三通道PWM的數(shù)控調(diào)光調(diào)色方法

駱偉岸,王 晗,陳新度,曾耀斌,李志勁,何銳國

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,廣東 廣州 510006； 2.佛山市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)中心,廣東 佛山 528000)

1 引 言

近十幾年來，LED的發(fā)展極大地推動(dòng)了機(jī)器視覺光源的發(fā)展。由于其節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)[1]，綠色照明理念開始萌芽和發(fā)展，到今天已經(jīng)深入人心，21世紀(jì)將進(jìn)入以LED為代表的新型照明光源時(shí)代，被稱為第四代新光源[2]。

隨著勞動(dòng)力成本的上升，工業(yè)自動(dòng)化程度逐年提高，機(jī)器視覺在其中發(fā)揮了巨大作用，其應(yīng)用從最初的零件識(shí)別、尺寸檢測(cè)，發(fā)展到深度提取,再到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等[3-6]，其影響力還在逐步提升。

光源是影響視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和至少30%的應(yīng)用效果,它直接影響后續(xù)處理過程的復(fù)雜程度、整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性[7]。但目前針對(duì)機(jī)器視覺的光源仍存在一些問題，同一類型的光源針對(duì)不同顏色的待測(cè)特征需要不同的光照顏色來凸顯，如電路板檢測(cè)，檢測(cè)焊錫和檢測(cè)色環(huán)電阻需要不同顏色的光照來提高對(duì)比度，檢測(cè)不同顏色的電器元件也需要特定顏色的光照顏色來提高圖像對(duì)比度[8]。在不同的工作時(shí)間下也需要不同的照度，白天和晚上環(huán)境光對(duì)視覺的影響不同，也可能導(dǎo)致檢測(cè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

大多數(shù)光源在視覺系統(tǒng)工作時(shí)一直保持照明，導(dǎo)致光源工作時(shí)間較長(zhǎng)、發(fā)熱嚴(yán)重、浪費(fèi)能源。在實(shí)際應(yīng)用中，工業(yè)相機(jī)拍照只需要在特定時(shí)間有恰當(dāng)?shù)墓庹占纯伞Ｒ虼耍芯恳粋€(gè)顏色可調(diào)、自適應(yīng)照度并且能數(shù)字控制的光源具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2.1 調(diào)光原理

根據(jù)色度學(xué)原理，如圖1，在CIE國際照明委員會(huì)提出的色品圖上，兩種顏色相加產(chǎn)生的第三種顏色總是在這兩種顏色相連接的線段上。

圖1 x-y色品圖Fig.1 Chromaticity diagram from CIE,1931

其中R、G、B分別表示紅光、綠光和藍(lán)光，紅光和藍(lán)光混合可以得到第三種顏色M，根據(jù)格拉斯曼混色原理[9]可知，M在R、B連線上的具體位置將由R和B的混合比例決定。同理可再利用M與綠光混合出RGB三角形內(nèi)的目標(biāo)色，所以三角形RGB內(nèi)所包含的顏色都可以通過控制R、G、B的不同比例混合實(shí)現(xiàn)，利用三通道PWM調(diào)光實(shí)現(xiàn)調(diào)色的目的。

2.2 照明控制設(shè)計(jì)

為設(shè)計(jì)出一種穩(wěn)定、并且完全數(shù)字控制的光源，本文采用PC機(jī)輸出信號(hào)給單片機(jī)、最終控制輸出電流占空比的方法，即PWM調(diào)光。PWM調(diào)光原理主要是通過改變流經(jīng)LED燈的電流信號(hào)的占空比(導(dǎo)通時(shí)長(zhǎng)/總時(shí)長(zhǎng))，從而改變LED燈的亮度。控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示，MFC軟件通過RS232串口發(fā)送信號(hào)給atmega2560單片機(jī)，用來改變PWM占空比，接著把輸出信號(hào)發(fā)送給濾波和放大電路，最終給光源LED。其中濾波方法采用RC低通濾波電路，低通濾波電路主要濾除高頻干擾信號(hào)，只讓低頻信號(hào)輸出。此時(shí)輸出的低頻信號(hào)未達(dá)到LED半導(dǎo)體的擊穿電流，所以需要放大電路提高電流才能驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光，最后輸出信號(hào)達(dá)到LED擊穿電壓，二極管發(fā)光。

