基于机器视觉的纸病诊断系统光源设计方案研究

汤伟 王锦韫，* 冯波，2

（1.陕西科技大学电气与控制工程学院，陕西西安，710021；2.陕西科技大学镐京学院，陕西西安，712046）

在纸张的生产制造过程中，受生产工艺、现场环境和工人操作技术不规范等因素影响，纸张表面容易出现孔洞、黑斑、裂缝、划痕、褶皱、蚊虫等缺陷，这些缺陷被称为外观纸病，俗称纸病。常见纸病如图1所示[2]。这些纸病会对纸张的正常使用造成干扰，对于一般纸张来说，会影响产品的整体美观，降低纸张的使用性能；对于特种用途纸品来说，可能会造成巨大的损失，因此纸病的在线诊断系统不可或缺。

图1 常见纸病示意图Fig.1 Schematic diagram of common paper defects

基于机器视觉的纸病诊断系统一般由4个主要的模块组成：光源模块、图像采集模块、纸病检测模块和数据分析模块。该系统的工作原理为：首先选择合适的光源对被检测纸张进行照射，由工业线阵相机采集数字图像信息并传输到FPGA的纸病检测模块中，纸病检测模块丢弃纸病的图像，并将有纸病的图像发送给计算机中的数据分析模块，数据分析模块再分割相应纸张图像，提取纸病区域的图像，识别并保存纸病的类型，分析产生纸病的原因，为改进生产工艺提供建议[1-3]。系统组成框图如图2所示[16-17]。

图2 纸病诊断系统组成框图Fig.2 Block diagram of paper disease diagnosis system

对于整个机器视觉系统来说，图像采集模块采集的图像质量至关重要，其中光源对图像采集的效果影响很大，光源的类型、照射方向、颜色、距离、形状等都会直接影响成像效果。光源系统的设计是一个十分困难的优化问题，国内外纸病诊断系统中光源优化的成果很少，现有光源系统易受外界环境干扰，系统采集到的图像鲁棒性较差[4]。

本课题以100 g/m2高档铜版原纸为例，设计基于机器视觉的纸病诊断系统的光源模块，从纸张的光学特性和光源的特性研究出发，分析二者的特点，并确定适用于当前系统的光源模块。

1 纸张光学特性

在基于机器视觉的应用系统中，纸张的光学特性对于选择合适光源颜色和合适的照射方式有较大的指导意义[5-6]。纸张的光学特性主要包含以下4方面。

（1）纸张白度，即纸张受到光反射后的全反射能力。在印刷的生产实践中，需要根据不同的目标群体选择白度的高低。

（2）纸张光泽度，即在纸张表面上的镜面反射能力与完全镜面反射能力之间的接近程度。不同的印刷品对光泽度有不同的要求，光泽度高会刺激眼睛，造成眼睛干涩肿胀等不适，导致阅读体验下降。

（3）纸张平滑度，即纸张表面的凹凸程度，也称为纸张粗糙度。当纸张的平滑度较高时，产生的漫反射不够均匀，在基于机器视觉的纸病诊断系统中，会被视为纸病进行处理。

（4）纸张透明度，即透射过纸张的光线总量与全部入射光线之间的比例。当前基于机器视觉的纸病诊断系统中，大多使用下光源对运动中的纸张进行拍摄，相机通过获取透射过纸张的光线生成图像。

纸张的光学特性会对基于机器视觉的纸病诊断系统的图像采集部分产生重要影响，基于机器视觉的纸病诊断系统在设计光学模块时，需要对待测纸张进行专门的光学特性分析，然后根据其光学特性设计合理的光源模块，为系统能采集合适的图像做好准备。

2 光源特性

光源可分为自然光源和人造光源。自然光源通常指自然界中能够发光的物质如太阳、恒星、萤火虫等；人造光源指人类利用科技制造、如火把、蜡烛和电灯等能够发光的物体。本课题涉及的光源主要是应用于机器视觉的图像采集模块的人造光源。针对每个系统的特点，设计与之相适应的光源模块，以实现图像采集的最佳效果[7]。

