基于頻閃成像的紙病檢測(cè)系統(tǒng)光源優(yōu)化技術(shù)

湯 偉 成爽爽，* 馮 波，2 曲蘊(yùn)慧 王孟效

（1.陜西科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，陜西西安，710021；2.陜西科技大學(xué)鎬京學(xué)院，陜西西安，712046；3.陜西西微測(cè)控工程有限公司，陜西咸陽(yáng)，712000）

在紙張生產(chǎn)過程中，由于設(shè)備損壞、紙漿遭到周圍環(huán)境污染等多種原因而使成品紙張產(chǎn)生不同的外觀缺陷，這些缺陷統(tǒng)稱為紙病[1]。

基于機(jī)器視覺的紙病檢測(cè)系統(tǒng)是一種新興的紙張表面缺陷檢測(cè)技術(shù)，與傳統(tǒng)紙病檢測(cè)技術(shù)相比，具有非接觸、高精度、高效率的特點(diǎn)[2]。但是隨著紙機(jī)車速的提高和幅寬的加大，線陣CCD相機(jī)采集到的紙張圖像質(zhì)量變差，導(dǎo)致紙病檢測(cè)速度和精度降低，影響紙病類型的識(shí)別。

如今紙機(jī)的最大幅寬達(dá)12 m，運(yùn)行車速最高可達(dá)2800 m/min，紙病檢測(cè)精度要求達(dá)到0.01 mm2，線陣CCD相機(jī)的行頻需要達(dá)到500 kHz才能滿足系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)的要求。所以，對(duì)紙病檢測(cè)系統(tǒng)中光源系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了相應(yīng)的要求[3]，因?yàn)楹苄〉牧炼炔▌?dòng)也會(huì)導(dǎo)致圖像像素灰度值不準(zhǔn)確，本課題組的紙病檢測(cè)系統(tǒng)采集到的圖像存在如圖1(a)所示規(guī)律的橫向波紋現(xiàn)象，圖像灰度均勻度值低，導(dǎo)致紙病檢測(cè)和識(shí)別的結(jié)果不準(zhǔn)確，降低紙病檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)效率。因此在紙病檢測(cè)系統(tǒng)中拍攝到高速運(yùn)動(dòng)中紙張清晰和背景均勻的圖像，是進(jìn)行紙病檢測(cè)和識(shí)別的重要前提[4-5]。

本課題通過對(duì)香農(nóng)采樣定理和頻閃成像原理的分析，設(shè)計(jì)了一種紙病檢測(cè)系統(tǒng)中紙機(jī)車速、線陣CCD相機(jī)掃描頻率和LED頻閃照明頻率相匹配的優(yōu)化控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的頻閃同步控制程序。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本課題的優(yōu)化控制技術(shù)可以有效地提高采集到的紙張圖像成像質(zhì)量，為后期的紙病檢測(cè)與識(shí)別奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 原 理

1.1 香農(nóng)采樣定理

香農(nóng)采樣定理是通信與信號(hào)處理學(xué)科中的一個(gè)重要基本結(jié)論，是將連續(xù)信號(hào)離散化的主要依據(jù)。香農(nóng)采樣定理指出：為了不失真地恢復(fù)被采集信號(hào)的波形，采集系統(tǒng)的采樣頻率應(yīng)該至少大于被采集信號(hào)最高頻率的2倍，采集系統(tǒng)的采樣頻率越高，恢復(fù)出的波形就越接近被采集信號(hào)。

在紙病檢測(cè)系統(tǒng)中，線陣CCD相機(jī)實(shí)時(shí)快速拍攝生產(chǎn)線上高速運(yùn)動(dòng)的紙張，并將紙張表面的光學(xué)特性轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號(hào)[1]，而采集到的紙張圖像中出現(xiàn)規(guī)律性的波紋，表明在圖像采集過程中采集到了外界環(huán)境中規(guī)律性變化的信號(hào)。為了確定信號(hào)的類別，本課題對(duì)可能影響采集效果的紙張和光源2個(gè)因素進(jìn)行了分析，在去掉紙張后采集到如圖1(b)所示的光源圖像，與圖1(a)在波紋的頻率上有較高的相似度。為了能更好地對(duì)二者進(jìn)行對(duì)比，本課題對(duì)二者相同列坐標(biāo)位置的圖像像素灰度值進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖2所示。

圖1 縱向灰度不均勻圖像Fig.1 Longitudinal gray uneven image

由于受紙張密度不均勻的影響，圖2(a)灰度變化規(guī)律不是很明顯，去掉紙張后的圖2(b)光源曲線圖更加平滑，變化規(guī)律也更明顯。光源的頻率計(jì)算見式（1）。

