IR46電能表液晶屏的壞點(diǎn)視覺檢測(cè)

姜咪慧，王黎欣，汪萬興

(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司營銷服務(wù)中心，杭州 311121；2.杭州德創(chuàng)電子股份有限公司，杭州 311121)

在惡劣的環(huán)境中，電能表液晶屏?xí)a(chǎn)生視覺缺陷，同時(shí)，電能表液晶屏的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，流水線工藝的差異也可能會(huì)造成液晶屏的缺陷，影響電能表的讀數(shù)，因此，如何檢測(cè)液晶屏的缺陷已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)[1-5]。

國外有關(guān)液晶顯示屏的研究起步較早，大多采用數(shù)字圖像處理的方法提取液晶屏內(nèi)出現(xiàn)的壞點(diǎn)區(qū)域，通過數(shù)值化處理圖像層構(gòu)建像素壞點(diǎn)的數(shù)值關(guān)系，搭建形成了適用于不同規(guī)格液晶屏的檢測(cè)平臺(tái)。而國內(nèi)起步較晚，劉望等[6]運(yùn)用了參數(shù)自適應(yīng)的檢測(cè)框架，通過提取屏幕區(qū)域、預(yù)處理、閾值分割以及壞點(diǎn)選擇過程，設(shè)定了適用于不同檢測(cè)環(huán)境的參數(shù)，并結(jié)合該參數(shù)，形成了多種壞點(diǎn)視覺檢測(cè)方法。袁玉英等[7]結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)處理技術(shù)以及數(shù)值化電能表液晶屏的特點(diǎn)，設(shè)定了電能表液晶屏顯示的閾值，優(yōu)化了壞點(diǎn)檢測(cè)過程。

電能表液晶屏內(nèi)存在明暗差異區(qū)域，會(huì)對(duì)壞點(diǎn)檢測(cè)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致檢測(cè)得到的壞點(diǎn)數(shù)量較少?，F(xiàn)投入使用的視覺檢測(cè)方法存在一定的優(yōu)化空間，為此，筆者設(shè)計(jì)了一種IR46電能表液晶屏壞點(diǎn)視覺檢測(cè)方法并進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。首先采用定量化處理方式變換液晶屏內(nèi)的像素點(diǎn)，運(yùn)用相關(guān)函數(shù)關(guān)聯(lián)處理灰度化的像素點(diǎn)，采用Harris角點(diǎn)提取像素點(diǎn)在液晶顯示屏內(nèi)產(chǎn)生的像素灰度偏移，配準(zhǔn)液晶屏內(nèi)的像素點(diǎn)；然后采用傅里葉變換數(shù)值關(guān)系，計(jì)算相位數(shù)值差，劃分光束范圍，控制約束其圖像的振幅截止頻率，使漏光區(qū)域最小，減少壞點(diǎn)檢測(cè)的干擾；再根據(jù)壞點(diǎn)目標(biāo)檢測(cè)回歸數(shù)值，構(gòu)建壞點(diǎn)檢測(cè)窗口；基于DOC原理構(gòu)建壞點(diǎn)檢測(cè)濾波器模型，對(duì)傅里葉變換后的圖像進(jìn)行壞點(diǎn)濾波，完成壞點(diǎn)視覺檢測(cè)。

1 IR46電能表液晶屏的壞點(diǎn)視覺檢測(cè)方法

1.1 配準(zhǔn)IR46電能表液晶屏像素點(diǎn)

將IR46電能表內(nèi)的液晶屏處理過程視為空間范圍內(nèi)的二維矩陣，采用定量化處理方式變換液晶屏內(nèi)的像素點(diǎn)，處理過程可表示為

(1)

式中：I(x,y)為定量變化處理函數(shù)；f(x,y)為二維矩陣內(nèi)的液晶屏像素點(diǎn)；g為像素點(diǎn)輻射關(guān)系；I1為液晶屏內(nèi)的線性數(shù)值變換關(guān)系。