常见的光源有荧光灯、卤素灯、LED灯等。LED光源以其响应速度快、使用寿命长、形状自由度更高、发光效率高、发热量小等特点，常应用于基于机器视觉的纸病诊断系统中[8-10]。

2.1光源颜色

在基于机器视觉的纸病诊断系统中，因为可以接收到被检测纸张上反射到镜头的光线，工业线阵相机可以采集到被检测纸张所对应的图像，不同的光线射向同一颜色的物体时，可以实现多种不同的效果[11]。

本研究中基于机器视觉的纸病诊断系统采用工业线阵单色相机，获取图像颜色只有黑、灰、白。为提高待测纸张表面缺陷与背景的对比度，降低后期图像的处理难度[12-15]，可以选用特定颜色的光源来提高或者降低背景的亮度。图3为单色相机获取的互补色效果图。如图3所示，左图为自然光源照射时使用单色相机获取到的图像，右图为单红色光源照射时使用单色相机获取到的图像。

图3 单色相机获取的互补色效果图Fig.3 Complementary color rendering obtained by monochrome camera

2.2 光源的照射方式

在机器视觉中，依据相机、光源与被检测对象三者之间的相对位置关系，可以将光源的照射方式分为前面照射、背面照射、混合照射3种方式。

本研究中基于机器视觉的纸病诊断系统对纸张的脏点、孔洞、浆疙瘩、裂缝、断纸、划痕、印痕、褶皱等纸病进行诊断。为得到更好的照射效果，脏点、孔洞、浆疙瘩、裂缝、断纸5类纸病需要通过下光源得到比较明显的对比度，因此在下光源方面，建议选择穿透能力较好的红色线性光源照射；而划痕、印痕、褶皱3类纸病则主要存在于纸张的上表面，需要通过高角度光源进行照射，得到对比度明显的图像，因此上光源建议选择反射能力较强的蓝色高角度线性光源进行照射。基于机器视觉的纸病诊断系统需要选择混合光源的照射方式，如图4所示，才能采集到理想的图像效果。

图4 混合照射方式示意图Fig.4 Schematic diagram of mixed irradiation method

2.3 光源的通光量和曝光量

在基于机器视觉的纸病诊断系统中光通量特指LED光源的光通量，曝光量则是由曝光时间和通光面积来决定的。曝光量大，生成的图像会因亮度过高而发白，反应到单色相机上，则图像灰度值会变大[15]。

在基于机器视觉的纸病诊断系统中，图像采集模块使用的是工业线阵相机，采集频率可达数百kHz。假设相机在接收到的光通量为Φc时可以获取到合适灰度值的图像，则LED光源的光通量Φl、相机的采集频率f和镜头光圈F之间存在着一定的平衡关系。当需要变化采集频率f时，为保证相机采集到的图像灰度值不变，可以分成以下2种情况，以保证相机接收到的光通量为Φc不变化（假设光源发出的所有光线均能进入相机）。

（1）镜头光圈F不变，相机接收到的光通量Φc与LED光源的光通量Φl和相机采集频率f之间存在如式(1)所示的函数关系。

为保证获取到的图像灰度值不变，LED光源的光通量Φl需要随着相机的采集频率f的增大而增大。

（2）镜头光圈F=镜头焦距fc/镜头有效口径直径d，计算如式(2)所示。

在镜头焦距一定的情况下，镜头有效口径直径可取1.0、1.4、2.0、2.8、4.0、5.6、8.0、11.0、16.0、22.0、32.0、44.0、64.0，镜头光圈F随镜头有效口径直径d的变大而变小，光圈越大，进光量越多。理论上当焦距不变时，相临光圈的进光量存在着倍的关系。由此可以推导出，当LED光源的光通量Φl大小不变时，相机接收到的光通量Φc与相机的采集频率f、镜头光圈F之间存在如式（3）所示的函数关系。

