基于VS1388圖像采集卡的自動光學(xué)檢測技術(shù)

湯捷 李少華

摘 要：目前，自動光學(xué)檢測技術(shù)已經(jīng)在TFT-LCD制造、軋鋼、印染等行業(yè)有了廣泛的應(yīng)用，其正朝著檢測高速化、分辨率微小化、處理智能化和結(jié)構(gòu)模塊化的方向發(fā)展。基于VS1388圖像采集卡的自動光學(xué)檢測，技術(shù)核心在于大范圍高精度三維顯微成像的實(shí)現(xiàn)，以及基于工控PC的多處理器并行圖像高速預(yù)處理和高級圖像處理算法（主要是FFT和圖像分割）的研究。

關(guān)鍵詞：VS1388采集卡；自動光學(xué)檢測技術(shù)；FFT算法；圖像分割

0 引言

自動光學(xué)檢測（AOI）技術(shù)，即采用光學(xué)成像技術(shù)獲取待檢物體的圖像，再通過快速圖像處理和圖形識別等方法，從圖像中提取缺陷或者獲得目標(biāo)的位置、尺寸、結(jié)構(gòu)和光譜特征等信息，從而執(zhí)行產(chǎn)品缺陷檢測、流水線上的零部件鑒定和定位等任務(wù)。

近年來，隨著半導(dǎo)體、液晶面板、PCB印刷、光通信以及精密組裝等新興產(chǎn)業(yè)的興起，AOI技術(shù)的發(fā)展也十分迅猛。但就目前來講，國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)使用的AOI設(shè)備，是購自國外的。其價(jià)格昂貴，維護(hù)保養(yǎng)困難，使企業(yè)迫于成本壓力。無法擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模。即使國外雖然出售，但技術(shù)上也有所保留 [1，2]。

我國自己制造的AOI設(shè)備，不是精度或速度不夠，就是核心算法技術(shù)仍被外國掌握，升級或保養(yǎng)維護(hù)仍然受制于技術(shù)提供方。我國迫切需要國產(chǎn)的高分辨率高速AOI設(shè)備。課題組依托VS1388圖像采集卡，自主研發(fā)了一款基于該圖像采集卡的AOI設(shè)備。本文重點(diǎn)介紹我們在該AOI儀器研發(fā)過程中所做的工作以及對該設(shè)備的原理、功能分析[3]。

1 系統(tǒng)基本架構(gòu)及原理

VS1388自動光學(xué)檢測設(shè)備由相機(jī)、配套鏡頭、LED白光光源、滾筒載物臺和支架以及工控PC組成。圖1是由工業(yè)相機(jī)和LED光源組成的圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

系統(tǒng)采集完成對待測物體表面圖像的采集，在VS1388圖像卡上對圖像進(jìn)行預(yù)處理后，利用檢測算法對圖像進(jìn)行分析，最后顯示檢測結(jié)果。

成像系統(tǒng)獲取的原始圖像由于受到條件限制和隨機(jī)干擾，必須對其進(jìn)行增強(qiáng)、圖像分割等預(yù)處理。在此，在VS1388缺陷檢測系統(tǒng)的前端放置了一個(gè)預(yù)處理模式，此模式包含圖像增強(qiáng)和圖像分割的處理過程。

預(yù)處理后采集圖像的各種特征，如灰度值特征、邊緣特征以及缺陷特征，這些特征已經(jīng)相當(dāng)明顯。使用算法對圖像進(jìn)行處理，主要有一維和二維離散傅立葉變換（DFT）、快速傅立葉變換（FFT）、離散余弦變換（DCT）及其反變換函數(shù)，以及連續(xù)小波變換（CWT）、離散小波變換（DWT）及其反變換。

2 缺陷類型分析

本文以常見的TFT-LCD為例，TFT屏幕的缺陷，根據(jù)其表現(xiàn)形式不同，大致可分為宏觀型缺陷和微觀型缺陷。其中宏觀型缺陷，即Mura型缺陷主要表現(xiàn)為宏觀上的視覺差異；微觀型缺陷主要是由于TFT中的單個(gè)MOS管失效、損壞以及信號線電源線損壞導(dǎo)致像素顯示問題。

圖2為TFT屏幕的放大圖片。圖中黑色橫條是行電極，為電源線；黑色豎條為信號電極。

3 檢測算法

對宏觀缺陷的檢測只需進(jìn)行最簡單的灰度值分析和邊緣提取即可，對AOI設(shè)備精度要求不高。

當(dāng)缺陷為微觀缺陷時(shí)，TFT-LCD上的掃描電極和信號電極在掃描圖像中的顏色和暗點(diǎn)缺陷一致，將被當(dāng)作缺陷一并檢測出來，從而對檢測結(jié)果造成極大的干擾。

為了消除這種干擾，就需要將掃描電極和信號電極的圖像從掃描圖像中剔除。常用的有兩種方法，一種是模板匹配法，另一種是頻域?yàn)V波法。模板匹配法，將掃描所得的表面圖像和標(biāo)準(zhǔn)模板做精確對比，只要在對比過程中發(fā)現(xiàn)二者有不同之處，即判定檢測的產(chǎn)品不合格；頻域?yàn)V波法，由于模板匹配法對檢測環(huán)境要求非常高，所以課題組選取頻域?yàn)V波法作為檢測算法。

4 結(jié)果分析

以常見的TFT-LCD屏幕為檢測對象，課題組將圖像采集系統(tǒng)所抓取的圖像傳輸?shù)絍S1388圖像處理卡中進(jìn)行處理。

要檢測出單個(gè)像素點(diǎn)的缺陷，除了用灰度值的判定方法，寫入FPGA的檢測算法中最主要的是FFT處理運(yùn)算方法。掃描圖片中電源線和信號線有規(guī)則地排列著，灰度值較小，有可能會對缺陷檢測產(chǎn)生干擾。FFT運(yùn)算將灰度圖像由時(shí)域轉(zhuǎn)為頻域，再通過小波變換的濾波作用，將一些不必要的頻譜濾除，再轉(zhuǎn)化成時(shí)域狀態(tài)，以消除紋理的干擾。

5 結(jié)論

原理樣機(jī)的制作證明了在現(xiàn)有的條件下我國有能力完成相關(guān)技術(shù)樣品的研制，說明了技術(shù)的可行性。在實(shí)際應(yīng)用中會有許多特殊的情況，比如圖像采集時(shí)光照度不均勻，環(huán)境中的灰塵對掃描圖像的影響等。此外，載物臺上待檢測面板的運(yùn)動速度在實(shí)際生產(chǎn)中也是無法保證的。由于是氣浮平臺，面板跟相機(jī)鏡頭的垂直距離也是變化的，這些都會對采集圖像的均勻度產(chǎn)生影響。

針對以上情況，在實(shí)際檢測過程中，可以對整條檢測流水線進(jìn)行封閉式無塵化遮光處理，以避免光照和灰塵等外界雜物的影響。同時(shí)在檢測的算法中，加入一些濾波算法濾除前端干擾，在圖像采集和處理階段實(shí)施降噪處理，最大限度地保證缺陷檢測的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

[1]董軍，柴寶玉，田學(xué)彬.液晶顯示技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述 [J].西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，17（3）：102-104.

[2]盧銳，馬軍杰，曾明星.技術(shù)本土化、國際化與我國 TFT-LCD產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[J].科技與經(jīng)濟(jì)，2011，24（5）：1-5.

[3]陳榕庭，彭美桂.圖像傳感器基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

（作者單位：合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院）