一種點(diǎn)陣面板顯示缺陷檢測(cè)方法

黃靜文　金晅宏

摘 要：設(shè)計(jì)了一種圖像缺陷檢測(cè)算法，該算法將標(biāo)準(zhǔn)顯示圖像作為模板，將待測(cè)面板圖像與模板圖像進(jìn)行比對(duì)，確定缺陷大小、位置。首先采用最小二乘法獲取屏幕邊界所在直線，用所得的4條直線作為角點(diǎn)，根據(jù)透視投影原理利用得到的4個(gè)角點(diǎn)進(jìn)行圖像幾何校正，將校正后的模板和待測(cè)圖像配準(zhǔn)，最后將校正后的圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理，突出缺陷后將其與模板進(jìn)行差模運(yùn)算獲取缺陷。其中，模板圖像為標(biāo)準(zhǔn)顯示圖像經(jīng)過與待測(cè)面板相同的校正、形態(tài)學(xué)處理后得到的圖像。經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)，這種方法適用于多種顯示模式，可以有效地檢測(cè)出面板的顯示缺陷。

關(guān)鍵詞：缺陷檢測(cè)；圖像校正；點(diǎn)陣面板；最小二乘法；VFD面板

DOI：10.11907/rjdk.171346

中圖分類號(hào)：TP317.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2017）009-0185-03

Abstract：An image defects detection algorithm is designed. The algorithm collected standarddisplay images as a template and then， compare the panel images with the template images to determine the defect size， location. At first， the least square method was used to detect straight lines in order to get the image boundary， then we used the four corners of the image to correct the image， ensure the basic alignment template and the image under test.At last ，we adjusted image morphology processing， highlighted the defect after comparing with the template for defects. The template image as a standard display images was processed as the panel under test after correcting and morphology processing. Experiments prove that this method is suitable for a variety of display mode and it can effectively detect the display detection.

Key Words：defects detection； image correction； lattice panel； the least square method； VFD panel

0 引言

VFD顯示屏即真空熒光顯示屏，具有發(fā)光亮度高、可靠性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、視角大等優(yōu)點(diǎn)[1]，因其可用低壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、易與集成電路配套等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于汽車、辦公自動(dòng)化設(shè)備、工業(yè)儀器儀表及家用電器等領(lǐng)域[2]。本文所研究的VFD點(diǎn)陣顯示屏的主要顯示缺陷為壞點(diǎn)缺陷，即存在顯示錯(cuò)誤的暗點(diǎn)或亮點(diǎn)。由于壞點(diǎn)較小，人工檢測(cè)效率低下且存在主觀判斷，準(zhǔn)確率低且沒有穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)。采用圖像處理技術(shù)能有效提高檢測(cè)效率，適應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的發(fā)展需要。在機(jī)器視覺檢測(cè)中常采用兩種方式，一種是采用特征提取方式，根據(jù)待測(cè)圖像的圖像特征來進(jìn)行檢測(cè)。這種方式對(duì)于不同顯示模式提取不同的特征值，檢測(cè)前要先確定好需要的特征，例如，可用直方圖特征、骨架特征等進(jìn)行檢測(cè)[3-4]。另一種方式是采用模板匹配，將模板圖像與待測(cè)圖像進(jìn)行圖像匹配，這種匹配方式通常是通過相關(guān)性等進(jìn)行匹配，適用于較大的缺陷[5-6]。

本文提出一種檢測(cè)方式，經(jīng)過圖像幾何校正，將待測(cè)圖像與模板圖像進(jìn)行位置、形狀上的配準(zhǔn)，隨后進(jìn)行差影法處理，得到大致的缺陷圖像，最后經(jīng)過形態(tài)學(xué)處理后得到缺陷圖像。此方法適用于多種顯示模式，同時(shí)也能達(dá)到較高的檢測(cè)精度，并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析，證明了其可行性。

