基于LabVIEW的VFD视觉检测技术研究

王业翔，戴曙光

(上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

真空荧光显示屏(VFD)是从真空电子管发展而来的显示器件，以其发光亮度高、显示多色容易、图案显示灵活、视角大、可靠性高和寿命长［1］、可用低压进行驱动、易与集成电路配套等优点而被广泛应用于汽车、办公自动化设备、工业仪器仪表及家用电器等领域［2］。系统所采用的VFD安装在汽车DVD的PCB板上，由于制造工艺的不完善，导致VFD的显示存在缺陷:如缺笔画、多笔画、出现黑点、显示偏移、特殊字符显示等。以往，这些均是由人眼观察，每天观察几千块PCB板极易使检测人员疲劳，同时影响判断结果，降低了检测效率。IMAQVision是基于LabVIEW平台进行图像处理应用开发的软件包，其以LabVIEW VI库的形式给出，可完成图像的采集和各种分析处理工作。机器视觉［3］代替人眼检测，大幅提高了检测效率。

1 原理与组成

1.1 VFD视觉检测的总体程序设计框图

图1是总体程序设计框图，首先拍摄较标准的VFD图片，从中选定VFD段码位置，作为模板，在后面进行VFD检测时，将每个拍摄到的VFD图片都与模版进行比较，并将测试结束即显示测试结果，测试结果保存在指定位置［4］。

图1 总体程序设计框图

在图1中可看到该设计的设计思路共分为4个步骤:(1)图像采集。在图像采集时，首先要点亮所需测试的VFD，同时配置完成摄像头的参数，以便后续工作进行。(2)模板制作。模板制作是检测VFD的标准匹配模板，其包括设置模版个数，模版图像的曝光时间、增益和图像选择等。(3)利用模版匹配算法进行模版匹配。(4)实现本次检测结果的显示和存储，存储文件格式为.dat。

1.2 VFD视觉检测系统前面板设计

前面板主要是为测试者提供一个友好的界面，如图2所示。其上有图片显示控件，显示文本框、产品型号、检测时间、指示灯、参数设置及启停按钮等。为使面板简洁美观，参数设置选择调用子VI的方法，将所有参数设置在弹出的子VI中进行，设置结束后返回主界面。将上述控件合理布局，适当调节大小和颜色，给使用者一个舒适的测试界面［4］。

图2 系统前面板

2 图像处理

2.1 模板制作

模板制作的优劣直接关系到后续测试的进行，在这一部分中，首先需拍摄标准的VFD图片，确定其上VFD段码的个数和每个段码的位置，选为模版保存，供测试使用。模板制作是对采集的一帧标准图片进行配置，利用Imaq WindGetRoi.vi的功能来实现。首先画出感兴趣的矩形区域，再转化成ROI数据存储。若ROI数据非空，双击制作按钮将会对选定的模版进行保存，其程序框图如图3所示。

图3 模版制作程序框图

2.2 VFD连码、断码检测原理

VFD全部段码不重复点亮需发送5次码。在此以一个7段码8字为例，发送3次码即可不重复全部点亮，如图4所示。其中，点亮第1、2、3次的顺序可以颠倒。

图4 7段码8字分3次点亮

为方便处理，取亮为1，不亮为0，如表1所示。若工艺没有问题，则3次点亮后每笔均只会有一个点亮。某个笔段出现全部不亮、两个亮或3个全亮均说明该8字有异常情况。

表1 7段码8字3次点亮情况

以笔段1为例，3次点亮分别用符号A、B、C来表示，最终结果用 M1表示，且 A、B、C、M1均是布尔值，如式(1)所示。从M1的值可看出，在该笔段上是否出现问题

当A、B、C中有且只有一个为1时，M1=1，否则M1=0。同样，方法计算出M1～M7，之后再对M1～M7相与，得到8的总情况。只有M1～M7全为1时，M=1，有一个不为1，则M=0，如下

