机器视觉技术与应用实战-键盘色度与亮度检测应用案例

色度与亮度测量的原理14.4色度与亮度测量的原理光来自于光源，光源特性用光谱（功率）分布来描述。光源的辐射能按波长分布的规律随着光源的不同变化而变化，单位波长对应的辐射量称为光谱密度，光源的光谱密度与波长之间的关系称作光谱分析函数（spectraldistributionfunction），一般简称光谱。光谱的辐射量可以是光通量、强度、亮度、辐照度或照度等中的一种，这些概率属于光度学的内容。色度学主要关心的是光谱分布的相对值而不是绝对值，将光谱分布函数的最大值取为1，将函数的其他值进行归化处理后得到的光谱分布函数称为相对光谱分布。14.4.1色度与亮度测量的基本概念辐射度学起源于物理学上物体热辐射特性的研究，对电磁辐射能量进行客观计量的学科称辐射度学。在可见光波段内，考虑到人眼的主管因素后的相应计量学科称为光度学。下面是色度学研究中经常使用到光度学中的一些概念。(1)光通量：表示光源表面的客观辐通量对人眼引起的视觉强度，它等于辐射通量与视见函数的乘积。光通量和辐射通量具有相同的量纲，在国际单位制中，辐射通量的单位为瓦（W），而光通量的单位为流明（Im）。(2)光强：是发光强度的简称，表征光源在一定方向范围内发出的光通量的空间分布的物理量，它可用点光源在单位立体角中发出的光通量的数值来量度。单位：坎德拉（cd）。14.4.1色度与亮度测量的基本概念(3)光亮度（Luminance）：表示发光面明亮程度。在数值上等于光源的单位面积向法线方向单位立体角发射出去的光通量。单位：坎德拉/平方米（cd/m²），也称作尼特（nt）。对于一个漫散射面，尽管各个方向的光强和光通量不同，但各个方向的亮度都是相等的。电视机的荧光屏就是近似于这样的漫散射面，所以从各个方向上观看图像，都有相同的亮度感。为了对亮度有数值上的具体概念，下表给出了一些实际光源的光亮度的大概数值。反射光物体光通量/sb反射光物体光通量/sb与人眼最小灵敏度相对应的物体满月的表面阳光照射下的洁净雪面钨丝白炽灯地面上看到的太阳10-100.253500~1500150000五月的夜空煤油灯焰乙炔焰超高压球状汞灯在地球大气层外所看到的太阳10-31.58120000190000（1sb=104cd/m²）14.4.1色度与亮度测量的基本概念（4）照度（illuminance）：是指光源照射到物体单位面积上的光通量。单位：勒克斯（Ix），1Ix=1流明/平方（Im/m²）。下表给出了一些实际情况下的光照度值。另一个与照度具有相同量纲的量是辐照度，辐照度是指落在受照物体单位面积上的辐射功率。单位：瓦/平方米（W/m²）。光谱辐照度是光谱辐射计量中最基本的参数，是研究各个辐射源及光电探测器特性的重要依据。实际光照度Im/m²无月夜天光在地面上所产生的照度接近天顶的满月在地面所产生的照度办公室工作时所必须的照度晴朗的夏日在采光良好的室内的照度夏日太阳不直接照射到露天地面的照度3×10-40.220~100100~5001000~1000014.5键盘色度与亮度检测应用案例应用案例背景：对于带有显示装置的电子产品来说，颜色及亮度测量是必不可少的。