基于視覺(jué)技術(shù)的LED車燈質(zhì)量檢測(cè)方法的研究

1、1、引言隨著 CIMS的推廣應(yīng)用，企業(yè)在向柔性化、自動(dòng)化發(fā)展的進(jìn)程中，提出了對(duì)計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量 (CAQ)系統(tǒng)的需求。隨著柔性制造系統(tǒng) (FMS)的推廣，人們對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的智能化、柔性、快速性等方面提出了更高的要求，以適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)的需要。由于計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，且易于同設(shè)計(jì)信息及加工控制信息集成，用于工況監(jiān)視、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控的計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)已廣泛地應(yīng)用在工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)視覺(jué)作為一種檢測(cè)手段已經(jīng)越來(lái)越引起人們的重視，逐步形成一種新的檢測(cè)技術(shù)計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)(Automated Visual Inspection，AVI)技術(shù)。計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)是一種以計(jì)算機(jī)視覺(jué)方法為基礎(chǔ)，

2、綜合運(yùn)用圖像處理、精密測(cè)量以及模式識(shí)別、人工智能等技術(shù)的非接觸檢測(cè)方法。其基本原理是對(duì)由計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)得到的被測(cè)目標(biāo)圖像進(jìn)行分析，從而得到所需要的測(cè)量信息，并根據(jù)已有的先驗(yàn)知識(shí)，判斷被測(cè)目標(biāo)是否符合規(guī)范 (即合格或不合格 )。隨著國(guó)內(nèi)外汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)車燈的要求越來(lái)越高，新型車燈設(shè)計(jì)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。新型、智能化的LED車燈就是國(guó)際上汽車電子化中最耀眼的產(chǎn)品之一。在汽車照明系統(tǒng)中，后燈總成是行車安全的關(guān)鍵部件。燈光組件的制造和安裝都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在出廠之前經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的調(diào)校以保證燈光符合標(biāo)準(zhǔn)。車燈總成是一個(gè)組合照明部件，在目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的技術(shù)條件下，LED后燈總成的質(zhì)量?jī)H進(jìn)行照明性能的

3、單項(xiàng)檢測(cè)，而且是采用人工目測(cè)的方法，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。車燈總成的質(zhì)量檢驗(yàn)實(shí)際上還應(yīng)包括光源功率和零件裝配質(zhì)量的檢測(cè)。將計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)引入LED車燈總成的質(zhì)量檢測(cè)中，用圖像處理方法來(lái)檢測(cè)LED車燈的照明性能，綜合車燈總成的光源功率和零件裝配質(zhì)量等檢測(cè)，通過(guò)設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)的車燈進(jìn)行質(zhì)量綜合檢測(cè)，具有高度的柔性化、智能化。2、系統(tǒng)方案確定系統(tǒng)采用先進(jìn)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)及虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)有效的圖像采集系統(tǒng)，在獲取LED后燈照明圖像的基礎(chǔ)上，研究并運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)實(shí)時(shí)獲取車燈的照明質(zhì)量，并判斷LED照明的失效及其區(qū)域，實(shí)現(xiàn)LED 燈功率及光強(qiáng)參數(shù)的在線動(dòng)態(tài)檢測(cè)。系統(tǒng)能夠通過(guò)屏幕

4、設(shè)置或軟件調(diào)整等完成各種型號(hào)車燈的自動(dòng)檢測(cè)。LED后燈總成的照明性能的。系統(tǒng)原理圖如下：3、圖像處理方法的研究與運(yùn)用 3.1 LED燈特征分析LED車燈使用若干發(fā)光二極管作為汽車燈具發(fā)光元件，代替目前普通使用的鹵素?zé)襞?，采用了專業(yè)配光設(shè)計(jì)以滿足汽車燈具配光性能要求。汽車廠商青睞LED車燈，看中LED相比白熾燈有以下幾個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：一是使用壽命長(zhǎng)，采用恒流電源電路技術(shù)以保證LED管的使用壽命和發(fā)光穩(wěn)定性， 壽命達(dá)1O萬(wàn)小時(shí)，是普通白熾燈最高壽命5000JJ時(shí)的2O倍。，二是無(wú)須熱啟動(dòng)時(shí)間，亮燈響應(yīng)速度快（(僅為1.4ns而普通白熾燈為0.4s)，適用于移動(dòng)速度快的物體使用。三是光線質(zhì)量高，基本上