若最后M值为1，说明这一7段码正常。即不存在连码、断码的情况。若M值不为1，则说明其中某部分出现了问题，故VFD为次品。

2.3 模板匹配算法原理

VFD检测需要模板匹配算法。还以8位灰度图像为例，模板T(m×n个像素)叠放在被搜图S(W×H个像素)上平移，模板覆盖被搜索图的那块区域叫子图Sij，如图5所示。通过比较T和Sij的相似性，完成模板匹配过程。图像的数据是从下到上、从左到右排列的。可式衡量T和Sij的相似性

式(3)的第1项为子图的能量，第3项为模板的能量，且均与模板匹配无关。第2项是模板和子图的互相关，随(i，j)而改变。当模板和子图完全匹配时，该项有极大值。将其归一化，模板匹配的相关参数为［6］

式(4)中R即为匹配的相关系数:相关系数的值越大，则说明模板和子图越接近。当模板和子图完全相同时，相关系数R(i，j)=1。在被搜索图S中完成全部搜索后，找出R的最大值Rmax(im，jm)，其对应的子图Simjm即为最佳匹配目标［7］。

显然，被搜索图匹配越大速度越慢;模板越小匹配速度越快。为缩短检测时间，本系统将一次模版匹配分为多次匹配。将VFD划分成多个区域，进行局部不重复点亮，依次进行模版匹配，从而大幅缩短了检测时间。

图5 被搜索图

2.4 VFD检测在LabVIEW中的实现

对于模板匹配而言，只需固定VFD和摄像头，并按照一定的时间间隔连续5次拍摄。然后在LabVIEW中作一定的算法处理，就能在整个视场下拍摄到全部所需处理的图像［8］，省去了移动镜头时间上带来的损失和程序的复杂。匹配结束后，检测结果直接在文本框中显示，并配有指示灯，缺陷位置则直接在图上以红色矩形框标出。

首先将之前制作并保存好的模版图片调入图组，包含“imagename”和“position”信息。同时，获取“Constrast”、“Score”、“Size”3 个图像参数。然后选定搜索区域，搜索区域一定要选则适中，若选择过大将会影响运算速度，选择过小又有可能导致目标未落在搜索区域中。之后在IMAQ Match Pattern.vi中选择“number of matches to find”为1，即在搜索区域内最多有一个被匹配。根据多次试验的结果，选择“Minimum”为800(满分为1 000分，表示完全匹配)。最后在“limits”中选“Pass inspection if Minimum of matches 1”，表示只有出现匹配才算Pass。匹配信息保存在“Matches”中，找到的个数则保存在“found”中，模版匹配程序如图6所示。

图6 模版匹配程序框图

实验结果表明，利用模版匹配方法，可在较短时间内检测到VFD面板缺陷位置。如图7所示，一共制作了5个模版，未找到模版有3个，缺陷位置由图7(b)矩形框标出。

图7 模版匹配测试程序

3 结束语

系统实现了将LabVIEW应用于VFD的检测中，可以在较短时间内完成VFD的检测，并确保了每部分均符合质量要求。与人工目视检测相比，计算机视觉检测是一种具有检测速度更快、检测范围更宽、检测精度更高、漏检误检率较低的先进检测方式。实验证明，该系统较好地解决了VFD显示图像缺陷检测问题，从而使VFD检测工作客观化、规范化和智能化。

［1］ 张建平，赵威，戴咏夏．真空荧光显示器亮度特性的研究［J］．液晶与显示，2010，25(1):40 －48．

［2］ 阮世平．高性能真空荧光显示器(VFD)开发和应用［J］．光电子技术，2005(4):211－217．

［3］ Ramesh Jain，Rangachar Kasturi，Brian G Schunck．机器视觉［M］．北京:机械工业出版社，2003．

［4］ 李江全．虚拟仪器设计测控应用典型实例［M］．北京:电子工业出版社，2010．

［5］ 范福玲，韩建勋．基于LabVIEW的压电加速度传感器性能分析测试系统［J］．仪表技术与传感器，2009(1):21－22．

［6］ 左力，王栋民．图像处理系统在自动化设备中用作位置反馈的一种方法［J］．机械与电子，2004(1):43－44．

［7］ 张凯，周陬，郭栋．LabVIEW虚拟仪器工程设计与开发［M］．北京:国防工业出版社，2004．

［8］ 赵荣椿．数字图像处理导论［M］．西安:西北工业大学出版社，1995．