三通道PWM的數(shù)控調(diào)光調(diào)色方法

駱偉岸,王 晗,陳新度,曾耀斌,李志勁,何銳國

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院,廣東 廣州 510006； 2.佛山市質(zhì)量計量監(jiān)督檢測中心,廣東 佛山 528000)

1 引 言

近十幾年來，LED的發(fā)展極大地推動了機器視覺光源的發(fā)展。由于其節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長的優(yōu)點和優(yōu)勢[1]，綠色照明理念開始萌芽和發(fā)展，到今天已經(jīng)深入人心，21世紀(jì)將進入以LED為代表的新型照明光源時代，被稱為第四代新光源[2]。

隨著勞動力成本的上升，工業(yè)自動化程度逐年提高，機器視覺在其中發(fā)揮了巨大作用，其應(yīng)用從最初的零件識別、尺寸檢測，發(fā)展到深度提取,再到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等[3-6]，其影響力還在逐步提升。

光源是影響視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和至少30%的應(yīng)用效果,它直接影響后續(xù)處理過程的復(fù)雜程度、整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性[7]。但目前針對機器視覺的光源仍存在一些問題，同一類型的光源針對不同顏色的待測特征需要不同的光照顏色來凸顯，如電路板檢測，檢測焊錫和檢測色環(huán)電阻需要不同顏色的光照來提高對比度，檢測不同顏色的電器元件也需要特定顏色的光照顏色來提高圖像對比度[8]。在不同的工作時間下也需要不同的照度，白天和晚上環(huán)境光對視覺的影響不同，也可能導(dǎo)致檢測系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

大多數(shù)光源在視覺系統(tǒng)工作時一直保持照明，導(dǎo)致光源工作時間較長、發(fā)熱嚴重、浪費能源。在實際應(yīng)用中，工業(yè)相機拍照只需要在特定時間有恰當(dāng)?shù)墓庹占纯?。因此，研究一個顏色可調(diào)、自適應(yīng)照度并且能數(shù)字控制的光源具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

2 系統(tǒng)設(shè)計原理

2.1 調(diào)光原理

根據(jù)色度學(xué)原理，如圖1，在CIE國際照明委員會提出的色品圖上，兩種顏色相加產(chǎn)生的第三種顏色總是在這兩種顏色相連接的線段上。

圖1 x-y色品圖Fig.1 Chromaticity diagram from CIE,1931

其中R、G、B分別表示紅光、綠光和藍光，紅光和藍光混合可以得到第三種顏色M，根據(jù)格拉斯曼混色原理[9]可知，M在R、B連線上的具體位置將由R和B的混合比例決定。同理可再利用M與綠光混合出RGB三角形內(nèi)的目標(biāo)色，所以三角形RGB內(nèi)所包含的顏色都可以通過控制R、G、B的不同比例混合實現(xiàn)，利用三通道PWM調(diào)光實現(xiàn)調(diào)色的目的。

2.2 照明控制設(shè)計

為設(shè)計出一種穩(wěn)定、并且完全數(shù)字控制的光源，本文采用PC機輸出信號給單片機、最終控制輸出電流占空比的方法，即PWM調(diào)光。PWM調(diào)光原理主要是通過改變流經(jīng)LED燈的電流信號的占空比(導(dǎo)通時長/總時長)，從而改變LED燈的亮度?？刂葡到y(tǒng)原理圖如圖2所示，MFC軟件通過RS232串口發(fā)送信號給atmega2560單片機，用來改變PWM占空比，接著把輸出信號發(fā)送給濾波和放大電路，最終給光源LED。其中濾波方法采用RC低通濾波電路，低通濾波電路主要濾除高頻干擾信號，只讓低頻信號輸出。此時輸出的低頻信號未達到LED半導(dǎo)體的擊穿電流，所以需要放大電路提高電流才能驅(qū)動LED發(fā)光，最后輸出信號達到LED擊穿電壓，二極管發(fā)光。

圖2 照明控制原理圖Fig.2 General lighting control schematic diagram

該方法主要包括MFC交互界面以及控制、驅(qū)動電路。

2.2.1 MFC交互界面

以MFC數(shù)字控制界面為核心，結(jié)合微軟的Visual Studio編程實現(xiàn)實時顏色、光強控制，并且可以根據(jù)相機拍攝觸發(fā)光源開關(guān)，或者根據(jù)時間條件改變光強，實現(xiàn)觸發(fā)式控制以及自適應(yīng)。其控制界面主要如圖3所示，主要包括打開、關(guān)閉串口和4個滑塊。成功實現(xiàn)串口通信后，通過改變滑塊來調(diào)整紅、綠、藍 3種顏色的PWM，可調(diào)節(jié)0～255整數(shù)輸出。通過PWM輸出，可組合成多種混光模型。