圖2 照明控制原理圖Fig.2 General lighting control schematic diagram

該方法主要包括MFC交互界面以及控制、驅(qū)動(dòng)電路。

2.2.1 MFC交互界面

以MFC數(shù)字控制界面為核心，結(jié)合微軟的Visual Studio編程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顏色、光強(qiáng)控制，并且可以根據(jù)相機(jī)拍攝觸發(fā)光源開關(guān)，或者根據(jù)時(shí)間條件改變光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)觸發(fā)式控制以及自適應(yīng)。其控制界面主要如圖3所示，主要包括打開、關(guān)閉串口和4個(gè)滑塊。成功實(shí)現(xiàn)串口通信后，通過改變滑塊來調(diào)整紅、綠、藍(lán) 3種顏色的PWM，可調(diào)節(jié)0～255整數(shù)輸出。通過PWM輸出，可組合成多種混光模型。

圖3 MFC控制界面Fig.3 MFC control interface

2.2.2 控制電路

紅、綠、藍(lán)LED分別單獨(dú)接一路電路，改變單路PWM即可改變?cè)撀稬ED的光強(qiáng)。其中，MFC通過RS232串口與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，單片機(jī)獲取信號(hào)后，通過PWM技術(shù)輸出給放大電路。取一路濾波、放大電路如圖4所示，單片機(jī)輸出引腳先接限流電阻R1，輸出信號(hào)再接入三極管基極，三極管集電極連接RC濾波電路，而后接入場(chǎng)效應(yīng)管柵極，其余兩路與該路同理。

圖4 濾波和放大電路圖Fig.4 Filter and magnify circuit diagram

具體地，R4為選用LED光源自帶的內(nèi)置電阻；RC電路電阻選取2 000 Ω，電容選擇0.1 μF，理論限制頻率為796.2 Hz；三極管型號(hào)選取9013-NPN；半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管選擇N溝道增強(qiáng)型MOSFET，型號(hào)為IRFP054。MFC與單片機(jī)串口通信方式是使用開源庫上的CSerialport類，參數(shù)設(shè)置為：波特率9 600、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位、無奇偶校驗(yàn)。

2.3 調(diào)光模型構(gòu)建

2.3.1 混光比例常數(shù)

王紀(jì)永等[10]提出了兩通道PWM調(diào)光調(diào)色，主要應(yīng)用于白光LED的色溫及其照度調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自然光的模擬；楊宗陽等[11]使用橙、綠、藍(lán)三基色LED燈作為背光燈,有效地改善了由于溫度變化帶來的背光源亮度、色溫變化與色坐標(biāo)漂移；宋鵬程等[12]實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)PWM單色光可調(diào)從而達(dá)到混光效果。但是在機(jī)器視覺應(yīng)用中，確定了照明顏色后，照度可調(diào)在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中是必經(jīng)的一步，尤其是有些受光照影響明顯的機(jī)器視覺系統(tǒng)。所以本文提出一種基于紅色、綠色、藍(lán)色三通道混色后照度可調(diào)的數(shù)學(xué)模型。基于公式(1)：

Ipr∶Ipg∶Ipb=Cr∶Cg∶Cb，

(1)

其中Cr、Cg、Cb為比例常數(shù)，Ipr、Ipg、Ipb為圖3對(duì)應(yīng)的紅、綠、藍(lán)滑塊輸入等級(jí)0～255，只要紅綠藍(lán)三通道輸入等級(jí)數(shù)值比為常數(shù)，光顏色就不會(huì)發(fā)生改變，所以只要確保其比例一致，再整體數(shù)值放大或縮小，即可實(shí)現(xiàn)在特定光顏色下照度可調(diào)。

