带钢表面划痕缺陷视觉检测照明系统分析

第37卷第12期 光电工程V ol.37, No.12 2010年12月Opto-Electronic Engineering Dec, 2010 文章编号：1003-501X(2010)12-0055-04带钢表面划痕缺陷视觉检测照明系统分析胡瑢华，余明，刘国平( 南昌大学机电工程学院，南昌 330031 )摘要：本文针对带钢表面划痕缺陷，以常见的面阵LED作为光源搭建低角度、暗域照明系统，同时基于照明系统推导出在一定照明区域中光照度函数表达式，同时对单个LED发光强度曲线进行了拟合，得出其光强分布函数，基于该函数对照明系统进行建模，利用Tracepro光学软件对照度函数中进行了仿真，分析其中参数β、S与照明均匀度ΔE之间的关系，为视觉检测照明系统的搭建提供了相应的依据，并最终通过照明实验对仿真结果进行了验证。

关键词：划痕缺陷；LED照明系统；照明均匀性；光学仿真；直方图中图分类号：TM923.01 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1003-501X.2010.12.011Lighting System Analysis of Visual Inspection ofStrip-surface Scratch DefectsHU Rong-hua，YU Ming，LIU Guo-ping( Institute of Mechanical and Electrical, Nan Chang University, Nanchang 330031, China ) Abstract: The low-angle and dark-field lighting system is set up with common array LED source for the strip-surface scratch defects. Meanwhile, illumination function in the given area is derived on the basis of LED lighting system, which receives the light intensity distribution function of LED by the curve fitting. The lighting system model is built based on the distribution function. and the Tracepro is used to simulate the lighting system model, and the relation is analyzed between the parameter β，S and illumination uniformity ΔE, which provides the corresponding basis for setting up the lighting system of visual inspection. Finally, the simulation results are verified through lighting experiments.Key words: scratch defect; LED lighting system; illumination uniformity; optical simulation; histogram0 引 言表面划痕缺陷是影响带钢产品表面质量的重要因素之一，为了更好的控制和提高产品质量，对其缺陷进行有效的检测和识别就尤为重要[1]。

目前，基于CCD的视觉检测方法被广泛应用在表面缺陷检测领域，而该方法能否有效的检测和识别缺陷，照明是关键因素之一。

在实际的检测中，常常由于光照不均匀，使得CCD采集的图像中缺陷与部分背景灰度值相近，导致缺陷显现力[2]较差，从而给后期的图像分割过程造成了很大的困难，甚至不能检测和识别，所以光照均匀对检测和识别缺陷至关重要。

图1为面阵LED光源示意图，其中参数D，d为面阵LED光源中点光源之间的间距。

本文针对表面划痕三维缺陷，以面阵LED作为光源搭建低角度、暗域[3]照明系统，针对一定的照明区域首先推导出该区域光照度函数，并通过Tracepro仿真软件对系统进行分析，得出照度函数表达式中相关参数与照明均匀度之间的关系，以及在不同条件下系统照明均匀性为最佳时参数的设置，并基于该参数通过照明实验对仿真结果进行验证，解决了面阵LED作为光源时照明系统的均匀性问题。

收稿日期：2010-09-03；收到修改稿日期：2010-10-17基金项目：江西省科技支撑计划项目作者简介：胡瑢华(1970-)，女(汉族)，江西新建人。

副教授，博士，主要研究工作是机电控制及机器视觉。

E-mail: hrh.ncu@。

光电工程 2010年12月56 1 照明系统原理如图2所示，单个LED 光轴与照明区域成β角时，区域内任一点B 点形成的照度：EAB AB I E AB∠=cos 2本文利用面阵LED 光源搭建视觉照明检测系统，如图3所示，其中X 轴的方向垂直于平面ZOY 向内。

设B (x ，y ，0)为特定照明区域平面XOY 上任一点，A (nd , βsin 2mD S−−, βcos mD H −)为左侧LED 光源上第m +1行和第n +1列的点光源LED ，P (nd , −−2Sβsin mD −+βcot H ββcot cos mD , 0)为该点光源光轴与平面XOY 的交点。

由单个LED 点光源照度公式可知，左侧面阵LED 光源在B 点的照度如式(1)，其中M ，N 分别为面阵LED 光源上LED 颗粒的行数与列数。

照度：γcos 1010211∑∑−=−==M m N n AB IE (1)其中：M ，N 分别为面阵LED 光源上LED 颗粒的行数与列数；又 )(1θG I I ⋅= (2) 其中：I 为LED 光轴上的发光强度，)(θG 为该LED 光强分布函数：222)cos ()sin 2()(ββmD H mD Sy nd x AB −++++−= (3) 222)cos ()sin 2()(cos cos βββγmD H mD Sy nd x mD H AB H A −++++−−== (4)APAB BP AP AB ⋅−+=2arccos 222θ (5)由式(1)～(5)可得出E 1，同理可得出右侧面阵LED 光源在P 点的光照度E 2，从而左右光源在照明区域中任一点P 的照度函数),(21y x F E E E =+=可求出，同时由于照明系统均匀度为照明区域中最小照度与最大照度的比值[4]，所以系统照明均匀度为max min /E E E =Δ。

