光源光强对颜色对比度的影响研究

祝振敏，张永贤，金小龙，涂海燕

（华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌330013）

彩色视觉检测已经广泛应用于塑料制品以及一些工业检测[1-4]。彩色图像成像主要受着彩色电荷耦合元件（CCD）的响应函数、光源的光谱相对功率分布和检测目标本身的表面反射函数的影响[5-6]。在以前的研究工作中，研究照明光源的波段变化对颜色对比度的影响[7]，最优光源波段间隔照明提高目标的颜色对比度[8]。但是，在光源光谱不变的情况下，光源的亮度变化也会改变照明光源的相对功率分布，影响照明光源的色温，在文献[9]中讨论了这个问题。利用脉冲宽度调制（PWM）调亮度，光源的色温调节范围为一千多K到几十万K，由于色温的变化而影响目标的颜色对比度。

曲兴华等[10-11]分析了在黑白图像中，光源的照度对缺陷显现力的影响。同样地，在彩色视觉检测中，光源的照度也会对检测目标的颜色有着直接的影响，这样也会对不同颜色的色块之间的色差存着影响，光源过亮容易引起颜色的饱和，造成图像的失真，过暗则会影响图像的对比度，因此本文主要利用PWM数字调节各波段的LED亮度，研究了选取合适的照度提高检测目标的对比度。

1 彩色视觉检测系统

实验所用的彩色视觉检测系统由三部分组成：（a）IMprex彩色CCD（IPX-2M30-GCCI），标准镜头LM35HC；（b）可选波段的LED光源；（c）样品放置圆台。相机的分辨率为1 600×1 200像素，其光谱范围为400～1 000 nm。

由于涉及到多种波段的LED混光问题，光源采用了间接照明的方式，3种波段（465 nm，520 nm，620 nm）的LED循环紧凑排列。LED阵列的光直接照射到具有高漫反射的半球形内表面上，该高漫反射率的半球形内表面由硫酸钡，白乳胶和水按照不同比例，多次喷涂而成，经实际测得，其漫反射率超过了90%以上。该内表面将LED阵列发射上来的光反射到样品放置台上，形成了均匀的照射平面。在与光源距离为200 mm处，其均匀度达到了95%以上[12]。

2 光源亮度的数字调节

驱动电路选用了MAXIM16807IC芯片，3组IC驱动电路通过外接PWM信号分别控制3种波段的LED，每组IC芯片中，LED采用先串后并的方式连接。光源的亮度调节采用了PWM脉冲编码调节，LED的亮度通过改变脉冲占空比的方法进行调节，PWM信号频率约为1 kHz，占空比划分为0～255级，0即对应原来占空比的0%，255即对应占空比为100%。选用FREESCALE公司生产的MC9S08AW60单片机对种波段进行分别调节，使得三路PWM信号频率完全同步。照明光源的性能以及使用条件都会影响到图片采集的效果。一般的光源都有一个预热到稳定的过程，LED也是发光一定时间以后，发光强度才逐渐趋于稳定下来。另外就是采用PWM调光后光源照度的线性度实验，验证采用PWM脉宽调节的方式是否能够实现光源的照度变化数字可调。因此测试了光源的稳定性，PWM调光的线性度等参数。图1显示为520 nm波段LED随时间变化的曲线，测试时间为1 h，采用TES-1339照度计进行测量。

图1 1 h内光源照度变化曲线Fig.1 The variation of illumination luminance in an hour

因3种波段LED的照度值相差较大，不好直接用照度值的差值来衡量稳定性，故采用下式进行比较：

式中：Emax，Emin分别为所测范围内的最大照度值与最小照度值；p为变化率。

从表1中可以看出520 nm和465 nm波段的LED光源在20 min以后变化率p已经逐渐减小，说明光源已经趋于稳定下来，而620 nm波段LED的发光稳定性稍差一些，在20 min以后变化率仍较大，在30 min以后p值才降为0.005 5。因此光源在使用前最好先预热30 min，待光源稳定下来以后进行实验。

利用最小二乘直线对信号占空比和照度进行拟合。3种波段的拟合方程：

式中：E620，E520，E465分别对应波段LED的照度值；x，y，z分别为其所对应的占空比例。拟合优度R2分别为0.999 7，0.999 4，0.999 9，则可以认为3种波段（465 nm，520 nm，620 nm）LED的PWM 256级信号与照度有着良好的线性关系，实现了照明光强256级数字可调。

表1 不同时间内的照度变化率Tab.1 The rate of luminance at different time

3 实验与分析

为了尽量减小周围环境或者杂散光的影响，实验在暗室中进行。选用在文献[8]中使用的色块作为实验对象。在暗室中，采用3种LED（465 nm，520 nm，620 nm）光混合照明，在PWM等级都为255时调整合适的相机参数，如光圈，快门时间，焦距等。随后保持相机参数不变，逐级调整光源的PWM等级，3种波段同时改变，每隔5级得到一张图片。图2（a）为PWM等级为255时的相机得到的图片。从图2中可以看出，随着光源照度的变化，各个色块的颜色变化非常大，在PWM255级时明显过亮，颜色趋于饱和，色差较小，对比度较弱。而在PWM等级小于60以后，由于光源亮度过弱，目标的颜色对比度逐渐的趋于零。

图2 不同PWM等级下采集的图片Fig.2 The images obtained with different PWM grades

在均匀颜色空间CIELab空间里，采用色差来评价色块间的对比度，可用下式：

式中：ΔE为色差，（L*a，a*a，b*a）与（L*b，a*b，b*b）分别代表a与b两种颜色在CIEL*a*b*空间的颜色值。

图3（a）与图3（b）分别为蓝绿，蓝红色块色差随着光源照度PWM等级变化的曲线。可以看出，光源的色差并不是在照度最高的时候最大，虽然两条曲线变化不同，但是趋势与峰值基本一致。色差都随着光源照度的增加而变大，两条曲线都在PWM等级220左右时达到峰值，此时色差分别达到了66ΔE和23ΔE。然后随着光源照度的增加而慢慢变小，在PWM等级为60时，色块之间的色差分别只有32ΔE和16ΔE。图2（b）则为色差最大时PWM等级为220时相机采集到的图片。

图3 色差随光源照度等级变化曲线Fig.3 The curves of average color difference with the variable grades of the illumination intensity

从图2和图3中可以看出，蓝绿色块间的色差更为明显，在PWM255级时明显过亮，颜色饱和，色差较小，对比度较弱。而在PWM60级时由于光源照度过暗，也造成了分辨力的减弱。而PWM220级时，蓝红与蓝绿色块的色差都在此时达到了峰值，从图片上来看，此时的图片颜色对比度最优。存在一个最佳照度值（即相应的色温）使得色块间的色差最大，因此可以根据最大色差法来选择合适的照明光强。

4 结论

光源的亮度变化直接影响到检测目标的对比度。光源的亮度调节采用PWM脉冲编码调节，照度与PWM等级成线性关系。在PWM等级都为255时调整合适的相机参数，每隔5级采集一张图片，分析光源的照度变化与颜色对比度的变化规律。在PWM等级220时，色块间的色差达到了峰值，颜色对比度最大。应根据具体的目标，利用最大色差法选取合适的光源照度照明（相应的光源色温），即合适的PWM等级。

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