基于圖像灰度自適應控制的光源系統*

劉秀峰，王興東*，裴 云，楊先發，劉源泂

(1．武漢科技大學冶金裝備及其控制教育部重點實驗室，武漢430081;2．武鋼鋼鐵股份有限公司設備管理部，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)

對于基于機器視覺的表面缺陷檢測設備，光源亮度對缺陷檢出率有著重要的作用。如果光源亮度過強，則導致采集到的圖像產生亮點和陰影，使得后續的圖像處理和缺陷識別出現誤檢測;如果光源亮度太弱，則導致圖像特征對比度偏低，會降低缺陷的檢出率。

根據對數字圖像處理的研究，當圖像灰度分布均勻時，它的信息熵達到最大值，此時的圖像含有的信息量最大，圖像看起來最為清晰［1］。面對同一被檢物，光源照明使得采集到的圖像平均灰度在110～120時(灰度級數0～255)，灰度分布相對最為均勻，此時圖像包含的信息量最大，檢測設備擁有較高的缺陷檢出率。因此良好光源的標準是:能夠使得被檢物的圖像的平均灰度在110～120之間。

1 光源設計方案

現有的應用于表面缺陷檢測設備的光源系統，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，以試驗的方法針對某一特定被檢物進行專門設計［2］。該方法設計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設備的應用推廣，檢測設備使用的環境和檢測的對象也日趨復雜。以冷軋帶鋼生產線使用的表面檢測設備為例，該設備要能檢測生產線生產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，不同的反射特性導致采集到的圖片平均灰度出現變動，最終影響到檢測設備檢出率。因此為了保證檢測設備擁有良好的檢出率，需要光源系統能夠根據檢測的對象自動調整光源亮度。

1．1 光源控制原理

為了使光源適用于不同被檢物，現設計一種基于圖像灰度為控制目標的光源系統。該系統能夠根據攝像頭拍攝到被檢物的圖像的平均灰度來調節光源亮度，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)，是圖像的實時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;u(t)是調光控制器的輸出量。

光源系統由工業攝像頭、調光控制器和光源板3部分組成。其中調光控制器調節光源板發光亮度，光源板對目標物進行照明，工業攝像頭拍攝實時圖像。調光控制器通過進行理想和實時的平均灰度的比較，調整光源亮度，最終讓光源系統亮度達到理想范圍。圖1所示為基于圖像灰度的自適應調光控制原理圖。

圖1 基于圖像灰度的自適應調光控制原理

1．2 光源種類選擇

現在機器視覺領域中使用的主要光源類型有:熒光燈、鎢絲燈、鹵素燈、激光和 LED。根據文獻［4］可知，由于LED具有節能、環保、壽命長、體積小、光效高和響應時間短等特點，LED開始被廣泛的應用。因此選擇LED作為表面檢測設備的光源。

1．3 光源系統結構組成

光源系統分為工業攝像頭、調光控制器和光源板三部分。工業攝像頭為高精度面陣CCD攝像頭作為光源系統的傳感器;光源板為LED陣列光源板是控制系統的控制對象;調光控制器由PC機和單片機共同組成，其中PC機的工作是處理攝像頭采集到的圖像、比較理想和實時灰度、計算控制輸出量和向單片機發送調光信號，單片機的功能是接收PC機調光信號和對LED光源板的亮度控制，PC機和單片機之間通過串口進行通信。光源系統的結構框圖如圖2所示。

圖2 光源系統結構框圖

2 LED光源板

2．1 LED 控制方式

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

模擬調光方式具有亮度連續可調且電路較為簡單便于實現等優點。但也存在著以下缺點:①調光的線性度差，難以實現精確調光;②當LED發光亮度調低時，整個驅動電路的發光效率隨著電流的減小而急速下降;③在調節LED亮度的同時也會改變它的光譜。因此模擬調光技術不適合用于機器視覺的光源亮度調節。

PWM調光方式利用PWM方波控制MOS管開路和短路的方式來設定通過LED電流的大小。它通過改變PWM方波的占空比(D=T高電平/T總)獲得對應的電流，進一步得到相應的亮度。它的優點有:①能夠精準的控制通過LED的正向電流和調節光照強度，發光強度與PWM波占空比D成線性關系;②調光范圍廣，從理論上可以調節從0%到100%的光照強度;③由于LED通過的電流要么是最大值要么是零，所以調節LED亮度不會改變它的光譜;④PWM調光驅動電路的發光效率較高。

相比模擬調光方式，PWM調光方式通過對占空比的控制可精確控制 LED發光亮度;同時只要PWM控制信號穩定，LED發光亮度就能穩定，從而保證了機器視覺的光源系統工作的穩定性。采用PWM調光方式來進行光源系統的設計開發。

2．2 LED光源板硬件設計

LED顆粒型號為VISHAY?生產的TSHF5210，其額定電壓為1．4 V、額定電流為0．1 A、額定發光強度為180 mW/sr、光照半值角為10°、峰值波長為890 nm。MOS管型號為IR?生產的IRFR320，其最大通過電流 ID為3．1 A、導通控制電壓 VGS為2．0 V、導通電阻 RDS為2．0 Ω。

光源板由100個LED顆粒和1個MOS控制管組成。100個LED采取混聯方式進行連接:10個LED串聯成一路，然后再把串聯的10路并聯起來。1個MOS管與混聯的LED進行串聯。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壓電源，控制信號接口連接單片機的PWM信號輸出口。

