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2025年度优秀论文奖 | 基于成像区域模型的工业相机视场角优化配置方法

已有 223 次阅读 2026-9-2 16:07 |个人分类:论文推荐|系统分类:博客资讯

编辑荐语

本期将给大家分享2025年度优秀论文奖获奖文章"基于成像区域模型的工业相机视场角优化配置方法(Optimal configuration method for field angle of industrial cameras based on imaging area model)". 如您对本期相关内容有好的理解与建议, 欢迎评论区留言.

本文聚焦于工业相机视场角人工选型盲目、像素利用率低的核心难题,提出了一种三维成像区域建模 + 二分-粒子群优化的成套配置方案.研究首先搭建全局空间三维坐标系, 以离散点集量化表征任意形态目标区域, 完成工业成像场景统一描述; 再依托空间坐标变换推导矩形传感器对应的四棱锥成像区域数学模型, 建立视场角、成像姿态与成像范围的定量映射关系. 在此基础上, 创新性设计二分-粒子群联合优化算法,以目标全覆盖为约束、最小视场角为优化目标, 通过粒子群迭代求解最优成像姿态, 二分法快速收敛最优镜头视场角, 兼顾求解精度与计算效率. 多组仿真与实物实验从模型可靠性、算法普适性、实际成像质量多维度完成验证, 图像有效像素占比、清晰度、信息丰富度均大幅提升. 本工作为工业视觉系统定焦镜头前置选型与相机安装调参提供了完备量化手段, 对提升工业在线检测、仪表识别等视觉应用成像精度具备工程指导意义.

论文介绍

基于成像区域模型的工业相机视场角优化配置方法

Optimal configuration method for field angle of industrial cameras based on imaging area model

易遵辉1,2, 蒋朝辉1†, 陈晓方1, 桂卫华1

机构: 1. 中南大学自动化学院; 2. 湖南科技大学信息与电气工程学院

引用:

易遵辉, 蒋朝辉, 陈晓方, 等. 基于成像区域模型的工业相机视场角优化配置方法. 控制理论与应用, 2025, 42(4): 679 – 687

DOI: 10.7641/CTA.2023.30122

全文链接:

https://jcta.ijournals.cn/cta_cn/ch/reader/create_pdf.aspx?file_no=ccta230122&flag=1&journal_id=cta_cn&year_id=2025

摘要

工业相机视场角的优化配置对提升目标的图像质量有重要作用, 然而, 目前视场角的配置存在一定盲目性, 导致图像传感器的像素被大量浪费. 为此, 本文提出了一种基于成像区域模型的工业相机视场角优化配置方法. 首先, 建立空间三维坐标系以定量描述工业成像场景; 然后, 基于空间坐标变换建立成像区域模型, 揭示工业相机的视场角､成像方向和成像区域的定量关系; 最后, 设计基于二分–粒子群的视场角优化配置算法, 实现以最小视场角获取完整目标图像. 实验结果表明, 利用本文方法优化配置视场角后, 图像传感器的像素得到充分利用, 图像质量明显提高, 可为工业相机视场角的选型提供可靠参考.

引言

随着光学成像设备的成熟和图像处理技术的发展, 视觉传感技术凭借其实时､直观及非接触等优势被广泛应用于工业领域, 以检测过程关键参数和监控设备运行状态[1–2]. 在视觉传感技术的工业应用中, 工业相机获取的目标图像是检测和监控的数据来源和信息基础. 工业相机的性能参数决定了获取图像的质量, 对其进行优化配置是提升视觉传感技术应用效果的可靠途径[3–4]. 其中, 视场角是决定工业相机成像区域大小的关键参数, 对目标成像的质量有重要影响. 视场角过大, 大量目标以外的其他无效区域被工业相机成像, 造成图像传感器的像素被浪费, 不仅增加了剔除无效区域等图像处理的工作, 还降低了图像中目标的分辨率[5–7], 视场角过小, 工业相机的成像区域无法完全覆盖目标区域, 难以获取到完整的目标图像, 造成图像数据提供的信息不够全面, 应用效果大打折扣[8–9]. 因此,优化配置工业相机的视场角, 使工业相机的成像区域与目标区域实现最佳匹配, 既能获取全面的目标图像, 确保信息的完备性, 又能充分利用图像传感器的像素, 提高目标图像的质量, 这对提升参数检测和状态监控等应用的效果､推动视觉传感技术在工业领域的进一步发展具有重要意义.