当光源的光通量不变时，获取光通量的时间减少了，为保证成像效果，可以通过增大光圈的方式来弥补光通量的损失。由于光圈的取值范围有限，这种方案的可实施性受到较大约束。

3 光源模块的设计方案

通过上述分析，根据光源设计的基本思路，需要结合被诊断对象的光学特征和光源的物理特性设计合理的光源。本课题中被诊断对象为100 g/m2高档铜版原纸，其光学特征主要表现在以下3方面。

（1）白度高。可以反射全光谱系统的光线，光源颜色可根据铜版纸的其他特性进行选择。

（2）透明度低。需要选择穿透力比较强的光源才能透过纸张在相机上成像，所以下光源应该选用红色线性LED光源，此时相机接收到穿透过纸张的光线，生成灰度值较高的图像，而光线无法穿透出现脏点和浆疙瘩的位置，则生成灰度值较低的图像；孔洞、裂缝等纸病在下光源照射时没有阻挡，光线可以直接穿过纸张射向相机，生成灰度值更高的白色图像。

（3）光泽度和平滑度高。采用低角度照明会让大部分光线通过镜面反射而远离相机，导致相机采集到的图像灰度太低，从而不利于后期图像的分析。

因此，本课题最终选择反射能力较强的高角度蓝色线性LED光源对纸张进行照射。光源照射效果如图5所示。

图5 光源模块示意图Fig.5 Schematic diagram of light source module

采集黑斑、孔洞对比如图6所示，划痕、折痕如图7所示。由图6和图7可以看出，下光源采用穿透能力较强的红色线性光源，上光源采用反射能力较强的蓝色线性光源，提高了黑斑和孔洞的对比度，也提高了划痕、折痕等纸病的对比度，一定程度上提高了纸病的判定精度。

图6 黑斑和孔洞采集示意图Fig.6 Schematic diagram of black spot acquisition and hole acquisition

图7 划痕和褶皱采集示意图Fig.7 Schematic diagram of scratch acquisition and fold acquisition

本课题组在东莞市海视光电公司订制了LED线性光源TL-500×20-R和TL-500×20-B。二者均进口大功率灯珠，具有亮度高、发光均匀、面积成线状的特点。其中TL-500×20-R发射的光为红色，可照射长度0.5 m，宽度0.02 m，当光源与纸张的距离0.2 m时，可以实现照射在纸张上光照度的均匀性，作为下光源使用；TL-500×20-B发射的光为蓝色，可照射长度0.5 m，宽度0.02 m，当光源与纸张的距离0.4 m时，可以实现照射在纸张上光照度的均匀性，作为上光源使用。

光源方案设计前后采集到的无纸病图像对比如图8所示。由图8可知，本研究方案在对低速窄幅纸机进行图像采集时，系统采集到的正常纸张图像背景灰度均匀、目标对比度较高。

图8 光源方案设计前后图像对比图Fig.8 Comparison of images before and after light source scheme design

4 结 论

本课题针对纸张白度、光泽度、平滑度、透明度4种光学特性，结合光源分类、光源色彩、光源照射方式、光源的光通量和曝光量等物理特征，设计了适用于基于机器视觉的纸病诊断系统的光源结构方案。该方案采用上、下双光源的照射方式，依据光源颜色的特性，下光源采用穿透能力较强的红色线性光源，上光源采用反射能力较强的蓝色线性光源，双光源的照射可以明确区分黑斑和孔洞，也可以提高划痕、折痕等纸病的对比度，有利于实现更高精度的纸病判定效果。该方案设计的光源模块结合了纸张的光学特性和光源的特点，基本满足了低速窄幅实验平台的应用，采集到的图像可以实现背景灰度均匀、目标对比度明显的效果，可以满足后期图像分析的需要。