操作员建立的控制参数，并将它们转变成用于在自动检查模式的连续运动条件期间拍摄动态图象的合适的控制命令。例如，可以在训练模式期间由操作员建立要由各光源提供的连续的图象获取位置和相关联的总照明能量，然后可以通过PC200中的合适的处理和/或分析来最优化测量结果路径、速度、选通脉冲持续时间周期和占空比，以在自动检查程序执行期间产生最高吞吐量、或最佳准确度等。一旦生成了要在自动检查程序中使用的动态图象拍摄控制命令，就可以将该控制命令(和控制参数)存储在存储器210以便将来检索和使用。
在处理了来自存储器210的控制参数和/或检索控制命令之后，PC200将图象获取位置参数、相关联的光控制命令信息及任何其它合适的信息下载至LSTU220并控制其它系统部件来执行一个检查处理。在各种应用中，为了以足够的准确度和沿着高速运动通路的理想位置上同步控制多个光源的高速光脉冲图形，使用专用的处理和LSTU220的确定性的定时是理想的。例如，在从LSTU220接收位置信息后移动控制器260接收台速度信息和命令台302以移动工件380。LSTU220从PC 200接收控制命令并将其处理成具体数据来控制一个图象拍摄操作。例如，LSTU 220可以初始化光源300、320和340的控制器，或将从控制命令提取的位置信息发送至移动控制器260。
当从LSTU 220接收到位置参数时，移动控制器260开始移动工件380并在工件的位置到达特定图象获取位置时产生一个触发信号。例如，当帧接收器240产生一个可包括编码成脉冲持续时间的积分时间的复位信号时，接收到来自移动控制器260的触发信号且该帧接收器将该复位信号发送至LSTU 220和照相机280。当接收到复位信号时，照相机280通过清除例如任何残留的电荷并设置积分时间来初始化诸如CCD阵列之类的光电检测器。在完成初始化处理后，照相机280将一使能信号发送至LSTU 220来使能图象拍摄周期工作。
当接收到该使能信号时，LSTU220开始在光电检测器积分时间(来自复位信号)期间的一个选通脉冲持续时间周期微选通光源300、320和340光源并使来自移动控制器260的解码器位置值锁定在相关时间。当该积分时间完成时，照相机280将一视频信号输出至从照相机280接收所有象素值的帧接收器240和输出一帧至PC 220用于由图象处理电路205处理，如前所述该处理可包括移动感生图象模糊效果的补偿。然后LSTU 220产生另一位置信号给移动控制器260来启动另一图象拍摄周期。重复该图象拍摄周期直到完成各工件的所有检查图象帧或LSTU 220发出一个与下一工件相对应的下一位置信号(如果有的话)。
图22示出LSTU 220的一个示例方框图，该LSTU 220包括LSTU处理器/包括一个高速时钟的控制器400(未示出)，LSTU存储器402和环形、同轴和台灯控制器404、406和408。LSTU控制器400可以是数字式信号处理器、特定用途集成电路(ASIC)或其它执行要求的处理的微处理器。LSTU控制器400从PC 200接收处理控制参数并将这些参数转换成用于各灯控制器404-408的特定操作命令和移动控制器260的位置参数。
可以将各灯控制器404、406和408硬接线至特定的微选通频率。如果是这样，LSTU控制器400可以输出一个占空比控制信号和一个开关信号来控制各光源300、320和340的微选通。各灯控制器404、406和408可以是硬接线以提供特定的微选通脉冲持续时间。如果是这样，LSTU控制器400可以输出一重复率信号来控制在整个选通脉冲持续时间周期内(即，在有效图象曝光时间内)由各光源300、320和340输出的微选通脉冲数。如果灯控制器404、406和408是诸如驱动器之类的简单器件，则LSTU控制器400可以在合适的频率和占空比等产生开关信号以直接控制光源300、320和340。
可以由LSTU控制器400将从PC 200接收到的控制命令存储至LSTU存储器402备用。LSTU存储器402k可包含从PC 200加载的许多不同组控制命令，从而PC 200可以仅仅提供一索引号来将LSTU控制器400引导至已存储在LSTU存储器402中的所希望的一组控制命令。
如上所述，从帧接收器240接收到的复位信号可包括特定积分时间的信息且LSTU控制器410可以将其存储在LSTU存储器402中。在从帧接收器240接收到该复位信号后，LSTU控制器400可以初始化所有所需的光源控制器使得可以在从照相机280接收到使能信号时开始微选通操作。
LSTU控制器400从控制命令中提取与所需的各选通脉冲相应的位置信息。当准备开始下一微选通周期时，LSTU控制器400将下一位置参数发送至移动控制器260以产生下一触发信号来开始微选通处理。来自PC 200的控制命令还可包括多个应检查的工件及它们的位置。因此，LSTU控制器400可以将此信息存储在LSTU存储器402中用于检索以控制微选通处理。