圖3 MFC控制界面Fig.3 MFC control interface

2.2.2 控制電路

紅、綠、藍LED分別單獨接一路電路，改變單路PWM即可改變該路LED的光強。其中，MFC通過RS232串口與單片機實現(xiàn)通信，單片機獲取信號后，通過PWM技術(shù)輸出給放大電路。取一路濾波、放大電路如圖4所示，單片機輸出引腳先接限流電阻R1，輸出信號再接入三極管基極，三極管集電極連接RC濾波電路，而后接入場效應(yīng)管柵極，其余兩路與該路同理。

圖4 濾波和放大電路圖Fig.4 Filter and magnify circuit diagram

具體地，R4為選用LED光源自帶的內(nèi)置電阻；RC電路電阻選取2 000 Ω，電容選擇0.1 μF，理論限制頻率為796.2 Hz；三極管型號選取9013-NPN；半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管選擇N溝道增強型MOSFET，型號為IRFP054。MFC與單片機串口通信方式是使用開源庫上的CSerialport類，參數(shù)設(shè)置為：波特率9 600、8個數(shù)據(jù)位、1個停止位、無奇偶校驗。

2.3 調(diào)光模型構(gòu)建

2.3.1 混光比例常數(shù)

王紀(jì)永等[10]提出了兩通道PWM調(diào)光調(diào)色，主要應(yīng)用于白光LED的色溫及其照度調(diào)整，實現(xiàn)自然光的模擬；楊宗陽等[11]使用橙、綠、藍三基色LED燈作為背光燈,有效地改善了由于溫度變化帶來的背光源亮度、色溫變化與色坐標(biāo)漂移；宋鵬程等[12]實現(xiàn)了手動PWM單色光可調(diào)從而達到混光效果。但是在機器視覺應(yīng)用中，確定了照明顏色后，照度可調(diào)在現(xiàn)場調(diào)試中是必經(jīng)的一步，尤其是有些受光照影響明顯的機器視覺系統(tǒng)。所以本文提出一種基于紅色、綠色、藍色三通道混色后照度可調(diào)的數(shù)學(xué)模型?；诠?1)：

Ipr∶Ipg∶Ipb=Cr∶Cg∶Cb，

(1)

其中Cr、Cg、Cb為比例常數(shù)，Ipr、Ipg、Ipb為圖3對應(yīng)的紅、綠、藍滑塊輸入等級0～255，只要紅綠藍三通道輸入等級數(shù)值比為常數(shù)，光顏色就不會發(fā)生改變，所以只要確保其比例一致，再整體數(shù)值放大或縮小，即可實現(xiàn)在特定光顏色下照度可調(diào)。

2.3.2 混色模塊

調(diào)光模型包括顏色混合模塊和照度可調(diào)模塊，其中顏色混合模塊簡稱混色模塊，將紅、綠、藍三色光分別單獨控制，以紅光為例，紅光占空比為0～255可調(diào)，總共256級 ，255代表最亮，0代表最暗，根據(jù)Ipr、Ipg、Ipb3種顏色占空比來實現(xiàn)顏色混合。

2.3.3 照度調(diào)整模塊

照度可調(diào)模塊主要用來實現(xiàn)光源照度調(diào)整，主要輸出PWM強度計算流程如圖5所示。其中In為圖3的光強值，Ipi可以分別表示Ipr、Ipg、Ipb，而Fr、Fg、Fb分別代表紅、綠、藍 3色，根據(jù)式(2)計算獲取它們的值后，以其是否大于0，對所有可能存在的情況進行分類討論。

Fi=In-(255-Ipi)，

(2)

式中Ipi分別代表為Ipr、Ipg、Ipb，對應(yīng)計算出Fr、Fg、Fb。

圖5 輸出PWM強度計算流程圖Fig.5 Flow chart of output PWM intensity

Or、Og、Ob為最終輸出給LED光源的輸出PWM信號。從計算機編程的角度出發(fā)，式(2)作差得到Fi后，根據(jù)其是否大于0來進行分類討論，R、G、B每種情況分別有兩種，2的三次方等于8，所以輸出結(jié)果有8種。

