電能計(jì)量中端液晶顯示屏檢測(cè)方法及裝置研究

劉堅(jiān)雄

[摘 ? ?要]液晶屏是現(xiàn)代生活中比較重要的一個(gè)科技成果，在人們的日常生活中基本上處處都能用到它，不論是手機(jī)、電腦、電視還是大的顯示屏等，都是需要液晶屏，而液晶屏的檢測(cè)問(wèn)題也成了一直以來(lái)人們重點(diǎn)討論的問(wèn)題。文章針對(duì)電能中端液晶顯示屏的檢測(cè)，提出了一套較為有效的方法，在應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)和圖像處理技術(shù)方面提出了一種自動(dòng)檢測(cè)的解決方案，用于顯示屏自動(dòng)化檢測(cè)當(dāng)中。

[關(guān)鍵詞]液晶顯示屏;自動(dòng)檢測(cè);研究

[中圖分類號(hào)]TP391.41 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）03–0–03

Research on the Detection Method and Device of the Middle-end

Liquid Crystal Display Screen of Electric Energy Metering

Liu Jian-xiong

[Abstract]LCD screen is a relatively important scientific and technological achievement in modern life. It can be used basically everywhere in people's daily life， whether it is mobile phone， computer， TV or large display screen， etc.， all need LCD screen ， and the detection of LCD screens has also become a problem that people have been focusing on discussing. For the detection of mid-range LCD screens in electric power， a more effective method is proposed， and corresponding machine vision and image processing technologies are put forward. An automatic detection solution for display screen automatic detection.

[Keywords]liquid crystal display;automatic detection;research

針對(duì)液晶屏的檢測(cè)問(wèn)題，本文基于應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)和圖像處理技術(shù)提出了一套自動(dòng)化檢測(cè)的設(shè)計(jì)構(gòu)想，本文根據(jù)此設(shè)想設(shè)計(jì)了一套液晶屏顯示裝置，實(shí)現(xiàn)了電能終端液晶顯示裝置最后顯示的內(nèi)容的自動(dòng)采集和判斷，經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)查證，該裝置的錯(cuò)誤率極低，效果較好，能達(dá)到檢測(cè)要求，提高檢測(cè)效率。

電能計(jì)量終端顯示器在智能電網(wǎng)中起著非常重要的作用，它是智能電網(wǎng)的重要組成部分。電網(wǎng)運(yùn)行中的信息要靠計(jì)量終端完成采集，所以它的作用不容小覷，隨著計(jì)量自動(dòng)化的成功建設(shè)，電能計(jì)量終端已經(jīng)被大規(guī)模的采用，而液晶顯示屏是這里面非常重要的部件，是不可或缺的，液晶顯示屏是否完好關(guān)系到終端數(shù)據(jù)是否可以正常地顯示數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)維操作。

1 電能計(jì)量裝置常見(jiàn)故障分析

1.1 技術(shù)方面原因

一般在應(yīng)用計(jì)量工作前，應(yīng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的性能測(cè)試，配置達(dá)到要求后才能進(jìn)行后續(xù)工作。如果整個(gè)工作室以雙向流量負(fù)荷為主要環(huán)境，則需要選擇雙向計(jì)量設(shè)備進(jìn)行安裝。在技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，工作人員必須嚴(yán)格遵守相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，稍有不慎都不能有效保證最終測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，并且會(huì)出現(xiàn)明顯的誤差。不僅如此，在測(cè)量工作的管理過(guò)程中，還要準(zhǔn)確控制其安裝位置。如果在設(shè)備安裝的過(guò)程中忽略了電能諧波裝置的存在，沒(méi)有足夠的空間用來(lái)放置該設(shè)備，也會(huì)導(dǎo)致最終的計(jì)量精度受到影響。

1.2 受裝置故障影響

電能計(jì)量裝置在投入使用前雖已通過(guò)相應(yīng)的驗(yàn)收，但其性能并非一成不變。隨著工作環(huán)境的變化，電能計(jì)量裝置的使用壽命和性能會(huì)有一定程度的下降，這是不可避免的。此外，工作人員沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行有效的維護(hù)和管理，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)故障，對(duì)后續(xù)工作產(chǎn)生了較為不利的影響。例如，電能計(jì)量裝置的常見(jiàn)故障大多集中在電能表或電路問(wèn)題上。出現(xiàn)問(wèn)題的根本原因是設(shè)備的零件性能下降，老化嚴(yán)重，工作人員在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)過(guò)程中會(huì)受到一定程度的影響。

