基于機器視覺的空調顯示器智能檢測技術研究

黃鴻發，梁小玲，范有權，申 飛，陳玉雄

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519000）

0 引言

隨著空調行業的快速發展，市場競爭日益加劇，傳統的空調生產過程中，顯示器主要采用人工檢驗，需要依靠人工目視、耳聽、手工切換來達到測試目的，不僅測試效率低，人力成本高、自動化水平低，而且人工長時間重復性操作容易產生視覺疲勞，從而導致漏檢、誤檢風險，同時檢驗結果依賴人工主觀判定，不同質檢人員的檢驗存在主觀判斷差異，檢驗一致性、穩定性差，無法保證產品100%檢驗合格。此外，人工檢驗無檢驗數據記錄，質量追溯困難[1-2]。

空調顯示器（圖1）作為產品外觀及功能體現的重要部件，其質量檢驗保障極為重要。顯示器的檢驗內容主要分為兩部分，一部分為外觀質量，主要檢驗顯示模塊的顯示以及顯示面膜情況，故障表現為顯示缺劃、多劃、黑點、雜色等顯示不良；另一部分為功能質量，主要檢驗遙控接收、按鍵、蜂鳴器、通訊以及各種負載輸出信號，故障表現為遙控無反應、按鍵不靈、蜂鳴器不響以及各種負載電路無輸出信號等功能缺陷。現有的視覺檢驗方式只是單一的檢測外觀，功能檢驗則需另外通過電路檢測的方式來實現，暫無綜合性的方法來實現一體化高效測試[3-4]。

圖1 空調顯示器

為了解決空調顯示器快速可靠檢測問題，提出一種集外觀、功能檢測為一體的空調顯示器智能檢測設備，采用機器視覺檢測與電路檢測相結合的方式，開發視覺檢測系統和功能測試板卡，實現空調顯示器外觀、功能的在線自動檢測，極大提高檢測覆蓋率和穩定性，確保產品質量在制造過程中得到有效控制。

1 總體方案設計

空調顯示器智能檢測設備采用在線自動測試作業方案，設計相互獨立的雙測試工位，實現雙核高效測試模式，左右兩邊測試工位并行測試，滿足測試效率需求。設備從測試方案設計上滿足空調顯示器類產品的通用測試需求，通過掃描顯示器型號和編碼可自動調用測試程序，測試數據與顯示器上條碼關聯綁定，便于查詢追溯。測試系統采用多線程同步測試模式，測試狀態和結果實時在測試界面上顯示。智能檢測總體方案如圖2所示。

圖2 空調顯示器智能檢測總體方案

1.1 結構設計方案

顯示器智能檢測設備（圖3）整體結構主要由3 個部分組成，分別為移載機、視覺檢測設備、分揀機。視覺檢測設備采用雙軌道流水線設計，每條軌道對應一個測試工位，每個測試工位由工業相機、高清鏡頭、專業光源、光電開關、圖像處理平臺、運動軌道組成，且每條軌道可容納3 個被測顯示器，按照順序對應位置為待測區、測試區、測試完畢區，確保能無縫對接測試，充分利用測試過程的間隙時間。移載機采用左右移動的運動機構設計，對接視覺檢測設備，將流水線上的顯示器按需分流至視覺檢測設備軌道上的待測區，實現顯示器在生產流水線的單軌道流動轉變為雙軌道流動，提高產品的測試效率。分揀機根據顯示器測試結果，將測試完畢的顯示器分流至下一道工序或不良品收集箱中，實現不良品自動分揀。

圖3 空調顯示器智能檢測設備

被測顯示器在進入移載機前，在流水線上設計有掃描器，通過掃描顯示器上粘貼的條碼信息，自動記錄對應被測顯示器的測試數據和判定結果，便于后續的質量追溯和分析。在分揀機后端的流水線上設計有自動蓋章機構，被測顯示器測試合格后，由蓋章機構自動執行蓋章動作，代替傳統的人工手工粘貼PASS 的操作。在分揀機上設計有不合格自動推板機構，被測顯示器測試不合格后，由自動推板機構將不合格品推送至不良品收集箱中。

測試治具以快速更換為設計原則，通過導向槽與插銷的方式，實現與設備的快速準確對接[5]。考慮顯示器的測試可靠性，采用一對一的設計方案，即一款顯示器產品對應唯一的測試治具，可有效解決因測試治具和產品不匹配而導致損壞產品的質量問題，同時也提高了產品的切換效率。測試治具上設計使用次數計數功能，自動計算測試治具使用壽命，提醒設備維保人員及時更換和保養。測試治具采用標準化的結構設計框架，只需按照模板設計制作新產品測試治具，節省測試治具的設計制作時間。

