基于機(jī)器視覺的紙病診斷系統(tǒng)光源設(shè)計(jì)方案研究

湯偉 王錦韞，* 馮波，2

（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）

在紙張的生產(chǎn)制造過程中，受生產(chǎn)工藝、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和工人操作技術(shù)不規(guī)范等因素影響，紙張表面容易出現(xiàn)孔洞、黑斑、裂縫、劃痕、褶皺、蚊蟲等缺陷，這些缺陷被稱為外觀紙病，俗稱紙病。常見紙病如圖1所示[2]。這些紙病會(huì)對(duì)紙張的正常使用造成干擾，對(duì)于一般紙張來說，會(huì)影響產(chǎn)品的整體美觀，降低紙張的使用性能；對(duì)于特種用途紙品來說，可能會(huì)造成巨大的損失，因此紙病的在線診斷系統(tǒng)不可或缺。

圖1 常見紙病示意圖Fig.1 Schematic diagram of common paper defects

基于機(jī)器視覺的紙病診斷系統(tǒng)一般由4個(gè)主要的模塊組成：光源模塊、圖像采集模塊、紙病檢測(cè)模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。該系統(tǒng)的工作原理為：首先選擇合適的光源對(duì)被檢測(cè)紙張進(jìn)行照射，由工業(yè)線陣相機(jī)采集數(shù)字圖像信息并傳輸?shù)紽PGA的紙病檢測(cè)模塊中，紙病檢測(cè)模塊丟棄紙病的圖像，并將有紙病的圖像發(fā)送給計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)分析模塊，數(shù)據(jù)分析模塊再分割相應(yīng)紙張圖像，提取紙病區(qū)域的圖像，識(shí)別并保存紙病的類型，分析產(chǎn)生紙病的原因，為改進(jìn)生產(chǎn)工藝提供建議[1-3]。系統(tǒng)組成框圖如圖2所示[16-17]。

圖2 紙病診斷系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Block diagram of paper disease diagnosis system

對(duì)于整個(gè)機(jī)器視覺系統(tǒng)來說，圖像采集模塊采集的圖像質(zhì)量至關(guān)重要，其中光源對(duì)圖像采集的效果影響很大，光源的類型、照射方向、顏色、距離、形狀等都會(huì)直接影響成像效果。光源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)十分困難的優(yōu)化問題，國內(nèi)外紙病診斷系統(tǒng)中光源優(yōu)化的成果很少，現(xiàn)有光源系統(tǒng)易受外界環(huán)境干擾，系統(tǒng)采集到的圖像魯棒性較差[4]。

本課題以100 g/m2高檔銅版原紙為例，設(shè)計(jì)基于機(jī)器視覺的紙病診斷系統(tǒng)的光源模塊，從紙張的光學(xué)特性和光源的特性研究出發(fā)，分析二者的特點(diǎn)，并確定適用于當(dāng)前系統(tǒng)的光源模塊。

1 紙張光學(xué)特性

在基于機(jī)器視覺的應(yīng)用系統(tǒng)中，紙張的光學(xué)特性對(duì)于選擇合適光源顏色和合適的照射方式有較大的指導(dǎo)意義[5-6]。紙張的光學(xué)特性主要包含以下4方面。

（1）紙張白度，即紙張受到光反射后的全反射能力。在印刷的生產(chǎn)實(shí)踐中，需要根據(jù)不同的目標(biāo)群體選擇白度的高低。

（2）紙張光澤度，即在紙張表面上的鏡面反射能力與完全鏡面反射能力之間的接近程度。不同的印刷品對(duì)光澤度有不同的要求，光澤度高會(huì)刺激眼睛，造成眼睛干澀腫脹等不適，導(dǎo)致閱讀體驗(yàn)下降。

（3）紙張平滑度，即紙張表面的凹凸程度，也稱為紙張粗糙度。當(dāng)紙張的平滑度較高時(shí)，產(chǎn)生的漫反射不夠均勻，在基于機(jī)器視覺的紙病診斷系統(tǒng)中，會(huì)被視為紙病進(jìn)行處理。

