王業(yè)翔，戴曙光

(上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093)

真空熒光顯示屏(VFD)是從真空電子管發(fā)展而來的顯示器件，以其發(fā)光亮度高、顯示多色容易、圖案顯示靈活、視角大、可靠性高和壽命長［1］、可用低壓進行驅(qū)動、易與集成電路配套等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于汽車、辦公自動化設(shè)備、工業(yè)儀器儀表及家用電器等領(lǐng)域［2］。系統(tǒng)所采用的VFD安裝在汽車DVD的PCB板上，由于制造工藝的不完善，導(dǎo)致VFD的顯示存在缺陷:如缺筆畫、多筆畫、出現(xiàn)黑點、顯示偏移、特殊字符顯示等。以往，這些均是由人眼觀察，每天觀察幾千塊PCB板極易使檢測人員疲勞，同時影響判斷結(jié)果，降低了檢測效率。IMAQVision是基于LabVIEW平臺進行圖像處理應(yīng)用開發(fā)的軟件包，其以LabVIEW VI庫的形式給出，可完成圖像的采集和各種分析處理工作。機器視覺［3］代替人眼檢測，大幅提高了檢測效率。

1 原理與組成

1.1 VFD視覺檢測的總體程序設(shè)計框圖

圖1是總體程序設(shè)計框圖，首先拍攝較標(biāo)準(zhǔn)的VFD圖片，從中選定VFD段碼位置，作為模板，在后面進行VFD檢測時，將每個拍攝到的VFD圖片都與模版進行比較，并將測試結(jié)束即顯示測試結(jié)果，測試結(jié)果保存在指定位置［4］。

圖1 總體程序設(shè)計框圖

在圖1中可看到該設(shè)計的設(shè)計思路共分為4個步驟:(1)圖像采集。在圖像采集時，首先要點亮所需測試的VFD，同時配置完成攝像頭的參數(shù)，以便后續(xù)工作進行。(2)模板制作。模板制作是檢測VFD的標(biāo)準(zhǔn)匹配模板，其包括設(shè)置模版?zhèn)€數(shù)，模版圖像的曝光時間、增益和圖像選擇等。(3)利用模版匹配算法進行模版匹配。(4)實現(xiàn)本次檢測結(jié)果的顯示和存儲，存儲文件格式為.dat。

1.2 VFD視覺檢測系統(tǒng)前面板設(shè)計

前面板主要是為測試者提供一個友好的界面，如圖2所示。其上有圖片顯示控件，顯示文本框、產(chǎn)品型號、檢測時間、指示燈、參數(shù)設(shè)置及啟停按鈕等。為使面板簡潔美觀，參數(shù)設(shè)置選擇調(diào)用子VI的方法，將所有參數(shù)設(shè)置在彈出的子VI中進行，設(shè)置結(jié)束后返回主界面。將上述控件合理布局，適當(dāng)調(diào)節(jié)大小和顏色，給使用者一個舒適的測試界面［4］。

圖2 系統(tǒng)前面板

2 圖像處理

2.1 模板制作

模板制作的優(yōu)劣直接關(guān)系到后續(xù)測試的進行，在這一部分中，首先需拍攝標(biāo)準(zhǔn)的VFD圖片，確定其上VFD段碼的個數(shù)和每個段碼的位置，選為模版保存，供測試使用。模板制作是對采集的一幀標(biāo)準(zhǔn)圖片進行配置，利用Imaq WindGetRoi.vi的功能來實現(xiàn)。首先畫出感興趣的矩形區(qū)域，再轉(zhuǎn)化成ROI數(shù)據(jù)存儲。若ROI數(shù)據(jù)非空，雙擊制作按鈕將會對選定的模版進行保存，其程序框圖如圖3所示。

圖3 模版制作程序框圖

2.2 VFD連碼、斷碼檢測原理

VFD全部段碼不重復(fù)點亮需發(fā)送5次碼。在此以一個7段碼8字為例，發(fā)送3次碼即可不重復(fù)全部點亮，如圖4所示。其中，點亮第1、2、3次的順序可以顛倒。

圖4 7段碼8字分3次點亮

為方便處理，取亮為1，不亮為0，如表1所示。若工藝沒有問題，則3次點亮后每筆均只會有一個點亮。某個筆段出現(xiàn)全部不亮、兩個亮或3個全亮均說明該8字有異常情況。

表1 7段碼8字3次點亮情況

以筆段1為例，3次點亮分別用符號A、B、C來表示，最終結(jié)果用 M1表示，且 A、B、C、M1均是布爾值，如式(1)所示。從M1的值可看出，在該筆段上是否出現(xiàn)問題

當(dāng)A、B、C中有且只有一個為1時，M1=1，否則M1=0。同樣，方法計算出M1～M7，之后再對M1～M7相與，得到8的總情況。只有M1～M7全為1時，M=1，有一個不為1，則M=0，如下