式中，fl為光源頻率；N為周期信號(hào)的總次數(shù)；t為發(fā)生周期信號(hào)的總時(shí)間。

由圖2可知，在231個(gè)像素的距離上經(jīng)歷了大約8.5個(gè)周期，當(dāng)前的采集頻率2700 Hz，可知231個(gè)像素所經(jīng)歷的時(shí)間t=8.5/2700≈0.0315 s，代入式（1）可得光源的頻率約為0.0035 Hz。光源頻率遠(yuǎn)小于采集頻率，符合香農(nóng)采樣定理。由此可以得出，采集到的紙張圖像中出現(xiàn)的規(guī)律橫向波紋是由于系統(tǒng)的采集頻率高于光源頻率所造成的。

圖2 紙張和光源的縱向像素曲線圖Fig.2 Vertical pixel curve graph of paper and light source

1.2 頻閃成像原理

頻閃是指光源發(fā)出的光通量大小隨著時(shí)間變化而呈現(xiàn)出一定規(guī)律性、周期性變化的現(xiàn)象。頻閃成像原理則指在高速圖像采集過程中為了采集到清晰的圖像，通過調(diào)整采集頻率和光源頻率的方法克服頻閃現(xiàn)象，使連續(xù)采集圖像時(shí)每幀圖像獲取到的光通量都相同的一種圖像采集方法[6-8]?？筛鶕?jù)被采集對(duì)象是否有頻率變化而分成以下兩種主要形式。

（1）被采集對(duì)象無頻率變化（研究對(duì)象為運(yùn)動(dòng)中的紙張），影響采集圖像灰度均勻度的主要因素為光源的頻率變化[9]，為保證高速采集紙張圖像的灰度均勻度，相機(jī)掃描頻率與光源頻率應(yīng)滿足式(2)。

式中，fc為相機(jī)掃描頻率；fl為光源頻率，需要滿足相機(jī)的掃描頻率小于光源頻閃頻率，且光源的頻閃頻率是相機(jī)掃描頻率的整數(shù)倍[10]，即相機(jī)每次采集圖像時(shí)都能受到相同次數(shù)的光源照射，進(jìn)而保證相機(jī)每次采集圖像的光通量是相同的。

（2）被采集對(duì)象頻率變化時(shí)，此時(shí)相機(jī)的掃描頻率是固定值，一般情況下相機(jī)的掃描頻率小于被采集對(duì)象的頻率[11]。影響圖像采集效果的主要是被采集對(duì)象的頻率與光源頻率之間的比例關(guān)系。為了獲得被采集對(duì)象某一相位的清晰圖像，要求光源在采集過程中多次照射到被采集對(duì)象不同周期的同一相位上[12]，光源的照射周期與被采集需周期滿足式（3）。

式中，ΔtW為光源1個(gè)周期內(nèi)的照明時(shí)間；ΔtB為光源1個(gè)周期內(nèi)的黑暗時(shí)間；N為被采集對(duì)象的周期數(shù)；f0為被采集對(duì)象的頻率。根據(jù)周期與頻率的關(guān)系，光源頻率fl計(jì)算見式（4）。

在紙病檢測(cè)系統(tǒng)中，被采集的對(duì)象是高速運(yùn)動(dòng)的紙張，由于紙張呈勻速運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，所以符合第一種情況。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

紙病檢測(cè)系統(tǒng)的圖像采集控制系統(tǒng)由控制模塊、LED驅(qū)動(dòng)電路、速度傳感器和A/D轉(zhuǎn)換電路等模塊組成[13]，其中采用AT89C51單片機(jī)芯片作為控制器。其原理是通過速度傳感器獲取紙機(jī)車速，通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為脈沖輸出，控制相機(jī)的掃描頻率[14]。同時(shí)根據(jù)CCD相機(jī)的掃描頻率計(jì)算出LED陣列的閃光頻率，以保證采集到的紙張的成像質(zhì)量。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 紙病檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖Fig.3 Principle block diagramof the paper defect detection system

2.1 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1.1 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

本課題中使用霍爾光電傳感器對(duì)紙機(jī)車速進(jìn)行測(cè)量，將采集到的模擬信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，輸出相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，通過控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為脈沖輸出，完成對(duì)CCD相機(jī)掃描頻率的控制，使其能夠完成頻閃成像[15]。采用TLC2543芯片為A/D轉(zhuǎn)換器，該系統(tǒng)的硬件轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路Fig.4 A/Dconversion circuit

