張五一，耿世勇

（中原工學院，鄭州450007）

簾子布圖像灰度不均勻因素分析及校正方法研究

張五一，耿世勇

（中原工學院，鄭州450007）

為了解決線陣相機采集簾子布圖像灰度不均勻的難題，介紹了簾子布的結構特點及以線陣相機為核心的簾子布圖像采集系統(tǒng)，分析了光源、鏡頭、光敏單元等方面對圖像灰度不均勻的影響.通過選用合適的光源、鏡頭及線陣相機平場校正方法進行實驗，結果表明這些方法使得采集的簾子布圖像灰度均勻性較好，減小了疵點識別的難度.

平場；簾子布；疵點；校正

浸膠簾子布作為輪胎骨架材料，如果布面粘有膠斑等疵點，不僅會造成浸膠簾子布外觀質量下降，而且會危及輪胎的安全，輪胎將會在運行過程中出現(xiàn)鼓包、分層、爆胎等現(xiàn)象，后果不堪設想［1］.

簾子布是輪胎用骨架織物，其重量約占外胎總重量的10%～15%，其成本約占輪胎生產(chǎn)成本的37%，是輪胎生產(chǎn)的主要原材料之一.簾子布有自己獨特的紋理結構，如簾子布經(jīng)紗線直徑為0.6～0.9mm，紗線間距為1.4～1.6mm；緯紗直徑大約為0.1mm，間距為10～12mm，布幅為1120～1 500mm，疵點面積比較大等［2］.相應地，其疵點類型也只有斷經(jīng)、漿斑、劈縫、經(jīng)線連續(xù)粘并等幾種［3］.

對于采用圖像處理方式來實現(xiàn)對簾子布疵點識別的系統(tǒng)來說，采集圖像質量的好壞直接決定了后期疵點的識別難度與精度.

1 成像平場的影響因素

1.1 光源對成像平場的影響

光源是機器視覺系統(tǒng)中的重要組成部分.為了使CCD相機獲得足夠的照度并且使照度分布均勻，設計照明系統(tǒng)時要考慮3個問題，即照明系統(tǒng)提供的光能量、光能量的利用率及光能量在像平面上的分布.

照明系統(tǒng)提供的光能量與光源的發(fā)光強度、光源的尺寸有關，當光源的發(fā)光強度一定時，光源的面積越大，照明系統(tǒng)提供的能量就越多.另外，考慮到高速型CCD線陣式攝像機的掃描速度通常在幾kHz，例如，我們在項目中使用的德國Basler公司的L304KC高速型CCD線陣式攝像機的最高線速掃描頻率為7.2kHz，為配合CCD線陣相機的高速掃描和得到穩(wěn)定、無閃爍圖像，光源的工作頻率必須高于CCD線陣相機的最高采樣速率.根據(jù)簾子布本身的特性及成像要求，我們選用的光源是線光源，即工作頻率為100 kHz的高頻熒光燈光源，長約2.4m（大于簾子布的寬度）.在熒光燈表面約1cm處，從左到右的照度都在2 000lx左右，保證了進入CCD相機的光能量在像平面上的均勻分布.

1.2 鏡頭對成像平場的影響

鏡頭的主要作用是將成像目標聚集在圖像傳感器的光敏面上.鏡頭一般由一組透鏡和光闌組成，在鏡頭中一般是把凹透鏡和凸透鏡配合使用，以校正像差和其他各類失真；在鏡頭中設置光闌以限制進入鏡頭的光束大小，光闌一般成圓形，其中心在透鏡的中心軸上.由鏡頭的結構可知，鏡頭對成像平場質量的影響因素主要來自鏡頭本身的構造誤差，如凹透鏡和凸透鏡配合誤差、光闌的中心定位不準及鏡頭邊緣的漸暈等.在滿足要求的情況下，盡量選擇視場角小的鏡頭，使鏡頭對成像平場的影響最小化.

1.3 CCD像素響應不均勻性對成像平場的影響

CCD圖像傳感器作為一種新型光電轉換器，集光電轉換、光積分、掃描3種功能為一體.其基本部分由MOS光敏元陣列和讀出移位寄存器組成.造成像素響應不均勻性的原因是多種多樣的，其中硅材料本身的質量以及CCD的生產(chǎn)工藝造成的不均勻性都是無法改變的，如溝道摻雜濃度不均勻、表面密度分布不均勻以及柵氧化物厚度不同，造成開啟電壓和感光單元有效面積不同，從而引起固定模式噪聲，表現(xiàn)為暗電流及光電響應的不均勻性［4－6］.

對于線陣CCD相機來說，當相機對理想的光照均勻的物體成像時，理論上所有的像素應該具有同樣的灰度，而實際上并非如此.以下因素決定了圖像的灰度非均勻性：①光源照明的非均勻性；②鏡頭邊緣的cos4θ效應減少了光通量傳輸，造成邊緣圖像的光照度遠低于中心圖像照度；③傳感器的像素光電響應非一致性；④固定模式噪聲的影響［7－9］.

對于這些因素的影響，陳迎娟等人提出了用像素光電響應不均勻性的校正系數(shù)計算校正量，并針對實際情況中干擾光的影響，提出了采用變波長去除干擾方法，對校正方法進行修正［4］；徐樹興等人根據(jù)光電響應模型提出了求解各個像素光電響應不均勻性的校正因子和暗偏置量系數(shù)，用以計算各個像素的校正量，并在FPGA上實現(xiàn)了快速校正算法［7］.

