光源光強對顏色對比度的影響研究

祝振敏，張永賢，金小龍，涂海燕

（華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，江西南昌330013）

彩色視覺檢測已經(jīng)廣泛應(yīng)用于塑料制品以及一些工業(yè)檢測[1-4]。彩色圖像成像主要受著彩色電荷耦合元件（CCD）的響應(yīng)函數(shù)、光源的光譜相對功率分布和檢測目標本身的表面反射函數(shù)的影響[5-6]。在以前的研究工作中，研究照明光源的波段變化對顏色對比度的影響[7]，最優(yōu)光源波段間隔照明提高目標的顏色對比度[8]。但是，在光源光譜不變的情況下，光源的亮度變化也會改變照明光源的相對功率分布，影響照明光源的色溫，在文獻[9]中討論了這個問題。利用脈沖寬度調(diào)制（PWM）調(diào)亮度，光源的色溫調(diào)節(jié)范圍為一千多K到幾十萬K，由于色溫的變化而影響目標的顏色對比度。

曲興華等[10-11]分析了在黑白圖像中，光源的照度對缺陷顯現(xiàn)力的影響。同樣地，在彩色視覺檢測中，光源的照度也會對檢測目標的顏色有著直接的影響，這樣也會對不同顏色的色塊之間的色差存著影響，光源過亮容易引起顏色的飽和，造成圖像的失真，過暗則會影響圖像的對比度，因此本文主要利用PWM數(shù)字調(diào)節(jié)各波段的LED亮度，研究了選取合適的照度提高檢測目標的對比度。

1 彩色視覺檢測系統(tǒng)

實驗所用的彩色視覺檢測系統(tǒng)由三部分組成：（a）IMprex彩色CCD（IPX-2M30-GCCI），標準鏡頭LM35HC；（b）可選波段的LED光源；（c）樣品放置圓臺。相機的分辨率為1 600×1 200像素，其光譜范圍為400～1 000 nm。

由于涉及到多種波段的LED混光問題，光源采用了間接照明的方式，3種波段（465 nm，520 nm，620 nm）的LED循環(huán)緊湊排列。LED陣列的光直接照射到具有高漫反射的半球形內(nèi)表面上，該高漫反射率的半球形內(nèi)表面由硫酸鋇，白乳膠和水按照不同比例，多次噴涂而成，經(jīng)實際測得，其漫反射率超過了90%以上。該內(nèi)表面將LED陣列發(fā)射上來的光反射到樣品放置臺上，形成了均勻的照射平面。在與光源距離為200 mm處，其均勻度達到了95%以上[12]。

2 光源亮度的數(shù)字調(diào)節(jié)

驅(qū)動電路選用了MAXIM16807IC芯片，3組IC驅(qū)動電路通過外接PWM信號分別控制3種波段的LED，每組IC芯片中，LED采用先串后并的方式連接。光源的亮度調(diào)節(jié)采用了PWM脈沖編碼調(diào)節(jié)，LED的亮度通過改變脈沖占空比的方法進行調(diào)節(jié)，PWM信號頻率約為1 kHz，占空比劃分為0～255級，0即對應(yīng)原來占空比的0%，255即對應(yīng)占空比為100%。選用FREESCALE公司生產(chǎn)的MC9S08AW60單片機對種波段進行分別調(diào)節(jié)，使得三路PWM信號頻率完全同步。照明光源的性能以及使用條件都會影響到圖片采集的效果。一般的光源都有一個預(yù)熱到穩(wěn)定的過程，LED也是發(fā)光一定時間以后，發(fā)光強度才逐漸趨于穩(wěn)定下來。另外就是采用PWM調(diào)光后光源照度的線性度實驗，驗證采用PWM脈寬調(diào)節(jié)的方式是否能夠?qū)崿F(xiàn)光源的照度變化數(shù)字可調(diào)。因此測試了光源的穩(wěn)定性，PWM調(diào)光的線性度等參數(shù)。圖1顯示為520 nm波段LED隨時間變化的曲線，測試時間為1 h，采用TES-1339照度計進行測量。

