摘要：在基于计算机视觉的测量系统中，为避免太阳光照射对人工标志中心定位造成的影响，采用在公共交通中广泛使用的逆反射材料构造反射标志，并配合单色光主动照明和窄带滤光技术来提高目标物与背景之间的对比度。在对市面上多种逆反射材料进行研究的基础上，选取了其中性能较为优良的3M 钻石膜来搭建简易单点测试平台，用于验证方案的可行性。实验证明，在太阳光以不同角度入射时，由CCD采集到的图像灰度变化不大，对定位精度影响较小，说明该方法能较好地抑制太阳光对测量造成的影响。
0 引 言
视觉检测系统是应用计算机技术、数字图像处理技术、影像匹配模式识别、摄影测量等学科的理论和方法来完成对物体的测量的，因而具有智能化程度高、检测效率高、测量精度高等卓越性能，并得到了广泛的应用[1]。实际测量中较为常见的情况是利用被测物体的若干个特征点(例如安置一些特殊的标志)来获取相关信息的。因此，整个测量系统的精度就取决于对标志中心进行定位的精度[2]。然而在有太阳光照射的环境下，随着太阳光入射角度的不同，普通标志的反射光强会发生变化，这样就会对基于视觉的中心定位造成干扰甚至完全失效。这已成为视觉检测系统的共性难点问题之一。
为了消除太阳光对视觉检测系统的影响，本文介绍了一种基于定向照明和逆反射技术的新方法采用半导体激光束进行定向照明，采用具有逆反射性能的薄膜材料制作反射标志，将主动光源的入射光进行定向反射，同时辅以窄带滤光技术，可以有效地减小太阳光的影响，显著提高检测系统的稳定性和检测精度。
1 太阳光干扰的抑制机理
检测系统的结构如图1所示，系统由CCD摄像机、半导体激光器、逆反射标志、处理系统等几部分组成。
由激光器发出定向照明光束并投向逆反射标志，在标志上的逆反射膜的作用下，反射光将沿入射光方向返回至CCD摄像机，从而可以获得清晰的标志成像，可以准确地确定标志位置。当周围出现太阳光的干扰时，同样是由于逆反射膜的作用，太阳光的反射光会沿入射方向被反射回至太阳所在位置，而不会进入摄像机，从而可以有效地消除太阳光的影响。
2 逆反射方法研究
2.1 逆反射材料结构
逆反射材料是用玻璃微珠或微棱镜采用光学折射与反射原理制成的薄膜材料，表层是由无数个反射元素(玻璃微珠或微棱镜)构成的，如图2所示。
由于其独特的表面状态，使其不同于镜面反射和漫反射，当一束光从光源射向其表面反射元素时，分别经由折射-反射-反射-折射后，几乎所有入射光线以光椎形式反射回去。该光椎的轴线是入射光光径，其中大部分反射光光强都集中在轴线附近，离轴线越远，光强越弱，如图3所示[3]。
2.2 逆反射标志
综合考虑太阳光和主动照明光源的特性，设计了以圆形人工标志为基础的具有抗太阳光干扰特性的反射标志，其结构如图4所示。
其中，红色部分是贴有逆反射材料的高亮度逆反射区，而黑色部分是涂有亚光涂料的低亮度漫反射基板。在主动光源的照射下，当太阳光处于标志正面时，由于CCD接收到反射光强的差异使得圆形高亮区(目标)与周围的低亮区(背景)对比明显，很容易通过设置合适的阈值将目标物的边缘提取出来。而当太阳处在反射标志背面时，由于基板的遮挡使其可以通过设置图像的感兴趣区域(ROI，图1中黄色矩形所表示的区域)来屏蔽掉，这样就保证了太阳360°入射时在感兴趣的区域(ROI)内边缘提取结果基本保持恒定。若在镜头前加装与主动光波长匹配的滤光片，则能进一步提升抑制效果。根据以上分析可知，该方案的关键在于逆反射区的反射光要足够强，使其能够很容易地通过边缘提取算法与周围的暗背景分离，因此需要在认真研究逆反射材料工作机理及性能的基础上选取合适的逆反射材料。
2.3 逆反射材料性能测试
经过比较三种具有逆反射性能的薄膜材料(以下简称为逆反射膜)，采用美国3M 公司生产的逆反射材料作为试样进行性能测试。实际应用中，从消除太阳光干扰的角度来看，主要关注逆反射膜以下两方面的性能：(1)当主动光源入射角度改变时，由相机接收到的逆反射膜表面光强变化。该项反映逆反射膜对主动光的响应情况。
(2)主动光源入射角度不变，当环境光(太阳光)入射角度改变时，相机接收到的逆反射膜表面光强变化。该项反映逆反射膜对太阳光的抑制情况。
参考目前较为常用的测试方法，结合实际测量环境，采用了如图5所示的测试装置[4]。
实测中，将逆反射膜试样粘贴在一块方形基板上作为测试对象(以下称为逆反射标志)，主动光源采用波长为 650nm，光斑直径为 20mm 的平行光管，位于相机的正上方，在相机镜头前加装650nm滤光片。由图3可知，逆反射材料反射光强集中于光轴附近(孔径角约为4°)，为使得相机处于最强反射区，物距要足够大。假设主动光源光轴与相机镜头光轴有 50mm 的高度差，则物距应至少为 50/tan4°≈715mm。
在第一项测试中，将逆反射标志固定在转台上而保持主动光源光轴不动，通过转动转台(改变逆反射标志法线方向)来改变光线入射角(变化范围为0°～75°，步进5°)，每改变一次，采集一幅图像，然后根据图像中逆反射标志表面的灰度来估算当前的反射光强。测到的如图2所示的两种逆反射膜的反射光强-入射角度曲线如图6所示。
