第六组设计中期报告论文

1、燕山大学MATLAB项目设计（论文）起酥油表面异物检测系统中期设计报告 姓 名： 学 号： 班 级： 专 业： 导 师： 选题时间：2014 年 月 日 目录一、项目设计进展情况.31、检测系统总体设计.3（1）、外触发系统设计.42、照明系统设计及相机.7（1）、照明系统的设计.7（2）、相机及镜头的选择.183、MATLAB图像处理.22（1）、 MATLAB简介.22（2)、 MATLAB图像处理的特点.23（3）、图像去噪概述（预处理模块）.24二、设计过程中遇到的问题和解决方法.24三、设计下一步工作安排.25四、成员的工作内容和贡献度.25 根据初期开题报告的研究方案，有条理的进行

2、了项目的开展与实施，现项目进展顺利，大致情况汇报如下：1、 项目设计进展情况1. 检测系统的总体设计 根据表面缺陷检测原理，在光源的照射下，表面质量合格的工件图像呈现灰度值较低的灰白色并且图像表面灰度值比较均匀且无突变，而存在表面缺陷的工件由于光线的漫反射呈现为较高的灰度值并且相对工件基体的灰度存在突变。根据这一现象可确定工件表面缺陷检测系统的检测方法为：根据 CCD 摄像头所拍摄的工件图像信息判别其是否存在表面缺陷。如图，检测系统中 LED照明光源对待测工件进行照明，CCD 摄像头对工件进行摄像，然后经图像数据采集卡输入计算机，过图像处理后分割出缺陷图像，然后对缺陷图像进行识别。 检测系统的

3、结构示意图1.1外触发系统设计 对射型光电开关（外触发） 由发射器和接收器组成，结构上是两者相互分离的，在光束被中断的情况下会产生一个开关信号变化。特征：辨别不透明的反光物体；有效距离大，因为光束跨越感应距离的时间仅一次；不易受干扰，可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中；装置的消耗高，两个单元都必须敷设电缆。 反射式光电开关的工作原理框图。图中，由振荡回路产生的调制脉冲经反射电路后，然后用数字积分光电开关或RC积分方式排除干扰，最后经延时（或不延时）触发驱动器输出光电开关控制信号。利用光学元件，在传播媒介中间使光束发生变化；利用光束来反射物体；使光束发射经过长距离后瞬间返回。光电开关是由

4、发射器、接收器和检测电路三部分组成。发射器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于发光二极管（LED）和激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。受脉冲调制的光束辐射强度在发射中经过多次选择，朝着目标不间接地运行。接收器有光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面的是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件。它由发光源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极

5、管等等。光电耦合器的种类较多，常见有光电二极管型、光电三极管型、光敏电阻型、光控晶闸管型、光电达林顿型、集成电路型等。工作原理在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现电一光一电的转换。本次设计，我们采用的是沪工光电开关（E3F-5DN1/E3F-5L）该开关属于对射型，响应时间1MS，检测距离5M，价格28元。2. 照明系统设计及相机 2.1照明系统的设计 一般来说，表面缺陷检测系统中照明系统的设计应该遵循以下原则： 1、对比度：对比度对照明系统来说非常重要。表面缺陷检测系统

6、中照明系统的最重要的任务就是使需要被观察的特征与需要被忽略的图像特征之间产生最大的对比度，从而易于特征的区分。对比度定义为在特征与其周围的区域之间有足够的灰度量区别。好的照明应该能够保证需要检测的特征突出于其他背景。 2、亮度：当选择光源的时候，一定要选择亮度适中的光源。当光源不够亮时，可能有三种不好的情况会出现。第一，光源的亮度不够，图像的对比度必然不够，在图像上出现噪声的可能性也随即增大；第二，光源的亮度不够，必然要加大光圈，从而减小了景深；第三，当光源的亮度不够的时候，自然光等随机光对系统的影响会最大。而当光源的亮度太大，超出 CCD 的正常工作范围，会使CCD 光敏面上的曝光量超过其饱