5、無(wú)輻射，屬于“綠色”光源。四是LED的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，內(nèi)部支架結(jié)構(gòu)，四周用透明的環(huán)氧樹(shù)脂密封，抗震性能好。五是適用電壓在6-12伏特之間，完全可以應(yīng)用在汽車上。六是LED占用體積小，設(shè)計(jì)者可以隨意變換燈具模式，使汽車造型多樣化。LED車燈在出廠前根據(jù)以上特征要檢測(cè)以下幾個(gè)內(nèi)容：一是LED的光強(qiáng)參數(shù)。目前國(guó)內(nèi)LED車燈可以調(diào)節(jié)LED的亮度，車燈出廠前需要對(duì)不同亮度測(cè)量光強(qiáng)參數(shù)。二是LED列陣的區(qū)域失效。LED后燈有一LED列陣組成，每個(gè)LED的功率比較小，出廠前需檢測(cè)LED列陣中是否有缺損的LED燈。三是LED陣列光強(qiáng)均勻性。檢測(cè)每個(gè)LED的光強(qiáng)參數(shù)是否相近。根據(jù)以上特點(diǎn)，我們應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)，搭建了合理

6、的視覺(jué)系統(tǒng)，采用成熟的圖像技術(shù)對(duì)LED車燈攝入圖像進(jìn)行分析處理，檢測(cè)每個(gè)LED的光強(qiáng)參數(shù)，檢測(cè)LED陣列的光強(qiáng)均勻性，克服LED功率較小很難用電流方式測(cè)出缺損的劣勢(shì)，穩(wěn)定測(cè)出LED燈的區(qū)域失效。3.2 視覺(jué)子系統(tǒng)的搭建LED車燈可以看作使一LED的陣列，用圖像處理的方法檢測(cè)LED陣列的光強(qiáng)參數(shù)及光強(qiáng)均勻性首先要獲取高質(zhì)量的車燈LED陣列圖，這樣可幫助系統(tǒng)減少圖像處理的復(fù)雜度，增加系統(tǒng)的檢測(cè)效率。在現(xiàn)場(chǎng)我們發(fā)現(xiàn)，陣列圖像的清晰程度跟陣列面與攝像頭的入攝面的角度有很大關(guān)系，因此設(shè)計(jì)了一個(gè)三維可調(diào)攝像頭裝置，尋找最佳圖像的攝像頭安裝角度，以保證獲取最佳的LED陣列圖像，減少后續(xù)圖像處理的難度，提高系

7、統(tǒng)檢測(cè)效率。此視覺(jué)系統(tǒng)選配了一個(gè)高分辨率，曝光程序可調(diào)的數(shù)字?jǐn)z像頭。之所以選擇攝像頭的曝光時(shí)間程序可調(diào)是因?yàn)樵贚ED車燈的其中一項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)是測(cè)試陣列在不同點(diǎn)亮條件下的光強(qiáng)均勻性及陣列實(shí)效性。如果選取固定的曝光，在不同光亮下可能會(huì)出現(xiàn)條件一圖像飽和，條件二正常，或者說(shuō)條件一正常，條件二非常暗的情況。在程序中能改變曝光時(shí)間，能使圖像便于處理，減小誤判率。3.3 模式匹配粗定位從結(jié)構(gòu)上分析，LED后燈的照明由若干個(gè)區(qū)域組成，質(zhì)量檢驗(yàn)主要是分別檢測(cè)各區(qū)域的照明是否存在失效。由于LED車燈放置在固定的車燈夾具里，基本位置不變，對(duì)攝入LED攝入圖像進(jìn)行分析，用模板制作和圖像匹配的方法對(duì)LED進(jìn)行粗定位。圖

8、像匹配可以定義為兩幅圖像在位置空間和灰度的配準(zhǔn)。定義I1， I2為兩個(gè)二維數(shù)組，其中 I1(x,y)和I2(x,y)分別表示對(duì)應(yīng)空間位置的灰度值，此時(shí)可以把兩幅圖像的配準(zhǔn)表示成如下表達(dá)式：因此，圖像匹配問(wèn)題便轉(zhuǎn)化為尋找最優(yōu)的空間和灰度變換，使得在圖像噪聲存在的情況下，可以進(jìn)行正確的圖像配準(zhǔn)。一般情況下，不需要灰度變換，除非在一些特殊情形下。尋找空間或者幾何變換是解決匹配問(wèn)題的關(guān)鍵，這種變換通常用如下的兩個(gè)單值函數(shù)表示如果這些幾何變換可以表示成若干獨(dú)立的函數(shù)，例如可以用兩個(gè)一維的變換函數(shù)來(lái)表示這個(gè)二維的空間變換，這樣可以節(jié)省存儲(chǔ)空間并且提高計(jì)算效率，具體來(lái)說(shuō)， 對(duì)應(yīng)所有的x， 對(duì)應(yīng)所有的y。以上