图23是用于产生和执行自动视频图象拍摄和包括了前述微选通操作的检查处理的方法的示例流程图。在步骤1000中，接收到操作员输出且处理进到1002。在步骤1002中，处理确定接收到的操作员输入是否包括全新的控制参数。如果它们包括新的控制参数，处理进入步骤1008；否则，处理进入步骤1004。在步骤1008中，处理将新的控制参数转换成适于在自动检查操作期间获取动态图象的控制命令。
如上所述，由操作者输入的控制参数可以是基于静态条件并需要转换成工件移动的动态条件。可以确定与工件移动的速度、要拍摄的视频图象或帧的数量、积分持续时间、整个选通脉冲持续时间周期、来自可用光源的合适的光强度混合等有关的决定，并且可以产生基于这些决定的控制命令并将它们以可操作和序列的形式存储，以进行要求的工件检查。在将控制参数转换至合适的控制命令和以可操作的形式和序列并存储它们，处理进到步骤1010。
在步骤1004中，该处理确定操作员是否请求检索和修改现有的控制参数。如果请求了现有控制参数的修改，则处理进入步骤1008；否则，处理进入步骤1006。在步骤1006中，该处理从存储器检索控制命令，根据操作员的输入将它们以可操作的形式和序列存储，处理进到步骤1010。
在步骤1010中，该处理将新转换的控制命令或从存储器检索到的以它们的可操作和序列的形式(例如在部分程序的形式)存储的控制命令加载至执行图象拍摄的各种操作单元。例如，可以将关于微选通以实现希望的光强度混合的控制命令，位于应执行微选通的位置的工件位置和待拍摄视频图象数加载至一LSTU中以备一连串图象拍摄操作。另外，可以将积分时间加载至诸如照相机之类的光电检测器和LSTU中使得该光电检测器和LSTU可以同步地执行它们的操作。在将控制命令加载至操作单元后，处理进入步骤1012。
在步骤1012中，通过采用微选通技术拍摄工件的检查图象且处理进入步骤1014。在步骤1014中，对拍摄到的图象进行处理以识别工件的边特征并为了检查确定它们的坐标，且处理进入步骤1016。在步骤1016中，该处理确定是否检查了所有请求的工件(例如在一批或一盘工件中)。如果检查了所有的工件，处理进入步骤1018并结束；否则，处理返回步骤1012并对下一工件重复处理。
图24为可用于拍摄一组用于当前工件的检查图象的微选通图象获取处理的示例流程图。在步骤1100中，该处理产生用于相应光源的相应的光源命令，例如，以用于选通脉冲持续时间周期的命令参数、占空比和微选通频率的形式或任何其它可用于为要用于当前检查图象的各光源建立希望的微选通光脉冲图形的形式，处理进入步骤1102。在步骤1102中，该处理将工件位置和速度命令发送至一移动工件的移动控制器，且处理进入步骤1104。在步骤1104中，该处理确定该工件是否位于当前图象拍摄位置。如果它位于当前图象拍摄位置，则处理进入步骤1106；否则，该处理等待指定长度时间同时工件继续移向图象拍摄位置，然后返回或重复步骤1104。在步骤1106中，该处理产生一个触发信号以开始图象拍摄处理，并进至步骤1108。
在步骤1108中，该处理对诸如CCD阵列的光电检测器复位以去除所有残留电荷以准备新的图象拍摄帧。另外，该复位处理还可以传送光电检测器和光源控制器的积分时间使光电检测器和光源选通控制器同步地拍摄工件的视频图象。然后处理进入步骤1110。在步骤1110中，在成功地复位光电检测器之后产生一个选通脉冲使能信号，且处理进入步骤1112。在步骤1112中，光源是根据可用于为各光源建立希望的微选通光脉冲图形的命令来微选通的，并产生和存储一个检查图象。然后处理进入步骤1114。
在步骤1114中，该处理确定是否已产生了所有希望的检查图象。如果是则处理进入步骤1116；否则处理返回步骤1100以对新的或下一当前图象进行图象获取处理。在步骤1116中，为了检查当前工件，对所存储的该组检查图象进行图象处理和分析。如果希望的话，该图象处理和分析可包括任何各种本文所述用于检测和补偿移动感生模糊的方法。然后处理继续到步骤1118。在步骤1118中，该处理返回至图23所示流程图的步骤1016。
虽然结合上述实施例对本发明进行说明，许多变型、修改和变化对本领域的技术人员是显而易见的。微选通技术对上述精密机器视觉检查系统特别有用，然而，它并未受到如此限制。在将多照明源用于对移动对象成像(不论照明源用可视或不可视射线)并且不希望照明技术会使各种图象特征的位置变形时，微选通技术通常是有用的。该应用可包括例如医疗诊断成像、高速移动研究、或者甚至传统视频摄影棚成像。在使用发光二极管作为选通的照明源的应用中特定有用。因此，上述本发明的示例实施例仅旨在示例而非限定。可以作出各种变化而不偏离本发明的精神和范围。