機(jī)器視覺(jué)在TFTLCD暗畫面缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用

顧杰+肖遼+馬軍山

摘要： 針對(duì)目前TFTLCD缺陷檢測(cè)普遍采用的人工視覺(jué)檢測(cè)方法，介紹了一種基于機(jī)器視覺(jué)的檢測(cè)系統(tǒng)。運(yùn)用閾值迭代算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)TFTLCD暗畫面下缺陷圖像的分割和檢測(cè)，利用MIL圖像處理軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)缺陷的自動(dòng)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)暗畫面下可見缺陷的自動(dòng)檢測(cè)功能。

關(guān)鍵詞： TFTLCD； 機(jī)器視覺(jué)； 暗畫面

中圖分類號(hào)： TP 212.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2017.03.003

Application of machine vision in defect detection of TFT-LCD dark picture

GU Jie， XIAO Liao， MA Junshan

（School of Optical-Electrical and Computer Engineering， Unversity of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract： Aimed at TFT-LCD defect detection by human visual inspection method of this paper introduces a detection system based on machine vision.The dark pictures is segmented and detected by threshold iterative algorithm.The automatic detection of the defect is realized by MIL image processing software.The experimental results show that the system can realize the automatic detection of visible defects in the dark pictures accurately.

Keywords： TFT-LCD； machine vision； dark pictures

引 言

隨著智能手機(jī)銷量的不斷升高，手機(jī)廠商對(duì)手機(jī)屏幕的需求也逐年增加。目前，除了韓國(guó)三星電子等少數(shù)廠家采用的是有機(jī)發(fā)光二極管OLED屏幕以外，薄膜晶體管液晶顯示屏TFTLCD[1]仍然是目前手機(jī)屏幕的主流。TFTLCD具有低功耗、高亮度、高對(duì)比度、高響應(yīng)速度以及輕薄易用等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)很長(zhǎng)的一段時(shí)間依然還會(huì)是手機(jī)屏幕的主流。

缺陷檢測(cè)與 TFTLCD 的生產(chǎn)密不可分，也是TFTLCD質(zhì)量控制的重要手段。隨著LCD向大尺寸、輕薄化、低功耗、高分辨率的方向發(fā)展，玻璃基板及相關(guān)光學(xué)組件的尺寸逐漸增大，厚度日益減小，致使液晶顯示屏產(chǎn)生各種顯示缺陷的幾率大大增加。與此同時(shí)，目前液晶面板行業(yè)的絕大多數(shù)生產(chǎn)制造商在缺陷檢測(cè)環(huán)節(jié)仍然采用傳統(tǒng)的人工視覺(jué)檢測(cè)（HVI）[2]方法，但該方法易受檢測(cè)人員主觀因素及外界環(huán)境影響，很難保證產(chǎn)品質(zhì)量，檢測(cè)效率也極為低下。因此，研究快速、不受外界環(huán)境干擾、符合人眼判斷標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)機(jī)器視覺(jué)缺陷檢測(cè)方法成為液晶顯示技術(shù)發(fā)展的迫切要求。

1 TFTLCD缺陷成因及缺陷分類

TFTLCD的生產(chǎn)過(guò)程非常復(fù)雜，包括近百道工序[3]，幾乎所有的生產(chǎn)過(guò)程都是在嚴(yán)格控制的環(huán)境中進(jìn)行的，但還是會(huì)引入粉塵、顆粒等異物或者由于操作不當(dāng)?shù)纫蛩卦斐赡承╇娐返臄嗦坊蚨搪返?，使得生產(chǎn)的TFTLCD出現(xiàn)缺陷。

TFTLCD的顯示缺陷種類繁多，主要可以分為：（1） 根據(jù)缺陷產(chǎn)生的原因，可以分為電氣缺陷[4]和非電氣缺陷，例如，由于顯示屏內(nèi)部電路的短路、斷路造成的缺陷為電氣缺陷，而由于劃傷、異物等引起的缺陷為非電氣缺陷[5]。（2） 根據(jù)缺陷的尺寸，可以分為宏觀缺陷和微觀缺陷[6]。（3） 根據(jù)缺陷的形狀，又可以將其分為點(diǎn)缺陷（像素缺陷）、線缺陷和面缺陷。 在這些缺陷中，點(diǎn)缺陷表現(xiàn)為一個(gè)像素大小的亮點(diǎn)或暗點(diǎn)，線缺陷為一條或多條像素寬度的亮線或暗線，而對(duì)于氣泡、異物、臟污等屬于面缺陷。目前LCD生產(chǎn)商一般只允許一定數(shù)量、一定大小以內(nèi)的不聚集在一起的點(diǎn)缺陷，其它的缺陷必須在出廠前嚴(yán)格檢測(cè)。