9、是圖像匹配的一般定義，模板匹配作為圖像匹配的一類重要方法，它主要通過(guò)待匹配圖像和模板之間的相似性度量來(lái)確定它們的相對(duì)位置。模板匹配根據(jù)所使用的匹配特征可以大致分為兩類：(1) 直接利用圖像灰度信息進(jìn)行匹配，例如規(guī)一化互相關(guān)匹配，統(tǒng)計(jì)相關(guān)匹配、平均絕對(duì)差匹配；頻率域的頻域相關(guān)，包括相位相關(guān)和功率譜相關(guān)；圖像不變矩匹配；(2) 利用圖像特征進(jìn)行匹配，例如點(diǎn)集匹配技術(shù)使用明顯的角點(diǎn)或者邊緣點(diǎn)進(jìn)行匹配；這種方法的關(guān)鍵是找到圖像中易于識(shí)別的特征點(diǎn)，基于該特征空間的相似性度量來(lái)確定模板在待檢測(cè)圖像中的位置。根據(jù)LED車燈LED列陣的特點(diǎn)，選擇灰度互相關(guān)匹配、最小距離匹配及矩匹配進(jìn)行組合，系統(tǒng)在保證穩(wěn)定性和

10、實(shí)時(shí)性的前提下，經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，確定具體的檢測(cè)方法，得到LED列陣的粗定位。3.4 LED陣列的顆粒統(tǒng)計(jì)方法為了能正確判斷LED陣列的失效區(qū)，我們可以把一個(gè)個(gè)正確安裝的LED燈看作是一個(gè)顆粒，通過(guò)確定顆粒形狀及數(shù)量來(lái)判斷LED陣列的失效區(qū)。首先可以對(duì)LED陣列圖像先進(jìn)行二值化處理，得到LED圖像的二值化圖像。選取正確可靠的閾值對(duì)于后續(xù)對(duì)二值化圖像的處理很重要。若采用固定閾值選取法，受攝入圖像光強(qiáng)不穩(wěn)定性的影響較大，即使波動(dòng)比較微小，這種影響利用固定閾值法是無(wú)法克服的，從而影響測(cè)量的精度。為此，在此系統(tǒng)的圖像處理中采用閾值的自適應(yīng)選取法，根據(jù)環(huán)境光的變化利用圖像整體像素灰度值均值動(dòng)態(tài)確定最佳閾值k

11、。其計(jì)算公式如下：其中K即為所要求的閾值，i為灰度值，h(i)為圖像中灰度值是i的像素?cái)?shù)。然后引入圖像的形態(tài)學(xué)方法對(duì)二值化圖進(jìn)行處理。最基本的形態(tài)學(xué)方法是膨脹和腐蝕處理。形態(tài)學(xué)方法即用一二維的結(jié)構(gòu)元素在原圖上作像素的卷積運(yùn)算，只不過(guò)這里像素的灰度值只有0或1。膨脹運(yùn)算是指做元素的或運(yùn)算，即給定一元素P0，根據(jù)結(jié)構(gòu)元素，對(duì)P0周圍的像素Pi與結(jié)構(gòu)元素中相應(yīng)的像素做或運(yùn)算，若OR（Pi）=1，則P0新值為1，否則為0。腐蝕運(yùn)算則是指作元素的與運(yùn)算，即給定一元素P0，根據(jù)結(jié)構(gòu)元素，對(duì)P0周圍的像素Pi與結(jié)構(gòu)元素中相應(yīng)的像素做與運(yùn)算，若AND（Pi）=1，則P0新值為1，否則為0。雖然經(jīng)過(guò)自適應(yīng)取閾值

12、，但二值化后的圖像中依然存在很多分散的無(wú)用顆粒，影響LED陣列的提取。于是就可以采用膨脹和腐蝕相結(jié)合的處理方法，用腐蝕的方法去掉分散在圖中的微小噪聲顆粒，同時(shí)用膨脹的方法填補(bǔ)顆粒間的微小空隙，保持大顆粒的完整性。用多種方法處理后，提取大顆粒的有用信息作為判斷LED陣列失效區(qū)的依據(jù)。如圖所示：圖2 正常的LED陳列處理圖示圖3 有失效區(qū)的LED陳列處理圖示通過(guò)一系列的圖像處理方法處理后，可以通過(guò)分析定位區(qū)間內(nèi)的顆粒大小來(lái)判斷該區(qū)域內(nèi)的LED燈是否失效，從圖3看，在圖示區(qū)域內(nèi)明顯缺少大顆粒，說(shuō)明該LED具有失效區(qū)。4、總結(jié)系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)引入到LED車燈檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)圖像粗定位及LED灰度顆粒統(tǒng)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)LED車燈車燈照明性能、光源功率檢測(cè)的靈活性和柔性化，是一套先進(jìn)的零件檢測(cè)設(shè)備。通過(guò)對(duì)攝像系統(tǒng)的調(diào)整及對(duì)軟件參數(shù)的設(shè)置該系統(tǒng)還可以對(duì)不同型號(hào)LED車燈產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，