魯 波,黃 堅,朱子偉

(浙江省電子技術(shù)研究所有限公司,浙江杭州310012)

基于機器視覺的LED陣列自動分選系統(tǒng)設(shè)計

魯 波,黃 堅,朱子偉

(浙江省電子技術(shù)研究所有限公司,浙江杭州310012)

該文針對LED照明產(chǎn)品的特征,設(shè)計一臺基于機器視覺的LED陣列自動分選系統(tǒng)。系統(tǒng)利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對發(fā)光LED陣列進(jìn)行識別、亮度分析和數(shù)量統(tǒng)計,實現(xiàn)對產(chǎn)品發(fā)光質(zhì)量的檢測及自動分選。PC軟件完成測量控制功能,簡化硬件結(jié)構(gòu),降低成本。用戶可根據(jù)不同測量對象配備相應(yīng)的濾鏡和設(shè)置檢測精度、曝光時間等采集參數(shù),提高了系統(tǒng)的可移植性和維護性。

機器視覺;發(fā)光二級管;細(xì)化

0 引 言

發(fā)光二級管(Light Emitting Diode,LED)因其體積小、壽命長、可靠性高等優(yōu)點,已廣泛用于交通、醫(yī)學(xué)和室內(nèi)等照明領(lǐng)域。伴隨著LED在照明領(lǐng)域的迅速發(fā)展,對LED陣列發(fā)光質(zhì)量的檢測是照明生產(chǎn)中一項重要的任務(wù)。因進(jìn)口設(shè)備的成本較高,對國內(nèi)小型LED陣列生產(chǎn)商來說,多采用人工目測法進(jìn)行亮度等級分選。這種依靠人眼辨別亮度的方法受人為因素影響大,測量精度不高,生產(chǎn)效率低。而對于在監(jiān)控和醫(yī)用等領(lǐng)域所用的紅外LED,人眼又無法感知[1]。本文以機器視覺技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計開發(fā)了LED陣列自動分選系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

系統(tǒng)由視覺檢測平臺、上位機測控軟件和分選機構(gòu)3部分組成,如圖1所示。位置傳感器檢測到LED陣列后輸出信號到核心控制器?？刂破鬏敵鰞陕沸盘?一路到檢測臺,控制其暫停以點亮LED陣列;另一路觸發(fā)攝像機拍攝一幀圖像。所拍圖像經(jīng)USB總線傳輸?shù)絇C機。PC機測控軟件對圖像進(jìn)行處理、識別、顯示及灰度分析等操作。當(dāng)有LED灰度不滿足精度要求時,攝像機則輸出信號給核心控制器,由核心控制器控制檢測臺對不合格品進(jìn)行分選[2]。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

1.2 視覺檢測平臺和分選機構(gòu)

視覺檢測平臺由工業(yè)攝像機、光學(xué)鏡頭和減光鏡組成。因不同LED陣列樣式及亮度各不相同,檢測時需對像機的曝光時間和鏡頭光圈及焦距進(jìn)行調(diào)整。選擇價格較低的USB接口國產(chǎn)百萬像素黑白CMOS攝像機。鏡頭選用M0814-MP工業(yè)鏡頭。LED陣列為自發(fā)光物體,為了提高采集圖像對比度,在鏡頭前加減光鏡,以均勻衰減光強?？紤]到機械設(shè)計的復(fù)雜性和用戶要求各異等原因,將機械設(shè)計部分委托制造機械設(shè)備的公司來設(shè)計。系統(tǒng)在測量到不合格品時,自動輸出一路控制信號。這樣在系統(tǒng)集成上降低成本,縮短開發(fā)周期,方便維護。

2 軟件設(shè)計

2.1 上位機測控軟件總體設(shè)計

系統(tǒng)的測量控制由上位機軟件完成。軟件采用M icrosoft Visual C++6.0開發(fā)設(shè)計。主要功能模塊為攝像機初始化及參數(shù)設(shè)置,圖像采集、處理及分析,結(jié)果顯示及保存,產(chǎn)品數(shù)量統(tǒng)計,檢測精度設(shè)置等[3]。上位機測控軟件總體功能模塊和結(jié)構(gòu)如圖2所示,檢測流程如圖3所示。

2.2 LED陣列圖像識別算法設(shè)計

本系統(tǒng)是對通電LED陣列進(jìn)行圖像采集,因此可把采集的每個LED圖像看作圓形顆粒。通過分析顆粒數(shù)量和灰度來判斷陣列發(fā)光質(zhì)量。對顆粒識別算法原理如下：首先對圖像進(jìn)行均值濾波、閾值分割、二值化處理。然后對圖像進(jìn)行細(xì)化來提取顆粒的中心點和計算其半徑。為了抑制照明不均勻,閾值分割采用自適應(yīng)閾值化法。將圖像分成4個區(qū)域,根據(jù)直方圖分別求取每個子區(qū)域的最佳閾值[4]。算法如下：