(1)當(dāng)Fr>0、Fg>0且Fb>0時，只要保證公式(1)的比例，光顏色就保持不變，推導(dǎo)出Or、Og、Ob的計算公式如下：

Or=Fr，

(3)

推導(dǎo)思路如下：隨意假定一個輸出Oi等于一個大于0的Fi(小于等于0就沒有輸出了)，公式(3)采用的是假定讓Or=Fr，為滿足輸出等級等比例，參考式(1)，即Ipr∶Ipg=Cr∶Cg=Or∶Og，能推導(dǎo)出下式：

(4)

同理可求出：

(5)

根據(jù)該思路即可推導(dǎo)出式(6)～(12)。

(2)當(dāng)Fr>0、Fg≤0且Fb≤0時，同理可得Or、Og、Ob的計算公式：

Or=Fr，

Og=Ob=0.

(6)

(3)當(dāng)Fr>0、Fg>0且Fb≤0時，Or、Og、Ob的計算公式如下：

Or=Fr，

Ob=0.

(7)

(4)當(dāng)Fr>0、Fg≤0且Fb>0時，Or、Og、Ob的計算公式如下：

Or=Fr，

Og=0，

(8)

(5)當(dāng)Fr≤0、Fg>0且Fb>0時，Or、Og、Ob的計算公式如下：

Or=0，

Og=Fg，

(9)

(6)當(dāng)Fr≤0、Fg≤0且Fb≤0時，Or、Og、Ob的計算公式如下：

Or=Og=Ob=0.

(10)

(7)當(dāng)Fr≤0、Fg>0且Fb≤0時，Or、Og、Ob的計算公式如下：

Or=Ob=0，

Og=Fg.

(11)

(8)當(dāng)Fr≤0、Fg≤0且Fb>0時，Or、Og、Ob的計算公式如下：

Or=Og=0，

Ob=Fb.

(12)

確定照度比例后，需要計算輸出的照度與實際光強的關(guān)系。因為本文是通過調(diào)節(jié)光強大小來實現(xiàn)照度改變的，所以建立初始光強輸入等級Ip與光強百分比N%的關(guān)系，計算原理如式(11)所示：

Or+Og+Ob=(Ipr+Ipg+Ipb)×N%.

(13)

2.3.4 局限性分析

實際應(yīng)用中光強In有一定的局限性，In取值必須大于式(2)中的Fi的最小值，否則混合的顏色會發(fā)生改變，即在調(diào)整照度的時候，顏色由于某個通道發(fā)光的消失而發(fā)生改變。所以提出一個極限限定公式,防止該情況的發(fā)生。

F(min)=255-min(Ipr,Ipg,Ipb),

(14)

其中,min(Ipr,Ipg,Ipb)為Ipr、Ipg、Ipb非0的最小值，F(xiàn)(min)為式(2)中Fi的最小值。

3 實驗測試與分析

3.1 照度與單通道占空比關(guān)系

實驗光源采用12 V、5050RGB滴膠防水LED軟燈條制作而成的碗型光源，如圖6所示，左側(cè)白色的為碗型漫反射外殼，右側(cè)紅圈為LED光源。測量位置選取固定位置、固定距離于碗型光源半球面中心處，用FLUKE-941照度儀測量碗型外殼漫射光的照度。

為驗證上述數(shù)學(xué)模型的可行性，實驗設(shè)定為測試單通道占空比與照度的關(guān)系，任意設(shè)置RGB占空比為0∶211∶0(綠色)，實驗以測量最高強度百分比(100%)為基準(zhǔn)，按百分比來計算后續(xù)調(diào)整光強級數(shù)后的理論照度，代入式(2)，求得Fr>0，F(xiàn)g>0且Fb>0，所以代入式(3)可求得該比例下，In的強度與光強百分比N%關(guān)系,In為圖3的光強。

圖6 碗型光源Fig.6 Bowl-shaped light source

In=44+211×N%,

(15)

由于光強最強時，實驗測試值受外界環(huán)境光干擾最少，測量誤差最小，所以實驗取所測的最高照度為基準(zhǔn)，計算接下來不同百分比N%下強度In的值，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 單通道PWM測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of single channel PWM