在第二项测试中，保持逆反射标志法线方向和主动光源光轴不变，而使白炽灯绕逆反射标志转动来改变入射角度(变化范围为15°～180°，步进15°)，得到的测试结果如图7所示。
为了更清楚地表示反射光强随入射角度的相对变化关系，对数据进行了归一化处理，图6、图7纵轴数据都是同时除以一个基准(3M 工程膜的最大反射光强)之后的结果。由图6可以看出，两种反射膜的反射光强都表现出角度衰减的特性，而3M 钻石膜具有较高的逆反射系数。图7反映了两种逆反射膜对环境光影响的抑制，可以看到，当太阳光入射角度改变时，反射光强变化在10%以内。
3 单个标志抗阳光干扰定位实验
经过上面的两项测试发现，3M 钻石膜比较符合前面提出的要求。为了更全面地评估其在消除太阳光干扰方面所起到的作用，需要在太阳光照射的条件下进行测试，并验证测量精度。为此进行了单个标志的定位实验，以验证方案的可行性，实验装置如图5所示。
反射标志采用如图1所示的结构。在相机上加装滤光片后，通过滤波、边缘提取及圆拟合等一系列图像处理算法即可实现高精度定位。
图8所示为一组反射标志在不同照明及滤光条件下的对照图。为了更好地说明该套方案对环境光的抑制作用，对原始图像进行了 Canny边缘提取。对比图8(d)、(e)、(f)可知，环境光虽然会对图像造成一定的影响，但加入滤光环节之后这种影响几乎可以忽略。
在单点抗阳光干扰实验中，采用1μm 的精密平移台作为标准量具，对整个测量系统的定位精度进行评估。通过引入环境中的太阳光(下面简称为环境光)作为干扰，反射标志每次移动0.5mm，然后控制遮光设施分别在有无环境光的情况下进行测量，记录标准量具读数和测量系统测得的像素值。结果如图9所示，其中图9(a)为有无环境光时精密平移台在水平方向移动得到的两条标定曲线;图9(b)为两条曲线对应点的差值。在最极端的情况下，该差值达到0.2pixel，对图9(b)中的差值求均方根，结果为0.09pixel左右。存在这种差异的原因一方面是由于环境光的影响，另一方面是测量过程本身的不确定性。为了评价测量过程的不确定度，对图9(a)中的两组数据做线性拟合，然后计算得出线性度约为0.13pixel，而重复性约为0.07pixel。这样，如果认为整个测量是一个各态历经的静态随机过程，对比上面计算得到的两组数据，发现两者非常接近，也就是说环境光对于测量结果的影响可以忽略不计。
4 强光抑制实验
实际测量环境中光照条件是十分复杂的，可能存在暗背景、亮背景以及太阳光直射等各种情况。如图10所示，当光源采用功率为5mW 的平行光管、相机曝光时间为100ms时，从左到右依次为暗背景、亮背景及太阳直射时采集到的标志图像。可见，当太阳直射时，标志被强光淹没而无法进行测量。在干扰光强度一定的情况下，提高标志区反射强度，同时降低曝光时间和增益，可在保证标志中心提取不受影响的基础上达到抑制干扰的效果。根据不同强度的干扰，对标志区反射光强提出了不同的要求，而逆反射材料一经选定，标志区反射光强就在很大程度上取决于主动照明光源的功率。在前面列举的几种典型光照条件中，太阳光直射的情况对测量系统影响最为严重，因此主要据此来讨论光源功率。图11从左到右依次为光源功率5mW、20mW和100mW，曝光时间100ms、10ms和1ms采集到的存在太阳光直射的视场图像。
可以看出，当主动照明光源功率为100mW 时，太阳光直射的影响得到了很好的抑制。为进一步说明抑制效果，对固定不动的标志中心 X 坐标进行约20min的连续监测，在整个监测过程中利用平面反射镜来获得太阳光不同角度入射(包括直射)的情况，利用遮光设施来获取不同的环境光照明情况，监测结果如图12所示，太阳光直射对测量结果的影响在0.3pixel以内。
5 结 论
基于计算机视觉的测量系统极易受到太阳光照射的影响，而本文采用专门设计的逆反射标识，配合单色光主动照明及窄带滤光可以很好地抑制这一干扰。本文通过对逆反射材料进行全面的性能测试，从材料和结构上对人工反射标志进行了改进。实验结果证实该方案确实达到了预期的效果，将太阳光的影响降低到了最小。
参考文献：
[1]王保丰.计算机视觉工业测量系统的建立与标定[D].郑州：信息工程大学测绘学院，2003.
[2]范生宏.Canny算子对人工标志中心的亚像素精度定位[J].测绘科学技术学报，2006，(2)：76—78.
[3]冯文灏.回光反射标志的性能与使用[J].测绘通报，1993，(4)：12—14.
[4]董会君.回归反射材料光度测试探讨[J].中国安全生产科学技术，2007，3(5)：67—0.
收稿日期：2010-08-05;收到修改稿日期：2010-11-03 E-mail：pptang1986@126.com
作者简介：刘炜浩(1986-)，男，硕士研究生，主要从事视觉检测方面的研究。