2.1.2 LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

LED頻閃光源是為了紙機(jī)在車速較高時(shí)保證采集到的紙張成像的質(zhì)量，因此對(duì)LED光源的發(fā)光頻率和閃光的持續(xù)時(shí)間有較高要求[16-17]，本課題采取100×3的矩形排列方式，采取串聯(lián)電路并聯(lián)的混合連接形式，每個(gè)串聯(lián)電路上會(huì)有1個(gè)限流電阻，驅(qū)動(dòng)電路采用高速光電耦合器和大功率的三極管來完成LED陣列的驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

圖5 LED控制電路Fig.5 LEDcontrol circuit

LED陣列光源有常亮和定時(shí)閃光2種工作模式。當(dāng)工作在常亮模式時(shí)，開關(guān)SW2連接到1端，SW1連接到R1，此時(shí)光電耦合器的1端始終有電壓輸出，光源一直發(fā)光。當(dāng)工作在定時(shí)閃光模式時(shí)，開關(guān)SW2連到2端，S1連到R2，閃光時(shí)間可以設(shè)置，定時(shí)觸發(fā)接口光電耦合器1端輸出高電平光源發(fā)光，閃光時(shí)間為控制器設(shè)定好的時(shí)間。

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件介紹

在紙病檢測(cè)系統(tǒng)中，采集模塊能否獲得背景均勻且清晰的圖像是后期進(jìn)行圖像檢測(cè)和識(shí)別的關(guān)鍵，通過原理分析可以發(fā)現(xiàn)，橫向波紋形成的主要原因是LED光源的閃光頻率與CCD相機(jī)掃描頻率不同步[18]，在數(shù)字存儲(chǔ)設(shè)備上主要表現(xiàn)為圖像在縱向上灰度值的周期性變化，本課題的目的是消除周期性變化的縱向灰度值，提高紙張圖像的灰度均勻度。

本程序的軟件部分在Windows 10企業(yè)版操作系統(tǒng)上使用集成環(huán)境VisualStudio 2015開發(fā)，主要包括頻率同步、圖像采集、圖像存儲(chǔ)和圖像分析模塊。

（1）頻率同步：該模塊是軟件部分的核心內(nèi)容，主要分3個(gè)步驟，一是測(cè)量紙機(jī)運(yùn)行速度和檢測(cè)精度2個(gè)參數(shù)，根據(jù)以上2個(gè)參數(shù)確定線性CCD相機(jī)的掃描頻率見式（5）。

式中，fc為相機(jī)的掃描頻率，Hz；v為紙張運(yùn)行的速度，m/s；s為期望的檢測(cè)精度，mm2。

通過式(5)計(jì)算所得到的掃描頻率，可以保證CCD相機(jī)每次采集到的像素的長(zhǎng)度和寬度相等，進(jìn)而保證采集到的圖像不會(huì)變形失真；二是根據(jù)頻閃成像原理，依據(jù)式(2)，將n的初始值設(shè)為1，可以得到光源的頻率fl，進(jìn)而求出LED光源的頻閃周期，并將所求的值發(fā)送給AT89C51，單片機(jī)控制LED驅(qū)動(dòng)電路使光源頻閃；三是在紙機(jī)車速變化后，重新計(jì)算光源頻閃頻率。

（2）圖像采集：本模塊的功能是采用線陣CCD相機(jī)將運(yùn)動(dòng)的紙張圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，然后將采集到的圖像傳給上位機(jī)，圖像采集裝置使用Tele?dyne DALSA的Saprea LTSDK 8.3。

（3）圖像存儲(chǔ)：本模塊的作用是將圖像采集模塊獲取到的數(shù)字圖像無損并且實(shí)時(shí)地存儲(chǔ)到本地硬盤上，為后期圖像數(shù)據(jù)的分析提供數(shù)據(jù)。為了保持圖像不失真，圖像存儲(chǔ)時(shí)應(yīng)該使用無損的灰度BMP格式，該格式在進(jìn)行存儲(chǔ)時(shí)不進(jìn)行任何壓縮，能夠做到圖像信息的完整性保存，同時(shí)灰度BMP格式在存儲(chǔ)時(shí)僅使用1個(gè)通道來表示數(shù)據(jù)信息，相較于使用3個(gè)通道的RGB格式，BMP圖像格式可以有效節(jié)約存儲(chǔ)空間，提高數(shù)據(jù)處理速度。

