CN102095371A - 工业用彩色视觉检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业用彩色视觉检测装置和方法。主要由相机、光源以及控制盒组成，光源提供了波段的调整，以及利用间接照明提供多种波段的光进行混合，控制盒实现了各个波段单独控制并且亮度256级数字可调，可以根据实际检测目标与背景的颜色进行调整，使得检测目标与背景能够较好的分离，获得较好的图像质量，提高了机器视觉检测装置目标检测时的分辨力。本发明在纺织品、食品、塑料制品以及一些工业检测上有着广泛的应用。

Description

工业用彩色视觉检测装置和方法

技术领域

本发明涉及一种工业用彩色视觉检测装置和方法。

背景技术

视觉检测的核心是图像采集和处理。所有信息均来源于图像之中，图像本身的质量对整个视觉系统极为关键。彩色视觉检测不同于灰度视觉检测，它是将单纯的灰度阶变化一维信息丰富到彩色三维信息。光源发射与测量物体表面反射的光谱特性决定了视觉摄像头采集到的光能大小及波长。

彩色视觉系统是质量在线检测的重要组成部分，在纺织品、食品、塑料制品以及一些工业检测上有着广泛的应用。在很多在线检测的应用中，当图像背景拥有多种颜色，检测目标与背景之间的分辨力很小，很可能利用一般的灰度视觉检测系统很难将检测目标从背景中区分出来。而对于彩色视觉系统来讲，可以通过光源波段的挑选以及亮度信息的变化，达到检测目标与背景分离的目的。Vroesenga等人利用滤光片模拟了彩色光源用于最大化目标表面的分辨力。日本的David O.Carson，Yoshiyuki Oriharab等人，应用不同波长的照射光源来帮助检测18种牙齿修复材料，实际中不同波长的光取得了良好的区分效果。Scribner等选用两个或更多的红外波段混合成一彩色图像以区分开目标和背景表面。彩色视觉检测系统在各个领域都有着广泛的应用前景。

彩色信号在成像前，主要受着物体表面的反射函数以及光源的光谱能量分布的影响。通过改变光源的光谱波段或者亮度得到最佳对比度效果的图像一直是彩色视觉检测系统开发的重要方向。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种工业用彩色视觉检测装置和方法。针对工业用机器视觉检测的这些要求，利用检测目标与背景的颜色信息得到，通过改变光源的光谱波段以及亮度信息得到最佳对比效果图像，提供了一种工业用彩色视觉检测装置。该彩色视觉检测装置应能提供光源波段的调整以及亮度的调节，实现了各个波段单独控制并且亮度256级数字可调，可以根据实际检测目标与背景的颜色进行调整，使得检测目标与背景能够较好的分离，获得较好的图像质量，提高了机器视觉检测装置目标检测时的分辨力。

本发明提供的一种工业用彩色视觉检测装置包括：光源、相机、控制盒、处理器、样品放置台。

光源与相机、物品放置台均位于同侧，相机采用面阵CCD光学传感器，位于光源的正上方，通过千兆网卡与处理器相连；光源位于相机的正下方，物品放置台的正上方，光源的底部为环形LED阵列，多种波段的LED循环排列，上部为一具有高漫反射率的半球形内表面，光源的顶端有一图像采集用圆孔；光源通过线路与控制盒相连。

所述的光源采用间接照明的方式，由金属铝加工而成，为多波段可调，亮度等级数字可调的辐照均匀的LED阵列光源；可调亮度等级亮度等级为0到255级。

所述的可调的LED波段有：400-410nm，460-470nm，500-510nm，520-530nm，565-570nm，580-590nm，600-610nm，620-630nm，640-650nm，850nm，940nm。

所述的控制盒包括LED驱动电路以及PWM脉冲编码调节电路。LED驱动电路通过线路与光源相连，PWM脉冲编码调节电路通过线路与LED驱动电路相连。实现了光源的各个LED波段单独控制且256级数字可调，LED以先串后并的方式(每串6支LED，共8串)连接，亮度调节采用PWM脉冲编码调节，通过改变脉冲电流占空比的方法来调节LED的光强。

本发明提供的一种工业用彩色视觉检测方法包括的步骤：LED阵列的光首先直射到光源的半球形内表面上，然后反射到样品放置台的检测物品上，检测物品将光通过光源顶端的圆孔反射给相机，完成图像采集。

相机放置的高度由相机的镜头尺寸以及光源顶端圆孔的大小，需要避免LED阵列的光直接射入相机，影响图像采集，同时光源顶端圆孔也影响着相机的视野范围，最终根据检测样品的大小与检测距离，以及相机的镜头尺寸确定圆孔的大小。

