基于圖像灰度自適應(yīng)控制的光源系統(tǒng)*

劉秀峰，王興東*，裴 云，楊先發(fā)，劉源泂

(1．武漢科技大學(xué)冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430081;2．武鋼鋼鐵股份有限公司設(shè)備管理部，武漢430083)

LIU Xiufeng1，WANGXingdong1* ，Pei Yun2，Yang Xianfa2，LIU Yuanjiong1

(1．MoE Key Laboratory of Metallurgical Equipment and Their Control，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China;2．Department of Equipment Management，Wuhan Iron and steel Co．Ltd．，Wuhan 430083，China)

對(duì)于基于機(jī)器視覺的表面缺陷檢測(cè)設(shè)備，光源亮度對(duì)缺陷檢出率有著重要的作用。如果光源亮度過(guò)強(qiáng)，則導(dǎo)致采集到的圖像產(chǎn)生亮點(diǎn)和陰影，使得后續(xù)的圖像處理和缺陷識(shí)別出現(xiàn)誤檢測(cè);如果光源亮度太弱，則導(dǎo)致圖像特征對(duì)比度偏低，會(huì)降低缺陷的檢出率。

根據(jù)對(duì)數(shù)字圖像處理的研究，當(dāng)圖像灰度分布均勻時(shí)，它的信息熵達(dá)到最大值，此時(shí)的圖像含有的信息量最大，圖像看起來(lái)最為清晰［1］。面對(duì)同一被檢物，光源照明使得采集到的圖像平均灰度在110～120時(shí)(灰度級(jí)數(shù)0～255)，灰度分布相對(duì)最為均勻，此時(shí)圖像包含的信息量最大，檢測(cè)設(shè)備擁有較高的缺陷檢出率。因此良好光源的標(biāo)準(zhǔn)是:能夠使得被檢物的圖像的平均灰度在110～120之間。

1 光源設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)有的應(yīng)用于表面缺陷檢測(cè)設(shè)備的光源系統(tǒng)，主要從光源照明方式、光源光譜選擇和光源照射光路等角度，以試驗(yàn)的方法針對(duì)某一特定被檢物進(jìn)行專門設(shè)計(jì)［2］。該方法設(shè)計(jì)出的光源通常只能適用于特定的被檢物。但是隨著表面缺陷檢測(cè)設(shè)備的應(yīng)用推廣，檢測(cè)設(shè)備使用的環(huán)境和檢測(cè)的對(duì)象也日趨復(fù)雜。以冷軋帶鋼生產(chǎn)線使用的表面檢測(cè)設(shè)備為例，該設(shè)備要能檢測(cè)生產(chǎn)線生產(chǎn)不同品種帶鋼的表面缺陷［3］。不同品種的帶鋼由于本身材質(zhì)和工藝等原因使得其表面反射特性不同。光源在同樣亮度的情況下，不同的反射特性導(dǎo)致采集到的圖片平均灰度出現(xiàn)變動(dòng)，最終影響到檢測(cè)設(shè)備檢出率。因此為了保證檢測(cè)設(shè)備擁有良好的檢出率，需要光源系統(tǒng)能夠根據(jù)檢測(cè)的對(duì)象自動(dòng)調(diào)整光源亮度。

1．1 光源控制原理

為了使光源適用于不同被檢物，現(xiàn)設(shè)計(jì)一種基于圖像灰度為控制目標(biāo)的光源系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)攝像頭拍攝到被檢物的圖像的平均灰度來(lái)調(diào)節(jié)光源亮度，最終讓圖像的平均灰度在110～120之間。

圖像大小為N×M的平均灰度計(jì)算公式:

式中，Ia為圖像平均灰度，I(i，j)為圖像中第i行、第j列的灰度［3］。

光源亮度控制方程:

式中，e(t)=c(t)－r(t)，是圖像的實(shí)時(shí)灰度與理想灰度的偏差值，作為光源亮度控制的輸入值;K為亮度控制的比例系數(shù);u(t)是調(diào)光控制器的輸出量。