1.3 受外界干擾影響

電能計(jì)量裝置的本質(zhì)是電子設(shè)備，在日常應(yīng)用過(guò)程中，外界產(chǎn)生的電磁波或磁場(chǎng)會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定程度的影響，導(dǎo)致測(cè)量精度出現(xiàn)誤差。由于電能計(jì)量裝置本身所涉及的環(huán)境應(yīng)用的高度復(fù)雜性，在管理過(guò)程中很容易受到外界因素的干擾和影響。在這種背景下，不僅會(huì)導(dǎo)致無(wú)法有效保證設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量，縮短設(shè)備的使用壽命，而且還會(huì)產(chǎn)生明顯的功率損耗問(wèn)題，從而導(dǎo)致最終的效果并不令人滿意。

2 液晶顯示屏常見(jiàn)的問(wèn)題

2.1 顯示屏變暗

液晶顯示屏使用的時(shí)間久了后經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)顯示屏變暗的問(wèn)題，因?yàn)橐壕э@示屏是非常消耗照明燈泡的，而照明燈泡從液晶顯示屏表面無(wú)法很好地被觀察到，所以無(wú)法及時(shí)作出更換和維修，在長(zhǎng)期使用液晶屏后不可避免地發(fā)現(xiàn)液晶屏?xí)嬖谧儼瞪踔敛荒茱@示圖像的狀況，一般這種情況大多數(shù)是由燈泡老化所致。

2.2 液晶屏顯示異常

在設(shè)備正常的情況下，設(shè)備的液晶屏是可以正常顯示畫面的，也可以隨著設(shè)定的更改進(jìn)行顯示，根據(jù)設(shè)置和拍攝的改變顯示器也可以做出相應(yīng)的反應(yīng)，例如通電后液晶顯示器能正常顯示出使用者所需的內(nèi)容，但有些時(shí)候顯示屏則會(huì)出現(xiàn)異常情況，如出現(xiàn)“顯示異?！钡木婊蛘叱霈F(xiàn)不能完整顯示畫面等情況，大多數(shù)情況是由于電池電量不足或者接觸不良導(dǎo)致的，也有可能因?yàn)槠渌驅(qū)е略搯?wèn)題。

2.3 液晶屏出現(xiàn)黑斑

液晶屏出現(xiàn)黑斑也是較為常見(jiàn)的液晶顯示器的問(wèn)題，這種情況一般是由外力所致，如果外力按壓則非常容易導(dǎo)致液晶屏出現(xiàn)黑斑，這是因?yàn)樵谕饬Φ臄D壓下，液晶顯示面板中的偏振片會(huì)變形，這個(gè)偏振片在凹進(jìn)去以后并不會(huì)主動(dòng)還原，這樣就會(huì)造成液晶屏在光的反射下形成黑斑，在反光時(shí)存在差異。

2.4 顯示內(nèi)容不符合要求

在顯示數(shù)據(jù)的時(shí)候，電能計(jì)量中端液晶顯示屏?xí)嬖陲@示的數(shù)據(jù)內(nèi)容格式不符合要求的情況，例如格式不對(duì)、行間距過(guò)大與要求不符合的情況，這種情況則需要借助相關(guān)的技術(shù)手段進(jìn)行自主調(diào)試并改進(jìn)，首先要對(duì)電能計(jì)量終端液晶顯示屏進(jìn)行準(zhǔn)確的自主檢測(cè)，并且具有針對(duì)性地進(jìn)行改變和優(yōu)化，讓之后的內(nèi)容輸出更加準(zhǔn)確無(wú)誤。

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)研究

本文針對(duì)上述問(wèn)題設(shè)計(jì)出了一套可以自主檢驗(yàn)并調(diào)控的系統(tǒng)裝置。

3.1 光源設(shè)計(jì)的改進(jìn)

LED燈光一般情況下都可以長(zhǎng)期使用并且在使用期間具有較高的穩(wěn)定性，也正是因?yàn)檫@個(gè)特征使得它在機(jī)器光源的設(shè)計(jì)過(guò)程中也被很多設(shè)計(jì)師使用。電能終端液晶顯示屏檢測(cè)結(jié)構(gòu)是在電能計(jì)量終端液晶屏的前方放置1個(gè)透明的塑料片，而在塑料片的正前方放置1臺(tái)攝像機(jī)，在電能終端液晶屏內(nèi)部嵌入1塊用來(lái)更好成像的透明塑料片，就形成了這樣一個(gè)視角非常好的觀察窗用來(lái)觀測(cè)被監(jiān)察物體，而攝像拍攝的時(shí)候需要透過(guò)塑料片才能更好地觀察液晶屏，更好地監(jiān)測(cè)電能終端液晶屏的狀況。在使用電能終端液晶屏的時(shí)候，會(huì)有以下幾種常見(jiàn)的光源，例如同軸光源、環(huán)形光源等光源，接下來(lái)本文將對(duì)這幾種典型光源的采集效果進(jìn)行細(xì)致的分析。

