周伯萌,潘淼,高開(kāi)印,王鋒

(1.泉州師范學(xué)院物理與信息工程學(xué)院,福建 泉州 362000;2.黎明職業(yè)大學(xué)信息與電子工程學(xué)院,福建 泉州 362000)

近20年以來(lái),隨著信息產(chǎn)業(yè)和集成電路行業(yè)的快速發(fā)展,觸摸屏已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備和個(gè)人智能設(shè)備中[1]。電極薄膜是觸摸屏的重要組件之一,在其生產(chǎn)過(guò)程中,不論如何改進(jìn)工藝,薄膜表面仍然會(huì)被油漬污染。電極薄膜表面的印刷電路被污染后出現(xiàn)油污、缺印、裂紋等現(xiàn)象,會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電故障、成品率降低,及時(shí)檢測(cè)和識(shí)別它們十分重要。在中小企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中,成品膜的污漬和電路的缺陷檢測(cè)依靠人工來(lái)完成,人工檢測(cè)耗費(fèi)精力大、效率低、存在一定誤檢;而成套檢測(cè)設(shè)備價(jià)格昂貴,增加了企業(yè)負(fù)擔(dān)。鑒于這種問(wèn)題的存在,本文提出了用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)其缺陷和污漬進(jìn)行檢測(cè)和定位,對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單升級(jí),提供一套檢測(cè)準(zhǔn)確率高、成本低的解決方案,既緩解了企業(yè)的資金困難,又提高了產(chǎn)品的合格率。

1 電容屏電極薄膜及其缺陷檢測(cè)系統(tǒng)

系統(tǒng)(如圖1)采用特定波長(zhǎng)的高亮LED工業(yè)線性聚光光源照射產(chǎn)品表面(如圖2),在生產(chǎn)線正常運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下,同時(shí)通過(guò)工業(yè)CCD相機(jī)實(shí)時(shí)掃描并采集光源照射處的產(chǎn)品圖像。系統(tǒng)將相機(jī)采集到的薄膜圖像用軟件算法進(jìn)行缺陷識(shí)別處理。由于缺陷的成像圖片與正常產(chǎn)品的成像圖片存在灰階差異,檢測(cè)系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的缺陷,從而實(shí)現(xiàn)了缺陷的在線檢測(cè)、定位與后續(xù)處置[2]。

圖1 缺陷檢測(cè)系統(tǒng)

圖2 電極薄膜成品

生產(chǎn)過(guò)程中,無(wú)論如何改進(jìn)硬件或生產(chǎn)工藝,油漬污染總是存在的。在產(chǎn)出環(huán)節(jié),及時(shí)檢測(cè)、識(shí)別和定位它們是必要的一道程序,其結(jié)果直接影響后續(xù)成品良率。缺陷(如圖3)主要來(lái)源于生產(chǎn)過(guò)程中薄膜表面的細(xì)微油漬。

圖3 薄膜表面圖像及細(xì)微油污的示例

2 電極薄膜的區(qū)域劃分及定位

每片電極薄膜成品由8個(gè)方塊構(gòu)成(如圖2),每塊的結(jié)構(gòu)完全相同,可以取其中一塊進(jìn)行處理,其余部分處理過(guò)程相同。單個(gè)方塊又可以分為2種情況:1)油漬與電路走線重合,則與底色反差較小,不易識(shí)別;2)油漬未與電路走線重合,則與薄膜顏色反差較大,易于識(shí)別。因此,先對(duì)薄膜進(jìn)行定位和分割,根據(jù)電路走線情況,區(qū)分處理,提高檢測(cè)效率。

2.1 圖像預(yù)處理

將載入圖像進(jìn)行歸一化和平滑處理[3]。歸一化本質(zhì)是將需要處理的數(shù)據(jù)量限制在一定范圍內(nèi),采用高斯濾波減少薄膜表面反光引起的差異,進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為灰度圖像(如圖4),得到圖像的二值化結(jié)果[4]。

圖4 圖像的預(yù)處理

2.2 圖像邊緣檢測(cè)與區(qū)域標(biāo)識(shí)