3 調光控制器軟、硬件設計

調光控制器的功能是根據實時灰度調整PWM信號的占空比。其具體實現方式是每隔固定時間段，比較實時灰度值與理想灰度值(110～120)大小，如果實時灰度小于110，PWM信號的占空比調高0．5%;如果實時灰度大于120，PWM信號的占空比調低0．5%;如果實時灰度在110和120之間，PWM信號的占空比保持不變。

調光控制器由PC機和單片機共同組成。PC機主要是采集實時圖像并判斷如何調光，單片機主要是產生穩定的PWM信號，PC機和單片機之間通信采用串口通信實現。

3．1 PC機軟件設計

PC機是光源系統的控制核心，它通過將數字圖像進行計算和判斷后，向單片機傳遞調光控制信號。PC 機的軟件采用 VB6．0 進行編寫［6－7］，主要擁有 4個子功能:①控制攝像頭隔一段時間采集一次圖像;②計算圖像平均灰度并通過比較灰度等計算得到調光控制量;③通過串口將調光信號發送給單片機;④檢測單片機傳遞過來的報警信號。

攝像頭型號為大恒圖像?生產的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。相機的圖像采集可以通過直接調用大恒圖像自帶的攝像頭軟件控制包的程序。PC機的軟件流程圖如圖4所示。

圖4 PC機軟件流程圖

3．2 單片機軟、硬件設計

3．2．1 單片機硬件設計

為了實現對機器視覺光源的控制，單片機主要擁有3個功能:①不間斷的產生穩定PWM信號;②接受到PC機傳輸來的控制信號;③向PC機發送報警信號。單片機采用宏晶?生產的STC89C52型單片機，利用單片機的定時器資源產生PWM信號，單片機與CH340T芯片構成串口通信模塊接受PC機傳輸的控制信號。CH340T芯片是可以將PC機的USB口傳輸的串口信號轉換成STC89C52單片機識別的TLL信號，可以直接實現單片機與PC的串口通信［7］。

3．2．2 單片機軟件設計

單片機片內軟件采用模塊化設計，以主程序為核心設置了4個功能模塊子程序，使一些功能在主程序中實現，簡化設計結構。運行主程序通過調用各個功能模塊子程序。

單片機內有4個功能模塊:①產生PWM信號模塊;②串口通信模塊;③PWM控制信號占空比增加模塊;④PWM控制信號占空比減少模塊。在主程序中直接調用這4個模塊，使得單片機的軟件設計結構得到了簡化。單片機的軟件流程圖如圖5。

圖5 單片機軟件流程圖

4 光源系統調光性能測試

圖6 普通鋼板、鍍鋅板、硅鋼板反射特性曲線

為了測試該光源系統的自適應調光性能，選取冷軋帶鋼生產中具有代表性的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:在入射光波長在800 nm ～ 900 nm 時，反 射率 是 R鍍鋅板＞ R普通鋼板＞R硅鋼板。

搭建好如圖7試驗平臺，攝像頭與PC機和PC機與單片機分別用USB線連接，光源板的控制信號接口與單片機PWM信號輸出口用導線連接，光源板、被檢物和攝像頭組成一個明場照明光路。打開光源控制系統，先后放入普通鋼板、鍍鋅鋼板和硅鋼板3種被檢物。啟動光源系統，等待其自動調光至穩定狀態后，用示波器測量PWM控制信號的占空比，用照度計測量被檢物的照度，在PC機軟件中讀出實時圖像平均灰度。測試結果如表1所示。

圖7 光源控制系統現場試驗

表1 光源系統調光性能測試數據

通過試驗結果可以看出該光源系統在面對不同種類的被檢物時可以根據采集到的圖像灰度調整光源亮度，并使得圖像灰度保持在理想區間內。

5 結束語

該光源系統以圖像灰度為基礎進行亮度控制，可適用于不同的工作環境和工作對象，使得表面檢測設備的光源適用性得到提高。同時，由于該光源控制系統結構簡單、容易實現。對于一些需要光源亮度自動控制的表面檢測設備，可按照此光源控制方式，對光源系統進行升級改造，提高設備的缺陷檢出率。這種基于圖像灰度的亮度自適應調光光源具有良好的市場前景。

［1］ 魏偉一．非均勻光照圖像的灰度校正與分割技術研究［D］．蘭州:蘭州理工大學，2011．

［2］ 劉源泂．基于機器視覺的鋼板表面成像優化與三維檢測關鍵技術研究［D］．武漢:武漢科技大學，2011．

［3］ 李俊．機器視覺照明光源關鍵技術研究［D］．天津:天津理工大學，2006．

［4］ 王橋．數字圖像處理［M］．北京:科學出版社，2009:16－17．

［5］ 周志敏，紀愛華．白光LED驅動電路設計與應用實例［M］．北京:人民郵電出版社，2009:71－79．

［6］ 范逸之，廖錦棋．Visual Basic．NET自動化系統監控:RS－232串行通信［M］．北京:清華大學出版社，2006．

［7］ 王一凡，顏建美．基于RFID和視覺的工業機器人系統應用與實踐［J］．電子器件，2013，36(1):872 －875．

［8］ 李群芳，張士軍，黃建．單片微型計算機與接口技術［M］．3版．北京:電子工業出版社，2010:131－138．