1 VFD 顯示面板顯示模式及缺陷分析

對(duì) VFD 點(diǎn)陣面板進(jìn)行點(diǎn)亮操作，5種點(diǎn)亮模式分別為全亮、方格、U形、條紋、全暗。圖1為全部5種點(diǎn)亮模式下標(biāo)準(zhǔn)面板顯示的圖像。本文所檢測(cè)的缺陷為點(diǎn)陣面板的顯示缺陷，其主要可以分為兩類：一類為亮點(diǎn)缺陷，即本不應(yīng)點(diǎn)亮卻點(diǎn)亮的點(diǎn)；一類為暗點(diǎn)，即本應(yīng)點(diǎn)亮卻未點(diǎn)亮的點(diǎn)。規(guī)定直徑大于0.5mm的壞點(diǎn)為缺陷點(diǎn)，實(shí)際試驗(yàn)中，采集的圖像每個(gè)缺陷點(diǎn)直徑約為3個(gè)像素。

2 顯示缺陷檢測(cè)算法

2.1 圖像幾何校正與配準(zhǔn)

缺陷檢測(cè)前，由于采集到的是灰度圖，首先對(duì)圖像采用最大類間方差法[7]進(jìn)行二值化處理，隨后對(duì)獲得的二值化圖像進(jìn)行分析。由于采集圖像時(shí)面板本身或相機(jī)不可避免地存在一定的傾斜，為方便檢測(cè)，所采集到的圖像需要進(jìn)行校正。5種點(diǎn)亮模式中，全亮模式對(duì)于檢測(cè)感興趣區(qū)域與得到幾何校正的變換矩陣最為方便。得到全亮模式下變換矩陣后保持面板與攝像頭不再移動(dòng)，將同一塊面板幾種點(diǎn)亮模式下采集到的圖像均乘以全亮模式下的變換矩陣即可配準(zhǔn)全部點(diǎn)亮模式下的面板圖像。配準(zhǔn)前首先通過選取最大連通域所在最小矩形的方式獲得一個(gè)感興趣區(qū)域，以此區(qū)域作為掩模，與二值化后的圖像進(jìn)行點(diǎn)乘運(yùn)算，通過該處理后所得到的圖像只包含所需檢測(cè)的面板區(qū)域圖像。為減少計(jì)算量，此處可對(duì)圖像進(jìn)行一定的裁剪，本文中此處在最小外接矩形各邊緣向外多截取20個(gè)像素。

2.1.1 基于最小二乘法的直線邊緣提取endprint

本文中的校正算法需要獲取屏幕邊緣所在直線。為獲取屏幕4條邊所在直線，首先需要得到4條邊上點(diǎn)的位置信息。以獲取上邊緣線為例，按從左向右、從上到下順序讀取圖像每個(gè)點(diǎn)的值， 記錄每一列掃描到的第一個(gè)亮點(diǎn)的坐標(biāo)值，得到的一組數(shù)據(jù)為面板上邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)。由于面板本身存在小角度傾斜，所得到的點(diǎn)并不僅僅是上邊緣點(diǎn)，還存在其它邊緣點(diǎn)，為降低這些點(diǎn)在直線擬合時(shí)的影響，處理數(shù)據(jù)時(shí)僅采用這組數(shù)中的中段，選取的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度與傾斜角有關(guān)。同時(shí)為避免部分缺陷點(diǎn)影響，對(duì)提取的這部分?jǐn)?shù)據(jù)再進(jìn)行一次中值濾波。由于每個(gè)面板上的點(diǎn)在采集到的圖像中約占3個(gè)像素，濾波窗口大小取5。中值濾波后的4組數(shù)據(jù)分別用最小二乘法進(jìn)行直線擬合，得到4條直線。

最小二乘化是一種常見的直線擬合方式，其基本原理是通過最小化誤差的平方和找到一組數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配，從誤差擬合角度對(duì)回歸模型進(jìn)行參數(shù)估計(jì)或系統(tǒng)辨識(shí)，在參數(shù)估計(jì)、系統(tǒng)辨識(shí)以及預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)等眾多領(lǐng)域中得到極為廣泛的應(yīng)用[8]。假設(shè)一組點(diǎn)所在直線為AX+B=0，根據(jù)最小二乘法求出：A=1C∑nk=1（Xk-X）（Yk-Y）