將以上述數(shù)值化后的像素點(diǎn)作為處理對(duì)象[8-9]，在配準(zhǔn)處理前，將數(shù)值化的像素點(diǎn)轉(zhuǎn)換為灰度直方圖的形式，并運(yùn)用相關(guān)函數(shù)關(guān)聯(lián)處理灰度化的像素點(diǎn)，處理過程可表示為

(2)

式中：t為構(gòu)建的處理函數(shù)；G為液晶屏的像素點(diǎn)樣本；l為液晶屏內(nèi)的子區(qū)域[10]；lw為液晶屏的特征維度。

為了控制灰度處理后像素點(diǎn)灰度的精度，采用Harris角點(diǎn)提取像素點(diǎn)在液晶顯示屏內(nèi)產(chǎn)生的像素灰度偏移，其數(shù)值關(guān)系可表示為

(3)

式中：E(t)為提取得到的像素灰度偏移；W(x,y)為設(shè)定的提取窗口。

根據(jù)上述計(jì)算得到的偏移參數(shù)可知，液晶屏可配準(zhǔn)的區(qū)域邊框?yàn)榫匦?，此時(shí)可將該邊緣處的灰度定義為0，像素點(diǎn)的配準(zhǔn)過程可表示為[11]

(4)

式中：M(x,y)為配準(zhǔn)處理的像素點(diǎn)函數(shù)；A(i,j)為增加了偏移量的像素灰度數(shù)值。

為了增強(qiáng)液晶屏內(nèi)像素點(diǎn)配準(zhǔn)的自適應(yīng)性[12]，在上述數(shù)值關(guān)系內(nèi)設(shè)定一個(gè)灰度差閾值，閾值數(shù)值關(guān)系可表示為

|H(x,y)|≥F

(5)

式中：H(x,y)為含有灰度差的像素點(diǎn)樣本;F為設(shè)定的自適應(yīng)閾值。

以設(shè)定的閾值數(shù)值關(guān)系作為限制，配準(zhǔn)液晶屏內(nèi)的像素點(diǎn)后，劃分液晶屏內(nèi)視覺光束分束。

1.2 劃分液晶屏內(nèi)視覺光束分束

經(jīng)配準(zhǔn)處理的像素點(diǎn)有著特殊的相位分布，在光波調(diào)制后，其內(nèi)部像素點(diǎn)衍射形成陣列形式的光束，在電能表已知衍射輸出參數(shù)的控制下，電能表液晶顯示屏在不同的振幅分布下，會(huì)產(chǎn)生光暗分布不均勻的現(xiàn)象，故采用傅里葉變換數(shù)值關(guān)系處理配準(zhǔn)得到的像素點(diǎn)，處理過程可表示為

(6)

式中：Aout(i,j)為傅里葉輸出的像素?cái)?shù)值關(guān)系；A(fx,fy)表示振幅空間調(diào)制下的像素點(diǎn)。

統(tǒng)一液晶屏內(nèi)的光束分布后，點(diǎn)陣液晶屏像素點(diǎn)的識(shí)別需要分辨率不低于300萬像素的相機(jī)，因此，筆者選擇了1 000萬像素的相機(jī)，并設(shè)定液晶屏的光振幅數(shù)值，以像素點(diǎn)光點(diǎn)的相位數(shù)值差，調(diào)制液晶屏內(nèi)的光束，計(jì)算得到的相位數(shù)值差可表示為

(7)

式中：Pk(x,y)為計(jì)算得到的相位數(shù)值差；Pi(x,y)為液晶屏的光振幅數(shù)值。

對(duì)應(yīng)形成的數(shù)值差，劃分光束分束過程示意如圖1所示。

圖1 劃分光束分束過程示意

基于圖1所示的劃分光束分束過程，在預(yù)設(shè)的光束范圍內(nèi)[13]，控制其截止頻率，形成一個(gè)約束數(shù)值關(guān)系后，構(gòu)建壞點(diǎn)視覺檢測(cè)過程。

1.3 實(shí)現(xiàn)壞點(diǎn)檢測(cè)