目前, 工业相机视场角的配置方法大多是人工根据目标的高度和宽度进行简单估算[10–12], 存在较大的随机性和盲目性, 致使工业相机的成像区域与目标区域不匹配, 图像传感器的性能未能得到充分利用, 对后续基于图像信息的检测或监控算法的应用效果产生不利影响. 另一种方法是采用平移倾斜缩放(pantilt-zoom, PTZ)相机[13], 通过变焦镜头和多自由度云台调整相机的视场角和成像方向, 从而使工业相机的成像区域与目标区域匹配[14]. 但工业现场往往环境恶劣, 存在强震动干扰[15–16]. PTZ相机不仅硬件成本较高, 还具有机械传动结构, 在震动环境中会导致相机失焦, 故其难以应用于工业领域. 因此, 亟需研究优化配置工业相机视场角的新思路和新方法, 以便提前指导普通工业相机定焦镜头的选型, 实现成像区域与目标区域的匹配. 然而, 工业相机视场角的优化配置存在以下难点: 1) 在不同应用场景中, 目标区域的大小和形状不同, 难以用统一的数学方程进行定量化描述; 2) 工业相机的成像区域由视场角､成像方向和安装位置等多个因素共同决定, 难以建立能够准确表征工业相机成像区域的模型. 虽然在视频传感器网络领域中, 已有不少相机成像区域模型被建立用于优化相机网络的覆盖范围, 但是这些模型均有其局限性, 难以应用于视场角的配置. 如文献[17]建立的基于扇形的成像区域模型以及文献[18]建立的基于三角形的成像区域模型, 两者均为二维模型, 无法表征三维空间的成像区域; 文献[19]建立了基于圆锥向外辐射的三维成像区域模型, 理论上能够表征工业相机的成像区域, 但由于图像传感器为矩形, 工业相机的成像区域应为四棱锥向外辐射; 文献[20]建立了基于棱锥向外辐射的三维成像区域模型, 然而其没有考虑成像方向的变化对成像区域的影响, 不适用于成像方向能够灵活改变的场景.

为了弥补上述不足, 克服工业相机视场角优化配置存在的难点, 本文提出了一种基于成像区域模型的工业相机视场角优化配置方法, 能够实现成像区域与目标区域的最佳匹配. 主要贡献如下:

1) 提出了基于场景坐标系的成像场景描述体系, 利用点坐标､旋转角度和点坐标集合等形式实现了工业相机的安装位置､成像方向和目标区域的定量描述;

2) 建立了基于空间坐标变换的成像区域模型, 揭示了工业相机的视场角､成像方向和成像区域之间的定量关系;

3) 设计了基于二分–粒子群的视场角优化配置算法, 通过优化工业相机的成像方向配置出了满足成像区域与目标区域完全匹配的最佳视场角.

本文的其余内容组织如下: 第2节建立了工业相机的成像区域模型; 第3节设计了视场角的优化配置算法; 第4节展示了本文方法的可靠性和有效性; 第5节为本文的结论部分.

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结论

本文提出了一种基于成像区域模型的工业相机视场角优化配置方法, 以便充分利用图像传感器的像素､提高成像质量. 首先, 提出了基于空间三维坐标系的成像场景定量化描述方法, 利用点坐标､旋转角度和点坐标集合定量化描述工业相机的安装位置､成像方向和目标区域; 然后, 基于空间坐标变换建立了工业相机的成像区域模型, 揭示了工业相机的视场角､成像方向和成像区域之间的定量关系; 进一步设计了基于二分–粒子群的视场角优化配置算法, 实现了以最小的视场角获取完整的目标区域图像; 最后, 搭建了实验系统对本文方法进行了验证, 结果表明该优化配置算法能够有效配置工业相机的视场角, 使成像区域与目标区域达到最佳匹配, 极大地提升了获取的目标图像的分辨率. 本文方法可在视觉传感技术应用于工业领域时指导工业相机的选型和安装.

作者简介

易遵辉博士, 目前研究方向为光学成像､图像处理､工业过程参数检测;

蒋朝辉教授, 博士生导师, 目前研究方向为图像处理与智能识别､智能传感与检测技术､人工智能与机器学习;

陈晓方教授, 博士生导师, 目前研究方向为流程工业智能优化制造､知识自动化､工业大数据分析;

桂卫华教授, 博士生导师, 目前研究方向为复杂工业过程建模､优化与控制应用､故障诊断与分布式鲁棒控制.

期刊介绍

《控制理论与应用》(Control Theory & Applications)是经国家科学技术部批准, 教育部主管, 由华南理工大学和中国科学院数学与系统科学研究院联合主办的全国性一级学术刊物, 1984年创刊, 月刊, 国内外公开发行. 《控制理论与应用》是中国科学引文数据库首批统计源期刊之一，中文核心期刊，入选中国精品科技期刊顶尖学术论文F5000项目，中国科协自动化学科领域高质量科技期刊目录以及中国科协百篇优秀科技论文遴选计划，2021年入选广东省高质量科技期刊建设项目，2022-2024年连续获得基金委资助（科技活动专项）。

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