1.2 電測設計方案

開發一種功能測試板卡，集成了顯示模式切換、按鍵、負載、蜂鳴器、通訊、遙控接收等檢測電路。按照制定的通訊協議，測試功能卡與測試系統、被測產品進行調用、控制和數據交互等操作，實現顯示器產品功能的在線智能測試。

功能測試板卡設計有四路的控制驅動電路，主要以Home-Bus 和U-Math(特殊485)兩種通訊進行驅動控制，與測試系統以制定的通訊協議來進行測試；功能測試板卡設計有六路紅外接收電路，將遙控接收的協議信息轉換為電信息，控制產品的顯示模式切換，用于顯示器不同模式切換的視覺圖像采集，同時通過顯示模式能否切換來判定顯示器的遙控接收功能正常與否；功能測試板卡設計有六路音頻檢測電路，通過外接的麥克風進行蜂鳴器聲響的音頻收集，然后通過設計的電路對音頻進行濾波、放大并進行檢測判斷。

1.3 軟件設計方案

為了滿足柔性生產與智能檢測，測試系統采用可編程設計，可根據不同型號顯示器產品的測試需求進行定制化的測試程序編輯，在系統中建立功能測試模塊庫，通過調用系統中不同的功能測試模塊，形成對應顯示器產品的測試程序，滿足多品類顯示器的測試需求。功能測試模塊庫具有自主創建測試模塊的功能，可根據產品的測試需求，建立新的功能測試模塊，增加至模塊庫以供后續隨時調用。測試系統可根據產品的測試需求，通過拖拽式的建模方式，拖動系統界面上的功能測試模塊，自定義測試步驟和順序，建立對應顯示器產品的測試模板程序。測試模板程序與顯示器產品上的編碼捆綁關聯并保存在測試模板庫中，生產切換產品時，可通過掃描顯示器上的編碼實現自動切換[6-8]。

為提高顯示器的測試效率，系統采用雙線程控制的測試模式，兩個測試工位上的產品可同時獨立測試，互不干擾。測試系統具有測試數據查詢功能，生產測試過程中，掃描器對顯示器上的條碼自動掃描，測試界面上動態顯示測試狀態和結果，同時自動記錄對應測試數據并保存到數據庫中，便于對產品測試數據查詢和追溯分析。當測試系統檢測到不合格產品時，將視覺檢測不合格圖片保存至數據庫中，同步將不合格信號反饋至電氣控制系統，控制分揀機將故障產品送入不良品收集箱中。測試系統界面如圖4所示。

圖4 測試系統界面

測試系統工作流程下：系統啟動后，通過流水線將顯示器產品輸送至移載機，采用掃描器掃描顯示器上的編碼，獲取當前產品的信息，測試系統自動切換測試模板程序，同步測試界面通過彈窗提醒更換測試治具；測試系統通過光電開關識別視覺檢測設備測試工位狀態，移載機將當前待測產品推送至視覺檢測設備的待測區中，運動軌道將待測產品從待測區輸送至測試區，此時光電開關將待測產品的到位信號反饋至測試系統，測試系統控制測試治具與待測產品對接上電，測試系統啟動檢測；功能測試板卡與被測產品通訊，控制被測產品切換制冷、制熱等功能顯示模式，測試系統利用工業相機采集顯示器不同功能顯示模式的圖像；采集圖像后，進行圖像預處理，裁剪提取檢測區域，提高圖像處理效率，減小背景因素的干擾；根據圖像檢測模板對待測圖像進行逐字符配準，利用圖像差分提取顯示字符缺陷，實現顯示器外觀顯示的在線檢測；在圖像處理檢測同時，測試系統對被測產品的遙控接收、按鍵、蜂鳴器、通訊以及各種負載輸出信號進行檢測；檢測完成后，測試系統判定測試結果，根據檢測結果對當前產品實施分流處理，合格產品流向下一道工序，不合格產品流向不良品區域[9-10]。

2 關鍵技術研究

2.1 檢測區域定位

直接對圖像進行字符分割與提取，影響算法穩定性和圖像處理效率。因此，需要對采集圖像中的檢測區域進行定位。經典區域定位算法通常是利用圖像中的輪廓特征、紋理特征、相關性特征等進行匹配，在整幅圖像中搜索定位，不僅運算量大、耗時長，而且受圖像質量和噪聲影響較大。采用圖像ROI手動選取檢測區域的方式，將模板圖像中的檢測區域適當擴大，兼容顯示器定位微小偏移的問題。圖像預處理后，設置連通域長寬比和面積參數來有效選擇出ROI。進而對全局圖像進行仿射變換來校正圖像，再從原圖中對ROI進行提取，經校正后的圖提取出的ROI圖像將為后續的字符、圖像分割及其識別打下良好的基礎，同時也提高圖像處理的效率[11]。ROI 定位如圖5所示。