1.3.1 構(gòu)建壞點(diǎn)檢測(cè)窗口

為了更清晰地標(biāo)定壞點(diǎn)，在壞點(diǎn)檢測(cè)前需要在得到的分束光檢測(cè)區(qū)域內(nèi)構(gòu)建壞點(diǎn)檢測(cè)窗口。

以上節(jié)計(jì)算得到的相位數(shù)值差作為支持系數(shù)，求壞點(diǎn)檢測(cè)回歸數(shù)值，該數(shù)值關(guān)系可表示為

(8)

式中：tw為計(jì)算得到的壞點(diǎn)檢測(cè)回歸數(shù)值；Gw為向量映射函數(shù)。

對(duì)應(yīng)上述計(jì)算得到的不同大小的檢測(cè)回歸系數(shù)，基于回歸系數(shù)采用R-CNN算法構(gòu)建壞點(diǎn)檢測(cè)窗口，形成的檢測(cè)窗口如圖2所示。

圖2 構(gòu)建形成的壞點(diǎn)檢測(cè)窗口示意

為了控制壞點(diǎn)檢測(cè)窗口的誤差，定義壞點(diǎn)產(chǎn)生的位置回歸，根據(jù)位置回歸系數(shù)的數(shù)值，決定壞點(diǎn)檢測(cè)窗口的尺寸。

1.3.2 采用DOG濾波器檢測(cè)像素壞點(diǎn)

壞點(diǎn)的特征為圖像顏色發(fā)生突變,因此可以采用效用較好的DOG(高斯差分)算法作為濾波器，根據(jù)圖像的顏色特征，在檢測(cè)窗口內(nèi)檢測(cè)壞點(diǎn)。

在DOG算法中，設(shè)待檢測(cè)圖像為f(x,y)，轉(zhuǎn)換為高斯函數(shù)的表達(dá)式，即

(9)

式中：σ為高斯核函數(shù)的寬度。

將核寬度分別為σ1和σ2的高斯函數(shù)卷積處理得到高斯差分圖像公式，再將式(9)代入，得到DOG算子，即

(10)

DOG算子根據(jù)σ1和σ2構(gòu)成多種帶通濾波器，當(dāng)帶通頻率與像素壞點(diǎn)邊緣頻率一致時(shí)，這些邊緣被較強(qiáng)地突出，同時(shí)灰度調(diào)節(jié)抑制了背景顏色，從而能夠?qū)崿F(xiàn)壞點(diǎn)檢測(cè)。

基于該原理進(jìn)行壞點(diǎn)檢測(cè)，將上節(jié)獲得的檢測(cè)窗口灰度化，根據(jù)窗口尺寸優(yōu)化傅里葉變換速度，圖像由f(x,y)傅里葉變換為F(μ,ν)。

采用2個(gè)高斯濾波器根據(jù)公式(10)構(gòu)建檢測(cè)圖像頻域中的DOG算子D(μ,ν,σ1,σ2)，得到濾波器模型

G12(μ,ν)=D(μ,ν,σ1,σ2)F(μ,ν)

(11)

采用濾波器模型對(duì)傅里葉變換后的圖像F(μ,ν)進(jìn)行壞點(diǎn)濾波，并對(duì)濾波后的圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，根據(jù)相位數(shù)值差設(shè)定最大灰度值，突變的像素壞點(diǎn)區(qū)域顏色凸起，從原圖像中被分割出來，以此標(biāo)定液晶屏內(nèi)的壞點(diǎn)。

2 檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 設(shè)定電能表參比條件和測(cè)量?jī)x器參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)備為最新版的有功準(zhǔn)確度等級(jí)、基波有功準(zhǔn)確度等級(jí)均為A級(jí)的新型IR46電能表，在規(guī)定的電流工作范圍內(nèi)，為了控制電能表液晶屏在不同試驗(yàn)環(huán)境下產(chǎn)生的參數(shù)誤差，統(tǒng)一設(shè)定電能表的參比環(huán)境，設(shè)定的參比環(huán)境參數(shù)如表1所示。