2 Basler線陣相機在實際應用中的解決辦法

簾子布圖像疵點采集系統(tǒng)結構如圖1所示.

圖1 簾子布圖像疵點采集系統(tǒng)結構圖

在本系統(tǒng)中，采用Basler L304KC線陣相機對高速移動的簾子布進行圖像采集，然后通過Camera Link接口送入Matrox圖像處理卡，在線計算機對圖像進行處理與決策.如果簾子布各種特征在正常范圍內，則不存貯信息；如果檢測出有疵點，則將疵點信息存儲到在線計算機上，傳給離線計算機進行進一步數(shù)據(jù)處理，完成疵點分類評價以及簾子布等級的自動評定.

對于L304KC線陣相機來說，當成像不均勻時，可以通過軟件對相機進行一系列的校正，以達到平場校正的效果.具體的校正方法如下［10］：

（1）校正 DSNU（Dark Signal Non－uniformity）：

①蓋住相機鏡頭，關閉光圈，以便相機拍的圖像全黑；

②相機開始曝光，拍圖；

③通知相機產(chǎn)生校正DSNU值（通過CCT＋）；

④曝光完畢后，相機通過計算產(chǎn)生校正DSNU值（如圖2所示）.

圖2 產(chǎn)生DSNU值

（2）校正 PRNU（Photo Response Non－uniformity）：

①在相機的視野中放一個均勻白的目標，調節(jié)相機到正常的工作狀態(tài)；

②拍圖，觀察像素值，每一行中最亮像素的像素值應該達到最大值的90%～95%（如果達不到，通過調光源和光圈達到；如果還未達到，再調增益）；

③拍圖，每一行最暗的像素值必須大于等于最亮像素值的50%（如果小于50%，將不能充分校正）；

④通知相機產(chǎn)生校正PRNU值（通過CCT＋，方法同DSNU）；

⑤曝光完畢后，相機通過計算產(chǎn)生校正PRNU值（如圖3所示）.

圖3 產(chǎn)生PRNU值

3 校正效果

校正效果如圖4－圖7所示.其中圖4和圖6所示的簾子布圖像中兩邊的亮暗分界是簾子布的邊沿.

圖4 校正前的簾子布圖像

4 結 語

從圖像校正前后對比看，校正前的簾子布邊緣的灰度值只有10左右，而中間的灰度值最高在200以上，灰度分布圖基本呈拋物線形狀；校正后的簾子布圖像灰度分布呈一窄帶，灰度值在50～160之間，它之所以呈窄帶形狀分布，是因為簾子布的結構所致.通過校正，使得成像灰度分布非常均勻，為簾子布的疵點識別提供了質量較好的圖像，減小了疵點識別的難度.

［1］ 潘清江.浸膠簾子布膠斑的產(chǎn)生原因及解決辦法［J］.中國橡膠，2009，25（14）：35－37.

［2］ GB／T 9102－2002，錦綸66簾子布國家標準［S］.

［3］ 趙強松.錦綸簾子布疵點檢測方法研究［D］.鄭州：中原工學院，2006.

［4］ 陳迎娟，張之江，張智強.CCD 像素響應不均勻性的校正方法［J］.光學精密工程，2004，12（2）：216－219.

［5］ 孟然，于德敏，王永強，等.黑白CCD相機平場影響因素分析及校正方法研究［J］.天津科技大學學報，2006，21（4）：68－70，74.

［6］ 程萬勝，趙杰，蔡鶴皋.CCD像素響應非均勻的校正方法［J］.光學精密工程，2006，16（2）：314－318.

［7］ 徐樹興，王寶光，鄭義忠.線陣CCD平場校正及FPGA實現(xiàn)的研究［J］.宇航計測技術，2007，27（6）：24－37.

［8］ 張之江，鄒賓，陳迎娟.CCD亞像素細分中的像素響應不均勻性補償技術［J］.傳感技術學報，2005，18（1）：57－62.

［9］ 嚴軍，陳迎娟.基于光電響應模型的CCD像素響應不均勻性校正方法［J］.宇航計測技術，2004，24（6）：20－25.

［10］ 北京微視凌志圖像技術有限公司.Basler L304KC User’s Manual［DB／OL］.（2008－09－02）.http：／／www.mvlz.com／download.php？id＝1133.

Study on Cord Fabrics Image Grayscale Non－uniformity Factor and Correction Method

ZHANG Wu－yi，GENG Shi－yong
（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

In order to solve the problem of gray non－uniformity in grab cord fabrics with linear camera，the structure character of cord fabrics and the system of cord fabrics image grab with linear camera are introduced briefly，and the factors of gray non－uniformity such as light，lens，photosensitive element are analyzed，through selecting proper light，lens and flat field correction of linear camera，experimental results show that these methods make uniformity of image grayscale is very good，and so reduce the difficulty of inspecting defects.

flat field；cord fabrics；defect；correction

TP391

A

10.3969／j.issn.1671－6906.2010.05.007

1671－6906（2010）05－0026－04

2010－10－10

河南省科技攻關項目（0721002210032）

張五一（1955－），男，河南洛陽人，教授.