2 相关参数对照明均匀性的影响分析由照明系统均匀度ΔE 公式可知，系统参数S 、β、D 、d 以及H 对均匀度有直接影响，在实际的视觉检测中所用面阵LED 光源，如条形光源、四面可调光源以及线光源等，其参数D 、d 常为定值，本文利用的图1 面阵LED 光源示意图 Fig.1 The sketch map of array LED source dD图2 单个LED 照明示意图Fig.2 The sketch map of illumination of a single LED图3 照明系统简图Fig.3 The schematic of illumination systemBLEDAThe optical axis EOβThe optical axisHYOβDArray LEDSZ第37卷第12期 胡瑢华 等：带钢表面划痕缺陷视觉检测照明系统分析57已有的面阵LED 光源搭建照明系统，在工作距离H 不变的情况下，调整左右两个光源之间距离S 以及入射光与平面的夹角β，通过建模仿真得出系统在不同条件下照明均匀度，从而得出照明系统在夹角β，间距S 与均匀度ΔE 之间的关系。

本文所用面阵LED 光源间距如图1所示：D =2.5 cm ，d =5 cm ，其发光二极管参数：工作电压为3.4 V ，电流为20 mA ，发光强度为23 000 mcd ，照明目标区域为20 cm ×40 cm 的矩形区域。

首先对单个LED 进行建模，其发光强度曲线如图4所示，对该曲线进行拟合[5]，得出其光强分布函数：++−++−=])003.1196.5(exp[051.0])6.287954.0(exp[119.0)(22θθθG]125.54(exp[677.0])236.5127.3(exp[745.022+−+−−θθ基于该光强分布函数对系统进行建模，利用光线追迹软件Tracepro 进行仿真，得出区域照度值，并利用均匀度公式max min /E E E =Δ对该数据进行处理，最终得出ΔE 与夹角β以及间距S 之间的关系曲线，如图5所示。

本文针对不同的β角，在一定间距S 中(在这个范围间距之外照明系统明显表现为光照极为不均匀)讨论照明系统光照均匀度，从图5中可知β角越大，照明系统达到最均匀时的距离S 就越大，例如当β＝20°时，取S ＝93 cm ，此时系统较为均匀；当β＝30°时，取S ＝69 cm ，系统较为均匀；当β＝40°时，取S ＝44 cm ，系统较为均匀。

同时可知，当β角均匀增大时，光照达到均匀时间距S 也应近似相应的等距增大。

在实际应用中，相关参数的取值需在照明均匀性的前提下根据带钢划痕缺陷的具体情况而定。

3 实验结果基于仿真结果中不同条件下照明达到最为均匀时所对应的参数，本文在该参数条件下对照明系统进行实验。

基于不同的条件下，利用系统对一块白色不透明平面材料进行照明，并采集图像，得出其直方图，并分析其灰度值分布，即可近似得出照明的均匀度。

图6至图10为不同条件下采集图像的直方图。

针对实验条件下采集图像的直方图，将均匀度公式max min /E E E =Δ转化成：max min /L L E H =Δ，其中min L 、max L 分别为直方图中最小灰度级与最大灰度级，从而不同条件下根据图像直方图所得出的照明系统均匀度如表1。

从表1可知：在仿真中照明达到最为均匀时所对应的参数条件下调节照明系统进行实验，结果表明此时实际照明均匀度与仿真结果基本吻合。

图4 LED 发光强度曲线Fig.4 The luminous intensity curve of LED图5 参数S 、β与照明均匀度之间的关系Fig.5 The relation between S 、βand illumination uniformityU n i f o r m i t y /%20406080100 1205565758595S /cm40° 35° 30° 25° 20°0.51.0/(°)-90 -60 -30 30 6090表1 照明均匀度ΔE H 实验结果Table 1 The experimental results of illumination uniformity ΔE Hβ /(°) 20 25 30 35 40 S /cm 93 80 69 56 44ΔE H90% 89.6% 90.9% 92.1% 89.8%光电工程 2010年12月58 结束语本文以常用的面阵LED 作为光源搭建针对带钢表面划痕等三维缺陷检测的照明系统，从单个LED 点光源建模，从而推导出整个照明区域中任一点的光照度函数表达式，同时通过Tracepro 仿真软件对系统的照明均匀性进行仿真，得出光照度函数中参数β、S 与系统均匀度的关系曲线，找出不同角度下均匀照明所对应参数的取值，并通过具体实验验证了在该参数条件下，照明系统均匀度与仿真结果基本一致，为均匀检测照明系统的搭建提供了相应的依据，具有一定的意义。