基于機器視覺的照明光源數據庫研究與開發

逯力紅

摘? 要：機器視覺在提高生產效率和生產自動化過程中起著越來越重要的作用。照明光源是機器視覺系統中關鍵的組成部分，直接影響著機器視覺成像系統的成像質量。目前，在機器視覺檢測領域光源選擇主要依賴操作人員的經驗和實驗，難以達到理想照明效果。利用MATLAB建立了可根據被檢目標特性自動選擇光源的光源數據庫，有效地提高生產效率。

關鍵詞：機器視覺;照明光源;MATLAB;數據庫

中圖分類號：TP391.41? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）26-0018-02

Abstract： Machine vision plays a more and more important role in improving production efficiency and production automation. Lighting source is a key component of machine vision system， which directly affects the imaging quality of machine vision imaging system. At present， the selection of light source in the field of machine vision inspection mainly depends on the experience and experiment of operators， so it is difficult to achieve the ideal lighting effect. The light source database which can automatically select the light source according to the characteristics of the target is established using MATLAB， which can effectively improve the production efficiency.

Keywords： machine vision; lighting source; MATLAB; database

1 概述

機器視覺發展到今天已60余年，在生產和生活中發揮著越來越重要的作用[1-3]。照明光源是機器視覺系統中重要的組成部分，其作用是通過采取適當的照明方式將光源光線投射到被測物體上，使被測物體和背景盡可能明顯地區別開來。相比其它照明光源，LED因為其應用范圍廣、亮度高，性能穩定而成為目前機器視覺檢測系統中的常用光源[4]。但在不同的應用中如何選擇合適的光源仍然是目前生產中的重點與難點。

2 傳統選擇光源的方法

目前，在選擇機器視覺光源時，主要依賴操作人員的經驗和不斷實驗兩種方式[5]。但是，基于經驗和實驗的光源選擇方法存在很大的弊端。

2.1 經驗選擇法

經驗選擇法要求操作人員具備一定的先驗知識，能夠通過被檢對象的材質、顏色、表面粗糙度等特點，確定光源的類型、照明方式、亮度等光源參數，從而選擇出合適的光源。但是，由于經驗選擇法主要依賴個人經驗，因此需要操作人員不但充分了解應用場景對光源的要求，同時還需要盡可能了解市場上現有光源類型及特點，才能得到合適的光源。另外，人會受到環境、他人意見等因素影響，因此會帶來更多的不確定性。

2.2 實驗選擇法

實驗選擇法利用現有光源逐個嘗試或者在專業的光源實驗室里通過調節入射光的波長、入射角度等措施，通過觀察照明效果的好壞來選擇。但是，與經驗選擇法一樣，實驗選擇法也需要利用現有光源進行大量實驗以獲得理想照明效果，因此需要大量人力物力，成本高，效率低。

3 光源數據庫的建立

通過建立光源參數與被檢目標、成像系統及圖像傳感器之間的關系模型，利用MATLAB程序中的圖形用戶界面（GUI）編寫光源數據庫[6]，建立可根據被檢對象特性自動選擇光源的數據庫，實現自動選擇光源的功能。

3.1 設計思路

GUI設計可以使操作人員直接在用戶界面上輸入材料和相機參數來得到相應的結果，降低了算法的使用難度，能夠極大地提高工作效率。設計思路的流程圖如圖1所示。

3.2 結構設計

機器視覺光源數據庫的結構由輸入模塊和輸出模塊兩大部分構成。其中輸入模塊需要輸入被檢目標參數、相機參數等已知參數。通過這些已知參數與光源之間的關系，得到所需要的光源。

（1）輸入模塊

輸入模塊主要由三部分構成，包括基本參數輸入、典型檢測類型和其它檢測類型。其中，基本參數定義了機器視覺應用場景，包括工作距離、傳送帶速度、檢測精度和圖像傳感器CCD/CMOS尺寸等參數輸入。典型檢測類型主要包括缺陷檢測、尺寸檢測、字符識別等檢測類型。其中，每個類型中都包括多種目前常見的檢測類型。其它檢測類型主要包括被檢目標的材質信息、顏色和尺寸信息。

（2）輸出模塊

輸出模塊包括相機參數、鏡頭參數和光源參數三個部分，用于指導在實際應用中選擇合適的光源、相機和鏡頭。其中，光源參數包括光源類型、顏色、照明方式等。相機參數主要包括傳感器類型、像素、幀率（行頻）等參數。鏡頭參數包括焦距、口徑、接口類型等。GUI設計的界面布局圖如圖2所示。

3.3 程序打包

雖然MATLAB本身具有編程語言簡單、自身攜帶調試窗口、高效的矩陣運算等優點，但它的程序卻難以擺脫MATLAB環境運行，并且界面功能效率較低，在生產實踐中應用困難。為了簡化操作步驟，在完成界面布局及回調函數后，對MATLAB程序進行打包處理，使之脫離MATLAB的運行環境獨立使用，很大程度上簡化了操作難度。最終可獨立運行的光源數據庫用戶界面如圖3所示。

4 結論

機器視覺在工業、農業、軍事、遙感、醫學等領域得到了廣泛應用。照明光源是機器視覺成像系統中最重要的組成部分，直接影響機器視覺系統的復雜程度。本文利用MATLAB程序中的圖形用戶界面編寫了針對不同檢測需求所需光源類型的數據庫，實現了根據被檢目標自動選擇光源的功能。并在此基礎上打包成可獨立運行的程序，簡化了操作難度，能夠有效提高生產力。

參考文獻：

[1]L.Roberts.Machine perception of three-dimensional solids[J].Optical and Electron-Optical Information Processing，1965：159-197.

[2]賈云得.機器視覺[M].北京：科學出版社，2000.

[3]周顯恩，王耀南，朱青，等.基于機器視覺的瓶口缺陷檢測方法研究[J].電子測量與儀器學報，2016，30（05）：702-713.

[4]張巧芬，高健.機器視覺中照明技術的研究進展[J].照明工程學報，2011，22（2）：31-37.

[5]高光明.基于物體反射特性的LED光源優化設計[D].哈爾濱工業大學，2013.

[6]王廣，邢林芳.MATLAB GUI程序設計[M].北京：清華大學出版社，2017.