圖1 1 h內(nèi)光源照度變化曲線Fig.1 The variation of illumination luminance in an hour

因3種波段LED的照度值相差較大，不好直接用照度值的差值來衡量穩(wěn)定性，故采用下式進行比較：

式中：Emax，Emin分別為所測范圍內(nèi)的最大照度值與最小照度值；p為變化率。

從表1中可以看出520 nm和465 nm波段的LED光源在20 min以后變化率p已經(jīng)逐漸減小，說明光源已經(jīng)趨于穩(wěn)定下來，而620 nm波段LED的發(fā)光穩(wěn)定性稍差一些，在20 min以后變化率仍較大，在30 min以后p值才降為0.005 5。因此光源在使用前最好先預(yù)熱30 min，待光源穩(wěn)定下來以后進行實驗。

利用最小二乘直線對信號占空比和照度進行擬合。3種波段的擬合方程：

式中：E620，E520，E465分別對應(yīng)波段LED的照度值；x，y，z分別為其所對應(yīng)的占空比例。擬合優(yōu)度R2分別為0.999 7，0.999 4，0.999 9，則可以認為3種波段（465 nm，520 nm，620 nm）LED的PWM 256級信號與照度有著良好的線性關(guān)系，實現(xiàn)了照明光強256級數(shù)字可調(diào)。

表1 不同時間內(nèi)的照度變化率Tab.1 The rate of luminance at different time

3 實驗與分析

為了盡量減小周圍環(huán)境或者雜散光的影響，實驗在暗室中進行。選用在文獻[8]中使用的色塊作為實驗對象。在暗室中，采用3種LED（465 nm，520 nm，620 nm）光混合照明，在PWM等級都為255時調(diào)整合適的相機參數(shù)，如光圈，快門時間，焦距等。隨后保持相機參數(shù)不變，逐級調(diào)整光源的PWM等級，3種波段同時改變，每隔5級得到一張圖片。圖2（a）為PWM等級為255時的相機得到的圖片。從圖2中可以看出，隨著光源照度的變化，各個色塊的顏色變化非常大，在PWM255級時明顯過亮，顏色趨于飽和，色差較小，對比度較弱。而在PWM等級小于60以后，由于光源亮度過弱，目標的顏色對比度逐漸的趨于零。

圖2 不同PWM等級下采集的圖片F(xiàn)ig.2 The images obtained with different PWM grades

在均勻顏色空間CIELab空間里，采用色差來評價色塊間的對比度，可用下式：

式中：ΔE為色差，（L*a，a*a，b*a）與（L*b，a*b，b*b）分別代表a與b兩種顏色在CIEL*a*b*空間的顏色值。

圖3（a）與圖3（b）分別為藍綠，藍紅色塊色差隨著光源照度PWM等級變化的曲線?？梢钥闯觯庠吹纳畈⒉皇窃谡斩茸罡叩臅r候最大，雖然兩條曲線變化不同，但是趨勢與峰值基本一致。色差都隨著光源照度的增加而變大，兩條曲線都在PWM等級220左右時達到峰值，此時色差分別達到了66ΔE和23ΔE。然后隨著光源照度的增加而慢慢變小，在PWM等級為60時，色塊之間的色差分別只有32ΔE和16ΔE。圖2（b）則為色差最大時PWM等級為220時相機采集到的圖片。

圖3 色差隨光源照度等級變化曲線Fig.3 The curves of average color difference with the variable grades of the illumination intensity

從圖2和圖3中可以看出，藍綠色塊間的色差更為明顯，在PWM255級時明顯過亮，顏色飽和，色差較小，對比度較弱。而在PWM60級時由于光源照度過暗，也造成了分辨力的減弱。而PWM220級時，藍紅與藍綠色塊的色差都在此時達到了峰值，從圖片上來看，此時的圖片顏色對比度最優(yōu)。存在一個最佳照度值（即相應(yīng)的色溫）使得色塊間的色差最大，因此可以根據(jù)最大色差法來選擇合適的照明光強。

4 結(jié)論

光源的亮度變化直接影響到檢測目標的對比度。光源的亮度調(diào)節(jié)采用PWM脈沖編碼調(diào)節(jié)，照度與PWM等級成線性關(guān)系。在PWM等級都為255時調(diào)整合適的相機參數(shù)，每隔5級采集一張圖片，分析光源的照度變化與顏色對比度的變化規(guī)律。在PWM等級220時，色塊間的色差達到了峰值，顏色對比度最大。應(yīng)根據(jù)具體的目標，利用最大色差法選取合適的光源照度照明（相應(yīng)的光源色溫），即合適的PWM等級。

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