若最后M值為1，說明這一7段碼正常。即不存在連碼、斷碼的情況。若M值不為1，則說明其中某部分出現(xiàn)了問題，故VFD為次品。

2.3 模板匹配算法原理

VFD檢測需要模板匹配算法。還以8位灰度圖像為例，模板T(m×n個像素)疊放在被搜圖S(W×H個像素)上平移，模板覆蓋被搜索圖的那塊區(qū)域叫子圖Sij，如圖5所示。通過比較T和Sij的相似性，完成模板匹配過程。圖像的數(shù)據(jù)是從下到上、從左到右排列的?？墒胶饬縏和Sij的相似性

式(3)的第1項為子圖的能量，第3項為模板的能量，且均與模板匹配無關(guān)。第2項是模板和子圖的互相關(guān)，隨(i，j)而改變。當(dāng)模板和子圖完全匹配時，該項有極大值。將其歸一化，模板匹配的相關(guān)參數(shù)為［6］

式(4)中R即為匹配的相關(guān)系數(shù):相關(guān)系數(shù)的值越大，則說明模板和子圖越接近。當(dāng)模板和子圖完全相同時，相關(guān)系數(shù)R(i，j)=1。在被搜索圖S中完成全部搜索后，找出R的最大值Rmax(im，jm)，其對應(yīng)的子圖Simjm即為最佳匹配目標(biāo)［7］。

顯然，被搜索圖匹配越大速度越慢;模板越小匹配速度越快。為縮短檢測時間，本系統(tǒng)將一次模版匹配分為多次匹配。將VFD劃分成多個區(qū)域，進行局部不重復(fù)點亮，依次進行模版匹配，從而大幅縮短了檢測時間。

圖5 被搜索圖

2.4 VFD檢測在LabVIEW中的實現(xiàn)

對于模板匹配而言，只需固定VFD和攝像頭，并按照一定的時間間隔連續(xù)5次拍攝。然后在LabVIEW中作一定的算法處理，就能在整個視場下拍攝到全部所需處理的圖像［8］，省去了移動鏡頭時間上帶來的損失和程序的復(fù)雜。匹配結(jié)束后，檢測結(jié)果直接在文本框中顯示，并配有指示燈，缺陷位置則直接在圖上以紅色矩形框標(biāo)出。

首先將之前制作并保存好的模版圖片調(diào)入圖組，包含“imagename”和“position”信息。同時，獲取“Constrast”、“Score”、“Size”3 個圖像參數(shù)。然后選定搜索區(qū)域，搜索區(qū)域一定要選則適中，若選擇過大將會影響運算速度，選擇過小又有可能導(dǎo)致目標(biāo)未落在搜索區(qū)域中。之后在IMAQ Match Pattern.vi中選擇“number of matches to find”為1，即在搜索區(qū)域內(nèi)最多有一個被匹配。根據(jù)多次試驗的結(jié)果，選擇“Minimum”為800(滿分為1 000分，表示完全匹配)。最后在“l(fā)imits”中選“Pass inspection if Minimum of matches 1”，表示只有出現(xiàn)匹配才算Pass。匹配信息保存在“Matches”中，找到的個數(shù)則保存在“found”中，模版匹配程序如圖6所示。

圖6 模版匹配程序框圖

實驗結(jié)果表明，利用模版匹配方法，可在較短時間內(nèi)檢測到VFD面板缺陷位置。如圖7所示，一共制作了5個模版，未找到模版有3個，缺陷位置由圖7(b)矩形框標(biāo)出。

圖7 模版匹配測試程序

3 結(jié)束語

系統(tǒng)實現(xiàn)了將LabVIEW應(yīng)用于VFD的檢測中，可以在較短時間內(nèi)完成VFD的檢測，并確保了每部分均符合質(zhì)量要求。與人工目視檢測相比，計算機視覺檢測是一種具有檢測速度更快、檢測范圍更寬、檢測精度更高、漏檢誤檢率較低的先進檢測方式。實驗證明，該系統(tǒng)較好地解決了VFD顯示圖像缺陷檢測問題，從而使VFD檢測工作客觀化、規(guī)范化和智能化。

［1］ 張建平，趙威，戴詠夏．真空熒光顯示器亮度特性的研究［J］．液晶與顯示，2010，25(1):40 －48．

［2］ 阮世平．高性能真空熒光顯示器(VFD)開發(fā)和應(yīng)用［J］．光電子技術(shù)，2005(4):211－217．

［3］ Ramesh Jain，Rangachar Kasturi，Brian G Schunck．機器視覺［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2003．

［4］ 李江全．虛擬儀器設(shè)計測控應(yīng)用典型實例［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2010．

［5］ 范福玲，韓建勛．基于LabVIEW的壓電加速度傳感器性能分析測試系統(tǒng)［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2009(1):21－22．

［6］ 左力，王棟民．圖像處理系統(tǒng)在自動化設(shè)備中用作位置反饋的一種方法［J］．機械與電子，2004(1):43－44．

［7］ 張凱，周陬，郭棟．LabVIEW虛擬儀器工程設(shè)計與開發(fā)［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2004．

［8］ 趙榮椿．?dāng)?shù)字圖像處理導(dǎo)論［M］．西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，1995．