7、和曝光量，采集到的图像亮度失真，淹没所要检测的缺陷的信息。 3、均匀性：对于表面缺陷检测系统，光源的均与性是非常重要的指标。由于表面缺陷的类型很多，光源的方向性对不同类型缺陷检测结果影响的差别很大，所以设计不同方向上亮度均匀的照明光源，才可能检测出更多种类的缺陷。 4、鲁棒性：测试光源的优劣还要看光源是否对工件的位置敏感度最小。当工件放置在光源照明区域的不同位置或不同角度时，摄像头采集的图像应该不会发生太大的变化。方向性很强的光源，增大了对高亮区域的镜面反射发生的可能性，这不利于后面的特征提取。在很多情况下，好的光源需要在实际工作中与其在实验室中的有相同的效果。 尽管有关的硬件、软件、成像和摄

8、像机技术都有了长足的进步，但是在表面检测系统中，照明系统的设计依然是一个十分关键的环节，往往决定了系统的成败。好的照明系统会极大地突出被检测表面和背景之间的差异，改善系统成像的清晰度，从而简化了检测软件的运算，提高了对物体的测量精度。设计不当的照明系统则会引发许多问题：如过度曝光会丢失图像缺陷的重要细节、阴影会带来边缘的误检、不均匀的照明导致灰度信息的失真等。不同的表面检测系统的照明系统设计总是不一样的，这是因为影响照明方案的因素非常多。例如光的强度、颜色、均匀性、光源的结构、大小、照射方式以及被测物体的光学特性、距离、物体大小、背景特性等。本次项目设计关键也就在于光源的实际试验情况，需要大量

9、试验来得到一个比较理想的效果。2.2视觉中光源的特性参数 1. 光源的发光效率 2. 光源的光谱功率分布 （在选择光源的时候，为了最大限度地利用光能，应选择光谱功率分布的峰值波长与光电器件的灵敏波长相一致。） 3. 光源的颜色 4. 光源的空间光强分布 5. 光源的稳定性 6. 光源的寿命 光源是视觉检测系统中的一个重要部分，它的作用是为 CCD 摄像头提供照明，以便摄像头能够摄取到高质量的表面图像。其基本特性参数主要有： 1. 光源的发光效率 某一光源发出的光的波长范围为 12，光源在 12范围内所发出的光通量 V与产生该光通量所需要的功率 P 之比，称为该光源的发光效率，列出了各种常用光源

10、的发光效率，在视觉系统设计中，在光源的光谱分布满足要求的前提下，应尽可能选用发光效率较高的光源以节省能源。 2. 光源的光谱功率分布 不同光源在不同光谱上辐射出不同的功率，常用光谱功率分布来描述。常见的有四种典型的分布。图（a）为线状光谱，由若干条明显分隔的细线组成，如低压汞灯等；图（b）为带状光谱，由一些分开的谱带组成，每一谱带中又包含许多细谱线，如高压汞灯、高压钠灯等；图（c）为连续光谱，所有热辐射光源的光谱都是连续光谱；图（d）是混合光谱，由连续光谱与线、带谱混合而成，如荧光灯。在选择光源的时候，为了最大限度地利用光能，应选择光谱功率分布的峰值波长与光电器件的灵敏波长相一致；对于目视测量

11、，一般可以选用可见光谱辐射比较丰富的光源；对于目视瞄准，为了减轻人眼的疲劳，宜选用绿光光源；对于彩色摄像则应该采用白炽灯、卤素灯作光源。同样对于紫外和红外测量，也宜选用相应的紫外灯（氙灯、紫外汞灯）和红外灯。3. 视觉检测中常用光源视觉检测系统中常用的光源主要有荧光灯、卤素灯、气体放电灯、LED 灯、激光光源等，如图所示。 视觉检测中常用光源的特性3. LED 光源的特性在电场的作用下使半导体的电子与空穴复合而发光的器件称为半导体发光器件，又称为注入式场致发光光源，通常称为 LED（Light Emiting Diode）。由于制作的材料不同 LED 可发出不同波长的光，LED 又以其低电压高