（4）紙張透明度，即透射過紙張的光線總量與全部入射光線之間的比例。當(dāng)前基于機(jī)器視覺的紙病診斷系統(tǒng)中，大多使用下光源對(duì)運(yùn)動(dòng)中的紙張進(jìn)行拍攝，相機(jī)通過獲取透射過紙張的光線生成圖像。

紙張的光學(xué)特性會(huì)對(duì)基于機(jī)器視覺的紙病診斷系統(tǒng)的圖像采集部分產(chǎn)生重要影響，基于機(jī)器視覺的紙病診斷系統(tǒng)在設(shè)計(jì)光學(xué)模塊時(shí)，需要對(duì)待測(cè)紙張進(jìn)行專門的光學(xué)特性分析，然后根據(jù)其光學(xué)特性設(shè)計(jì)合理的光源模塊，為系統(tǒng)能采集合適的圖像做好準(zhǔn)備。

2 光源特性

光源可分為自然光源和人造光源。自然光源通常指自然界中能夠發(fā)光的物質(zhì)如太陽、恒星、螢火蟲等；人造光源指人類利用科技制造、如火把、蠟燭和電燈等能夠發(fā)光的物體。本課題涉及的光源主要是應(yīng)用于機(jī)器視覺的圖像采集模塊的人造光源。針對(duì)每個(gè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)與之相適應(yīng)的光源模塊，以實(shí)現(xiàn)圖像采集的最佳效果[7]。

常見的光源有熒光燈、鹵素?zé)?、LED燈等。LED光源以其響應(yīng)速度快、使用壽命長、形狀自由度更高、發(fā)光效率高、發(fā)熱量小等特點(diǎn)，常應(yīng)用于基于機(jī)器視覺的紙病診斷系統(tǒng)中[8-10]。

2.1光源顏色

在基于機(jī)器視覺的紙病診斷系統(tǒng)中，因?yàn)榭梢越邮盏奖粰z測(cè)紙張上反射到鏡頭的光線，工業(yè)線陣相機(jī)可以采集到被檢測(cè)紙張所對(duì)應(yīng)的圖像，不同的光線射向同一顏色的物體時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)多種不同的效果[11]。

本研究中基于機(jī)器視覺的紙病診斷系統(tǒng)采用工業(yè)線陣單色相機(jī)，獲取圖像顏色只有黑、灰、白。為提高待測(cè)紙張表面缺陷與背景的對(duì)比度，降低后期圖像的處理難度[12-15]，可以選用特定顏色的光源來提高或者降低背景的亮度。圖3為單色相機(jī)獲取的互補(bǔ)色效果圖。如圖3所示，左圖為自然光源照射時(shí)使用單色相機(jī)獲取到的圖像，右圖為單紅色光源照射時(shí)使用單色相機(jī)獲取到的圖像。

圖3 單色相機(jī)獲取的互補(bǔ)色效果圖Fig.3 Complementary color rendering obtained by monochrome camera

2.2 光源的照射方式

在機(jī)器視覺中，依據(jù)相機(jī)、光源與被檢測(cè)對(duì)象三者之間的相對(duì)位置關(guān)系，可以將光源的照射方式分為前面照射、背面照射、混合照射3種方式。

本研究中基于機(jī)器視覺的紙病診斷系統(tǒng)對(duì)紙張的臟點(diǎn)、孔洞、漿疙瘩、裂縫、斷紙、劃痕、印痕、褶皺等紙病進(jìn)行診斷。為得到更好的照射效果，臟點(diǎn)、孔洞、漿疙瘩、裂縫、斷紙5類紙病需要通過下光源得到比較明顯的對(duì)比度，因此在下光源方面，建議選擇穿透能力較好的紅色線性光源照射；而劃痕、印痕、褶皺3類紙病則主要存在于紙張的上表面，需要通過高角度光源進(jìn)行照射，得到對(duì)比度明顯的圖像，因此上光源建議選擇反射能力較強(qiáng)的藍(lán)色高角度線性光源進(jìn)行照射?；跈C(jī)器視覺的紙病診斷系統(tǒng)需要選擇混合光源的照射方式，如圖4所示，才能采集到理想的圖像效果。