光源系統(tǒng)由工業(yè)攝像頭、調(diào)光控制器和光源板3部分組成。其中調(diào)光控制器調(diào)節(jié)光源板發(fā)光亮度，光源板對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行照明，工業(yè)攝像頭拍攝實(shí)時(shí)圖像。調(diào)光控制器通過(guò)進(jìn)行理想和實(shí)時(shí)的平均灰度的比較，調(diào)整光源亮度，最終讓光源系統(tǒng)亮度達(dá)到理想范圍。圖1所示為基于圖像灰度的自適應(yīng)調(diào)光控制原理圖。

圖1 基于圖像灰度的自適應(yīng)調(diào)光控制原理

1．2 光源種類選擇

現(xiàn)在機(jī)器視覺領(lǐng)域中使用的主要光源類型有:熒光燈、鎢絲燈、鹵素?zé)簟⒓す夂?LED。根據(jù)文獻(xiàn)［4］可知，由于LED具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、體積小、光效高和響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)，LED開始被廣泛的應(yīng)用。因此選擇LED作為表面檢測(cè)設(shè)備的光源。

1．3 光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

光源系統(tǒng)分為工業(yè)攝像頭、調(diào)光控制器和光源板三部分。工業(yè)攝像頭為高精度面陣CCD攝像頭作為光源系統(tǒng)的傳感器;光源板為L(zhǎng)ED陣列光源板是控制系統(tǒng)的控制對(duì)象;調(diào)光控制器由PC機(jī)和單片機(jī)共同組成，其中PC機(jī)的工作是處理攝像頭采集到的圖像、比較理想和實(shí)時(shí)灰度、計(jì)算控制輸出量和向單片機(jī)發(fā)送調(diào)光信號(hào)，單片機(jī)的功能是接收PC機(jī)調(diào)光信號(hào)和對(duì)LED光源板的亮度控制，PC機(jī)和單片機(jī)之間通過(guò)串口進(jìn)行通信。光源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 光源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 LED光源板

2．1 LED 控制方式

由LED的發(fā)光原理可知，LED的發(fā)光亮度與通過(guò)LED的正向電流成正方向變化。因此調(diào)節(jié)LED的亮度就是控制通過(guò)LED的電流大小。一般常見調(diào)光方式分為模擬方式和PWM(Pulse Width Modulation)方式［5］。

模擬調(diào)光方式具有亮度連續(xù)可調(diào)且電路較為簡(jiǎn)單便于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。但也存在著以下缺點(diǎn):①調(diào)光的線性度差，難以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)光;②當(dāng)LED發(fā)光亮度調(diào)低時(shí)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)光效率隨著電流的減小而急速下降;③在調(diào)節(jié)LED亮度的同時(shí)也會(huì)改變它的光譜。因此模擬調(diào)光技術(shù)不適合用于機(jī)器視覺的光源亮度調(diào)節(jié)。

PWM調(diào)光方式利用PWM方波控制MOS管開路和短路的方式來(lái)設(shè)定通過(guò)LED電流的大小。它通過(guò)改變PWM方波的占空比(D=T高電平/T總)獲得對(duì)應(yīng)的電流，進(jìn)一步得到相應(yīng)的亮度。它的優(yōu)點(diǎn)有:①能夠精準(zhǔn)的控制通過(guò)LED的正向電流和調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度，發(fā)光強(qiáng)度與PWM波占空比D成線性關(guān)系;②調(diào)光范圍廣，從理論上可以調(diào)節(jié)從0%到100%的光照強(qiáng)度;③由于LED通過(guò)的電流要么是最大值要么是零，所以調(diào)節(jié)LED亮度不會(huì)改變它的光譜;④PWM調(diào)光驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)光效率較高。

