基于Unity3D 的機器視覺相機鏡頭光源虛擬仿真教學實驗平臺開發探究

馬冬寶，吳晟平，崔健，張賽昆，湯曉華

（1.北京電子科技職業學院，北京 102600；2.武漢理工大學，湖北 武漢 430070；3.深圳市物新智能科技有限公司，廣東 深圳 518107）

1 研究概述

隨著機器視覺技術的迅速發展，越來越多的領域開始使用這種技術來完成復雜的任務。機器視覺系統的核心是圖像采集、圖像處理、特征提取、模式識別等模塊。相機鏡頭和光源的實際調試和操作需要投入大量時間和成本，而且還存在風險和安全隱患，不利于學生的實驗教學和機器視覺相關知識的學習和掌握。

為了解決這個問題，虛擬仿真技術已成為一種重要的研究方向。虛擬仿真即對現實場景的虛擬仿真，是虛擬現實（Virtual Reality）的一種。在機器視覺領域中，虛擬仿真技術也具有廣泛的應用前景。相機鏡頭和光源是機器視覺系統中非常重要的組成部分，但是調試和操作這些組件需要投入大量時間和成本。因此，利用虛擬仿真技術來模擬相機鏡頭和光源的選型和調試過程，可以有效地降低成本和風險，并且方便學生學習和掌握機器視覺相關知識。

1.1 研究內容

本文的主要研究內容是基于Unity3D 的三維虛擬建模技術，完成一個機器視覺相機鏡頭光源實驗平臺的搭建。該平臺可以提供完整的虛擬環境，實現相機鏡頭和光源的選型、參數調節和實時預覽，方便學生進行虛擬實驗，降低實驗成本和風險，從而實現機器視覺相關知識的學習和掌握。本文的主要內容可以分為如下幾部分：

（1）機器視覺平臺場景虛擬仿真。該部分主要研究如何實現機器視覺場景的虛擬仿真，包括虛擬環境的構建、物體模型的導入和生成、相機鏡頭光源以及物件的放置和移動等。

（2）相機鏡頭選型虛擬仿真。該部分主要研究如何實現相機鏡頭的虛擬仿真，包括各種參數的調節和實時預覽。

（3）光源選型虛擬仿真。該部分主要研究如何實現光源的虛擬仿真，包括光源的選擇和參數調節。

本虛擬仿真平臺主要運用了Visual Studio、Unity3D 以及Blender 等多種工具來完成。以下是該平臺使用這些工具的詳細介紹。

（1）Visual Studio。在該平臺中主要用于編寫控制界面，包括相機鏡頭和光源的參數調節和實時預覽等功能。其集成式的開發環境可以提供代碼編輯、調試、自動完成等多種功能，可以有效提高代碼的編寫效率和可維護性。

（2）Unity3D。Unity3D 引擎是該平臺中的核心工具，主要用于實現虛擬場景的構建和交互。該引擎具有強大的場景編輯和渲染能力，可以快速創建各種虛擬環境，包括不同尺寸、材質和光照等。

（3）Blender。Blender 建模是該平臺中用于創建模型的主要工具，它可以快速準確地創建各種三維模型和場景，包括人物、物品、建筑等。

1.2 技術路線

本虛擬仿真平臺采用了WPF 的Prism 框架、Unity3D技術以及Blender 建模技術來實現一個基于socket 通信的機器視覺教學平臺。以下是相關技術的詳細介紹。

（1）控制端。控制端部分使用WPF 的Prism 框架來構建界面，該框架的主要特點是模塊化，可以將一個大型的應用程序分成多個小的模塊進行開發和維護。

（2）虛擬端。虛擬端部分采用了Unity3D 技術來實現虛擬場景的創建和渲染。Unity3D 是一款跨平臺的游戲引擎，可以用來構建高質量的3D 和2D 游戲以及交互式內容。

（3）指令交互。在指令交互方面，我們使用socket通信協議來實現控制端界面與虛擬端之間的數據傳輸和命令交互。

2 機器視覺平臺應用場景虛擬仿真

隨著機器視覺技術的迅速發展，越來越多的應用場景需要依靠機器視覺來實現自動化和智能化。而在機器視覺應用開發中，機臺測試是不可或缺的一環。然而，在實際機臺測試中，由于機臺資源的有限性和測試環境的不確定性，機臺測試面臨著巨大的挑戰。因此，機器視覺平臺場景虛擬仿真的實現就顯得尤為必要。

2.1 虛擬端場景界面介紹

該平臺采用Unity3D 技術實現了機器視覺機臺的虛擬仿真。通過構建一個真實的三維環境，模擬了一個簡易的機器視覺機臺，并實現了相機鏡頭和光源的實時生成和成像效果預覽。生成的虛擬場景圖如圖1 所示。

