胡文龍，戴曙光

(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

日行燈(Daytime Running Light，DRL)是近年來興起的一種信號燈具。一般安裝在汽車前大燈中，其功效是為了使車輛在白天行駛時(shí)更容易被識別。據(jù)統(tǒng)計(jì)，開啟日行燈可降低12.4%的車輛意外，以及降低26.45%的車禍死亡率。最初的生產(chǎn)線由人眼去識別日行燈的顏色異常和亮度異常，長時(shí)間的工作會對眼睛造成較大傷害，且也會造成良品率的下降。根據(jù)這一需求，設(shè)計(jì)一種自動測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由兩個(gè)部分構(gòu)成，一是拍攝一張標(biāo)準(zhǔn)日行燈圖片作為模板，二是將需要測試的日行燈與之進(jìn)行比較。前一部分主要完成窗口數(shù)量和位置的確定，以及窗口部分顏色特性的分析，并將這些參數(shù)保存下來。后一部分在實(shí)際測試中，在模板圖片中模板窗口位置范圍內(nèi)尋找測試窗口、提取測試窗口顏色并與標(biāo)準(zhǔn)模板窗口顏色進(jìn)行比較、顯示測試結(jié)果和保存結(jié)果。本系統(tǒng)由工業(yè)數(shù)字彩色攝像機(jī)采集圖像，圖像分辨率為680×480，在保證了圖像質(zhì)量的同時(shí)也提高了系統(tǒng)的測試速度，系統(tǒng)能同時(shí)對多達(dá)15個(gè)測試窗口進(jìn)行分析。整個(gè)測試流程耗費(fèi)的時(shí)間不到 6 s，且準(zhǔn)確度和重復(fù)性好［1－2］。

1 原理與組成

1.1 測試原理

LabVIEW是美國NI公司推出的一種基于圖形化編程的軟件開發(fā)工具，也是當(dāng)今國際上唯一的編譯型圖形化編程語言，是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件［3］。本系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)主要基于NI LabVIEW的機(jī)器視覺模塊以及圖像處理技術(shù)。系統(tǒng)通過攝像機(jī)采集車燈日行燈標(biāo)準(zhǔn)樣燈圖像作模板，以多窗口的方式將待測試的區(qū)域細(xì)分，對每一個(gè)窗口單獨(dú)測量得出色度和明度數(shù)據(jù)，以RGB模型3個(gè)分量所占的比例來表示所提取窗口模板的顏色組成，即以R、G、B各分量所占的比重來表示顏色偏向。用HSL模型中的明度分量L表示亮度。以模板所得的亮度值以及R、G、B各分量比例在各自允許公差下組成合格模板。然后保存到配置文件，供實(shí)時(shí)檢測使用。

1.2 系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)

如圖1所示系統(tǒng)主要由4部分組成［4－5］:(1)圖像采集，由攝像機(jī)對點(diǎn)亮的日行燈進(jìn)行圖像采集。這里要注意攝像頭光圈和焦距的調(diào)節(jié)以及白平衡的校準(zhǔn)。所采集的圖像必須是處于亮度不飽和且顏色不失真的狀態(tài)，以最接近日行燈真實(shí)狀況。(2)模板制作，以標(biāo)準(zhǔn)日行燈樣件的圖像作模板確定窗口的數(shù)目和位置信息，并對每個(gè)窗口進(jìn)行分析，提取出R、G、B、L的信息，并設(shè)置各個(gè)分量的可允許公差，組成測試模板。(3)圖像實(shí)時(shí)處理，在對被測試產(chǎn)品所采集的圖像上，根據(jù)測試模板上的窗口位置信息確定所有待測試窗口位置，并逐一分析窗口得出R、G、B、L分量數(shù)據(jù)，各分量數(shù)據(jù)與測試模板相匹配，判斷合格與否。(4)結(jié)果，對結(jié)果進(jìn)行顯示和保存。

圖1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)圖

2 LabVIEW的編程實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)主要基于LabVIEW中的機(jī)器視覺模塊，機(jī)器視覺模塊可提供大量的有關(guān)于圖像處理的函數(shù)使用，且可提供良好的人機(jī)交互界面，對于快速開發(fā)測量系統(tǒng)較為方便。

2.1 前面板設(shè)計(jì)