圖4 混合照射方式示意圖Fig.4 Schematic diagram of mixed irradiation method

2.3 光源的通光量和曝光量

在基于機(jī)器視覺的紙病診斷系統(tǒng)中光通量特指LED光源的光通量，曝光量則是由曝光時(shí)間和通光面積來決定的。曝光量大，生成的圖像會(huì)因亮度過高而發(fā)白，反應(yīng)到單色相機(jī)上，則圖像灰度值會(huì)變大[15]。

在基于機(jī)器視覺的紙病診斷系統(tǒng)中，圖像采集模塊使用的是工業(yè)線陣相機(jī)，采集頻率可達(dá)數(shù)百kHz。假設(shè)相機(jī)在接收到的光通量為Φc時(shí)可以獲取到合適灰度值的圖像，則LED光源的光通量Φl、相機(jī)的采集頻率f和鏡頭光圈F之間存在著一定的平衡關(guān)系。當(dāng)需要變化采集頻率f時(shí)，為保證相機(jī)采集到的圖像灰度值不變，可以分成以下2種情況，以保證相機(jī)接收到的光通量為Φc不變化（假設(shè)光源發(fā)出的所有光線均能進(jìn)入相機(jī)）。

（1）鏡頭光圈F不變，相機(jī)接收到的光通量Φc與LED光源的光通量Φl和相機(jī)采集頻率f之間存在如式(1)所示的函數(shù)關(guān)系。

為保證獲取到的圖像灰度值不變，LED光源的光通量Φl需要隨著相機(jī)的采集頻率f的增大而增大。

（2）鏡頭光圈F=鏡頭焦距fc/鏡頭有效口徑直徑d，計(jì)算如式(2)所示。

在鏡頭焦距一定的情況下，鏡頭有效口徑直徑可取1.0、1.4、2.0、2.8、4.0、5.6、8.0、11.0、16.0、22.0、32.0、44.0、64.0，鏡頭光圈F隨鏡頭有效口徑直徑d的變大而變小，光圈越大，進(jìn)光量越多。理論上當(dāng)焦距不變時(shí)，相臨光圈的進(jìn)光量存在著倍的關(guān)系。由此可以推導(dǎo)出，當(dāng)LED光源的光通量Φl大小不變時(shí)，相機(jī)接收到的光通量Φc與相機(jī)的采集頻率f、鏡頭光圈F之間存在如式（3）所示的函數(shù)關(guān)系。

當(dāng)光源的光通量不變時(shí)，獲取光通量的時(shí)間減少了，為保證成像效果，可以通過增大光圈的方式來彌補(bǔ)光通量的損失。由于光圈的取值范圍有限，這種方案的可實(shí)施性受到較大約束。

3 光源模塊的設(shè)計(jì)方案

通過上述分析，根據(jù)光源設(shè)計(jì)的基本思路，需要結(jié)合被診斷對(duì)象的光學(xué)特征和光源的物理特性設(shè)計(jì)合理的光源。本課題中被診斷對(duì)象為100 g/m2高檔銅版原紙，其光學(xué)特征主要表現(xiàn)在以下3方面。