不论是带背光的键盘、还是LED显示墙、又或者是玩具、按键输入设备（Keypad）、甚至是OLED显示器等等，亮度的均匀性，颜色一致性，对用户体验的影响非常大。传统检测是采用色度计（colorimeter）来测量颜色度（chromaticity），有些色度计还可以测量亮度（luminance），这些都是自成一体的。实际应用时需要跟基于视觉和图像技术的外观检测技术集成到一起，难免需要进行软件编程，因为两者是割裂的，各自自成一体。14.5.1主要用途质量控制，检测某某键盘的颜色和亮度一致性，保证出产品质；键与键之间，单键内部颜色和亮度一致性检测；同时检测按键字符，确保装配质量；检测按键外观，如划痕、印刷瑕疵，漏光等等；测量结果输出给控制器，用于色度及亮度补偿。14.5.1技术指标绝对亮度输出范围:from0.05CD/m2~3000CD/m2；色度输出格式:x/ybasedonCIE1931x/ychromaticitydiagram；每次采集和分析周期小于1秒，从触发开始到结果输出；光谱范围:380-780nm；亮度测量精度:<1%；色度测量精度:<+/-0.002；亮度重复性:±0.5%above1cd/m²；色度重复性:(x,y)±0.0005；系统内标定，调试和参数配置界面；提供API函数和文档。14.5.3项目的总体方案1、光谱分析仪的选用跟“传统”广义智能相机一样，图像获取设备是外接的，数字工业相机根据其接口形式的不同，通过GigE/USB3.0等硬件接口接入视觉处理盒子。颜色及亮度测量同样需要数据采集装置，本项目采用便携式光谱分析仪，提供包含颜色度和亮度信息的测量数据。技术成熟，成本不高，有大量可供选择的产品（off—the—shelf）。做光谱仪的公司往往比较关注在产品本身，对垂直细分市场介入度不高，与提供智能相机的视觉公司具有良好的互补性。可以OEM，按照我们的要求进行定制。一般生产厂家都提供二次开发包SDK，便于将光谱仪作为一个零件设计嵌入到智能相机中。光谱仪硬件的选择可以根据应用需求的不同，选取不同档次的产品。拿OceanOptics的产品线举例，我们可以选用不同价格范围的产品。QRPro：精度最高，长期重复性较好。Maya：适中，性价比优良。USB：价格最低，精度及稳定性可以接受。光谱仪提供了单点颜色和亮度测量的基准，即标准测量值，对于大面积显示器件的检测还需要配置工业数字相机。数字相机提供不同显示基础单元（像素）颜色和亮度的相对值，根据光谱仪提供的标准值，相关处理后可以得到每个像素的测量值。基于CIE1931标准色度系统，与计算机颜色系统RGB之间存在一定的转换关系，颜色和亮度测量软件工具实现两者之间的变换，并结合光谱仪给出的标准值，对每个像素的色度及亮度测量值进行标定。最后得出工业相机视野范围内各像素对于区域的色度亮度测量值。整个软件工具挂在龙睿智能相机软件主体框架上，与其他工具一起，完成对LED显示器等应用对象的测检测。14.5.3项目的总体方案2.整体系统结构整体系统架构图，由于处理速度的关系，相机需要三个。系统构架图中，分光色度计：主要负责采集键盘的绝对亮色度值；三个黑白工业相机：采集键盘上每一个灯点的亮色度；控制PC：主要负责调度分光色度计、相机、以及数据分析，龙睿智能相机就在控制PC上运行。14.5.3项目的总体方案整体系统架构2.整体系统结构