（1）同軸光源。同軸光源是光源的照明光線與攝像機(jī)的鏡頭是在同軸，這種照明方式為檢測(cè)提供了更加均勻的光源條件，常用于反射性較強(qiáng)的平面物體中，例如金屬、玻璃等表面非常光滑的痕跡檢測(cè)中。同軸光源在攝像機(jī)采集下的圖像行像可以看到，由于在中端的觀察窗上透明塑料片的反射發(fā)揮了作用，導(dǎo)致了采集圖像的反光非常嚴(yán)重，呈現(xiàn)一片白色（圖1所示），所以無(wú)法分辨液晶屏的顯示內(nèi)容。

（2）環(huán)形光源。環(huán)形光源的排列特點(diǎn)是多顆LED按圓周的排列順序排列，這種有順序的排列方式，可以讓陽(yáng)光照射的光線向內(nèi)匯聚，本文涉及的這種光照方式，可以更加突出被觀察物體表面的高度變化，以檢測(cè)邊緣是否存在有瑕疵的物體。

由于終端面板上的鍵盤與液晶顯示屏距離相對(duì)較近，設(shè)計(jì)者為了避免互相高干擾，所以限制了環(huán)形光源的直徑設(shè)計(jì)，在環(huán)形光源的攝像機(jī)采集的成像圖中，由于透明塑料片與顯示屏出現(xiàn)了雙重反射的現(xiàn)象，出現(xiàn)了非常強(qiáng)烈的反射光線（圖2所示），難以分辨液晶屏的顯示內(nèi)容。

（3）自制光源。本文設(shè)計(jì)了一種自制的光源，這種光源的LED在液晶屏的上下兩端對(duì)稱分布若干個(gè)，在兩排LED陣列中由于LED的入射角相對(duì)較大，所以反射光線不會(huì)直接進(jìn)入攝像機(jī)，因此不影響采集圖像的質(zhì)量和成像效果。圖3為自制光源設(shè)計(jì)圖。

3.2 圖像預(yù)處理分析

攝像機(jī)在檢測(cè)和采集圖像的過(guò)程中，絕大多數(shù)情況下攝像機(jī)始終固定并且終端始終處于固定值，這也保證了在采集圖像的過(guò)程中圖像基本不會(huì)畸變，但是該方式仍然存在著一定的限制，其中受光照不均以及背景噪音的影響，圖像也極易產(chǎn)生灰度不均的情況，需要進(jìn)行濾波和二值化的處理來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

設(shè)計(jì)均值濾波的目的在于更好地減少噪聲，所以在均值濾波中一般以領(lǐng)域平均值作為像素的灰度值。

在公式中所用的二值化處理是用灰度閾值T將圖像劃分為目標(biāo)和背景兩類。本文采用最大類間方差（OSTU）6-7進(jìn)行二值化處理。

3.3 圖像識(shí)別設(shè)計(jì)

在電能計(jì)量終端液晶屏的檢測(cè)中，液晶屏的中行邊界所對(duì)應(yīng)的是Hy中的波谷位置，而Hx是對(duì)應(yīng)字符列間中的波谷位置，基于這個(gè)公式算法可以將顯示在液晶屏中的文字進(jìn)行準(zhǔn)確定位。更改后文字的處理效果非常明顯，字符之間的行間間隔相比與之前更加明顯，定位更加準(zhǔn)確不再雜亂，一些字符間的間隙原有的不清晰和列間定位效果較差的狀況得到了良好的改善。

在對(duì)電能計(jì)量終端液晶顯示屏檢測(cè)的過(guò)程中，為了更加準(zhǔn)確地識(shí)別電腦網(wǎng)計(jì)量終端液晶屏中顯示的內(nèi)容，在測(cè)試之前我們首先需要先對(duì)電能計(jì)量終端顯示屏中的圖像中的液晶屏進(jìn)行準(zhǔn)確的定位處理。電能計(jì)算中端液晶屏中每個(gè)體現(xiàn)在屏幕上的漢字都是為16×16的點(diǎn)陣，因此本文利用字符的行間間隔造成的水平投影空隙，準(zhǔn)確地確定了行邊界;然后再利用字符列間間隔造成的垂直投影空隙，確定列的邊界。最后根據(jù)行列邊界準(zhǔn)確定位液晶屏。