（4）圖像分析：本模塊原有的功能是分析紙張是否存在紙病以及對(duì)紙病類型進(jìn)行識(shí)別，本課題為了對(duì)優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，將功能更改為對(duì)圖像像素的灰度均值和圖像的灰度均勻度2個(gè)參數(shù)進(jìn)行分析。

圖像的像素灰度均值是指將所有的像素值累加后除像素的總個(gè)數(shù)，如式(6)所示。

式中，Pave表示圖像中所有像素的平均值，Pi為第i個(gè)像素的灰度值，N為圖像中像素的總個(gè)數(shù)?；叶染蹈哒f明圖像亮度高，灰度均值低則說明圖像亮度低，圖像亮度過高或過低都會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)紙病類型的識(shí)別，一般要求圖像灰度均值的范圍在100~160之間，這樣和人們?nèi)庋塾^看到的效果最為接近，有利于提高紙病的檢測(cè)和識(shí)別效果。

圖像的灰度均勻度主要反映一幅圖像灰度的均勻性和統(tǒng)一性，常用標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行表示，標(biāo)準(zhǔn)差可以較好地反映圖像灰度值的離散程度[19]。本課題研究?jī)?nèi)容是圖像縱向灰度的不均勻性，而且紙張密度不均勻也容易造成圖像灰度值偏離問題，因此標(biāo)準(zhǔn)差不適用于本課題優(yōu)化設(shè)計(jì)的分析。

綜合考慮波紋在縱向上規(guī)律性變化情況，結(jié)合灰度均勻度的計(jì)算方法，將灰度均勻度的計(jì)算過程分成以下2個(gè)步驟。

首先以圖像中行為單位，求出每行像素灰度的平均值，如式(7)所示。

式中，Pm為第m行像素的平均值；Pmn是第m行n列像素的像素值；N是第m行像素點(diǎn)的總個(gè)數(shù)。

然后找出所有行平均值的最小值和最大值，用最小行平均值除以最大行平均值，得到灰度均勻度，見式（8）。

式中，Grate表示灰度均勻度；PM表示行平均值的集合；PMmin表示行平均值的最小值；PMmax表示行平均值的最大值。式中所求的Grate值越大，灰度均勻度效果越好，理想狀態(tài)下做到圖像灰度均勻后，求到的結(jié)果應(yīng)該為1，在紙病檢測(cè)中，由于圖像的灰度還受紙張密度的影響，紙張圖像的灰度均勻度只會(huì)接近1而不會(huì)等于1。

紙病圖像檢測(cè)軟件部分流程如圖6所示。

圖6 流程圖Fig.6 Flow chart

3 應(yīng)用效果

本課題針對(duì)紙病檢測(cè)系統(tǒng)中采集到的紙張圖像存在橫向波紋的現(xiàn)象進(jìn)行了分析，提出了一種基于頻閃成像的紙病檢測(cè)系統(tǒng)同步控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種紙機(jī)車速、線陣CCD相機(jī)掃描頻率和LED頻閃照明頻率相匹配的優(yōu)化控制系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)采集了紙機(jī)車速分別為80 m/min、120 m/min時(shí)的紙張圖像（如圖7所示），結(jié)果表明該紙病檢測(cè)控制系統(tǒng)可以在紙機(jī)車速提高時(shí)，采集到紙張圖像的清晰度變高，可為紙病的檢測(cè)和識(shí)別提供重要的保障。

圖7 不同車速時(shí)采集到的紙張圖像Fig.7 Paper images collected at different speeds

4 結(jié)論

高頻圖像采集的成像效果主要受光圈、頻率和焦距3方面的影響，本課題主要研究?jī)?nèi)容是紙機(jī)車速、相機(jī)掃描頻率和LED頻閃照明頻率相適應(yīng)的紙病檢測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以保證采集到的紙張圖像的清晰度。為了更好地驗(yàn)證優(yōu)化效果，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中采用了定光圈和定焦距的方式，實(shí)驗(yàn)主要通過速度傳感器獲取紙機(jī)車速，通過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為脈沖輸出，控制線陣CCD相機(jī)的掃描頻率，保證相機(jī)采集圖像的掃描行距之和在紙張行進(jìn)方向上與實(shí)際紙張走過的距離相同。LED燈驅(qū)動(dòng)電源的頻閃頻率與相機(jī)的掃描頻率成整數(shù)倍的正比關(guān)系。實(shí)驗(yàn)過程主要通過不同的倍率設(shè)置來提高運(yùn)動(dòng)中紙張的成像質(zhì)量，同時(shí)也滿足紙張圖像像素灰度平均值在要求的范圍之內(nèi)。