色度计测量键盘的中心区域的灯点，结合相机测量的数据进行计算每一个键盘上的灯点的亮色度值,如图14.37。

项目采用分光型色度计，它是通过光栅（类似与棱镜）将接收到的光线按照不同波长进行分离，同时由一系列的线阵处理器探测到并处理。通过光栅分光技术，分光型色度计可以拿到入射光的完整光谱；拿到完整的光谱后，会将光谱与CIE曲线进行积分，得到X,Y,Z三色值。14.5.3项目的总体方案色度计测量键盘2.整体系统结构

该计算过程如下图14.38与图14.39所示：14.5.3项目的总体方案计算过程图图

计算过程图CS2000技术规格表14.5.3项目的总体方案波长范围380~780nm波长分辨军0.9nm/pixel昱示波长宽度1.0nm波长精度±0.3nm(校准波长:435.8nm,546.1nm,643.8nm,Hg-Cd灯〉光谱波宽5nm以下（半波宽）测量角度（可选）1°0.2°0.1°蒯重亮度范困（标准光源A)0.0005~5,000cd/m20.0125~125,000cd/m20.05~500,000cd/m2最小测量区域φ5mm(当使用近摄镜头时为mm)φ1mm〈当使用近摄镜头时为φ0.2mm)φ0.5mm(当使用近摄镜头时为φ0.1mm)最小测量距离350mm(当使用近摂潢头时为55mm)最小光谱辐射昱示1.0x10-9W/sr,m2,nm精度：亮度（标准光源A)*1±2%精度：亮度（标准光源A)*1x:±0.0015(0.05cd/m2以上）

y:±0.001(0.05cd/m2以上）

x,y:±0.002(0.001~0.05cd/m2)x:±0.0015(1.25cd/m2以上）

y:±0.001(1.25cd/m2以上）

x,y:±0.002(0.025~1.25cd/m2)x:±0.0015(5cd/m2以上〉

y:±0.001(5cd/m2以上）

x.y:±0.002(0.1~5cd/m2)精度：色度〈标准光源A)*1X：±0.0015(0.05cd/m2以上〉

y：±0.001(0.05cd/m2以上）

x,y:±0.002(0.001~0.05cd/m2)X：±0.0015(1.25cd/m2以上）

y:±0.001(1.25cd/m2以上）

x,y:±0.002(0.025~1.25cd/m2)x:±0.0015(5cd/m2

以上）

y:±0.001(5cd/m2以上）

x,y:±0.002(0.1~5cd/m2)重复性：亮度（2σ）（标准光源A）*20.15%(0.05cd/m2以上）

0.25%(0.003~0.05Cd/m2)

0.7%(0.001~0.003cd/m2)

1.5%(0.0005~0.001cd/m2)0.15%(1.25cd/2以上）

0.25%(0.075~1.25cd/m2)

0.7%(0.025~0.075cd/m2)

1.5%(0.0125~0.025cd/m2)0.15%(5cd/m2以上）

0.25%(0.3~5cd/m2)

0.7%(0.1~0.3cd/m2)

1.5%(0.05~0.1cd/m2)重复性：色度（2σ）(标准光源A）*2x,y:0.0004(0.2cd/m2以上）

x,y:0.0006(0.1~0.2cd/m2)

x:0.001y:0.0015(0.003~0.1cd/m2)

x:0.003y:0.0035(0.001~0.003cd/m2)x,y:0.0004(5cd/m2以上）

x.y:0.0006(2.5~5cd/m2)

x:0.001y:0.0015(0.075~2.5cd/m2)

x:0.003y:0.0035(0.025~0.075cd/m2)x,y:0.0004(20cd/m2以上）

x,y:0.0006(10~20cd/m2)

x:0.001y:0.0015(0.3~10cd/m2)

x:0.003y:0.0035(0.1~0.3cd/m2)偏振误差1°：2%以下(400-780nm)；0.1°和0.2°:3%以下（400~780nm)积分时间快速:0.005~16秒；普通：0.005~120秒测量时间最小1秒（手动模式）至最大243秒（普通檟式）2.整体系统结构相机采集每个灯点的亮色度，结合色度计测量的绝对亮色度值，通过算法计算出每一个灯点的绝对亮色度值，并修正XYZ相机测量时的误差。下图为定制XYZ滤片可做到的三幅图中的XYZ分布：14.5.3项目的总体方案XYZ分布图2.整体系统结构

光谱透射率执行CIE1931-XYZ，数据传输方式为USB2.0，目前16位精度的相机精度已经很高了。为什么图1中理想的X有两个波峰，而我们实际定制的只有一个波峰。是由于若我们定制两个波峰的滤片，这个滤片厂家很难做的很好，我们可以通过Z滤片进行波峰进行一定的压缩可以压缩到第一幅图里X的理想波峰（数据处理），这样我们就可以拿到一个比较理想的X滤片的数据。下图为XYZ滤片对CIE曲线的匹配，由于滤片厂家也很难做到符合CIE标准的精准滤片，虽然和CIE标准有一点差异，但我们可以通过分光色度计采集的数据来弥补这个差异。14.5.3项目的总体方案2.