前面板給測試提供一個(gè)友好的界面，如圖2所示，系統(tǒng)面板包括圖像顯示控件，燈控制模塊、窗口選擇模塊、標(biāo)準(zhǔn)范圍模塊和攝像頭設(shè)置模塊。燈控制部分可控制燈的開關(guān)狀態(tài)。窗口選擇部分可定義窗口的顏色、激活狀態(tài)、名稱，通過截取窗口按鈕可在圖片中定義所選定窗口的大小，通過選擇Active選擇項(xiàng)可激活窗口以將該窗口添加到測試中去，否則該窗口將不被檢測。標(biāo)準(zhǔn)范圍模塊用來制作模板，定義公差和測試數(shù)據(jù)顯示。若測試合格則指示燈為綠色，結(jié)果中不顯示數(shù)據(jù)。若測試不合格，則指示燈為紅色，結(jié)果以紅色字體顯示不合格的數(shù)據(jù)指標(biāo)。攝像頭設(shè)置模塊可以設(shè)置攝像頭的參數(shù)，以保證拍到的圖像效果最佳。最后還可對測試的結(jié)果導(dǎo)出Excel文件進(jìn)行分析［6］。

圖2 系統(tǒng)前面板

2.2 窗口模板的提取

模板的提取對整個(gè)測試結(jié)果有決定性作用。所有的測試判斷均基于對標(biāo)準(zhǔn)日行燈樣燈提取的模板數(shù)據(jù)來進(jìn)行。日行燈一般呈條狀光斑出現(xiàn)，由一根光導(dǎo)或多顆LED燈珠組成。為了對整個(gè)條狀光斑進(jìn)行測試，系統(tǒng)以多窗口的方式將整條光斑細(xì)分，每個(gè)窗口獨(dú)立成一個(gè)模板。對每個(gè)窗口進(jìn)行測試則可完成對整條光斑的測試。LabVIEW中IMAQ WindGetROI.vi可在一幅圖像中任意的劃定范圍作為感興趣的區(qū)域，且返回所選區(qū)域的像素坐標(biāo)。本系統(tǒng)以矩形來提取模板作為窗口模板。

如圖3所示，程序的主要功能是選取感興趣的區(qū)域后，雙擊鼠標(biāo)左鍵，系統(tǒng)如果檢測到鼠標(biāo)有“Double click event”(鼠標(biāo)雙擊事件)發(fā)生，則退出模板采集界面，并記錄下窗口的坐標(biāo)信息ROI。在此，提取的窗口信息在制作模板時(shí)被保存為所采集窗口模板的信息，在后續(xù)的測試中還直接作為測試區(qū)域來對待測日行燈圖像進(jìn)行測試。

圖3 窗口提取程序圖

2.3 窗口模板分析

如圖4所示，本程序模塊的主要功能是對前面提取的窗口進(jìn)行分析，提取出窗口的RGB信息及明度信息。

圖4 窗口分析程序圖

本功能主要由兩個(gè)vi實(shí)現(xiàn)，分別為IMAQExtract.vi和 IMAQ ExtractColorPlanes.vi。IMAQ Extract.vi的主要功能是在一幅圖像中根據(jù)給定的范圍來截取圖像。這里以窗口模板中提取的窗口信息ROI作為圖像截取區(qū)域。所提取的圖像區(qū)域作為待測試窗口供給后面的程序模塊進(jìn)行分析。IMAQ ExtractColorPlanes.vi主要功能是對所給定的圖像進(jìn)行分析，并可選定色彩模型，包括RGB，HSL，HSV和HIS，針對特定的色彩模型作特定的特性分析。本系統(tǒng)主要對RGB和HSL兩個(gè)色彩模型作分析。RGB模型用于分析圖像的三基色成分比例，HSL用來分析圖像的明度信息。然后經(jīng)過直方圖分析以均值的形式得出各指標(biāo)具體數(shù)據(jù)。并將具體的數(shù)據(jù)和各自的公差組成合格模板保存到配置文件供給待測日行燈測試使用。在實(shí)時(shí)檢測時(shí)，從該模塊得出待測窗口的數(shù)據(jù)，并與合格模板做比較，得出測試結(jié)果［7－8］。

