基于數(shù)碼相機(jī)的多探頭顏色檢測系統(tǒng)

陸 杰,樓 騰,毛靜超,閆志鋼，盧鳳龍

(浙江工業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，浙江 杭州 310023)

1 引 言

顏色檢測在現(xiàn)代生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛，無論是在農(nóng)業(yè)還是工業(yè)等生產(chǎn)領(lǐng)域，都可能需要在某個環(huán)節(jié)采集產(chǎn)品的顏色，以供生產(chǎn)者對產(chǎn)品做質(zhì)量檢測. 尤其是紡織行業(yè)，在布匹染色過程中，通過對布匹顏色的檢測來判斷其染色質(zhì)量. 在工業(yè)過程控制，材料分揀識別、圖像處理、產(chǎn)品質(zhì)量檢測等，都會應(yīng)用到檢測. 隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，可以很容易地用計(jì)算機(jī)和工業(yè)相機(jī)來代替人眼的顏色識別[1]. 本研究通過光纖和數(shù)碼相機(jī)同時采集被檢測物體表面的多個顏色圖像，并通過計(jì)算機(jī)軟件LabVIEW編寫顏色識別程序來實(shí)時得到圖像上特定區(qū)域顏色信息，與參考顏色作對比，識別出被測物體顏色是否合格. 這種檢測方法不僅可以提高效率和精確度，同時可以避免因人眼疲勞而引起的誤差.

2 顏色模型的選定

常見的顏色空間包括：RGB,HSL,CIE,CMYK等. 本文中將只討論RGB彩色空間.

自然界中常見的各種顏色的光，都可以分解為紅(Red)、綠(Green)、藍(lán)(Blue)3種色光，不同顏色分解出來的3種色光所占比例不同；同樣地，將紅、綠、藍(lán)3種色光按不同比例相配，將得到不同顏色的色光. 但是紅、綠、藍(lán)這3種色光不能通過其他2種合成，也就是說，它們?nèi)呤窍嗷オ?dú)立的，這就是色度學(xué)中的三基色原理[2].

在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，RGB各分量都用8位表示，其取值范圍為0～255，而每組RGB值組成1個像素點(diǎn)，表現(xiàn)為具體某一種顏色，這就意味著，只要知道某一像素點(diǎn)的顏色RGB值，就可以確定該點(diǎn)的顏色.

3 系統(tǒng)硬件的組成

3.1 總體概覽

基于數(shù)碼相機(jī)的多探頭顏色檢測系統(tǒng)，包括了光源、第一傳光光纖、探頭、第二傳光光纖、數(shù)碼相機(jī)和計(jì)算機(jī)；第一傳光光纖和第二傳光光纖組成光纖組，與探頭連接，光源與第一傳光光纖耦合將光傳輸?shù)教筋^中，探頭與被測物體表面相接觸，光照射到被測物體表面，經(jīng)被測物體反射，反射光經(jīng)第二傳光光纖將被測物體表面局部圖像信息傳輸至數(shù)碼相機(jī)，數(shù)碼相機(jī)通過USB線與電腦連接，以便在電腦上對獲得的圖像信息進(jìn)行處理. 系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

3.2 光源與第一傳光光纖的耦合

本系統(tǒng)選擇5 mm草帽LED燈，1 mm內(nèi)徑的塑料光纖. 為了使探頭內(nèi)進(jìn)入足夠的光，照亮物體表面，用Tracepro仿真模擬后，發(fā)現(xiàn)直接耦合即可滿足實(shí)驗(yàn)要求[3].

3.3 探頭的設(shè)計(jì)

探頭材料采用的是硬鋁，但內(nèi)表面應(yīng)鍍成黑色來吸收探頭內(nèi)的雜光. 探頭檢測面積要盡可能小，這樣被探頭覆蓋的區(qū)域顏色才可能單一. 探頭的高度不宜太高，不利于探頭貼附在被測物體表面. 探頭成圓柱形，圓面半徑為6.7 mm,兩光纖小孔半徑1.1 mm，且圓心相距5.2 mm，探頭長度為33 m，其中30 mm用來固定光纖，3 mm為鏤空部分. 設(shè)計(jì)圖如圖2所示.

圖2 探頭

3.4 數(shù)碼相機(jī)與第二傳光光纖的連接

本系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的工業(yè)相機(jī)，相比于民用相機(jī)(攝像機(jī))而言，它具有高的圖像穩(wěn)定性、高傳輸能力和高抗干擾能力等，目前市面上工業(yè)相機(jī)大多是基于CMOS(Complementary metal oxide semiconductor)芯片的相機(jī).