12、光效能，使用寿命长，控制方式简单，绿色环保无污染，冷光源，完全符合国际安全标准等优点，已经成功应用于光源的制作领域。LED 光源即由多个 LED 以某一特定形状进行排列，综合对被测物进行照明。 （1）、LED 光源的主要优点在于： 1.体积小、重量轻，便于集成，可做成各种形状； 2.工作电压低，发热小、耗电低，驱动简便，容易用计算机控制； 3.比普通光源单色性好； 4.响应速度快，发光效率高，亮度便于调整； 5.发光稳定，寿命长。 （2）、LED光源的照射方式控制和调节照射到物体上的入射光的方向是视觉系统照明设计的基础。它取决于光源的类型和相对于物体放置的位置。一般来说有两种最基本的方式：直射

13、光和散射光，如图所示。直射光是指入射光基本上来自一个方向，射角小，它能投射出被照射物体的阴影，会有光点；散射光是指入射光来自多个方向，甚至所有方向，它不会投射出明显的阴影，光斑均匀。 （3）、照明技术对视觉检测的影响 1.不同颜色对照明的影响上图为不同颜色的瓶盖在不同颜色的光源照明下得到的图像，从图片中可以看出，用白光采集出来的图片，瓶盖上的图案都能完整的保留下来；用红光采集的图片中丢失了红色的信息。因此得出结论： 在被测物颜色比较复杂的情况下，如果要保证所有颜色都不丢失，则应该选择白色光源。2 .光源强度对图像的影响 3. 照明角度对图像的影响因此，充分考虑照明技术对视觉检测系统的影响，设计

14、出适合检测系统的照明系统，可以给视觉检测带来很好的效果，减小了后续图像处理算法的难度，提高了检测成功率。 （4）、缺陷检测中照明技术的研究 通过试验可知，以低角度为被检测物体提供 360 度无反光照明,适用被检测物体的边缘检测和表面光滑物体的异物检测，低角度照明光源可以清晰显现缺陷，尤其对于微小的缺陷检测成功率比较高。 综上所述，当选择好的照明方式时，可以给缺陷检测带来好的效果，减小了后续图像处理算法的难度，提高了检测精度。因此，本实验我们最后设计了低角度照明的 LED 均匀散射光源。本次设计，我们采用的是汉德森长条形光源板，功率8W16W24W,长度520MM，芯片：进口5730。组合光源：

15、300元。2.3相机及镜头的选择 （1）、工业镜头的参数1.分辨率(Resolution)：又称鉴别率、解像力，指镜头清晰分辨被摄景物纤维细节的能力，制约工业镜头分辨率的原因是光的衍射现象，即衍射光斑(爱里斑)。分辨率的单位是“线对/毫米“ (lp/mm)。2. 明锐度(Acutance)：也称对比度，是指图像中最亮和最暗的部分的对比度。3.景深(DOF)：在景物空间中，位于调焦物平面前后一定距离内的景物，还能够结成相对清晰的影像。上述位于调焦物平面前后的能结成相对清晰影像的景物间之纵深距离，也就是能在实际像平面上获得相对清晰影像的景物空间深度范围，称为景深。4.最大相对孔径与光圈系数：相对孔