3.2 照度與雙通道占空比的關(guān)系

該部分實驗設(shè)定為測試雙通道占空比與照度的關(guān)系，任意設(shè)置RGB占空比為255∶179∶0(淡黃色)，實驗同樣以測量最高強度百分比(100%)為基準(zhǔn)，按百分比來計算后續(xù)調(diào)整光強級數(shù)后的理論照度，代入公式(2)，求得Fr>0，F(xiàn)g>0且Fb>0，所以代入公式(3)可求得該比例下，In的強度與光強百分比N%的關(guān)系：

In=255×N%，

(16)

實驗結(jié)果如表2所示，PY代表顏色為淡黃色(Pale yellow)。

為了對數(shù)學(xué)模型局限性進行驗證，當(dāng)強度N%<30%后，淡黃色的光將變成紅光，即混光效果消失，這是由于式(14)的極限限制，所以混光失效。

表2 雙通道PWM測試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of binary channels PWM

3.3 照度與三通道占空比的關(guān)系

設(shè)置三通道RGB占空比為白光255∶255∶255，實驗以測量最高強度百分比(100%)為基準(zhǔn)，按百分比來計算后續(xù)調(diào)整光強級數(shù)后的理論照度，代入公式(2)、(3)可求得該比例下，In的強度與光強百分比N%的關(guān)系，如公式(17)所示：

In=255×N%，

(17)

實驗結(jié)果列于表3中。

其中，9檔白光效果圖如圖7所示。

再隨機設(shè)置三通道RGB占空比為153∶153∶255(紫藍光)，以測量最高強度百分比(100%)為基準(zhǔn)，按百分比來計算后續(xù)調(diào)整光強級數(shù)后的理論照度，代入式(2)、(3)可求得該比例下，In的強度與光強百分比N%的關(guān)系，如公式(18)所示：

In=102+153×N%,

(18)

實驗結(jié)果如表4所示。

圖7 9檔白光效果圖Fig.7 Picture of white light in different intensity

表3 三通道PWM測試數(shù)據(jù)Tab.3 Test data of three-channels PWM

表4 三通道PWM藍紫光測試數(shù)據(jù)Tab.4 Test data of violet lighting

3.4 結(jié)果分析

從上面的測試結(jié)果可以看出，實驗結(jié)果與理論計算有少許偏差，其中光強In必須取整，所以誤差主要來源于Ipi的舍入誤差和環(huán)境光干擾。從表2可以看出，當(dāng)強度N%<30%后，由于公式(14)的極限限制，In已經(jīng)小于F(min)，也是該數(shù)學(xué)模型的不足之處，但是初始混光光強盡可能選大一些，即可較大程度地避免上述限制。當(dāng)選好足夠大的PWM值時，如表3所示，即可實現(xiàn)大范圍的照度可調(diào)。

4 工業(yè)應(yīng)用

在高端訂制碗中，產(chǎn)家需要根據(jù)顧客的要求生產(chǎn)額外不同表面紋理或膠的碗，目前大多數(shù)紋理都是經(jīng)過手工畫上去再去燒結(jié)。手工畫對畫匠的要求比較高，而且畫匠工人成本也很高，所以簡單的要求可以用機器視覺加噴印代替，如圖8(a)所示。

圖8 碗底涂膠(a)和表鏈涂膠(b)應(yīng)用Fig.8 Application in bowl gluing(a) and watch gluing(b) of machine vision

在手表訂制中，廠家同樣要求在表鏈表面涂上一層膠，目前工廠也都是手工涂的，手工涂膠存在涂膠不均勻以及成本等問題，所以擬用機器視覺來噴印涂膠，如圖8(b)所示。

光源在上面兩個應(yīng)用中均采用觸發(fā)式，即在拍照的前一瞬間才打開光源，拍攝完成關(guān)閉光源。拍攝后進行圖像處理，把提取點發(fā)送給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)動作，到提取點噴頭開始點膠。碗底涂膠上使用偏藍的白光，表鏈涂膠上使用紅光，亮度也不一樣，顏色、亮度選取均為調(diào)試后的較佳結(jié)果。

5 結(jié) 論

本文通過照明控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，調(diào)光模型的構(gòu)建，提出了一種基于PWM的數(shù)字控制光源，并對該調(diào)光模型進行實驗測試。實驗結(jié)果表明，該方法在混光的同時可精確地實現(xiàn)較大范圍的照度可調(diào)，但還是存在一定的照度調(diào)整限制，后續(xù)還需要對數(shù)學(xué)模型進行研究。最后展示了該光源在碗底以及表鏈涂膠項目上的應(yīng)用，同時希望能有更廣泛的應(yīng)用。

[1] 吳金輝.LED光源在功能照明中的優(yōu)勢與應(yīng)用 [J].資源節(jié)約與環(huán)保,2013(6):38.