在表1的參比環(huán)境下，設(shè)定電能表的工作溫度為-25℃～55℃，并在通用的模組環(huán)境內(nèi)工作。

表1 設(shè)定的參比環(huán)境參數(shù)

電能表的機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)試完畢后，采用中型LCD(液晶顯示器)和LCM(液晶模塊)光學(xué)測(cè)量?jī)x測(cè)試屏幕壞點(diǎn)。中型LCD和LCM光學(xué)測(cè)量?jī)x參數(shù)如表2所示。

表2 中型LCD和LCM光學(xué)測(cè)量?jī)x參數(shù)

2.2 提取視覺壞點(diǎn)

在IR46電能表的液晶屏內(nèi)，液晶屏可配準(zhǔn)區(qū)域邊緣處的灰度為0，通過式(5)計(jì)算得灰度差閾值為0.7，以設(shè)定的閾值數(shù)值關(guān)系作為限制，配準(zhǔn)液晶屏內(nèi)的像素點(diǎn)后，定義三原色的顏色坐標(biāo)范圍。根據(jù)電能表的像素允許偏差，定義坐標(biāo)0.05的間隔。定義的液晶屏三原色坐標(biāo)范圍如圖3所示。

圖3 定義的液晶屏三原色坐標(biāo)范圍

根據(jù)圖3定義的液晶屏三原色坐標(biāo)范圍，為了控制坐標(biāo)范圍內(nèi)液晶屏亮度的均勻性，在設(shè)定的單位坐標(biāo)范圍內(nèi)，將液晶屏內(nèi)的視覺塊轉(zhuǎn)換為UV(紋理貼圖坐標(biāo))色坐標(biāo)，轉(zhuǎn)換過程可表示為

(12)

式中：ui和vi分別為二維橫、縱坐標(biāo)；Xi,Yi分別為液晶屏三原色坐標(biāo)；R、G、B分別為液晶屏內(nèi)的三原色參數(shù)；U為引用的均勻參數(shù)。

根據(jù)上述整理得到的數(shù)值關(guān)系，當(dāng)UV色坐標(biāo)參數(shù)為負(fù)數(shù)時(shí)，則表示該視覺塊為壞點(diǎn)，最終提取得到的液晶屏壞點(diǎn)圖像如圖4所示。

圖4 提取得到的液晶屏壞點(diǎn)圖像

以圖4提取得到的屏幕壞點(diǎn)作為視覺檢測(cè)對(duì)象，數(shù)值化處理液晶屏內(nèi)存在的壞點(diǎn)，量化液晶屏中缺陷點(diǎn)的對(duì)比度，量化處理過程可表示為

Ba=c×(T0/Im)

(13)

式中：Ba為構(gòu)建的量化函數(shù)；c為液晶屏壞點(diǎn)的對(duì)比度均值；T0為缺陷點(diǎn)的數(shù)量；Im為液晶屏的大小。

量化提取到的液晶屏壞點(diǎn)后，采用文獻(xiàn)[6]、文獻(xiàn)[7]的方法以及所設(shè)計(jì)的視覺檢測(cè)方法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)應(yīng)選用相同的測(cè)試指標(biāo)，對(duì)比不同視覺檢測(cè)方法的性能。

2.3 性能測(cè)試

在采用上述3種視覺檢測(cè)方法獲取視覺壞點(diǎn)后，為了控制獲取壞點(diǎn)區(qū)域邊界對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，采用閾值二值化處理量化后的液晶屏壞點(diǎn)圖像，處理過程可表示為

(14)

式中：g(i,j)為構(gòu)建形成的二值化函數(shù)；f(i,j)為液晶屏壞點(diǎn)圖像；T為閾值。

處理完畢后，以設(shè)定的參比環(huán)境參數(shù)作為提取得到的液晶屏寬頻固定參數(shù)。設(shè)液晶屏尺寸為d×h(長(zhǎng)×寬)，在該參數(shù)的控制下，計(jì)算3種視覺檢測(cè)方法產(chǎn)生的漏光區(qū)域，數(shù)值關(guān)系可表示為