2.3.2 混色模塊

調(diào)光模型包括顏色混合模塊和照度可調(diào)模塊，其中顏色混合模塊簡(jiǎn)稱混色模塊，將紅、綠、藍(lán)三色光分別單獨(dú)控制，以紅光為例，紅光占空比為0～255可調(diào)，總共256級(jí) ，255代表最亮，0代表最暗，根據(jù)Ipr、Ipg、Ipb3種顏色占空比來實(shí)現(xiàn)顏色混合。

2.3.3 照度調(diào)整模塊

照度可調(diào)模塊主要用來實(shí)現(xiàn)光源照度調(diào)整，主要輸出PWM強(qiáng)度計(jì)算流程如圖5所示。其中In為圖3的光強(qiáng)值，Ipi可以分別表示Ipr、Ipg、Ipb，而Fr、Fg、Fb分別代表紅、綠、藍(lán) 3色，根據(jù)式(2)計(jì)算獲取它們的值后，以其是否大于0，對(duì)所有可能存在的情況進(jìn)行分類討論。

Fi=In-(255-Ipi)，

(2)

式中Ipi分別代表為Ipr、Ipg、Ipb，對(duì)應(yīng)計(jì)算出Fr、Fg、Fb。

圖5 輸出PWM強(qiáng)度計(jì)算流程圖Fig.5 Flow chart of output PWM intensity

Or、Og、Ob為最終輸出給LED光源的輸出PWM信號(hào)。從計(jì)算機(jī)編程的角度出發(fā)，式(2)作差得到Fi后，根據(jù)其是否大于0來進(jìn)行分類討論，R、G、B每種情況分別有兩種，2的三次方等于8，所以輸出結(jié)果有8種。

(1)當(dāng)Fr>0、Fg>0且Fb>0時(shí)，只要保證公式(1)的比例，光顏色就保持不變，推導(dǎo)出Or、Og、Ob的計(jì)算公式如下：

Or=Fr，

(3)

推導(dǎo)思路如下：隨意假定一個(gè)輸出Oi等于一個(gè)大于0的Fi(小于等于0就沒有輸出了)，公式(3)采用的是假定讓Or=Fr，為滿足輸出等級(jí)等比例，參考式(1)，即Ipr∶Ipg=Cr∶Cg=Or∶Og，能推導(dǎo)出下式：

(4)

同理可求出：

(5)

根據(jù)該思路即可推導(dǎo)出式(6)～(12)。

(2)當(dāng)Fr>0、Fg≤0且Fb≤0時(shí)，同理可得Or、Og、Ob的計(jì)算公式：

Or=Fr，

Og=Ob=0.

(6)

(3)當(dāng)Fr>0、Fg>0且Fb≤0時(shí)，Or、Og、Ob的計(jì)算公式如下：

Or=Fr，

Ob=0.

(7)

(4)當(dāng)Fr>0、Fg≤0且Fb>0時(shí)，Or、Og、Ob的計(jì)算公式如下：

Or=Fr，

Og=0，

(8)

(5)當(dāng)Fr≤0、Fg>0且Fb>0時(shí)，Or、Og、Ob的計(jì)算公式如下：

Or=0，

Og=Fg，

(9)

(6)當(dāng)Fr≤0、Fg≤0且Fb≤0時(shí)，Or、Og、Ob的計(jì)算公式如下：

Or=Og=Ob=0.

(10)

(7)當(dāng)Fr≤0、Fg>0且Fb≤0時(shí)，Or、Og、Ob的計(jì)算公式如下：

Or=Ob=0，

Og=Fg.

(11)

(8)當(dāng)Fr≤0、Fg≤0且Fb>0時(shí)，Or、Og、Ob的計(jì)算公式如下：

Or=Og=0，

Ob=Fb.