2 缺陷檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成及實(shí)驗(yàn)條件

2.1 TFTLCD屏缺陷檢測(cè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)構(gòu)成

TFTLCD屏缺陷檢測(cè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)屏幕缺陷的自動(dòng)檢測(cè)。由于不同的缺陷在TFTLCD屏幕顯示不同畫面時(shí)表現(xiàn)形式是不一樣的，就比如紅點(diǎn)漏光[7]類缺陷不可能在LCD顯示紅畫面下顯示出來(lái)，也就不能夠通過(guò)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)出來(lái)。所以，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)需要在LCD顯示不同的畫面時(shí)分別檢測(cè)不同的缺陷，這就需要機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的算法能夠覆蓋所有的LCD顯示畫面。一般情況下，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)需要檢測(cè)TFTLCD屏幕的顯示畫面包括：暗畫面（液晶分子未發(fā)生偏轉(zhuǎn)[8]，但背光發(fā)光，所以表現(xiàn)為暗畫面）、純白畫面、R、G、B等。本實(shí)驗(yàn)所采用的算法主要是針對(duì)暗畫面下的缺陷檢測(cè)開發(fā)的。

一般地，TFTLCD 屏缺陷檢測(cè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)[9]由TFTLCD驅(qū)動(dòng)器、TFTLCD 屏樣本、高分辨率相機(jī)、鏡頭、PC機(jī)和圖像采集卡組成。首先由 TFTLCD驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng) TFTLCD 屏顯示特定畫面（R、G、B[10]、White、Gray、暗畫面等），然后利用高分辨率相機(jī)在暗室中從TFTLCD屏垂直正上方采集圖像，最后將采集到的圖像信號(hào)經(jīng)圖像采集卡交由工控機(jī)處理。在工控機(jī)上，利用圖像處理軟件經(jīng)不同的算法處理最后得出檢測(cè)結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn) TFTLCD 屏缺陷的自動(dòng)檢測(cè)。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

本實(shí)驗(yàn)采用的是目前市場(chǎng)上最高分辨率的7 100萬(wàn)（10 000×7 096）像素的工業(yè)相機(jī)，型號(hào)為Vieworks 71 MP，靶面大小為31 mm×22 mm，鏡頭放大倍率為0.2×，F(xiàn)數(shù)為3.3，視場(chǎng)大小為155 mm×110 mm，可兼容目前市場(chǎng)上的7 in（1 in=25.4 mm）以內(nèi)的顯示屏。實(shí)驗(yàn)樣品為目前市場(chǎng)上主流的5.5 inFHD（1 920×1 080分辨率）TFTLCD屏。缺陷檢測(cè)需要在不同的畫面（R、G、B、White、Gray、暗畫面等）下切換進(jìn)行，本實(shí)驗(yàn)只針對(duì)暗畫面下的缺陷檢測(cè)。圖1為實(shí)驗(yàn)采集的圖片及部分放大后的圖片，其中（a）為源圖片，（b）為局部放大后的圖片。

3 圖像處理

3.1 算法

閾值分割是圖像處理中最常用的圖像分割方法，它可以將目標(biāo)圖像分成若干個(gè)特定的、具有獨(dú)特性質(zhì)的區(qū)域。閾值分割就是簡(jiǎn)單地用一個(gè)或幾個(gè)閾值將圖像的灰度直方圖分成幾個(gè)類，認(rèn)為圖像中灰度值在同一個(gè)灰度類內(nèi)的像素屬于同一個(gè)物體。閾值分割法主要有兩個(gè)步驟：（1） 確定進(jìn)行正確分割的閾值；（2） 將圖像的所有像素的灰度級(jí)與閾值進(jìn)行比較，以進(jìn)行區(qū)域劃分，達(dá)到目標(biāo)與背景分離的目的。在這過(guò)程中，正確確定閾值是關(guān)鍵，只要能確定一個(gè)合適的閾值就可以完成圖像的準(zhǔn)確分割，其基本原理的數(shù)學(xué)模型為：

式中：f（i，j）為閾值判斷函數(shù)，（i，j）為圖片中各像素的位置坐標(biāo)；T為閾值；g（i，j）為二值化函數(shù)，物體的目標(biāo)圖像元素g（i，j）=1，背景的圖像元素g（i，j）=0。

閾值分割法的結(jié)果在很大的程度上依賴于對(duì)閾值的選擇。對(duì)于LCD屏幕缺陷檢測(cè)來(lái)說(shuō)，即使是同一批屏幕，屏幕亮度本身及缺陷本身的大小及亮度都有很大的不確定性，所以無(wú)法給出一個(gè)確定的閾值來(lái)檢測(cè)屏幕中的缺陷，也就是說(shuō)用單一閾值的方法進(jìn)行缺陷分割是行不通的。