進(jìn)行整個(gè)薄膜的定位必須先獲得圖像的邊緣信息,其中包含整個(gè)薄膜上表面的電路走線邊緣信息。Canny邊緣檢測(cè)算法利用的是先平滑再求導(dǎo)數(shù)的方法來(lái)進(jìn)行邊緣檢測(cè)[5]。該算法具有3個(gè)方面的優(yōu)勢(shì):1)低錯(cuò)誤率,受圖像噪聲影響小,標(biāo)識(shí)出的邊緣信息比較貼近實(shí)際情況,準(zhǔn)確性好;2)高定位性,實(shí)際圖像中的邊緣和處理得到的邊緣接近度很高;3)最小響應(yīng)。在被處理圖像中,圖像的邊緣只能被標(biāo)識(shí)一次[6]。經(jīng)調(diào)試Canny算子閾值設(shè)為0.115最為合適,圖5是二值化函數(shù)和經(jīng)過(guò)邊緣處理的圖像信息對(duì)比。

圖5 經(jīng)二值化函數(shù)和邊緣處理的圖像信息對(duì)比(局部)

為了識(shí)別出薄膜的特征,我們選擇薄膜的4條邊線作為其主要特征,這4條框圈起來(lái)的范圍作為薄膜單一的主體。這4條直線的判斷可以用霍夫變換來(lái)檢測(cè)出來(lái)?；舴蜃儞Q作為一種廣泛應(yīng)用在圖像處理領(lǐng)域的一種特征檢測(cè)手段,最經(jīng)典的用途就是在偵測(cè)圖片中的直線?；舴蚓幋a檢測(cè)直線相比其他方法受噪聲的干擾更小[7]?；舴驒z測(cè)得到所需結(jié)果之后,就可以將其特征區(qū)域標(biāo)識(shí)出來(lái)。區(qū)域標(biāo)識(shí)的主要目的是確定薄膜的4條邊線,便于后期的劃分和檢測(cè)。區(qū)域標(biāo)識(shí)的過(guò)程是在霍夫變換之后[8],其圖像的標(biāo)識(shí)圖像如圖6所示。

圖6 薄膜圖像的區(qū)域標(biāo)識(shí)

由于生產(chǎn)過(guò)程中,運(yùn)動(dòng)的傳送帶與相機(jī)采樣的機(jī)位不完全平行,會(huì)導(dǎo)致得到的圖像中直線的位置并不會(huì)處于豎直或水平的狀態(tài),因此需要對(duì)其調(diào)整,可以用自帶的矯正函數(shù)測(cè)其傾斜的角度并將對(duì)其作垂直矯正[7]。矯正之后的圖像將會(huì)使薄膜的主要電路走線處于水平或垂直的狀態(tài),便于后期的處理。

3 電極薄膜的缺陷區(qū)域差異化處置

由于電極薄膜的圖樣、薄膜尺寸大小相對(duì)固定,一面完整的電極薄膜可以分為8個(gè)小的長(zhǎng)方形組成,薄膜電路走線位置固定。可對(duì)單一長(zhǎng)方形進(jìn)行區(qū)域分割,在薄膜的電路走線內(nèi)外采用不同的算法進(jìn)行檢測(cè)提高效率。

3.1 無(wú)電路走線的薄膜表面缺陷檢測(cè)

由于薄膜在傳送帶上不斷運(yùn)動(dòng)且攝像頭安放位置固定,如成像更新速度快則硬件負(fù)荷大,容易出錯(cuò);反之則效率過(guò)低,通過(guò)反復(fù)調(diào)試獲得較好的成像效果。薄膜表面的電路走線背景變化不大且光照條件、圖像特征相對(duì)一致。綜合上述因素,考慮采用背景差分法比較合適,該算法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量較小,可以達(dá)到實(shí)時(shí)計(jì)算的要求而無(wú)需特殊硬件。背景差分法選取預(yù)先儲(chǔ)存好多幅合格的成品薄膜的圖片,取其平均值作為背景圖片,將背景圖片與當(dāng)前幀相減[9]。若差值大于某一閾值,則可以判定該區(qū)塊為油漬,否則可以判定該區(qū)塊為背景圖片的一部分,經(jīng)過(guò)閾值分割處理后再進(jìn)行二值化,其算法流程(如圖7)如下:

