基于机器视觉的照明光源数据库研究与开发

逯力红

摘  要：机器视觉在提高生产效率和生产自动化过程中起着越来越重要的作用。照明光源是机器视觉系统中关键的组成部分，直接影响着机器视觉成像系统的成像质量。目前，在机器视觉检测领域光源选择主要依赖操作人员的经验和实验，难以达到理想照明效果。利用MATLAB建立了可根据被检目标特性自动选择光源的光源数据库，有效地提高生产效率。

关键词：机器视觉;照明光源;MATLAB;数据库

中图分类号：TP391.41      文献标志码：A         文章编号：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

機器视觉发展到今天已60余年，在生产和生活中发挥着越来越重要的作用[1-3]。照明光源是机器视觉系统中重要的组成部分，其作用是通过采取适当的照明方式将光源光线投射到被测物体上，使被测物体和背景尽可能明显地区别开来。相比其它照明光源，LED因为其应用范围广、亮度高，性能稳定而成为目前机器视觉检测系统中的常用光源[4]。但在不同的应用中如何选择合适的光源仍然是目前生产中的重点与难点。

2 传统选择光源的方法

目前，在选择机器视觉光源时，主要依赖操作人员的经验和不断实验两种方式[5]。但是，基于经验和实验的光源选择方法存在很大的弊端。

2.1 经验选择法

经验选择法要求操作人员具备一定的先验知识，能够通过被检对象的材质、颜色、表面粗糙度等特点，确定光源的类型、照明方式、亮度等光源参数，从而选择出合适的光源。但是，由于经验选择法主要依赖个人经验，因此需要操作人员不但充分了解应用场景对光源的要求，同时还需要尽可能了解市场上现有光源类型及特点，才能得到合适的光源。另外，人会受到环境、他人意见等因素影响，因此会带来更多的不确定性。

2.2 实验选择法

实验选择法利用现有光源逐个尝试或者在专业的光源实验室里通过调节入射光的波长、入射角度等措施，通过观察照明效果的好坏来选择。但是，与经验选择法一样，实验选择法也需要利用现有光源进行大量实验以获得理想照明效果，因此需要大量人力物力，成本高，效率低。

3 光源数据库的建立

通过建立光源参数与被检目标、成像系统及图像传感器之间的关系模型，利用MATLAB程序中的图形用户界面（GUI）编写光源数据库[6]，建立可根据被检对象特性自动选择光源的数据库，实现自动选择光源的功能。

3.1 设计思路

GUI设计可以使操作人员直接在用户界面上输入材料和相机参数来得到相应的结果，降低了算法的使用难度，能够极大地提高工作效率。设计思路的流程图如图1所示。

3.2 结构设计

机器视觉光源数据库的结构由输入模块和输出模块两大部分构成。其中输入模块需要输入被检目标参数、相机参数等已知参数。通过这些已知参数与光源之间的关系，得到所需要的光源。

（1）输入模块

输入模块主要由三部分构成，包括基本参数输入、典型检测类型和其它检测类型。其中，基本参数定义了机器视觉应用场景，包括工作距离、传送带速度、检测精度和图像传感器CCD/CMOS尺寸等参数输入。典型检测类型主要包括缺陷检测、尺寸检测、字符识别等检测类型。其中，每个类型中都包括多种目前常见的检测类型。其它检测类型主要包括被检目标的材质信息、颜色和尺寸信息。

（2）输出模块

输出模块包括相机参数、镜头参数和光源参数三个部分，用于指导在实际应用中选择合适的光源、相机和镜头。其中，光源参数包括光源类型、颜色、照明方式等。相机参数主要包括传感器类型、像素、帧率（行频）等参数。镜头参数包括焦距、口径、接口类型等。GUI设计的界面布局图如图2所示。

3.3 程序打包

虽然MATLAB本身具有编程语言简单、自身携带调试窗口、高效的矩阵运算等优点，但它的程序却难以摆脱MATLAB环境运行，并且界面功能效率较低，在生产实践中应用困难。为了简化操作步骤，在完成界面布局及回调函数后，对MATLAB程序进行打包处理，使之脱离MATLAB的运行环境独立使用，很大程度上简化了操作难度。最终可独立运行的光源数据库用户界面如图3所示。

4 结论

机器视觉在工业、农业、军事、遥感、医学等领域得到了广泛应用。照明光源是机器视觉成像系统中最重要的组成部分，直接影响机器视觉系统的复杂程度。本文利用MATLAB程序中的图形用户界面编写了针对不同检测需求所需光源类型的数据库，实现了根据被检目标自动选择光源的功能。并在此基础上打包成可独立运行的程序，简化了操作难度，能够有效提高生产力。

参考文献：

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

[2]贾云得.机器视觉[M].北京：科学出版社，2000.

[3]周显恩，王耀南，朱青，等.基于机器视觉的瓶口缺陷检测方法研究[J].电子测量与仪器学报，2016，30（05）：702-713.

[4]张巧芬，高健.机器视觉中照明技术的研究进展[J].照明工程学报，2011，22（2）：31-37.

[5]高光明.基于物体反射特性的LED光源优化设计[D].哈尔滨工业大学，2013.

[6]王广，邢林芳.MATLAB GUI程序设计[M].北京：清华大学出版社，2017.