2.4 窗口圖像處理

首先通過讀取之前保存的日行燈標(biāo)準(zhǔn)樣燈窗口模板信息得出ROI，即如圖5所示的homops_hl，homops_vl，homops_hh，homops_vl所組成的矩形區(qū)域。并將這4個(gè)坐標(biāo)組建成數(shù)組的形式傳送到RGB－LED.vi中去，該VI根據(jù)數(shù)組表示的矩形區(qū)域截取窗口圖像，對測試窗口進(jìn)行定位。然后對窗口圖像進(jìn)行色度和明度的分析，得出R、G、B三分量的值和明度值，并與合格模板對比，判定合格與否。并將測試結(jié)果傳送到vi外。程序利用for循環(huán)的特性，對所有定義并激活的窗口進(jìn)行分析，若某一窗口出現(xiàn)亮度或色度不合格，RGB－LED.vi會傳遞一個(gè)布爾量F給條件結(jié)構(gòu)，當(dāng)條件結(jié)構(gòu)接收到布爾量F時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部程序便對窗口測試結(jié)果進(jìn)行分析，是色度不合格還是明度不合格，并記錄窗口的編號。以便將報(bào)錯信息傳送到結(jié)果中顯示。若RGB－LED.vi并未傳送出布爾量F，則表示所有窗口的所有待測指標(biāo)均合格，整個(gè)測試合格。

圖5 圖像實(shí)時(shí)處理程序圖

3 系統(tǒng)準(zhǔn)確度和重復(fù)性分析

3.1 系統(tǒng)準(zhǔn)確度分析

系統(tǒng)采用RGB三分量所占比例的方式來表示顏色的偏向［9］，因此對不同顏色的圖片，R、G、B 三分量所占比例是不同的。圖6為5張數(shù)字?jǐn)z像機(jī)拍攝的車燈DRL圖像。其中4張顏色異常圖像，DRL顏色分別偏紅、偏綠、偏藍(lán)、偏黃以及1張標(biāo)準(zhǔn)車燈DRL圖像。

圖6 色度異常圖像和色度正常圖像

表1為從5張圖像測得的色度和明度數(shù)據(jù)。選定一個(gè)窗口，對5張圖像中的同一個(gè)窗口做色度和明度的分析，得出數(shù)據(jù)。由數(shù)據(jù)可知系統(tǒng)的準(zhǔn)確度比較高。偏紅圖像的R分量所占比例高達(dá)41.4%，偏綠的G分量為38%，偏藍(lán)的B分量為44.33。對于正常圖像，R、G、B三分量則較為接近［10］。明度與圖像的最多顏色成分和最少的顏色成分的總量有關(guān)。明度越小，圖像越趨于黑色。亮度越高圖像越趨于明亮的白色。表1中明度分量L的變化也符合色彩差異帶來的色彩明度變化。

表1 異常圖像和標(biāo)準(zhǔn)圖像各指標(biāo)數(shù)據(jù)對比

3.2 系統(tǒng)重復(fù)性分析

這里對顏色正常DRL圖像的同一窗口作反復(fù)測試，測試次數(shù)為10次，表2為測試所得的數(shù)據(jù)。由數(shù)據(jù)可得各分量方差VAR(R)=0.0008944;VAR(G)=0.0003211;VAR(B)=0.0003211;VAR(L)=0.0005333。各指標(biāo)方差都達(dá)到萬分位精度，可見數(shù)據(jù)的波動性微小，系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)值較為穩(wěn)定，且系統(tǒng)的重復(fù)性較好。

表2 單窗口重復(fù)測試10次數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

系統(tǒng)充分利用了計(jì)算機(jī)視覺與圖像處理技術(shù)在工業(yè)檢測上的優(yōu)點(diǎn)，LabVIEW可視化編程語言提供了可利用的機(jī)器視覺模塊，使計(jì)算機(jī)視覺與圖像處理技術(shù)結(jié)合在一起，并能提供一個(gè)智能的人工交互界面，相比傳統(tǒng)的人眼檢測方法有明顯的優(yōu)勢:(1)測試效率高。(2)準(zhǔn)確率高，穩(wěn)定性好。(3)連續(xù)工作時(shí)間長，節(jié)約人工成本。通過對系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確度分析和重復(fù)性分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性［11－12］。隨著日行燈的普及使用，相信該系統(tǒng)的使用價(jià)值將越來越大。

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