針對(duì)MiniLED芯片載板的圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)設(shè)計(jì)

盧振威，湯 暉，林志杭，吳詩(shī)銳，梁明虎，區(qū)校賢

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引言

MiniLED轉(zhuǎn)移修復(fù)是提高M(jìn)iniLED生產(chǎn)效率的重要環(huán)節(jié),需要把芯片從載板通過(guò)激光等方法轉(zhuǎn)移到基板上[1]。為了保證轉(zhuǎn)移修復(fù)的成功率,通常采用視覺(jué)來(lái)進(jìn)行芯片載板和基板的對(duì)位[2]。為了保證視覺(jué)的精度,需要高精度的對(duì)焦方法。

對(duì)焦方法的核心是圖像清晰度評(píng)價(jià)[3]。圖像清晰度評(píng)價(jià)有兩個(gè)關(guān)鍵[4]:一是圖像清晰度評(píng)價(jià)窗口,這是為了在圖像中選擇出合適的窗口進(jìn)行圖像清晰度評(píng)價(jià);二是圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù),這是為了計(jì)算出圖片的圖像清晰度。本文針對(duì)MiniLED芯片載板的特點(diǎn),提出了一種針對(duì)MiniLED芯片載板的取窗法,并對(duì)現(xiàn)有圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行了改良。最后對(duì)MiniLED芯片載板的圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)和傳統(tǒng)評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行了比較,以證明本文提出的針對(duì)MiniLED芯片載板的圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)有著更好的效果和更快的速度。

1 針對(duì)MiniLED芯片載板的取窗法

常用的聚焦窗口選擇法有中心取窗法和多區(qū)域取窗法[5]。在聚焦過(guò)程中,越靠近圖像中心的像素點(diǎn)受鏡頭畸變的影響越小,越能反映真實(shí)情況,對(duì)圖像清晰度評(píng)價(jià)越重要。根據(jù)距離圖像中心的遠(yuǎn)近,將位于圖像中心的區(qū)域劃分為一等區(qū),次中心的區(qū)域劃分為二等區(qū),其余劃分為三等區(qū)。

聚焦窗口應(yīng)盡可能多地包含重點(diǎn)目標(biāo),MiniLED芯片載板的重點(diǎn)目標(biāo)應(yīng)為芯片,應(yīng)當(dāng)著重計(jì)算芯片區(qū)域,減少計(jì)算背景區(qū)域。為了劃分芯片和背景,使用了輪廓查找的方法[6]。由于劃分芯片和背景會(huì)丟失芯片與背景的連接處,影響圖像清晰度評(píng)價(jià),因此,在芯片最小外接矩形的基礎(chǔ)上,將每個(gè)最小外接矩形擴(kuò)大30個(gè)像素。

結(jié)合一等區(qū)、二等區(qū)、三等區(qū)的區(qū)域劃分,以及芯片和背景的劃分,將圖像分割成一等區(qū)芯片、一等區(qū)背景、二等區(qū)芯片、二等區(qū)背景、三等區(qū)芯片、三等區(qū)背景共6個(gè)區(qū)域,具體如圖1所示。

①一等區(qū)芯片;②一等區(qū)背景;③二等區(qū)芯片;④二等區(qū)背景;⑤三等區(qū)芯片;⑥三等區(qū)背景

由于一等區(qū)芯片的重要度最高,為了提高一等區(qū)芯片的計(jì)算精度,對(duì)該區(qū)域使用了雙線性插值法[7]。為了減少運(yùn)算量,去除三等區(qū)背景,使用圖像金字塔下采樣將三等區(qū)芯片和二等區(qū)背景縮小為一半。

2 針對(duì)MiniLED芯片載板的圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)

由于提出的取窗法采用了輪廓查找來(lái)完成芯片和背景的劃分,每次劃分的芯片區(qū)域和背景區(qū)域大小都會(huì)變化。為了減小大小變化對(duì)清晰度的影響,將每個(gè)區(qū)域通過(guò)傳統(tǒng)清晰度函數(shù)求得的值除以區(qū)域大小得到的商作為每個(gè)區(qū)域的圖像清晰度,即:

Gn=Fn/Snn=1,2,…,5.