圖1 虛擬場景界面

該場景的主要內容有：

（1）底座；（2）龍門架水平方向桿；（3）龍門架豎直方向桿；（4）工作臺。

2.2 虛擬端場景控制介紹

對于場景控制部分，該平臺是通過鼠標、鍵盤共同完成。關于鼠標鍵盤的具體控制介紹如下：

（1）鼠標部分：鼠標左鍵用于獲取物體，可以通過點擊場景內的物件獲取對象從而進行控制。鼠標滾輪用于虛擬場景的視野控制。鼠標右鍵用于控制整體視野的旋轉效果。

（2）鍵盤部分：WASD 鍵用于控制選中物件的上下左右移動。QE 鍵用于控制物件的上下移動。

3 相機鏡頭選型虛擬仿真

在機器視覺的各項應用中，相機鏡頭參數的調整對于圖像質量和目標檢測效果有著重要的影響。不同的相機鏡頭具有不同的特性和參數。在不同的應用場景下，需要選擇適合的相機鏡頭來滿足特定的需求。

該平臺采用Unity3D 技術來實現機器視覺相機的虛擬仿真。相機虛擬仿真是機器視覺應用的重要組成部分之一，通過建立真實的三維環境，模擬相機鏡頭的各種功能和成像效果，驗證相機參數和算法的準確性和可靠性。

3.1 相機選型仿真

關于相機，實現了黑白相機和彩色相機的選型。在機器視覺的實驗中，獲取相機的成像需要考慮到實際場景的光照和顏色，這需要相機具備一定的色彩準確性和灰度準確性。在該虛擬仿真平臺中，不同相機選型的拍攝效果如圖2 所示，依次為黑白相機、彩色相機的成像效果。

圖2 相機選型效果

3.2 鏡頭選型仿真

關于鏡頭，實現了變焦鏡頭以及鏡頭對焦的過程效果。在相機成像過程中，焦距是影響圖像成像效果的關鍵參數之一。在該虛擬仿真平臺中，可實現任意焦距的相機效果仿真，以下是幾個焦距的拍攝效果（12mm，25mm，35mm），如圖3 所示。

圖3 不同焦距的拍攝效果

3.3 相機成像參數仿真

關于相機成像，仿真了關于相機曝光以及增益的參數調整效果。在許多應用場景中，相機曝光和增益的調整對于圖像處理和分析具有重要意義。關于相機參數調整后的成像效果如圖4 所示,效果依次為原圖、增加曝光后、增加增益值后。

圖4 相機參數調整結果

4 光源選型虛擬仿真

在機器視覺中，光源效果是非常重要的一部分，因為它能夠影響到圖像質量和圖像處理的結果。虛擬仿真可以提供一種可控的、多樣的光照環境，以測試和驗證不同的圖像處理算法和方法。由此，我們選擇虛擬仿真一些光源來進行效果展示，從而能夠讓學生更加真切的了解到不同光源的光源特點，以便日后在機器視覺案例應用中選擇合適的光源。

該平臺采用Unity3D 實現光源效果的仿真。通過光源組件、物理材質、陰影和后處理效果等一系列的方式來實現不同光源的效果虛擬仿真。

4.1 環形光源仿真

環形光源的特點在于其可以提供均勻的光照效果，減少反射光線對圖像質量的影響。環形光源的打光方式示意圖以及打光前后效果圖如圖5 所示。

圖5 環形光源效果

4.2 背光源仿真

背光源的主要作用在于提高目標物體的亮度和對比度，產生目標物體的輪廓線，有助于提高目標物體的識別效果。背光源的打光方式示意圖以及打光前后效果圖如圖6 所示。

圖6 背光源效果

4.3 同軸光源仿真

同軸光源的光照陰影輪廓為方形，其光線集中，可以提供穩定的光照效果，從而減少圖像處理時的干擾。同軸光源的打光方式示意圖效果以及打光前后效果圖如圖7 所示。

圖7 同軸光源效果

4.4 中孔背光源仿真

中孔背光源能夠提供均勻的直射背光效果，使得目標物體的表面特征更加明顯，從而提高目標檢測的準確性。中孔背光源的打光方式示意圖以及打光前后效果圖如圖8 所示。

圖8 中孔背光源效果

4.5 條形光源仿真

條形光源具有明顯的方向性，可以將光線聚焦成狹長的條形狀，從而提高目標物體的輪廓清晰度和邊緣檢測的準確性。條形光源的打光方式示意圖以及打光前后效果圖如圖9 所示。

圖9 條形光源效果

4.6 條形組合光源仿真

條形組合光源的優勢在于其通過組合不同的條形光源來實現不同的光照效果，具有很強的適應性和靈活性。條形組合光源的打光方式示意圖以及打光前后效果圖如圖10 所示。

圖10 條形組合光源效果

5 實驗與測試

在本章中，我們將用一系列實驗來驗證本虛擬仿真平臺的真實性、合理性以及可行性。我們將通過成像仿真來測試鏡頭焦距仿真的精度以及相機參數調整后效果的真實性，通過光學仿真實驗來測試光源顏色強度參數效果調整后對成像影響的真實性，通過性能測試實驗來測試平臺的指令執行時間和成像時間。這些實驗將有助于評估平臺的性能和功能，并為使用者提供更好的用戶體驗。