（1）白度高?？梢苑瓷淙庾V系統(tǒng)的光線，光源顏色可根據(jù)銅版紙的其他特性進(jìn)行選擇。

（2）透明度低。需要選擇穿透力比較強(qiáng)的光源才能透過紙張?jiān)谙鄼C(jī)上成像，所以下光源應(yīng)該選用紅色線性LED光源，此時(shí)相機(jī)接收到穿透過紙張的光線，生成灰度值較高的圖像，而光線無法穿透出現(xiàn)臟點(diǎn)和漿疙瘩的位置，則生成灰度值較低的圖像；孔洞、裂縫等紙病在下光源照射時(shí)沒有阻擋，光線可以直接穿過紙張射向相機(jī)，生成灰度值更高的白色圖像。

（3）光澤度和平滑度高。采用低角度照明會(huì)讓大部分光線通過鏡面反射而遠(yuǎn)離相機(jī)，導(dǎo)致相機(jī)采集到的圖像灰度太低，從而不利于后期圖像的分析。

因此，本課題最終選擇反射能力較強(qiáng)的高角度藍(lán)色線性LED光源對(duì)紙張進(jìn)行照射。光源照射效果如圖5所示。

圖5 光源模塊示意圖Fig.5 Schematic diagram of light source module

采集黑斑、孔洞對(duì)比如圖6所示，劃痕、折痕如圖7所示。由圖6和圖7可以看出，下光源采用穿透能力較強(qiáng)的紅色線性光源，上光源采用反射能力較強(qiáng)的藍(lán)色線性光源，提高了黑斑和孔洞的對(duì)比度，也提高了劃痕、折痕等紙病的對(duì)比度，一定程度上提高了紙病的判定精度。

圖6 黑斑和孔洞采集示意圖Fig.6 Schematic diagram of black spot acquisition and hole acquisition

圖7 劃痕和褶皺采集示意圖Fig.7 Schematic diagram of scratch acquisition and fold acquisition

本課題組在東莞市海視光電公司訂制了LED線性光源TL-500×20-R和TL-500×20-B。二者均進(jìn)口大功率燈珠，具有亮度高、發(fā)光均勻、面積成線狀的特點(diǎn)。其中TL-500×20-R發(fā)射的光為紅色，可照射長度0.5 m，寬度0.02 m，當(dāng)光源與紙張的距離0.2 m時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)照射在紙張上光照度的均勻性，作為下光源使用；TL-500×20-B發(fā)射的光為藍(lán)色，可照射長度0.5 m，寬度0.02 m，當(dāng)光源與紙張的距離0.4 m時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)照射在紙張上光照度的均勻性，作為上光源使用。

光源方案設(shè)計(jì)前后采集到的無紙病圖像對(duì)比如圖8所示。由圖8可知，本研究方案在對(duì)低速窄幅紙機(jī)進(jìn)行圖像采集時(shí)，系統(tǒng)采集到的正常紙張圖像背景灰度均勻、目標(biāo)對(duì)比度較高。

圖8 光源方案設(shè)計(jì)前后圖像對(duì)比圖Fig.8 Comparison of images before and after light source scheme design

4 結(jié) 論

本課題針對(duì)紙張白度、光澤度、平滑度、透明度4種光學(xué)特性，結(jié)合光源分類、光源色彩、光源照射方式、光源的光通量和曝光量等物理特征，設(shè)計(jì)了適用于基于機(jī)器視覺的紙病診斷系統(tǒng)的光源結(jié)構(gòu)方案。該方案采用上、下雙光源的照射方式，依據(jù)光源顏色的特性，下光源采用穿透能力較強(qiáng)的紅色線性光源，上光源采用反射能力較強(qiáng)的藍(lán)色線性光源，雙光源的照射可以明確區(qū)分黑斑和孔洞，也可以提高劃痕、折痕等紙病的對(duì)比度，有利于實(shí)現(xiàn)更高精度的紙病判定效果。該方案設(shè)計(jì)的光源模塊結(jié)合了紙張的光學(xué)特性和光源的特點(diǎn)，基本滿足了低速窄幅實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用，采集到的圖像可以實(shí)現(xiàn)背景灰度均勻、目標(biāo)對(duì)比度明顯的效果，可以滿足后期圖像分析的需要。