用于球状物视觉检测系统的LED光源研制与实现

摘  要： 通过分析机器视觉系统成像环境以及当前市场状况，紧密结合视觉测量系统平台设计的软件技术发展方向，设计了一种具有自学习功能的视觉系统LED光源机构。该机构LED阵列的设计综合了CCD像素的可接受照度以及被测物表面特点等因素，提出了五环八区的新型光源阵列分布结构，并在具体的系统功能设计中采用了虚拟仪器技术，使得该光源机构更智能化，对于提高系统工作速度、效率以及检测精度极具意义。
关键词： CCD照度；五环八区；自学习；虚拟仪器
       机器视觉应用最关键的部分之一即为其照明系统，好的照明系统将以合适的方式将光线照射到被测物体表面，使得被测量物件的边界更加清晰[1]，从而有效地避免劣质光源条件下被测物件在CCD成像中带来的较高的信噪比,或者CCD曝光过度，以免视觉测量结果所体现出的被测物件的物理特征严重失真[1]及后续图像处理算法中阈值选择的障碍、图像边界提取失败等严重后果。可见，针对不同的视觉检测系统，设计出适合的、优质的光源，不但能够提高系统的分辨力，同时有助于图像处理软件的执行效率，因此，优质光源的设计对于该类系统具有重要意义。
     视觉测量的标准灯源通常具备了提供多种组合方式的能力，目前市场上常见的四相LED程控灯源组合方式并不丰富，且LED光源照射角度过大，容易造成具有平缓过渡棱角工件的图像无法具有较强的明暗对比度。针对这一类光源技术的缺憾，本文对机械工程领域一类球状产品的视觉检测系统进行了针对性的光源设计，提出具有五环八区四十相结构的LED光源，并将先进的软件技术融合到光源的性能控制上，提出“自学习”的软件设计思路，使得该视觉检测系统在光源控制方面亦体现出智能化的特点。
1 光源的结构及设计原理
     被测物体为具有光滑表面的球形工件，具有反射光线的特点，因此需要进行多种组合采光才能使CCD所采集到的图像避免因表面的漫反射而形成的光晕以及边界模糊等不利因素，使得光源有利于图像的二值化处理，具有符合图像处理分析方法的特点[2-3]。在设计中需要较为全面地考虑以下几个方面：
     （1）在国内，影像仪多采用桂林光学0.7~4.5X显微镜头，镜头底部距离工件最近处为90 mm。因此需要针对被测物件的直径以及镜头参数，合理制定出LED光源机构的大小。
     （2）依据最佳的对比度，结合光源照度、亮度分布、发光度等属性，综合考虑被测物件可能具有的表面粗糙度、反光程度等属性，尽量优化光源对于CCD成像的影像。
     （3）LED本身会因为散热问题引发反应速度变化和光强变化，需要考虑光源机构的布局。
      LED的光源机构设计在参照以上准则的同时也需要对光的能量进行计算以获得较为准确的光能量参数，从而确定LED的数目和功率等其他参数。

2 光源的电路原理及控制实现
     目前，对传输速度要求不是特别严格的通信或控制电路普遍采用串行口的通信方式，串行口具有性能稳定、结构简单、易于实现等特点，鉴于视觉测量仪器其高性能的体现之一在于系统的反应速度，故本设计采用并行口的设计方案，实际使用中能够高速、精确地进行数据传输。
     光源控制系统采用了ENC7480型的位移检测计数卡进行216级亮度可调控制，其原理图如图2所示。
     图2中，共有10个D/A转换芯片TCL7226通过A0和A1的地址片选分配，将来自于上位机的LED控制信号转换为输出电流，继而使光源机构中的LED阵列依据命令调整明暗程度。对该硬件结构展开基于并行口数据通信的接口驱动电路设计并编写对应的驱动程序。