(12)

確定照度比例后，需要計(jì)算輸出的照度與實(shí)際光強(qiáng)的關(guān)系。因?yàn)楸疚氖峭ㄟ^調(diào)節(jié)光強(qiáng)大小來實(shí)現(xiàn)照度改變的，所以建立初始光強(qiáng)輸入等級(jí)Ip與光強(qiáng)百分比N%的關(guān)系，計(jì)算原理如式(11)所示：

Or+Og+Ob=(Ipr+Ipg+Ipb)×N%.

(13)

2.3.4 局限性分析

實(shí)際應(yīng)用中光強(qiáng)In有一定的局限性，In取值必須大于式(2)中的Fi的最小值，否則混合的顏色會(huì)發(fā)生改變，即在調(diào)整照度的時(shí)候，顏色由于某個(gè)通道發(fā)光的消失而發(fā)生改變。所以提出一個(gè)極限限定公式,防止該情況的發(fā)生。

F(min)=255-min(Ipr,Ipg,Ipb),

(14)

其中,min(Ipr,Ipg,Ipb)為Ipr、Ipg、Ipb非0的最小值，F(xiàn)(min)為式(2)中Fi的最小值。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

3.1 照度與單通道占空比關(guān)系

實(shí)驗(yàn)光源采用12 V、5050RGB滴膠防水LED軟燈條制作而成的碗型光源，如圖6所示，左側(cè)白色的為碗型漫反射外殼，右側(cè)紅圈為L(zhǎng)ED光源。測(cè)量位置選取固定位置、固定距離于碗型光源半球面中心處，用FLUKE-941照度儀測(cè)量碗型外殼漫射光的照度。

為驗(yàn)證上述數(shù)學(xué)模型的可行性，實(shí)驗(yàn)設(shè)定為測(cè)試單通道占空比與照度的關(guān)系，任意設(shè)置RGB占空比為0∶211∶0(綠色)，實(shí)驗(yàn)以測(cè)量最高強(qiáng)度百分比(100%)為基準(zhǔn)，按百分比來計(jì)算后續(xù)調(diào)整光強(qiáng)級(jí)數(shù)后的理論照度，代入式(2)，求得Fr>0，F(xiàn)g>0且Fb>0，所以代入式(3)可求得該比例下，In的強(qiáng)度與光強(qiáng)百分比N%關(guān)系,In為圖3的光強(qiáng)。

圖6 碗型光源Fig.6 Bowl-shaped light source

In=44+211×N%,

(15)

由于光強(qiáng)最強(qiáng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試值受外界環(huán)境光干擾最少，測(cè)量誤差最小，所以實(shí)驗(yàn)取所測(cè)的最高照度為基準(zhǔn)，計(jì)算接下來不同百分比N%下強(qiáng)度In的值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 單通道PWM測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of single channel PWM

3.2 照度與雙通道占空比的關(guān)系

該部分實(shí)驗(yàn)設(shè)定為測(cè)試雙通道占空比與照度的關(guān)系，任意設(shè)置RGB占空比為255∶179∶0(淡黃色)，實(shí)驗(yàn)同樣以測(cè)量最高強(qiáng)度百分比(100%)為基準(zhǔn)，按百分比來計(jì)算后續(xù)調(diào)整光強(qiáng)級(jí)數(shù)后的理論照度，代入公式(2)，求得Fr>0，F(xiàn)g>0且Fb>0，所以代入公式(3)可求得該比例下，In的強(qiáng)度與光強(qiáng)百分比N%的關(guān)系：

In=255×N%，

(16)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，PY代表顏色為淡黃色(Pale yellow)。

為了對(duì)數(shù)學(xué)模型局限性進(jìn)行驗(yàn)證，當(dāng)強(qiáng)度N%<30%后，淡黃色的光將變成紅光，即混光效果消失，這是由于式(14)的極限限制，所以混光失效。

表2 雙通道PWM測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of binary channels PWM