相比模擬調(diào)光方式，PWM調(diào)光方式通過(guò)對(duì)占空比的控制可精確控制 LED發(fā)光亮度;同時(shí)只要PWM控制信號(hào)穩(wěn)定，LED發(fā)光亮度就能穩(wěn)定，從而保證了機(jī)器視覺的光源系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。采用PWM調(diào)光方式來(lái)進(jìn)行光源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)。

2．2 LED光源板硬件設(shè)計(jì)

LED顆粒型號(hào)為VISHAY?生產(chǎn)的TSHF5210，其額定電壓為1．4 V、額定電流為0．1 A、額定發(fā)光強(qiáng)度為180 mW/sr、光照半值角為10°、峰值波長(zhǎng)為890 nm。MOS管型號(hào)為IR?生產(chǎn)的IRFR320，其最大通過(guò)電流 ID為3．1 A、導(dǎo)通控制電壓 VGS為2．0 V、導(dǎo)通電阻 RDS為2．0 Ω。

光源板由100個(gè)LED顆粒和1個(gè)MOS控制管組成。100個(gè)LED采取混聯(lián)方式進(jìn)行連接:10個(gè)LED串聯(lián)成一路，然后再把串聯(lián)的10路并聯(lián)起來(lái)。1個(gè)MOS管與混聯(lián)的LED進(jìn)行串聯(lián)。LED光源板硬件電路圖如圖3所示。

圖3 LED光源板硬件電路圖

光源板電源連接直流穩(wěn)壓電源，控制信號(hào)接口連接單片機(jī)的PWM信號(hào)輸出口。

3 調(diào)光控制器軟、硬件設(shè)計(jì)

調(diào)光控制器的功能是根據(jù)實(shí)時(shí)灰度調(diào)整PWM信號(hào)的占空比。其具體實(shí)現(xiàn)方式是每隔固定時(shí)間段，比較實(shí)時(shí)灰度值與理想灰度值(110～120)大小，如果實(shí)時(shí)灰度小于110，PWM信號(hào)的占空比調(diào)高0．5%;如果實(shí)時(shí)灰度大于120，PWM信號(hào)的占空比調(diào)低0．5%;如果實(shí)時(shí)灰度在110和120之間，PWM信號(hào)的占空比保持不變。

調(diào)光控制器由PC機(jī)和單片機(jī)共同組成。PC機(jī)主要是采集實(shí)時(shí)圖像并判斷如何調(diào)光，單片機(jī)主要是產(chǎn)生穩(wěn)定的PWM信號(hào)，PC機(jī)和單片機(jī)之間通信采用串口通信實(shí)現(xiàn)。

3．1 PC機(jī)軟件設(shè)計(jì)

PC機(jī)是光源系統(tǒng)的控制核心，它通過(guò)將數(shù)字圖像進(jìn)行計(jì)算和判斷后，向單片機(jī)傳遞調(diào)光控制信號(hào)。PC 機(jī)的軟件采用 VB6．0 進(jìn)行編寫［6－7］，主要擁有 4個(gè)子功能:①控制攝像頭隔一段時(shí)間采集一次圖像;②計(jì)算圖像平均灰度并通過(guò)比較灰度等計(jì)算得到調(diào)光控制量;③通過(guò)串口將調(diào)光信號(hào)發(fā)送給單片機(jī);④檢測(cè)單片機(jī)傳遞過(guò)來(lái)的報(bào)警信號(hào)。

攝像頭型號(hào)為大恒圖像?生產(chǎn)的DHHV5051。這款攝像頭采用USB2．0接口、分辨率為2 592×1 944、圖像采集幀率為8 frame/s。相機(jī)的圖像采集可以通過(guò)直接調(diào)用大恒圖像自帶的攝像頭軟件控制包的程序。PC機(jī)的軟件流程圖如圖4所示。

圖4 PC機(jī)軟件流程圖

3．2 單片機(jī)軟、硬件設(shè)計(jì)