(1)選擇一個初始閾值的估算值T=(max+min)/2,其中max為最大灰度值,min為最小灰度值;

(2)利用閾值T把圖像分割成兩組,R1和R2;

(3)計算區(qū)域R1和R2的均值μ1,μ2;

(4)選擇新的閾值T;

(5)重復(fù)2-4步,直到μ1和μ2的均值不再變化或迭代次數(shù)大于100。

圖像細(xì)化是從原圖中去掉一些點,但仍保持原圖的骨架。LED光斑圖像為圓形,細(xì)化則是提取圓心。細(xì)化處理過程算法分3步[5]：

(1)生成邊界。假如一個被標(biāo)志點的4方向鄰近點有任何一個點未被標(biāo)志,則此點為邊界點。為了邊界生成準(zhǔn)確,系統(tǒng)中循環(huán)使用4方向和8方向;

(2)如果被標(biāo)志點的連通區(qū)域中有任何一個非邊界點,則去掉邊界;否則將所有邊界點標(biāo)志為臨時中心點;

(3)重復(fù)(1)(2)兩步,直到所有點都被訪問。

將所有臨時中心點且連通的象素坐標(biāo)平均值作為最終圓心點。因顆粒為圓形,根據(jù)細(xì)化次數(shù)得到顆粒光斑半徑。

3 實驗及結(jié)果分析

系統(tǒng)對常用3種波段LED樣品進(jìn)行實驗,樣品工作電壓12v,鏡頭光圈4檔,加ND090和ND120減光鏡。標(biāo)準(zhǔn)品測量結(jié)果如表1所示。其中一組近紅外LED陣列測量如圖4所示。圖4(b)中位置標(biāo)號為35的LED不亮,位置坐標(biāo)為(217,361)。從表1看出,近紅外樣品的LED計數(shù)誤差偏大,原因是樣品中單點LED密集且樣品位置偏離采集中心時算法會有誤判。因此系統(tǒng)在自適應(yīng)性方面仍需進(jìn)一步改進(jìn)。圖像處理時間均小于200ms,有效提高檢測效率。

圖2 上位機測控軟件總體功能模塊框圖

圖3 圖像檢測分析流程圖

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)具有可移植性,通過對軟件參數(shù)設(shè)置和鏡頭、濾鏡的調(diào)整,可對不同型號LED陣列點亮質(zhì)量進(jìn)行檢測。系統(tǒng)可根據(jù)客戶要求定做,在各種LED燈具的成品和半成品檢測中,取代人工目測工序,有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量,具有很好的市場應(yīng)用價值。

表1 3種常用LED陣列標(biāo)準(zhǔn)樣品參數(shù)測量表

圖4 近紅外樣品LED陣列測量圖

[1]沈天行,劉海靜.用圖像數(shù)字化處理技術(shù)測試LED的光參數(shù)[J].光學(xué)技術(shù),2004,30(6)：660-664.

[2]秦嵐,呂云日,鄧維禮.LED多參數(shù)檢測系統(tǒng)的設(shè)計與控制[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2008,34(7)：79-81.

[3]求是科技.Visual C++6.0程序設(shè)計從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社,2006：207-229.

[4]賈云得.機器視覺[M].北京：科學(xué)出版社,2002：40-44.

[5]王占全,徐慧.精通Visual C++數(shù)字圖像處理技術(shù)與工程案例[M].北京：人民郵電出版社,2009：190-220.

Design of LED Array Automatic Sorting System Based on the Machine Vision LU Bo,HUANG Jian,ZHU Zi-wei

(Zhejiang Research Institute of Electronic Technology Co.,LTD,Hangzhou Zhejiang310012,China)

A LED array automatic sorting system was designed in terms of LED lamp properties.The system can measure the quality of LED arrays and sort them automatically using thedigital image processing to recognize them,analyze brightness and count them.In order to simplify hardware and reduce costs,measurement and controlwere performed by PC software.Users can fit filters and setparameters such as precision and exposure time according to differentsamples,whichmakes the system moreportable and easy tomaintain.

machine vision;light emitting diode;thinning

TN401

A

1001-9146(2010)05-0029-04

2010-07-20

魯波(1980-),女,黑龍江泰來人,工程師,測試計量技術(shù)及儀器儀表.