帘子布图像灰度不均匀因素分析及校正方法研究

张五一，耿世勇

（中原工学院，郑州450007）

帘子布图像灰度不均匀因素分析及校正方法研究

张五一，耿世勇

（中原工学院，郑州450007）

为了解决线阵相机采集帘子布图像灰度不均匀的难题，介绍了帘子布的结构特点及以线阵相机为核心的帘子布图像采集系统，分析了光源、镜头、光敏单元等方面对图像灰度不均匀的影响.通过选用合适的光源、镜头及线阵相机平场校正方法进行实验，结果表明这些方法使得采集的帘子布图像灰度均匀性较好，减小了疵点识别的难度.

平场；帘子布；疵点；校正

浸胶帘子布作为轮胎骨架材料，如果布面粘有胶斑等疵点，不仅会造成浸胶帘子布外观质量下降，而且会危及轮胎的安全，轮胎将会在运行过程中出现鼓包、分层、爆胎等现象，后果不堪设想［1］.

帘子布是轮胎用骨架织物，其重量约占外胎总重量的10%～15%，其成本约占轮胎生产成本的37%，是轮胎生产的主要原材料之一.帘子布有自己独特的纹理结构，如帘子布经纱线直径为0.6～0.9mm，纱线间距为1.4～1.6mm；纬纱直径大约为0.1mm，间距为10～12mm，布幅为1120～1 500mm，疵点面积比较大等［2］.相应地，其疵点类型也只有断经、浆斑、劈缝、经线连续粘并等几种［3］.

对于采用图像处理方式来实现对帘子布疵点识别的系统来说，采集图像质量的好坏直接决定了后期疵点的识别难度与精度.

1 成像平场的影响因素

1.1 光源对成像平场的影响

光源是机器视觉系统中的重要组成部分.为了使CCD相机获得足够的照度并且使照度分布均匀，设计照明系统时要考虑3个问题，即照明系统提供的光能量、光能量的利用率及光能量在像平面上的分布.

照明系统提供的光能量与光源的发光强度、光源的尺寸有关，当光源的发光强度一定时，光源的面积越大，照明系统提供的能量就越多.另外，考虑到高速型CCD线阵式摄像机的扫描速度通常在几kHz，例如，我们在项目中使用的德国Basler公司的L304KC高速型CCD线阵式摄像机的最高线速扫描频率为7.2kHz，为配合CCD线阵相机的高速扫描和得到稳定、无闪烁图像，光源的工作频率必须高于CCD线阵相机的最高采样速率.根据帘子布本身的特性及成像要求，我们选用的光源是线光源，即工作频率为100 kHz的高频荧光灯光源，长约2.4m（大于帘子布的宽度）.在荧光灯表面约1cm处，从左到右的照度都在2 000lx左右，保证了进入CCD相机的光能量在像平面上的均匀分布.

1.2 镜头对成像平场的影响

镜头的主要作用是将成像目标聚集在图像传感器的光敏面上.镜头一般由一组透镜和光阑组成，在镜头中一般是把凹透镜和凸透镜配合使用，以校正像差和其他各类失真；在镜头中设置光阑以限制进入镜头的光束大小，光阑一般成圆形，其中心在透镜的中心轴上.由镜头的结构可知，镜头对成像平场质量的影响因素主要来自镜头本身的构造误差，如凹透镜和凸透镜配合误差、光阑的中心定位不准及镜头边缘的渐晕等.在满足要求的情况下，尽量选择视场角小的镜头，使镜头对成像平场的影响最小化.

1.3 CCD像素响应不均匀性对成像平场的影响

CCD图像传感器作为一种新型光电转换器，集光电转换、光积分、扫描3种功能为一体.其基本部分由MOS光敏元阵列和读出移位寄存器组成.造成像素响应不均匀性的原因是多种多样的，其中硅材料本身的质量以及CCD的生产工艺造成的不均匀性都是无法改变的，如沟道掺杂浓度不均匀、表面密度分布不均匀以及栅氧化物厚度不同，造成开启电压和感光单元有效面积不同，从而引起固定模式噪声，表现为暗电流及光电响应的不均匀性［4－6］.

对于线阵CCD相机来说，当相机对理想的光照均匀的物体成像时，理论上所有的像素应该具有同样的灰度，而实际上并非如此.以下因素决定了图像的灰度非均匀性：①光源照明的非均匀性；②镜头边缘的cos4θ效应减少了光通量传输，造成边缘图像的光照度远低于中心图像照度；③传感器的像素光电响应非一致性；④固定模式噪声的影响［7－9］.

对于这些因素的影响，陈迎娟等人提出了用像素光电响应不均匀性的校正系数计算校正量，并针对实际情况中干扰光的影响，提出了采用变波长去除干扰方法，对校正方法进行修正［4］；徐树兴等人根据光电响应模型提出了求解各个像素光电响应不均匀性的校正因子和暗偏置量系数，用以计算各个像素的校正量，并在FPGA上实现了快速校正算法［7］.

