基于VS1388圖像采集卡的自動光學檢測技術

湯捷 李少華

摘 要：目前，自動光學檢測技術已經在TFT-LCD制造、軋鋼、印染等行業有了廣泛的應用，其正朝著檢測高速化、分辨率微小化、處理智能化和結構模塊化的方向發展。基于VS1388圖像采集卡的自動光學檢測，技術核心在于大范圍高精度三維顯微成像的實現，以及基于工控PC的多處理器并行圖像高速預處理和高級圖像處理算法（主要是FFT和圖像分割）的研究。

關鍵詞：VS1388采集卡；自動光學檢測技術；FFT算法；圖像分割

0 引言

自動光學檢測（AOI）技術，即采用光學成像技術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的位置、尺寸、結構和光譜特征等信息，從而執行產品缺陷檢測、流水線上的零部件鑒定和定位等任務。

近年來，隨著半導體、液晶面板、PCB印刷、光通信以及精密組裝等新興產業的興起，AOI技術的發展也十分迅猛。但就目前來講，國內大多數企業使用的AOI設備，是購自國外的。其價格昂貴，維護保養困難，使企業迫于成本壓力。無法擴大生產規模。即使國外雖然出售，但技術上也有所保留 [1，2]。

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

1 系統基本架構及原理

VS1388自動光學檢測設備由相機、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是由工業相機和LED光源組成的圖像采集系統結構圖。

系統采集完成對待測物體表面圖像的采集，在VS1388圖像卡上對圖像進行預處理后，利用檢測算法對圖像進行分析，最后顯示檢測結果。

成像系統獲取的原始圖像由于受到條件限制和隨機干擾，必須對其進行增強、圖像分割等預處理。在此，在VS1388缺陷檢測系統的前端放置了一個預處理模式，此模式包含圖像增強和圖像分割的處理過程。

預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，這些特征已經相當明顯。使用算法對圖像進行處理，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，以及連續小波變換（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，根據其表現形式不同，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型缺陷主要表現為宏觀上的視覺差異；微觀型缺陷主要是由于TFT中的單個MOS管失效、損壞以及信號線電源線損壞導致像素顯示問題。

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行最簡單的灰度值分析和邊緣提取即可，對AOI設備精度要求不高。

當缺陷為微觀缺陷時，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缺陷一致，將被當作缺陷一并檢測出來，從而對檢測結果造成極大的干擾。

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，另一種是頻域濾波法。模板匹配法，將掃描所得的表面圖像和標準模板做精確對比，只要在對比過程中發現二者有不同之處，即判定檢測的產品不合格；頻域濾波法，由于模板匹配法對檢測環境要求非常高，所以課題組選取頻域濾波法作為檢測算法。

4 結果分析

以常見的TFT-LCD屏幕為檢測對象，課題組將圖像采集系統所抓取的圖像傳輸到VS1388圖像處理卡中進行處理。

要檢測出單個像素點的缺陷，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處理運算方法。掃描圖片中電源線和信號線有規則地排列著，灰度值較小，有可能會對缺陷檢測產生干擾。FFT運算將灰度圖像由時域轉為頻域，再通過小波變換的濾波作用，將一些不必要的頻譜濾除，再轉化成時域狀態，以消除紋理的干擾。

5 結論

原理樣機的制作證明了在現有的條件下我國有能力完成相關技術樣品的研制，說明了技術的可行性。在實際應用中會有許多特殊的情況，比如圖像采集時光照度不均勻，環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動速度在實際生產中也是無法保證的。由于是氣浮平臺，面板跟相機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生影響。

針對以上情況，在實際檢測過程中，可以對整條檢測流水線進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施降噪處理，最大限度地保證缺陷檢測的準確性。

參考文獻

[1]董軍，柴寶玉，田學彬.液晶顯示技術產業發展概述 [J].西安郵電學院學報，2012，17（3）：102-104.

[2]盧銳，馬軍杰，曾明星.技術本土化、國際化與我國 TFT-LCD產業的發展[J].科技與經濟，2011，24（5）：1-5.

[3]陳榕庭，彭美桂.圖像傳感器基礎與應用[M].北京：科學出版社，2006.

（作者單位：合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院）