16、径，是指该工业镜头的入射光孔直径(用D表示)与焦距(用f表示)之比，即：相对孔径=D/ f 。相对孔径的倒数称为光圈系数(aperture scale)，又称为f/制光圈系数或光孔号码。一般镜头的相对孔径是可以调节的，其最大相对孔径或光圈系数往往标示在工业镜头上，如1:1.2或f/1.2 。如果拍摄现场的光线较暗或曝光时间很短，则需要尽量选择最大相对孔径较大的工业镜头。 （2）、工业镜头各参数间的相互影响关系一支好的工业镜头，在分辨率、明锐度、景深等方面都有很好的体现，对各种像差的校正也比较好，但同时其价格也会几倍甚至上百倍的提高。如果我们掌握一些规律和经验，就可以使用同档次的工业镜头达到更好

17、的效果。1.焦距大小的影响情况 焦距越小，景深越大; 焦距越小，畸变越大; 焦距越小，渐晕现象越严重，使像差边缘的照度降低;2.光圈大小的影响情况 光圈越大，图像亮度越高; 光圈越大，景深越小; 光圈越大，分辨率越高;3.像场中央与边缘 一般像场中心较边缘分辨率高 一般像场中心较边缘光场照度高4. 光波长度的影响 （3）、工业相机镜头选型1. 选择镜头接口和最大CCD尺寸镜头接口只要可以跟相机接口匹配安装或可通过外加转换口安装就可以，镜头可支持最大尺寸应该大于等于选配相机CCD芯片尺寸。2. 选择镜头焦距如上图所示，在已知相机CCD尺寸，工作距离（WD）和视野（FOV）的情况下，可以计算出所需

18、镜头的焦距（f）。3. 镜头焦距（f）的计算分析：WD 物距 工作距离(Work Distance，WD)。  FOV 视场 视野(Field of View，FOV)f=h*WD/Hf=w*WD/Wf-焦距 h：图象高度（被摄物体在ccd靶面上成像高度）视场（摄取场景）高度w：图象宽度（被摄物体在ccd靶面上成像高度）视场（摄取场景）宽度H：被摄物体的高度 W：被摄物体的宽度根据具体情况：工作距离大约1.2m被测面积长宽都约为500mmCCD靶面规格尺寸：规格 1/3 w 4.8mm h 3.6mm规格 1/2 w 6.4mm h 4.8mm规格 2/3 w 8.8mm h 6.6

19、mm规格 1 w 12.7mm h 9.6mm用最大CCD尺寸为1/2 6.4mm4.8mm焦距f=6.4*1500/500=19.2mmf=4.8*1500/500=14.4mm因为焦距越小，视场越大；所以可以选用焦距为12mm综上所述本次设计我们采用：日本原装COMPUTAR百万像素工业镜头工业镜头，C口，12MM原装COMPUTAR，M3Z1228C-MP。价格：3500元。3. MATLAB图像处理3.1 MATLAB简介MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。 是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交

20、互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。3.2 MATLAB图像处理的特点第一，MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多。第二，友好的工作平台和编程环境。MATLAB由一系列

21、工具组成。这些工具方便用户使用MATLAB的函数和文件，其中许多工具采用的是图形用户界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、历史命令窗口、编辑器和调试器、路径搜索和用于用户浏览帮助、工作空间、文件的浏览器。 第三，简单易用的程序语言。Matlab一个高级的距阵/阵列语言，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出和面向对象编程特点。用户可以在命令窗口中将输入语句与执行命令同步，也可以先编写好一个较大的复杂的应用程序(M文件)后再一起运行。 第四，强大的科学计算机数据处理能力。MATLAB是一个包含大量计算算法的集合。其拥有600多个工程中要用到的数学运算函数，可以方便的实现用户所需的各种计算功能。 第五，出色的图形处理功能，MATLAB自产生之日起就具有方便的数据可视化功能，以将向量和距阵用图形表现出来，并且可以对图形进行标注和打印。高层次的作图包括二维和三维的可视化、图象处理、动画和表达式作图。可用于科学计算和工程绘图。 第六，应用广泛的模块集合工具箱，MATLAB对许多专门的领域都开发了功能强大的模块集和工具箱。一般来说，他们都是由特定领域的专家开发的，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不