圖5 顯示器檢測區域ROI定位

2.2 字符分割識別

字符分割是字符識別過程中極其關鍵的一個環節，字符分割的好壞將直接影響字符識別的準確率。基于顯示器檢測需求，采用CFS 方法對圖像ROI區域中的字符進行分割。由于圖像是在封閉的空間進行采集，容易受到光照不均勻影響，從而導致ROI圖像在二值化后會出現字符粘連的情況，嚴重影響字符識別的準確率。因此，通過對光源打光方案優化以及分割算法的改進后，圖像字符識別效率得到了進一步提高。經過字符分割處理后的字符識別效果顯著提升，提高了顯示器外觀顯示的檢測精度。字符分割識別如圖6所示。

圖6 顯示器功能字符分割識別

2.3 字符缺陷檢測

顯示器顯示區域內除有組成的數字、符號、文字等字符外，還有大量的顯示空白區域。字符的缺陷如缺劃、多劃等，會直接影響空調功能狀態的正確性；空白區域內的缺陷，如破損、漏光等，也會影響空調狀態顯示的整體美觀性。測試系統針對顯示字符與空白區域進行缺陷檢測，實現全面、嚴謹的質量監測。

顯示字符缺陷檢測基于模板上的字符進行對比檢測，利用圖像差分法將模板字符與目標字符進行對比，得到模板字符與目標字符之間的差異，并利用局部閾值分割和形態學算法提取出目標字符缺陷。非顯示字符缺陷檢測指在字符缺陷檢測后，進一步針對顯示區域內的空白區域進行缺陷檢測。在顯示區域內裁剪已進行顯示字符對比的區域，對剩余空白區域進行局部閾值分割及離散化處理，利用形態學提取出非目標字符缺陷[12-13]。

2.4 觸摸按鍵電測

觸摸按鍵檢測采用模擬人體能量變化的設計方案，自主研發觸摸按鍵驅動板，其原理是通過模擬人體在觸摸按鍵時改變電容式觸摸極板的面積，從而會改變極板的充放電時間來判定觸摸按鍵是否動作，即當觸摸按鍵驅動板檢測到觸摸按鍵極板有充放電時間變化時，則檢測判斷觸摸按鍵被按下。如圖7 所示，C為兩極板之間的電容，ε0εr為介電常數，A為正對極板的面積，d為兩極板間的距離。一個極板相當于觸摸按鍵極板，另一極板一般以地層代替。IC_CONTROL 為主MCU 的控制繼電器的信號，TIMER信號傳輸至觸摸按鍵檢測芯片內部計數器，MPAD_T 為電容式極板，MPAD 同樣為電容式極板。當主MCU 未向繼電器發出吸合命令時，MPAD_T 極板通過TIMER 引腳以一個固定的頻率充放電，此時，觸摸按鍵驅動板判斷觸摸按鍵處于空閑狀態。當主MUC 控制繼電器吸合后，極板MPAD 和MPAD_T 導通，相當于極板面積增大，極板充放電時間變長，當充放電時間達到提前預設時間時，則觸摸按鍵驅動板判斷觸摸按鍵被按下[14-15]。工作原理如圖7所示。

圖7 模擬觸摸按鍵工作原理

3 試驗驗證與結果分析

為了驗證空調顯示器智能檢測設備的檢測功能和效果，選取18 種不同故障缺陷類別的空調顯示器，每種類別故障缺陷選取200 件分別進行試驗，故障檢出率如表1 所示。試驗結果表明，對于顯示模式不正確、缺劃、多劃以及蜂鳴器不響、遙控不接收、按鍵不靈等常見的顯示故障、功能故障，空調顯示器智能檢測設備都能準確識別，故障檢出率100%。

表1 顯示器故障檢出率驗證

4 結束語

產品的外觀、性能則是用戶對產品的最直接的體驗，顯示器是空調產品外觀及功能的重要體現部件，生產制造過程的質量檢測顯得極為重要，傳統的人工檢驗水平已不能滿足空調日益增長的高質量需求，迫切地需要在質量檢測方面進行突破和創新。本研究基于機器視覺檢測技術與電路檢測技術，開發空調顯示器智能檢測設備，在結構設計、電測設計、軟件設計方案上進行了突破和創新，采用檢測區域定位、字符分割識別、字符缺陷檢測、觸摸按鍵電測等多項關鍵技術，實現空調顯示器視覺檢測、功能電測的一站式高效檢測。通過試驗驗證，空調顯示器智能檢測設備可有效檢測顯示器不同的故障缺陷，故障檢出率100%，滿足實際生產需求，可應用于空調顯示類零部件的質量智能檢測，提高檢測質量，為用戶提供高品質的產品。