2 Basler线阵相机在实际应用中的解决办法

帘子布图像疵点采集系统结构如图1所示.

图1 帘子布图像疵点采集系统结构图

在本系统中，采用Basler L304KC线阵相机对高速移动的帘子布进行图像采集，然后通过Camera Link接口送入Matrox图像处理卡，在线计算机对图像进行处理与决策.如果帘子布各种特征在正常范围内，则不存贮信息；如果检测出有疵点，则将疵点信息存储到在线计算机上，传给离线计算机进行进一步数据处理，完成疵点分类评价以及帘子布等级的自动评定.

对于L304KC线阵相机来说，当成像不均匀时，可以通过软件对相机进行一系列的校正，以达到平场校正的效果.具体的校正方法如下［10］：

（1）校正 DSNU（Dark Signal Non－uniformity）：

①盖住相机镜头，关闭光圈，以便相机拍的图像全黑；

②相机开始曝光，拍图；

③通知相机产生校正DSNU值（通过CCT＋）；

④曝光完毕后，相机通过计算产生校正DSNU值（如图2所示）.

图2 产生DSNU值

（2）校正 PRNU（Photo Response Non－uniformity）：

①在相机的视野中放一个均匀白的目标，调节相机到正常的工作状态；

②拍图，观察像素值，每一行中最亮像素的像素值应该达到最大值的90%～95%（如果达不到，通过调光源和光圈达到；如果还未达到，再调增益）；

③拍图，每一行最暗的像素值必须大于等于最亮像素值的50%（如果小于50%，将不能充分校正）；

④通知相机产生校正PRNU值（通过CCT＋，方法同DSNU）；

⑤曝光完毕后，相机通过计算产生校正PRNU值（如图3所示）.

图3 产生PRNU值

3 校正效果

校正效果如图4－图7所示.其中图4和图6所示的帘子布图像中两边的亮暗分界是帘子布的边沿.

图4 校正前的帘子布图像

4 结 语

从图像校正前后对比看，校正前的帘子布边缘的灰度值只有10左右，而中间的灰度值最高在200以上，灰度分布图基本呈抛物线形状；校正后的帘子布图像灰度分布呈一窄带，灰度值在50～160之间，它之所以呈窄带形状分布，是因为帘子布的结构所致.通过校正，使得成像灰度分布非常均匀，为帘子布的疵点识别提供了质量较好的图像，减小了疵点识别的难度.

［1］ 潘清江.浸胶帘子布胶斑的产生原因及解决办法［J］.中国橡胶，2009，25（14）：35－37.

［2］ GB／T 9102－2002，锦纶66帘子布国家标准［S］.

［3］ 赵强松.锦纶帘子布疵点检测方法研究［D］.郑州：中原工学院，2006.

［4］ 陈迎娟，张之江，张智强.CCD 像素响应不均匀性的校正方法［J］.光学精密工程，2004，12（2）：216－219.

［5］ 孟然，于德敏，王永强，等.黑白CCD相机平场影响因素分析及校正方法研究［J］.天津科技大学学报，2006，21（4）：68－70，74.

［6］ 程万胜，赵杰，蔡鹤皋.CCD像素响应非均匀的校正方法［J］.光学精密工程，2006，16（2）：314－318.

［7］ 徐树兴，王宝光，郑义忠.线阵CCD平场校正及FPGA实现的研究［J］.宇航计测技术，2007，27（6）：24－37.

［8］ 张之江，邹宾，陈迎娟.CCD亚像素细分中的像素响应不均匀性补偿技术［J］.传感技术学报，2005，18（1）：57－62.

［9］ 严军，陈迎娟.基于光电响应模型的CCD像素响应不均匀性校正方法［J］.宇航计测技术，2004，24（6）：20－25.

［10］ 北京微视凌志图像技术有限公司.Basler L304KC User’s Manual［DB／OL］.（2008－09－02）.http：／／www.mvlz.com／download.php？id＝1133.

Study on Cord Fabrics Image Grayscale Non－uniformity Factor and Correction Method

ZHANG Wu－yi，GENG Shi－yong
（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

In order to solve the problem of gray non－uniformity in grab cord fabrics with linear camera，the structure character of cord fabrics and the system of cord fabrics image grab with linear camera are introduced briefly，and the factors of gray non－uniformity such as light，lens，photosensitive element are analyzed，through selecting proper light，lens and flat field correction of linear camera，experimental results show that these methods make uniformity of image grayscale is very good，and so reduce the difficulty of inspecting defects.

flat field；cord fabrics；defect；correction

TP391

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2010.05.007

1671－6906（2010）05－0026－04

2010－10－10

河南省科技攻关项目（0721002210032）

张五一（1955－），男，河南洛阳人，教授.