本发明提供了一种工业用彩色视觉检测装置和方法。针对工业用机器视觉检测的这些要求，利用检测目标与背景的颜色信息得到，通过改变光源的光谱波段以及亮度信息得到最佳对比效果图像，提供了一种工业用彩色视觉检测装置。该彩色视觉检测装置应能提供光源波段的调整以及亮度的调节，实现了各个波段单独控制并且亮度256级数字可调，可以根据实际检测目标与背景的颜色进行调整，使得检测目标与背景能够较好的分离，获得较好的图像质量，提高了机器视觉检测装置目标检测时的分辨力。本发明在纺织品、食品、塑料制品以及一些工业检测上有着广泛的应用。

附图说明：

图1工业用彩色视觉检测装置结构示意图。

图2本发明相机的工作距离以及视野范围。

图3本发明电路功能模块。

图4本发明程序设计流程图。

图5本发明亮度调节拟合曲线。

图6本发明多波段采集图像。

图7本发明色差随光强变化曲线。

具体实施方式

以下结合附图对本发明详细说明如下：

1相机，2光源，3样品放置台，4处理器，5控制盒，6LED阵列，7半球形内表面，8图像采集用圆孔。

光源2与相机1、物品放置台3均位于同侧，相机1采用面阵CCD光学传感器，位于光源2的正上方，通过千兆网卡与处理器4相连；光源2位于相机1的正下方，物品放置台3的正上方，光源2的底部为环形LED阵列6，多种波段的LED循环排列，上部为一具有高漫反射率的半球形内表面7，光源2的顶端有一图像采集用圆孔8；光源2通过线路与控制盒5相连。

光源2采用间接照明、多波段可调、亮度等级数字可调的辐照均匀的LED阵列光源。位于光源同侧的相机1接收物体反射的光，这样最有利于提取被测目标的颜色信息以及表面细节特征。相机1采用面阵CCD光学传感器。光源的调节及亮度等级调制采用控制盒5进行控制，处理器4接受采集的图像以及调节相机，检测物品放置在样品放置台3。

相机的图像采集过程：LED阵列6的光首先直射到光源的半球形内表面7上，然后反射到样品放置台3的检测物品上，检测物品将光通过光源顶端的圆孔8反射给相机，完成图像采集。

相机放置的高度由相机的镜头尺寸以及光源顶端圆孔的大小，需要避免LED阵列的光直接射入相机，影响图像采集。同时光源顶端圆孔也影响着相机的视野范围，如图2所示。最终根据检测样品的大小与距离，以及相机的镜头尺寸，确定光源的圆孔直径为33mm，相机工作的安全距离为55mm，此时距离光源为200mm的相机的视野为78mm，距离光源300mm时，相机的视野为98mm。

光源2，结构外形图如图1所示，在保证光源的光照均匀度的同时，还需要考虑彩色视觉检测时两个波段或者多个波段作为检测光源时混合以后的混光均匀度的问题。因此综合上述考虑，本发明选择了间接照明的方式，光源结构外形图如图1所示，由金属铝加工而成，铝密度小而且是热的良导体，具有高效能的散热作用，其表面经过氧化发黑处理，可以减小光源环境杂散光的影响。这些400-410nm，460-470nm，500-510nm，520-530nm，565-570nm，580-590nm，600-610nm，620-630nm，640-650nm，850nm，940nm LED波段，可以根据检测目标与背景的颜色需要选取相应的几种波段作为光源。因此选取了520-530nm 460-470nm620-630nm三种典型波段混合作为样例。

光源的控制盒5包括LED驱动电路以及PWM脉冲编码调节电路。LED驱动电路通过线路与光源相连，PWM脉冲编码调节电路通过线路与LED驱动电路相连。为了各个波段单独控制且256级数字可调，本发明设计了基于maxim公司的MAX16807IC芯片的驱动电路，LED以先串后并的方式(每串6支LED，共8串)连接，这样既能有效地降低驱动电压，又能发挥IC芯片在控制电流精度方面的优势。一组IC驱动电路通过外接PWM信号单独控制一种波段的LED，这样就实现了对三种波段的独立控制。

将整个电路划分为若干功能模块，并确定其相互关系，如图3所示，输入电路对电源进行滤波后，通过boost转换器进行功率拓扑，产生33V的LED电压(VLED)。PWM信号经过控制电路调整后，控制电压转换器输出LED的实际驱动电压。这样的设计使电路可以根据LED串的工作电压自适应调整驱动电压从而降低了IC功耗。另外，电路还有过压、短路、断路保护，过热关断，斜率补偿等功能，使其具有更好的稳定性和安全性。

亮度调节采用PWM脉冲编码调节，通过改变脉冲电流占空比的方法来调节LED的光强。因为每个脉冲周期内的LED工作电流不变，所以其色坐标不会产生明显的偏移。而且为了确保脉冲电流伴随的光强变化不会被眼睛和图像采集设备观察到，PWM信号的频率至少应大于临界闪烁频率(46Hz)。本发明选用FREESCALE公司生产的MC9S08AW60单片机，采用外部4MHz晶振，同时设置内部总线频率为20MHz。MC9S08AW60单片机带有2个脉宽调制计时器(2-channel，6-channel)，8个KBI键盘中断，54个通用I/O接口，每个I/O口都可以软件选择内部上拉电阻。这些自带功能很大程度上简化了外部电路的设计，并且选用6-channel的脉宽调制计时器，使得三路PWM信号频率完全相同，并且同步，使得PWM控制更加精准。

