摘 要： 通過分析機器視覺系統(tǒng)成像環(huán)境以及當(dāng)前市場狀況，緊密結(jié)合視覺測量系統(tǒng)平臺設(shè)計的軟件技術(shù)發(fā)展方向，設(shè)計了一種具有自學(xué)習(xí)功能的視覺系統(tǒng)LED光源機構(gòu)。該機構(gòu)LED陣列的設(shè)計綜合了CCD像素的可接受照度以及被測物表面特點等因素，提出了五環(huán)八區(qū)的新型光源陣列分布結(jié)構(gòu)，并在具體的系統(tǒng)功能設(shè)計中采用了虛擬儀器技術(shù)，使得該光源機構(gòu)更智能化，對于提高系統(tǒng)工作速度、效率以及檢測精度極具意義。
關(guān)鍵詞： CCD照度；五環(huán)八區(qū)；自學(xué)習(xí)；虛擬儀器
機器視覺應(yīng)用最關(guān)鍵的部分之一即為其照明系統(tǒng)，好的照明系統(tǒng)將以合適的方式將光線照射到被測物體表面，使得被測量物件的邊界更加清晰[1]，從而有效地避免劣質(zhì)光源條件下被測物件在CCD成像中帶來的較高的信噪比,或者CCD曝光過度，以免視覺測量結(jié)果所體現(xiàn)出的被測物件的物理特征嚴重失真[1]及后續(xù)圖像處理算法中閾值選擇的障礙、圖像邊界提取失敗等嚴重后果?？梢?，針對不同的視覺檢測系統(tǒng)，設(shè)計出適合的、優(yōu)質(zhì)的光源，不但能夠提高系統(tǒng)的分辨力，同時有助于圖像處理軟件的執(zhí)行效率，因此，優(yōu)質(zhì)光源的設(shè)計對于該類系統(tǒng)具有重要意義。
視覺測量的標準燈源通常具備了提供多種組合方式的能力，目前市場上常見的四相LED程控?zé)粼唇M合方式并不豐富，且LED光源照射角度過大，容易造成具有平緩過渡棱角工件的圖像無法具有較強的明暗對比度。針對這一類光源技術(shù)的缺憾，本文對機械工程領(lǐng)域一類球狀產(chǎn)品的視覺檢測系統(tǒng)進行了針對性的光源設(shè)計，提出具有五環(huán)八區(qū)四十相結(jié)構(gòu)的LED光源，并將先進的軟件技術(shù)融合到光源的性能控制上，提出“自學(xué)習(xí)”的軟件設(shè)計思路，使得該視覺檢測系統(tǒng)在光源控制方面亦體現(xiàn)出智能化的特點。
1 光源的結(jié)構(gòu)及設(shè)計原理
被測物體為具有光滑表面的球形工件，具有反射光線的特點，因此需要進行多種組合采光才能使CCD所采集到的圖像避免因表面的漫反射而形成的光暈以及邊界模糊等不利因素，使得光源有利于圖像的二值化處理，具有符合圖像處理分析方法的特點[2-3]。在設(shè)計中需要較為全面地考慮以下幾個方面：
（1）在國內(nèi)，影像儀多采用桂林光學(xué)0.7~4.5X顯微鏡頭，鏡頭底部距離工件最近處為90 mm。因此需要針對被測物件的直徑以及鏡頭參數(shù)，合理制定出LED光源機構(gòu)的大小。
（2）依據(jù)最佳的對比度，結(jié)合光源照度、亮度分布、發(fā)光度等屬性，綜合考慮被測物件可能具有的表面粗糙度、反光程度等屬性，盡量優(yōu)化光源對于CCD成像的影像。
（3）LED本身會因為散熱問題引發(fā)反應(yīng)速度變化和光強變化，需要考慮光源機構(gòu)的布局。
LED的光源機構(gòu)設(shè)計在參照以上準則的同時也需要對光的能量進行計算以獲得較為準確的光能量參數(shù)，從而確定LED的數(shù)目和功率等其他參數(shù)。
2 光源的電路原理及控制實現(xiàn)
目前，對傳輸速度要求不是特別嚴格的通信或控制電路普遍采用串行口的通信方式，串行口具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)等特點，鑒于視覺測量儀器其高性能的體現(xiàn)之一在于系統(tǒng)的反應(yīng)速度，故本設(shè)計采用并行口的設(shè)計方案，實際使用中能夠高速、精確地進行數(shù)據(jù)傳輸。
光源控制系統(tǒng)采用了ENC7480型的位移檢測計數(shù)卡進行216級亮度可調(diào)控制，其原理圖如圖2所示。
圖2中，共有10個D/A轉(zhuǎn)換芯片TCL7226通過A0和A1的地址片選分配，將來自于上位機的LED控制信號轉(zhuǎn)換為輸出電流，繼而使光源機構(gòu)中的LED陣列依據(jù)命令調(diào)整明暗程度。對該硬件結(jié)構(gòu)展開基于并行口數(shù)據(jù)通信的接口驅(qū)動電路設(shè)計并編寫對應(yīng)的驅(qū)動程序。
根據(jù)被測工件的形狀特點以及測量需要，系統(tǒng)設(shè)計中，一共制定了四大類的控制策略，如圖3所示。