（1）

B=Y-AX

（2） 其中，C=∑nk=1（Xk-X）2，由此可以得出該直線。

2.1.2 基于透視投影的幾何校正

透視投影屬于中心投影，透視投影圖簡(jiǎn)稱為透視圖或透視，它是從某個(gè)投射中心將物體投射到單一投影面上所得到的圖形。拍攝圖像時(shí)，由于攝像機(jī)的拍攝視角會(huì)導(dǎo)致一定的畸變，本文所檢測(cè)圖像中存在的主要畸變即為透視投影所帶來的畸變。二維圖像通過透視變換的過程可以表示為式（3）、式（4），其中，（x，y）為原始圖像上某一點(diǎn)的坐標(biāo)，（u，v）為該點(diǎn)透視變換后的坐標(biāo)，a、b、c、d、e、f、l、m、n為變換矩陣的參數(shù)[9]。u=ax+by+clx+my+1，v=dx+ey+flx+my+1

（3） 式（3）可表示成矩陣：A=HB

（4） 式中，A為變換后點(diǎn)的坐標(biāo)，B為圖像原坐標(biāo)，H為變換矩陣。透視變換對(duì)畸變圖像的校正需要得到畸變圖像的一組4個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，和與之相對(duì)應(yīng)的目標(biāo)圖像的4個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，通過代入這兩組共8個(gè)坐標(biāo)可以計(jì)算出透視變換的變換矩陣H，之后對(duì)整個(gè)原始圖像執(zhí)行變換矩陣的變換，就可以實(shí)現(xiàn)圖像校正。上一步驟中，4組數(shù)據(jù)直線擬合后取得了4條直線方程，兩兩聯(lián)立可得到4個(gè)交點(diǎn)坐標(biāo)，將其作為屏幕角點(diǎn)。由已知屏幕的實(shí)際長(zhǎng)寬，得到實(shí)際4個(gè)角點(diǎn)目標(biāo)位置，4個(gè)交點(diǎn)與4個(gè)目標(biāo)位置一一對(duì)應(yīng)，可以求出變換矩陣[10]。文獻(xiàn)[9]中給出了一種具體的計(jì)算方式，本文直接采用Matlab函數(shù)庫(kù)中的maketform函數(shù)代入8個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行此處的運(yùn)算得到變換矩陣。最后將原始圖像乘以得到的變換矩陣即可得到校正后圖像。

2.1.3 配準(zhǔn)

校正后所得圖像中，待檢測(cè)部分即顯示屏所在位置與模板所在位置不一定相同，在校正后需要進(jìn)行配準(zhǔn)才能進(jìn)行下一步操作。具體配準(zhǔn)步驟如下：①檢測(cè)校正后得到的二值圖像，獲取最小外接矩形；②對(duì)圖像進(jìn)行裁剪，截取該最小外接矩形部分，為方便觀察，在各邊緣向外多截取了3個(gè)像素的圖像；③對(duì)其進(jìn)行縮放，統(tǒng)一圖像大小。