功能：此部分电路输出三路PWM控制信号，频率约为1KHz，占空比分为0～255级，0对应占空比为0％，255对应占空比为100％。前面板有调节按钮，能分别调节每路PWM信号，按下按钮不放，能加快调节速度。同时前面板配有X10按钮，按下该按钮调节速度增加10倍。

程序设计：根据功能要求，PWM计时器采用内部总线频率，经过分频后输出1KHz的PWM信号，同时设置PWM为边沿对齐，使得R、G、B三路信号同步。采用KBI键盘中断方式调节占空比，由于通用I/O足够使用，所以采取并行输出方式控制LED数码管显示。程序设计流程图参见图4。

应用实施例

光源预热20分钟后，从0到255逐级改变PWM控制信号的占空比，分别测量三种LED所对应的照度值，利用最小二乘直线对信号占空比和照度进行拟合，得到红、绿、蓝三种颜色LED的回归方程分别为：

E(x)＝2.611x+3.885

E(y)＝2.613y+3.894

E(z)＝2.609z+3.880

以520-530nm波段LED为例拟合如图5所示，三种颜色光的拟合优度R²均为0.9994，则完全可以认为PWM信号的占空比与照度E具有良好的线性关系，说明本发明设计的驱动电路实现了三种波段LED照明光强的256级数字调制。

下面以一些彩色色块为例说明本发明装置的使用及效果。

为了避免杂散光的影响，图像采集实验在暗室内进行，应用本发明提出的彩色视觉检测系统。分别采用六种不同混合的波段进行照明，采集的图像如图6所示，(a)620-630nm，(b)520-530nm，(c)460-470nm，(d)620-630nm与520-530nm，(e)620-630nm与460-470nm，(f)520-530nm与460-470nm。从采集的图像结果可以看出，采用不同波段照明以后，目标与背景的对比度在不同程度都得到了提高或者减弱。可以根据应用的实际目标选择合适的光源波段提高目标与背景的对比度。

下面以红绿色块为例，应用本发明装置的亮度等级数字可调部分说明这部分的使用及效果。在暗室中，采用620-630nmLED波段照明，在光强等级128时调整合适的光圈和快门时间后对红绿色卡进行图像采集。随后保持光圈、快门时间不变，逐级改变光照强度，分别记录13个光强等级下的图像信息。色块间的色差随照明光强的变化如图7所示，由图可知，色块间的色差受照明光强的影响，在光强较弱时色差随着光强的增强而增大，在光强为160级时色差达到峰值，之后色差随着光强的增强而减弱。可以看出，利用本发明的实验装置使得检测目标与背景能够较好的分离，提高了机器视觉检测装置目标检测时的分辨力。

Claims (8)

1.一种工业用彩色视觉检测装置，其特征在于它包括：光源、相机、控制盒、处理器、样品放置台；光源与相机、物品放置台均位于同侧，相机采用面阵CCD光学传感器，位于光源的正上方，通过千兆网卡与处理器相连；光源位于相机的正下方，物品放置台的正上方，光源的底部为环形LED阵列，多种波段的LED循环排列，上部为一具有高漫反射率的半球形内表面，光源的顶端有一图像采集用圆孔；光源通过线路与控制盒相连。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的光源采用间接照明的方式，为多波段可调亮度等级数字的辐照均匀的LED阵列光源，可调亮度等级亮度等级为0到255级。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的可调的LED波段有：400-410nm，460-470nm，500-510nm，520-530nm，565-570nm，580-590nm，600-610nm，620-630nm，640-650nm，850nm，940nm。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的控制盒包括LED驱动电路以及PWM脉冲编码调节电路，LED驱动电路通过线路与光源相连，PWM脉冲编码调节电路通过线路与LED驱动电路相连。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的光源的各个LED波段单独控制，LED以先串后并的连接方式，每串6支LED，共8串。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的光源的亮度调节采用PWM脉冲编码调节，通过改变脉冲电流占空比的方法来调节LED的光强。

7.一种工业用彩色视觉检测方法，其特征在于它包括的步骤：LED阵列的光首先直射到光源的半球形内表面上，然后反射到样品放置台的检测物品上，检测物品将光通过光源顶端的圆孔反射给相机，完成图像采集。

8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于所述的光源顶端圆孔的直径为33mm，相机工作的安全距离为55mm，此时距离光源为200mm的相机的视野为78mm，距离光源300mm时，相机的视野为98mm。

Images