圖7 背景差分法流程圖

1)光照和攝像機(jī)抖動(dòng)產(chǎn)生的噪聲,一般只是在圖像序列中連續(xù)幀的個(gè)別像素點(diǎn)上發(fā)生變化,經(jīng)背景差分后被重置為白色的孤立像素點(diǎn)。對(duì)于這部分噪聲點(diǎn)的去除,可通過(guò)形態(tài)學(xué)圖像處理解決[8]。

2)當(dāng)更新速度適中,成像較為清晰的情況下,將圖像序列中幀Pi(x,y)連續(xù)n幀圖像進(jìn)行均值濾波,再將其與合格薄膜的圖像幀S(x,y),作為當(dāng)前幀的背景圖像進(jìn)行背景更新:

S(x,y)=[S1(x,y)+S2(x,y)+…+Sn(x,y)]

D=|S(x,y)-Pi(x,y)|,D≥T,O=(x,y,i)

式中:i為當(dāng)前幀數(shù);n為均值濾波取值幀數(shù);T為閾值;O為輸出結(jié)果;(x,y)為坐標(biāo)值;D為差值。

3.2 有電路走線的薄膜表面缺陷檢測(cè)

薄膜表面的電路走線與油漬混合后,油漬呈現(xiàn)為電路走線路徑中:條紋、帶狀和灰斑(如圖8)。這3種油漬均為生產(chǎn)過(guò)程中由環(huán)境漂浮污染物引起,不可避免。條紋和帶狀缺陷面積相對(duì)較大,灰度斑缺陷面積小且分布稀疏,且由于成像后與底部電路走線顏色接近,容易漏檢,故提取電路走線部分單獨(dú)進(jìn)行檢測(cè)。本文提出一種局部區(qū)域增強(qiáng)的方法進(jìn)行檢測(cè),對(duì)不均勻的紋理因子進(jìn)行增強(qiáng),試圖找到與鄰域差異較大的區(qū)域,提高圖像的對(duì)比度[10-12]。

圖8 薄膜表面的電路走線與油漬混合示例圖

讀取當(dāng)前幀的灰度圖,B(x,y)為其中的像素點(diǎn),取Li(B)、Ij(C)為像素點(diǎn)的集合。因油漬污染的圖像灰度值與背景不同,對(duì)比計(jì)算進(jìn)行區(qū)分:1)設(shè)B為中心像素,令i=0,L0(x,y),I0(x,y)各只包含一個(gè)像素;2)令i=i+1,L1(x,y)為L(zhǎng)0(x,y)相鄰一個(gè)像素點(diǎn)的合集且其不包含I0(x,y)。再令i=1,定義I1(x,y)=L0(x,y)U1S(x,y)。則有I1(x,y)包含3×3個(gè)像素,L1(x,y)包含8個(gè)像素;3)此后依次類(lèi)推,Ln(x,y)為L(zhǎng)n-1(x,y)相鄰一個(gè)像素點(diǎn)的合集且其不包含In-1(x,y)[13-16]。遍歷當(dāng)前幀后,容易漏檢的污漬邊緣得到了增強(qiáng),再通過(guò)設(shè)定閾值,與背景直接分離提取特征點(diǎn)(如圖9)?？傻?

圖9 區(qū)域增強(qiáng)算法示例

t=L0(x,y)-

式中:t為高斯加權(quán)平均量;r為半徑。

式中:C為閾值;Fi(x,y)為篩選值。

式中:F(x,y)為增強(qiáng)結(jié)果。

4 結(jié)論

通過(guò)分析電極薄膜自身的結(jié)構(gòu)一致性,根據(jù)油漬缺陷圖像特征及其分布情況,把電極薄膜分割為兩部分使用不同算法進(jìn)行缺陷檢測(cè)。對(duì)于前景與后景差異較大的薄膜方塊內(nèi)部,采用差分算法,通過(guò)實(shí)時(shí)采集的圖像與合格圖像的均值進(jìn)行對(duì)比,實(shí)現(xiàn)了缺陷的實(shí)時(shí)檢測(cè),減少了污點(diǎn)的錯(cuò)誤判斷率;對(duì)于方塊邊緣的部分存在油漬缺陷與電路走線重合的情況,提出了一種局部區(qū)域增強(qiáng)方法,在缺陷檢測(cè)過(guò)程中提高了識(shí)別的效率和準(zhǔn)確性,克服了低對(duì)比度圖像的缺點(diǎn)并且對(duì)噪聲敏感。