圖2為一塊含有暗點(diǎn)缺陷面板全亮顯示模式下校正、配準(zhǔn)后圖像，圖2（a）為待檢測(cè)面板原始圖像，圖2（b）為配準(zhǔn)后圖像。

2.2 缺陷檢測(cè)顯示

理想情況下，壞點(diǎn)大小至少為3*3像素，但采集圖像時(shí)因?yàn)橥饨缫蛩馗蓴_，壞點(diǎn)可能并不明顯，需要進(jìn)行相應(yīng)的形態(tài)學(xué)處理[11]。此處形態(tài)學(xué)處理根據(jù)所檢測(cè)壞點(diǎn)不同分為兩種：檢測(cè)亮點(diǎn)時(shí)，此處進(jìn)行膨脹處理；檢測(cè)暗點(diǎn)時(shí)，此處進(jìn)行腐蝕運(yùn)算。選取一幅正常圖像作為模板，校正后也進(jìn)行相同的形態(tài)學(xué)處理，隨后對(duì)應(yīng)的圖像進(jìn)行差模運(yùn)算。校正后得到的圖像由于二值化、圖像校正及拍攝本身的影響不會(huì)與模板完全相同，但誤差相對(duì)較小，再次進(jìn)行開運(yùn)算可排除誤差帶來的影響。開運(yùn)算還能將圖像中存在的一些較小的噪聲點(diǎn)濾除，尺寸過小的噪聲點(diǎn)不會(huì)被誤判作缺陷點(diǎn)，只有最大直徑大于或等于3個(gè)像素的點(diǎn)才能被判定為缺陷點(diǎn)。本文采用disk形直徑為5的結(jié)構(gòu)元素進(jìn)行膨脹處理，處理結(jié)果如圖3所示，可以看出，左上角處的亮點(diǎn)缺陷可以被檢測(cè)出。這種配準(zhǔn)方式雖然不能達(dá)到與模板的完全匹配，但并不影響檢測(cè)出缺陷點(diǎn)。

對(duì)于暗點(diǎn)，檢測(cè)過程與亮點(diǎn)檢測(cè)過程基本相似，只是在形態(tài)學(xué)處理時(shí)選擇腐蝕運(yùn)算而非膨脹運(yùn)算。檢測(cè)時(shí)，首先將待測(cè)圖像進(jìn)行校正與ROI提取，隨后進(jìn)行腐蝕運(yùn)算，增強(qiáng)缺陷，最后將經(jīng)過其與模板圖像進(jìn)行異或得到的結(jié)果再進(jìn)行開運(yùn)算，得到最終暗點(diǎn)圖像。其中，模板為標(biāo)準(zhǔn)面板經(jīng)過校正、ROI提取、開運(yùn)算后得到的圖像。缺陷圖像與模板進(jìn)行異或操作后腐蝕得到的圖像上只含有缺陷點(diǎn)，由此可以通過計(jì)算結(jié)果圖中連通域的大小、數(shù)目、位置等獲取缺陷點(diǎn)數(shù)目、位置信息，并以此判斷面板的合格與否。

帶暗點(diǎn)缺陷的面板圖像處理結(jié)果如圖4所示。

將整體檢測(cè)算法進(jìn)行總結(jié)如下：①將全亮模式下采集到的待檢測(cè)圖像進(jìn)行4個(gè)方向的投影、濾波，選取每組數(shù)中段部分的點(diǎn)進(jìn)行最小二乘化擬合，求出4條邊緣所在直線；②求所得4條直線的4個(gè)交點(diǎn)，將其作為角點(diǎn)得到變換矩陣，進(jìn)行幾何校正，并保存此處變換矩陣；③改變點(diǎn)亮模式時(shí)面板相機(jī)均不移動(dòng)，可將同一塊面板幾種點(diǎn)亮模式下采集到的圖像均乘以全亮模式下的變換矩陣，獲得校正后圖像，配準(zhǔn)后進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理和缺陷檢測(cè)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用這種算法可以迅速有效地進(jìn)行點(diǎn)陣面板的缺陷檢測(cè)，只需在固定顯示器和攝像頭前提下拍攝不同模式下的圖片，并利用不同顯示模式下的模板，即可用一種算法解決多種顯示模式下的缺陷檢測(cè)。

3 結(jié)語

針對(duì)VFD點(diǎn)陣面板，本文通過最小二乘法獲取顯示屏邊緣所在直線進(jìn)而獲得角點(diǎn)，基于透視投影的幾何校正對(duì)圖像進(jìn)行配準(zhǔn)；隨后，將配準(zhǔn)好的圖像與模板圖像進(jìn)行差模運(yùn)算，并通過形態(tài)學(xué)處理去掉其中誤差因素影響獲取壞點(diǎn)圖，能快速準(zhǔn)確地進(jìn)行較小型壞點(diǎn)的識(shí)別與定位。該方法檢測(cè)精度可達(dá)3個(gè)像素，解決了人工檢測(cè)效率低、漏檢率高的問題，滿足點(diǎn)陣面板顯示缺陷檢測(cè)的基本要求。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）endprint