為了得到光纖中的圖像，采取移除工業(yè)相機(jī)原鏡頭，改裝成自主設(shè)計(jì)的多孔光纖連接頭轉(zhuǎn)接入數(shù)碼相機(jī). 當(dāng)光纖插入轉(zhuǎn)接頭后，光纖的末端與數(shù)碼相機(jī)的CMOS足夠近時，可忽略數(shù)值孔徑導(dǎo)致的出射光線發(fā)散角度的影響，但實(shí)際從圖像中可知打在CMOS上的仍然是1個圓斑，這是由于相對CMOS的高像素來說，光纖纖芯尺寸仍然不能當(dāng)成1個點(diǎn)來看待，而是有一定直徑大小的斑. 在實(shí)際采點(diǎn)的過程中，要盡量采用顏色均勻的靠中心的區(qū)域，來減少邊緣光線分布不均帶來的影響.

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)碼相機(jī)圖像采集

本系統(tǒng)采用LabVIEW8.5作為顏色識別工具，并安裝了Vision Acquisition Software與Vision Development Module,并且需要可編程工業(yè)相機(jī)的LvOPTCAM.dll文件，用來采集圖像信息[4]. 前面板的設(shè)計(jì)見圖3.

圖3 前面板

4.2 計(jì)算RGB均值的程序設(shè)計(jì)

利用LabVIEW中的視覺與運(yùn)動模塊，可以得到圖像上任意一點(diǎn)的像素值，并且分解出該像素點(diǎn)的RGB值的大小[5]. 由于只需要對特定區(qū)域的圖像取其RGB均值，所以可以利用循環(huán)的方法，手動輸入?yún)^(qū)域的起始坐標(biāo)和終止坐標(biāo)，就能在該矩形區(qū)域內(nèi)逐點(diǎn)計(jì)算出RGB的值，利用邏輯運(yùn)算加法、for循環(huán)中的移位寄存器以及邏輯運(yùn)算除法，分別將該區(qū)域內(nèi)點(diǎn)的RGB均值求出[6]. 具體程序框圖見圖4. 若要計(jì)算多個探頭的圖像數(shù)據(jù)，只需以并聯(lián)的方式將計(jì)算均值的子程序排列，并在輸入節(jié)點(diǎn)接入圖像數(shù)據(jù).

圖4 求RGB均值框圖

4.3 程序的執(zhí)行

程序流程圖見圖5. 將數(shù)碼相機(jī)用USB線連接電腦，點(diǎn)擊前面板上的運(yùn)行按鈕. 程序等待數(shù)碼相機(jī)是否采集到圖片，若采集到圖片，則能在前面板的圖像顯示窗口實(shí)時顯示；用光標(biāo)移動到光纖所傳輸出的彩色光斑上，在圖像顯示窗口左下角會顯示出光標(biāo)所在點(diǎn)的坐標(biāo)，選擇光斑顏色比較均勻的矩形區(qū)域，手動輸入矩形左上角與右下角的點(diǎn)的坐標(biāo)值，由于本系統(tǒng)探頭位置是固定的，所以只需手動輸入1次或者以常數(shù)的形式連接到循環(huán)次數(shù)N上，便可測量1個乃至多個探頭所選擇區(qū)域的RGB均值；點(diǎn)擊停止按鈕，則將退出本程序.

圖5 流程圖

5 結(jié)束語

本文所述的基于數(shù)字相機(jī)的多探頭顏色檢測系統(tǒng)，采用了光纖端接收被測物體表面的圖像信息，而不是直接利用數(shù)碼相機(jī)去采集圖像信息，而以光源，數(shù)碼相機(jī)和計(jì)算機(jī)作為主機(jī)部分，實(shí)現(xiàn)了檢測端與主機(jī)的分離，便于在被測物體周圍存在外界干擾的環(huán)境下使用.

參考文獻(xiàn)：

[1] 顏發(fā)根，劉建群，陳新，等. 機(jī)器視覺及其在制造業(yè)中的應(yīng)用[J]， 機(jī)械制造，2004，42(483)：28-30.

[2] 隋成華. 大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)教程[M]. 北京：北京出版社，2007：128-129．

[3] 王永剛，衛(wèi)保國. 基于數(shù)碼相機(jī)的圖像采集系統(tǒng)[J]． 測控技術(shù)，2000，19(5)：17-19.

[4] 李葉芳，王文春，賴康生,等. 一種實(shí)現(xiàn)光源與光纖耦合的方法[J]. 物理與工程，2003，13(1)：22,25．

[5] Klinger T． Image processing with LabVIEW and IMAQ Vision [M]．Englewood Cliff:Prentice Hall FrR，2003．

[6] 王磊，陶梅. 精通LabVIEW 8.X [M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008:171-177．