(15)

式中：S為計(jì)算得到的漏光區(qū)域；P為電能表使用環(huán)境的大氣壓；D0為液晶屏內(nèi)斜面銳化參數(shù)；q1為電能表的畸變參數(shù)。

對(duì)應(yīng)上述計(jì)算得到的漏光區(qū)域數(shù)值，最終3種視覺檢測(cè)方法檢測(cè)得到的漏光區(qū)域如圖5所示。

圖5 3種視覺檢測(cè)方法得到的漏光區(qū)域示意

對(duì)應(yīng)上述設(shè)定的漏光區(qū)域數(shù)值關(guān)系，規(guī)定3種視覺檢測(cè)方法處理相同數(shù)值的壞點(diǎn)檢測(cè)區(qū)域。已知液晶屏幕內(nèi)分布著均勻的液晶屏光點(diǎn)，當(dāng)檢測(cè)得到的漏光區(qū)域越大，漏光區(qū)域與實(shí)際產(chǎn)生的光度壞點(diǎn)產(chǎn)生重合，對(duì)最終壞點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生了干擾。由圖5可知，文獻(xiàn)[6]的方法實(shí)際產(chǎn)生的漏光區(qū)域最大，實(shí)際對(duì)壞點(diǎn)視覺檢測(cè)產(chǎn)生的干擾最大。文獻(xiàn)[7]方法產(chǎn)生的漏光區(qū)域較小，對(duì)實(shí)際視覺檢測(cè)產(chǎn)生的干擾較小。筆者設(shè)計(jì)的視覺檢測(cè)方法產(chǎn)生的漏光區(qū)域最小，實(shí)際對(duì)壞點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生的干擾最小。

根據(jù)上述檢測(cè)結(jié)果，將計(jì)算得到的漏光區(qū)域作為壞點(diǎn)檢測(cè)的算子，利用梯度圖處理方法整理3種方法的檢測(cè)結(jié)果，其結(jié)果如圖6所示，實(shí)際壞點(diǎn)分布如圖7所示。

圖6 3種視覺檢測(cè)方法的壞點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果

圖7 實(shí)際壞點(diǎn)分布

由圖6，7可知，受上述檢測(cè)得到的漏光區(qū)域的影響，3種視覺檢測(cè)方法表現(xiàn)出了不同的壞點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果。文獻(xiàn)[6]方法檢測(cè)得到的壞點(diǎn)較多，且在大漏光區(qū)域的影響下，檢測(cè)得到的壞點(diǎn)數(shù)量過多，在液晶屏的邊緣產(chǎn)生了面積較大的壞點(diǎn)，實(shí)際檢測(cè)效果不佳。文獻(xiàn)[7]方法產(chǎn)生的壞點(diǎn)數(shù)量較少，小于實(shí)際采集得到的標(biāo)準(zhǔn)壞點(diǎn)數(shù)量，檢測(cè)效果亦不佳。筆者所設(shè)計(jì)的視覺檢測(cè)方法得到的壞點(diǎn)數(shù)量與采集得到的實(shí)際壞點(diǎn)結(jié)果相差不大，與其他視覺檢測(cè)方法相比，其檢測(cè)結(jié)果最準(zhǔn)確。

3 結(jié)語

針對(duì)電能表液晶屏內(nèi)產(chǎn)生的壞點(diǎn)，在空間范圍內(nèi)的二維矩陣中，采用傅里葉變換數(shù)值關(guān)系處理配準(zhǔn)得到的像素點(diǎn)，構(gòu)建壞點(diǎn)檢測(cè)窗口，基于DOC原理構(gòu)建壞點(diǎn)檢測(cè)濾波器模型，完成圖像的壞點(diǎn)視覺檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，構(gòu)建的壞點(diǎn)視覺檢測(cè)方法，能夠改善現(xiàn)有視覺檢測(cè)方法存在的不足，為液晶屏設(shè)計(jì)提供了理論支持與實(shí)際應(yīng)用依據(jù)。