(1)

其中:n為區(qū)域的編號(hào);Sn為第n個(gè)區(qū)域的大小;Fn為第n個(gè)區(qū)域由傳統(tǒng)清晰度函數(shù)計(jì)算出來(lái)的值。

以一等區(qū)芯片0.4、一等區(qū)背景和二等區(qū)芯片0.2、二等區(qū)背景和三等區(qū)芯片0.1的權(quán)重相加之后的值作為最終圖像清晰度,計(jì)算公式如下:

G總=0.4×G1+0.2×G2+

0.2×G3+0.1×G4+0.1×G5.

(2)

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

使用相機(jī)、鏡頭、直線電機(jī)、MiniLED芯片載板以及安裝板搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖2所示。

1-直線電機(jī);2-相機(jī);3-鏡頭;4-MiniLED載板

3.2 傳統(tǒng)圖像清晰度評(píng)價(jià)算法對(duì)比

直線電機(jī)帶動(dòng)相機(jī)和鏡頭分別以50 μm和25 μm的步長(zhǎng)進(jìn)行由上往下的直線運(yùn)動(dòng)拍攝MiniLED芯片載板,每個(gè)步長(zhǎng)拍攝一張照片獲取多組圖片。分別使用Brenner函數(shù)、能量梯度函數(shù)(EGO)、Roberts函數(shù)、Tenengrad函數(shù)和Laplace函數(shù)[8-10]進(jìn)行運(yùn)算,對(duì)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行歸一化,對(duì)比傳統(tǒng)圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)于MiniLED芯片載板的效果,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 兩種步長(zhǎng)傳統(tǒng)圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)比

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,采用單峰性、靈敏度、無(wú)偏性、抗噪性四個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià),Brenner函數(shù)響應(yīng)較快、曲線平滑且少有局部閾值,效果最好,因此采用Brenner函數(shù)作為基礎(chǔ)函數(shù)來(lái)進(jìn)行針對(duì)MiniLED芯片載板的圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)設(shè)計(jì)。Brenner函數(shù)公式如下:

(3)

其中:x為圖像的橫坐標(biāo);y為圖像的縱坐標(biāo);f為該位置的灰度值。

3.3 針對(duì)MiniLED載板的圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)實(shí)驗(yàn)

對(duì)圖像使用改進(jìn)的針對(duì)MiniLED芯片載板的取窗法進(jìn)行處理,然后將Brenner作為基礎(chǔ)函數(shù)Fn代入公式(1)進(jìn)行改良。在以25 μm為步長(zhǎng)的情況下將本文提出的函數(shù)與傳統(tǒng)的Brenner函數(shù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖4所示。由圖4可見(jiàn):針對(duì)MiniLED載板的圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)相比傳統(tǒng)Brenner函數(shù)在靈敏度上反應(yīng)更快,在單峰性上更少出現(xiàn)局部閾值,在無(wú)偏性和抗噪性上表現(xiàn)都更好。記錄兩種方法前三次處理所需時(shí)間,如表1所示,可見(jiàn)本文提出的函數(shù)平均處理速度比傳統(tǒng)Brenner函數(shù)快。

表1 處理速度對(duì)比

圖4 兩種圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)對(duì)比

4 結(jié)論

本文提出了一種針對(duì)MiniLED芯片載板的取窗法。比較了幾種傳統(tǒng)的圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù),根據(jù)對(duì)比結(jié)果選擇Brenner函數(shù)作為基礎(chǔ)圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù),并根據(jù)提出的取窗法改良了清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:本文提出的針對(duì)MiniLED芯片載板的圖像清晰度評(píng)價(jià)函數(shù)相比傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)函數(shù)有更好的效果,能更快更精地完成相機(jī)對(duì)MiniLED芯片載板的對(duì)焦。