WU J H.Advantages and applications of LED lighting source [J].ResourcesEconom.Environm.Protect.,2013(6):38.(in Chinese)

[2] 李向陽.綠色節(jié)能目標(biāo)下的商業(yè)照明燈具應(yīng)用設(shè)計研究 [D].齊齊哈爾:齊齊哈爾大學(xué),2014.

LI X Y.ResearchonDesignofCommercialLightingLampsUnderEnergySavingTarget[D].Qiqihar:Qiqihar University,2014.(in Chinese)

[3] 顏發(fā)根,劉建群,陳新,等.機器視覺及其在制造業(yè)中的應(yīng)用 [J].機械制造，2004,42(11):28-30.

YAN F G,LIU J Q,CHEN X,etal..Machine vision and its application in manufacturing industry [J].Machinery,2004,42(11):28-30.(in Chinese)

[4] 李可宏,姜靈敏,龔永義.2維至3維圖像/視頻轉(zhuǎn)換的深度圖提取方法綜述 [J].中國圖象圖形學(xué)報,2014,19(10):1393-1406.

LI K H,JIANG L M,GONG Y Y.Depth map extraction methods in 2D-3D image/video conversion [J].J.ImageGraph.,2014,19(10):1393-1406.(in Chinese)

[5] TAN K Z,CHAI Y H,SONG W X,etal..Identification of diseases for soybean seeds by computer vision applying BP neural network [J].Int.J.Agricult.Biologic.Eng.,2014,7(3):43-50.

[6] KIM S D,KIM J H,LEE Y S,etal..Special section on deep learning in medical applications [J].IEEETrans.Med.Imaging,2015,34(8):1769.

[7] 孟然.基于機器視覺的工件特征識別與分類方法研究 [D].天津:天津科技大學(xué),2006.

MENG R.ResearchonFeatureRecognitionandClassificationMethodforWorkPieceBasedonMachineVision[D].Tianjin:Tianjin University of Science & Technology,2006.(in Chinese)

[8] 熊光潔,馬樹元,聶學(xué)俊,等.基于機器視覺的高密度電路板缺陷檢測系統(tǒng) [J].計算機測量與控制,2011,19(8):1824-1826.

XIONG G J,MA S Y,NIE X J,etal..Defects inspection system of HID PCB based on machine vision [J].Comput.Meas.Control,2011,19(8):1824-1826.(in Chinese)

[9] 蔡東京.OLED全彩顯示屏白平衡問題的研究 [D].武漢:華中科技大學(xué),2013.

CAI D J.AResearchonWhiteBalanceforFullColorAMOLED[D].Wuhan:Huazhong University of Science and Technology,2013.(in Chinese)

[10] 王紀(jì)永,王建平.基于兩通道PWM的LED調(diào)光調(diào)色方法 [J].光電工程,2012,39(7):132-136.

WANG J Y,WANG J P.A dimming method for LED based on two channels’ PWM [J].Opto-Electron.Eng.,2012,39(7):132-136.(in Chinese)

[11] 楊宗陽,劉波,章小兵,等.彩色LED背光源調(diào)頻調(diào)光與混色方法 [J].液晶與顯示,2015,30(5):872-876.

YANG Z Y,LIU B,ZHANG X B,etal..Colorful LED backlight FM & diming and color mixing method [J].Chin.J.Liq.Cryst.Disp.,2015,30(5):872-876.(in Chinese)

[12] 宋鵬程，文尚勝，尚俊，等.基于PWM的三基色LED的調(diào)光調(diào)色方法 [J].光學(xué)學(xué)報,2015,35(2):285-292.

SONG P C,WEN S S,SHANG J,etal..A dimming method for RGB LED based on three channels’ PWM [J].ActaOpt.Sinica,2015,35(2):285-292.(in Chinese)

駱偉岸(1992-)，男，廣東汕尾人，碩士研究生，2015年于廣東工業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事算法、數(shù)據(jù)研發(fā)等方面的研究。

E-mail:willian_lok@163.com