3.3 照度與三通道占空比的關(guān)系

設(shè)置三通道RGB占空比為白光255∶255∶255，實(shí)驗(yàn)以測(cè)量最高強(qiáng)度百分比(100%)為基準(zhǔn)，按百分比來計(jì)算后續(xù)調(diào)整光強(qiáng)級(jí)數(shù)后的理論照度，代入公式(2)、(3)可求得該比例下，In的強(qiáng)度與光強(qiáng)百分比N%的關(guān)系，如公式(17)所示：

In=255×N%，

(17)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表3中。

其中，9檔白光效果圖如圖7所示。

再隨機(jī)設(shè)置三通道RGB占空比為153∶153∶255(紫藍(lán)光)，以測(cè)量最高強(qiáng)度百分比(100%)為基準(zhǔn)，按百分比來計(jì)算后續(xù)調(diào)整光強(qiáng)級(jí)數(shù)后的理論照度，代入式(2)、(3)可求得該比例下，In的強(qiáng)度與光強(qiáng)百分比N%的關(guān)系，如公式(18)所示：

In=102+153×N%,

(18)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

圖7 9檔白光效果圖Fig.7 Picture of white light in different intensity

表3 三通道PWM測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.3 Test data of three-channels PWM

表4 三通道PWM藍(lán)紫光測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.4 Test data of violet lighting

3.4 結(jié)果分析

從上面的測(cè)試結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算有少許偏差，其中光強(qiáng)In必須取整，所以誤差主要來源于Ipi的舍入誤差和環(huán)境光干擾。從表2可以看出，當(dāng)強(qiáng)度N%<30%后，由于公式(14)的極限限制，In已經(jīng)小于F(min)，也是該數(shù)學(xué)模型的不足之處，但是初始混光光強(qiáng)盡可能選大一些，即可較大程度地避免上述限制。當(dāng)選好足夠大的PWM值時(shí)，如表3所示，即可實(shí)現(xiàn)大范圍的照度可調(diào)。

4 工業(yè)應(yīng)用

在高端訂制碗中，產(chǎn)家需要根據(jù)顧客的要求生產(chǎn)額外不同表面紋理或膠的碗，目前大多數(shù)紋理都是經(jīng)過手工畫上去再去燒結(jié)。手工畫對(duì)畫匠的要求比較高，而且畫匠工人成本也很高，所以簡(jiǎn)單的要求可以用機(jī)器視覺加噴印代替，如圖8(a)所示。

圖8 碗底涂膠(a)和表鏈涂膠(b)應(yīng)用Fig.8 Application in bowl gluing(a) and watch gluing(b) of machine vision

在手表訂制中，廠家同樣要求在表鏈表面涂上一層膠，目前工廠也都是手工涂的，手工涂膠存在涂膠不均勻以及成本等問題，所以擬用機(jī)器視覺來噴印涂膠，如圖8(b)所示。

光源在上面兩個(gè)應(yīng)用中均采用觸發(fā)式，即在拍照的前一瞬間才打開光源，拍攝完成關(guān)閉光源。拍攝后進(jìn)行圖像處理，把提取點(diǎn)發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)動(dòng)作，到提取點(diǎn)噴頭開始點(diǎn)膠。碗底涂膠上使用偏藍(lán)的白光，表鏈涂膠上使用紅光，亮度也不一樣，顏色、亮度選取均為調(diào)試后的較佳結(jié)果。

5 結(jié) 論

本文通過照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，調(diào)光模型的構(gòu)建，提出了一種基于PWM的數(shù)字控制光源，并對(duì)該調(diào)光模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在混光的同時(shí)可精確地實(shí)現(xiàn)較大范圍的照度可調(diào)，但還是存在一定的照度調(diào)整限制，后續(xù)還需要對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究。最后展示了該光源在碗底以及表鏈涂膠項(xiàng)目上的應(yīng)用，同時(shí)希望能有更廣泛的應(yīng)用。

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駱偉岸(1992-)，男，廣東汕尾人，碩士研究生，2015年于廣東工業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事算法、數(shù)據(jù)研發(fā)等方面的研究。

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