3．2．1 單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器視覺光源的控制，單片機(jī)主要擁有3個(gè)功能:①不間斷的產(chǎn)生穩(wěn)定PWM信號(hào);②接受到PC機(jī)傳輸來(lái)的控制信號(hào);③向PC機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)。單片機(jī)采用宏晶?生產(chǎn)的STC89C52型單片機(jī)，利用單片機(jī)的定時(shí)器資源產(chǎn)生PWM信號(hào)，單片機(jī)與CH340T芯片構(gòu)成串口通信模塊接受PC機(jī)傳輸?shù)目刂菩盘?hào)。CH340T芯片是可以將PC機(jī)的USB口傳輸?shù)拇谛盘?hào)轉(zhuǎn)換成STC89C52單片機(jī)識(shí)別的TLL信號(hào)，可以直接實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC的串口通信［7］。

3．2．2 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)片內(nèi)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，以主程序?yàn)楹诵脑O(shè)置了4個(gè)功能模塊子程序，使一些功能在主程序中實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。運(yùn)行主程序通過(guò)調(diào)用各個(gè)功能模塊子程序。

單片機(jī)內(nèi)有4個(gè)功能模塊:①產(chǎn)生PWM信號(hào)模塊;②串口通信模塊;③PWM控制信號(hào)占空比增加模塊;④PWM控制信號(hào)占空比減少模塊。在主程序中直接調(diào)用這4個(gè)模塊，使得單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化。單片機(jī)的軟件流程圖如圖5。

圖5 單片機(jī)軟件流程圖

4 光源系統(tǒng)調(diào)光性能測(cè)試

圖6 普通鋼板、鍍鋅板、硅鋼板反射特性曲線

為了測(cè)試該光源系統(tǒng)的自適應(yīng)調(diào)光性能，選取冷軋帶鋼生產(chǎn)中具有代表性的3種鋼板:普通鋼板、鍍鋅板和硅鋼板作為被檢物。用光譜儀測(cè)定上述3種被檢物的反射特性。由如圖6所示的普通鋼板、鍍鋅板和硅鋼板的反射特性曲線可知:在入射光波長(zhǎng)在800 nm ～ 900 nm 時(shí)，反 射率 是 R鍍鋅板＞ R普通鋼板＞R硅鋼板。

搭建好如圖7試驗(yàn)平臺(tái)，攝像頭與PC機(jī)和PC機(jī)與單片機(jī)分別用USB線連接，光源板的控制信號(hào)接口與單片機(jī)PWM信號(hào)輸出口用導(dǎo)線連接，光源板、被檢物和攝像頭組成一個(gè)明場(chǎng)照明光路。打開光源控制系統(tǒng)，先后放入普通鋼板、鍍鋅鋼板和硅鋼板3種被檢物。啟動(dòng)光源系統(tǒng)，等待其自動(dòng)調(diào)光至穩(wěn)定狀態(tài)后，用示波器測(cè)量PWM控制信號(hào)的占空比，用照度計(jì)測(cè)量被檢物的照度，在PC機(jī)軟件中讀出實(shí)時(shí)圖像平均灰度。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖7 光源控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

表1 光源系統(tǒng)調(diào)光性能測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出該光源系統(tǒng)在面對(duì)不同種類的被檢物時(shí)可以根據(jù)采集到的圖像灰度調(diào)整光源亮度，并使得圖像灰度保持在理想?yún)^(qū)間內(nèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

該光源系統(tǒng)以圖像灰度為基礎(chǔ)進(jìn)行亮度控制，可適用于不同的工作環(huán)境和工作對(duì)象，使得表面檢測(cè)設(shè)備的光源適用性得到提高。同時(shí)，由于該光源控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)。對(duì)于一些需要光源亮度自動(dòng)控制的表面檢測(cè)設(shè)備，可按照此光源控制方式，對(duì)光源系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，提高設(shè)備的缺陷檢出率。這種基于圖像灰度的亮度自適應(yīng)調(diào)光光源具有良好的市場(chǎng)前景。

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