5.1 成像仿真實驗

在相機鏡頭選型虛擬仿真的實現過程中，本虛擬仿真平臺實現了黑白相機以及彩色相機的選型，不同焦距鏡頭的選取，曝光增益相機參數的調整效果。其中，黑白相機和彩色相機的選取成像效果顯而易見，不需要進行實驗論證。所以本節將通過現實相機成像與成像距離的關系來測試鏡頭焦距仿真的精度，并測試不同相機參數對成像效果的影響。

測試鏡頭焦距仿真的精度。給定相機的傳感器尺寸為32×18mm,相機成像輸出分辨率為1366×768，鏡頭焦距為35mm。成像長邊的距離計算公式如下所示：

其中Y 表示成像物體尺寸，Y’表示圖像尺寸，L是物距，f 是鏡頭焦距。本實驗采用100，101，102，103，104，105(mm)6 組工作距離來對相機成像的物體尺寸進行測試，實驗結果如表 1 所示。

表1 不同工作距離下相機成像物體尺寸測試結果對比表（單位：mm）

驗證得到鏡頭焦距仿真的成像實際尺寸誤差在正負0.001mm。結果表明，本平臺鏡頭焦距仿真的精度較高，可以滿足實際應用需求。

測試不同相機參數對成像效果的影響。選用機械零件作為拍攝對象，相機采用黑白相機，焦距35mm，工作距離300mm，測試相機在曝光度分別為2000，3000，4000，5000，6000 的成像效果，增益值分別為1，2，3，4，5 的成像效果，測試效果圖如圖11 所示。

圖11 曝光增益參數調整效果圖

實驗結果表明，在相同增益值下，曝光度越高，機械零件成像越清晰，細節展現更加豐富；在相同曝光度下，增益值越高，機械零件成像越亮，但同時也伴隨著一定的圖像噪點。因此，不同的相機參數組合對于不同的拍攝場景有著不同的適用性。總的來說，該實驗結果表明，相機參數的調整可以對成像效果產生明顯的影響，需要在實際應用中進行合理的搭配。

5.2 光學仿真實驗

本實驗旨在驗證光源顏色和強度對相機成像的影響是否符合實際情況。我們選用了彩色相機、35mm 鏡頭、環形光源和七巧板作為場景，通過調整光源的顏色和強度來觀察七巧板在相機下的成像效果。實驗采用紅、綠、藍3 種顏色光源，光源強度設置為10，對七巧板進行打光，從而獲得相應的成像效果如圖12 所示。圖中從左到右分別為無打光效果圖、打紅光效果圖、打綠光效果圖和打藍光效果圖。

圖12 打光效果圖

根據實驗結果，我們可以發現不同顏色和強度的光源對相機成像效果有明顯的影響。在本次實驗中，紅色光源下的成像效果偏暖，綠色光源下的成像效果偏綠，藍色光源下的成像效果偏冷。在光源強度相同的情況下，強度越大，場景的細節越清晰，但是當光源強度過大時會造成過度曝光的問題。因此，在實際應用中，我們需要根據具體的應用場景，選擇合適的光源顏色和強度來達到最佳的成像效果。

5.3 性能測試實驗

在本節中，我們要測試該虛擬仿真平臺的性能指標，主要是指指令執行速度和成像速度。為此，我們設計了一些實驗來測試不同操作下的指令執行時間。我們還測試了在不同光源條件下進行成像的時間，一共測試了6種不同的光源。通過這些實驗，我們可以更好地了解該虛擬仿真平臺在不同場景下的性能表現。測試結果如表2、表3 所示。

表2 指令執行時間表（單位：ms）

表3 不同打光方式下成像時間表（單位：ms）

本次實驗通過測試指令執行時間和成像時間，對虛擬仿真平臺的性能進行了評估。實驗結果表明，在指令執行時間方面，各種指令的執行時間大致保持一致；在成像速度方面，不同光源下成像速度存在明顯的差異。本次實驗的結果表明，虛擬仿真平臺具有較好的指令執行速度和成像速度，但不同光源的打光對成像速度有一定影響。這為平臺的進一步優化提供了方向和依據。

6 結語

本研究旨在研究和設計一種機器視覺相機鏡頭光源虛擬仿真教學實驗平臺，為學生提供更加便捷、實用的實驗平臺，并提高學生的實踐能力和創新思維。在本研究中，我們采用了基于WPF 及unity3D 的虛擬仿真技術，構建了一套可視化的實驗平臺，讓學生能夠在虛擬環境中進行光學系統的配置和優化。本研究還探索了不同光源和鏡頭配置對系統性能的影響，并進行了相關實驗和分析。結果表明，本研究設計的虛擬仿真教學實驗平臺可以有效地提高學生的實踐能力和創新思維，為教育教學提供了新的思路和方法。