如圖3所示，從左到右的控制方式依次為：環(huán)形方式，即對于陣列中的任意一環(huán)選中點亮；全燈控制，即選取所有LED顆粒，使得其亮度保持一致；區(qū)塊方式，8個區(qū)塊中的任意一區(qū)或多區(qū)；區(qū)段方式，控制40個區(qū)段中的任意一段或者多段。
3 虛擬儀器平臺下的軟件設(shè)計
虛擬儀器技術(shù)是電子技術(shù)與軟件技術(shù)緊密結(jié)合的新型測試儀器平臺，本系統(tǒng)采用BCB語言實現(xiàn)檢測系統(tǒng)的虛擬儀器應(yīng)用軟件的編寫。
本檢測系統(tǒng)極具針對性地對球狀物進行檢測，檢測過程中,CCD、被檢測物以及光源均處于固定狀態(tài)，光源機構(gòu)中的LED陣列采用如圖3所示的方式凸顯出被測物的各個方向上的特點。
圖4為本系統(tǒng)對于某型球狀被測物的檢測，圖5所示為CCD采集并經(jīng)過二值化處理后的部分邊界圖像。
本系統(tǒng)對于被測物的檢測存在重復(fù)性的特點，對虛擬儀器技術(shù)的智能化應(yīng)用特點而言，本系統(tǒng)為球狀物的檢測設(shè)定了“自學(xué)習(xí)”的類庫的設(shè)計，采用軟件手段，使得對球狀物的檢測過程中所突出的重要檢測步驟能夠被軟件自動記錄并在后續(xù)工件的檢測過程中自動重復(fù)，從而形成了“學(xué)習(xí)”的能力。此外，在軟件執(zhí)行“學(xué)習(xí)”到的動作的過程之間，如果額外發(fā)生了人工干預(yù)的狀況，則該狀況亦被記錄而在新一次的檢測過程中的對應(yīng)時刻自動發(fā)生。這樣的軟件設(shè)計將使得智能化的檢測系統(tǒng)擁有了更快的檢測速度以及更完善、更高的自動化程度，提高了工作效率和精度保障。“學(xué)習(xí)”的軟件設(shè)計原理如圖6所示。
光源控制的虛機制原理的功能段如下：
class TLamp40Manager
{
public :
TLamp40Manager();
~TLamp40Manager();
bool bLampSegmentStatus[40];
bool bLampSectionStatus[8];
bool bLampRingStatus[5];
bool bLampfull;
unsigned char Lamp40level;
virtual bool LampSegmentControl(int SegNum,bool Seg
mentStatu ,unsigned char level)=0;
virtual void LampClose()=0;
virtual void LampOpen()=0;
} ;
其中，函數(shù)LampSegmentControl()用于LED陣列的驅(qū)動，將虛擬儀器平臺上發(fā)出的命令通過并口傳出，從而對燈源陣列進行亮、暗控制和明亮程度的調(diào)節(jié)。其命令的數(shù)據(jù)則通過虛擬儀器軟件獲得，圖7所示即為鼠標對于界面上虛擬LED陣列的區(qū)域進行選擇,相應(yīng)的數(shù)據(jù)作為鼠標動作的響應(yīng)被傳遞入該函數(shù)。
在每個具體的操作步驟中，如果有人工調(diào)節(jié)燈源的動作，計算機必須要能夠正確記錄下燈源的信息，這樣執(zhí)行學(xué)習(xí)程序時，才能由計算機正確控制燈源具體區(qū)間的明滅和亮度。
4 應(yīng)用效果分析
工程上常用的彈頭型LED其發(fā)射角為14°~21°[4-5]，由于能量集中，雖然得到面元照度較高，卻容易造成因反射的能量過強而出現(xiàn)CCD飽和的狀況。因此，本系統(tǒng)采用了發(fā)射角為100°的草帽高亮LED形成漫射效果，通過LED陣列的調(diào)節(jié)，營造了較好的采像環(huán)境。圖8所示為不同照射環(huán)境下的圖像分析。
實際檢測結(jié)果表明，多角度的照明能夠有效地避免測量死角，凸顯出邊緣的變化，有力地減少了軟件的計算量和系統(tǒng)的處理時間。
參考文獻
[1] Yu Xingjie, HO Y L, TAN L, et al. LED-based projection systems[J]. Journal of Dispaly Technology, 2007,3(3):295-303.
[2] 李良德.基礎(chǔ)光學(xué)[M].廣州:中山大學(xué)出版社,1987.
[3] 趙凱華,鐘錫華.光學(xué)(上)[M].北京:北京大學(xué)出版社,1992.
[4] 郁道銀，談恒英.工程光學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002.
[5] 章毓晉. 圖象工程(上冊)——圖象處理和分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.