模板匹配是圖像識(shí)別的基本方法之一，基于歐式距離計(jì)算待識(shí)別圖像f和模板T匹配度的公式如下所示。

上式計(jì)算量大、速度慢，因此本文采用了更加適合的基于矢量的匹配算法，如下式。

在電能計(jì)量中端液晶顯示屏的檢測(cè)方式中，這個(gè)方法根據(jù)行定位結(jié)果，有效地將預(yù)處理后的液晶屏圖像劃分成為多張行圖像，再將每張行圖像與模板匹配運(yùn)算，以此提高模板匹配的計(jì)算速度。這個(gè)檢測(cè)方法同時(shí)還有利于更加準(zhǔn)確定位液晶屏的問(wèn)題區(qū)域，并且加以改善。

3.4 監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的電能計(jì)量終端液晶顯示屏檢測(cè)裝置由攝像機(jī)、光源、控制系統(tǒng)、支架、底座、操作面板等組成。

電能計(jì)量終端顯示液晶屏中用來(lái)檢測(cè)的攝像機(jī)通常采用的是工業(yè)攝像機(jī)，這種相機(jī)采集圖像的方式是通過(guò)支架固定于被測(cè)試的終端正上方。在實(shí)驗(yàn)電能計(jì)量終端液晶顯示屏檢測(cè)時(shí)LED光源被安裝于攝像機(jī)的兩側(cè)，采用這種排列的方式的目的是為采集圖像提供均勻照明。而測(cè)試的控制系統(tǒng)位于底座之內(nèi)，負(fù)責(zé)控制圖像采集過(guò)程與圖像分析處理工作。操作面板為運(yùn)維人員提供交互界面。

在測(cè)試中，首先將被用于電能計(jì)量終端液晶顯示屏測(cè)試的終端放入檢測(cè)裝置中，通過(guò)頂針壓接機(jī)構(gòu)為終端供電。然后再控制系統(tǒng)通過(guò)指令要求被測(cè)試的終端顯示指定頁(yè)面，隨后使用攝像機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行采集，控制系統(tǒng)根據(jù)上文介紹的方法分析圖像內(nèi)容，判斷液晶屏顯示內(nèi)容是否與模板一致。若被測(cè)試的終端具備多個(gè)顯示頁(yè)面，則控制系統(tǒng)命令終端依次翻屏，再逐一比對(duì)采集的圖像，最后壓接機(jī)構(gòu)退出，終端斷電檢測(cè)結(jié)束。

4 結(jié)論

目前終端液晶顯示屏檢測(cè)方法面臨以下的挑戰(zhàn)：第一大挑戰(zhàn)是對(duì)于光源的選擇和設(shè)計(jì)問(wèn)題。對(duì)液晶顯示屏的檢測(cè)是通過(guò)圖像分析方法實(shí)現(xiàn)的，由于塑料面板的反射作用，不同的光源設(shè)計(jì)將影響圖像質(zhì)量及圖像處理結(jié)果。第二大挑戰(zhàn)是液晶屏圖像預(yù)處理技術(shù)還不成熟，在采集圖像信息的時(shí)候非常容易受到噪聲的干擾，所以下一步仍然需要對(duì)圖像進(jìn)行二值化、文字定位等處理。第三大挑戰(zhàn)是顯示內(nèi)容自動(dòng)識(shí)別技術(shù)存在的問(wèn)題。在檢測(cè)的時(shí)候?yàn)榱烁訙?zhǔn)確地判斷液晶屏顯示內(nèi)容、格式是否符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，需要自動(dòng)識(shí)別液晶屏圖像中的文字信息。

本文提出的檢測(cè)方法在光源設(shè)計(jì)、圖像預(yù)處理和自動(dòng)識(shí)別等方面做了較為明顯的改進(jìn)，在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的研究中可以明顯地看到這種新的檢測(cè)方式有效提高了液晶屏的檢測(cè)準(zhǔn)確性。為了進(jìn)一步提高檢測(cè)效率，今后可研究多臺(tái)終端同步檢測(cè)技術(shù)，研制更適合于省級(jí)電網(wǎng)公司電能計(jì)量終端集中檢定的檢測(cè)裝置。

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