迭代閾值法[11]是在傳統(tǒng)的閾值分割方法基礎(chǔ)上建立起來(lái)的一種可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)選取閾值的方法。迭代閾值法是基于逼近的思想，其步驟如下：

求出圖像的最大灰度值和最小灰度值，分別記為Zmax和Zmin，令初始閾值

根據(jù)閾值Tk（k為迭代次數(shù)）將圖像分割為前景和背景，分別求出兩者的平均灰度值Z0和Zb；

求出新閾值

若Tk=Tk+1，則所得即為閾值，否則轉(zhuǎn)到第（2）步，重新進(jìn)行迭代計(jì)算。

3.2 算法流程

根據(jù)以上理論建立了算法流程：

3.3 圖像處理

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用基于win7 64 bit架構(gòu)的工控機(jī)為軟件開發(fā)平臺(tái)，以visual studio 2010為集成開發(fā)環(huán)境，采用Matrox的MIL（Matrox Imaging Library）作為機(jī)器視覺(jué)和圖像處理核心軟件。Matrox Graphics Inc.（邁創(chuàng)圖形技術(shù)）擁有20多年制造圖形芯片及圖形卡的經(jīng)驗(yàn)，在圖像處理方面處在行業(yè)絕對(duì)領(lǐng)先水平，Matrox公司推出的一整套方案可以直接控制Matrox的圖像采集卡，控制相機(jī)采集圖片、獲取圖片并直接通過(guò)MIL進(jìn)行圖像處理。本算法通過(guò)MIL編譯，實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖像的自動(dòng)采集、緩存到buffer、存儲(chǔ)到硬盤的圖像自動(dòng)處理流程。

3.4 結(jié)果分析

實(shí)際的部分檢測(cè)結(jié)果如圖3所示，其中（a）、（c）、（e）為在原圖像中截取的部分缺陷放大圖片，（b）、（d）、（f）為實(shí)際處理結(jié)果。從結(jié)果可以看出，該算法可以很好地還原缺陷形貌，對(duì)不同形狀、不同灰度的缺陷也都有著比較明顯的效果。

本實(shí)驗(yàn)使用了16片TFTLCD 樣品，其中 11片在暗畫面下有亮點(diǎn)或cell漏光缺陷，另外4片無(wú)缺陷。檢測(cè)結(jié)果顯示，本實(shí)驗(yàn)方法可有效正確地分辨出暗畫面下TFTLCD 樣品中的良品與不良品。

4 結(jié) 論

隨著人們對(duì)TFTLCD顯示屏的需求不斷增多及對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)的不斷提高，傳統(tǒng)的人眼檢測(cè)方法（HVI）已不能滿足檢測(cè)效率和精度的要求。本文利用TFTLCD機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，提出了一種TFTLCD 屏在暗畫面下的缺陷檢測(cè)方法，并用MIL軟件驗(yàn)證了該方法的可行性及準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)，為將來(lái)的TFTLCD機(jī)器視覺(jué)全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)研制提供了參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] SEMI D41-0305：Measurement method of SEMI Mura in FPD image quality inspection[S].2005.

[2] CHOI K N，LEE J Y，YOO S I.Area-Mura detection in TFT-LCD panel[C]∥Proceedings of SPIE 5300，International Society for Optics and Photonics.South Korea：SPIE，2004：151158.

[3] 潘立豹，劉儒峰，趙倫保，等.基于機(jī)器視覺(jué)的軍用液晶顯示器顏色Mura的研究[J].光電子技術(shù)，2015，35（1）：1013.

[4] 李坤，李輝，劉云杰，等.LCD Mura缺陷的B樣條曲面擬合背景抑制[J].光電工程，2014，41（2）：3339.

[5] 李亞利，張方輝.TFTLCD切割裂片工藝參數(shù)探討[J].液晶與顯示，2006，21（1）：4347.

[6] 李文波，王剛，張卓，等.TFT用掩模版與TFTLCD陣列工藝[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2010，35（6）：522526.

[7] 吳洪江，王威，龍春平.一種TFTLCD Vertical Block Mura的研究與改善[J].液晶與顯示，2007，22（4）：433439.

[8] 程石，王濤，張敏，等.TFTLCD中隔墊物密度與Push Mura和低溫氣泡的關(guān)系[J].液晶與顯示，2011，26（5）：604607.

[9] HE Y，ZHANG X，YANG Y F，et al.Guided modes in asymmetric metal-cladding left-handed material waveguides[J].Chinese Optics Letters，2011，9（5）：052301.

[10] 開躍春，金濤，賈宏志.單片機(jī)實(shí)現(xiàn)LCD白平衡的自動(dòng)調(diào)整[J].光學(xué)儀器，2008，30（6）：4548.

[11] 田涌濤，李霞，王有慶，等.基于二維三階多項(xiàng)式擬合的閾值曲面分割法[J].計(jì)算機(jī)工程，2003，29（4）：127129.