手机触摸屏测试仪目标定位的算法研究

乔伟哲 李雅

1.山西国营大众机械厂军品第一研究所，山西太原 030024；2.山西工商学院，山西太原 030006

一、引言

在手机触摸屏测试中，测头与触摸屏之间的对位是测试仪测试重要因素之一[1]。原先很多人采用几何标记法在工作台上安装一块触摸屏，利用手动标记来计算测头与手机屏之间的关系，这样在手动标记精度不高的情况下标记另一块触摸屏累计误差很大，达不到客户要求的检测标准，所以需要提出更高精度的媒介作为参考系来设定机械测头的归零点，通过标准试验台对手机坐标进行标定，利用USB接收的坐标数据和机械测头移动的位置进行比较，来计算机械测头的定位精度。

本文通过机械测头对光纤传感器进行行扫描得到以光纤传感器为中心半径为边缘的亮点，采用最小二乘法拟合出该边缘点中心的坐标；移动机械测头使得相机对准光纤传感器，利用Blob分析原理得到图像中心坐标。利用机械测头和相机的位置关系，通过矩阵变换理论计算两者之间相对坐标，这样就可以从相机的坐标位置推算出测头的坐标位置。

二、最小二乘拟合

最小二乘拟合是基于数学模型优化的一种方法，主要对数学模型比如曲线、点等最优逼近，主要通过其最小误差平方和来找到一组最佳数据。本文主要是利用最小二乘对金属测头扫描光纤传感器周围点的拟合，通过拟合点来计算中心位置数据，下面是拟合的具体方法：

圆方程的标准表达形式为：

其中，(xc,yc)—圆心；

R—半径。

把方程展开成二元方程：

可简化为：

取一点集合(Xi,Yi),i∈(1, 2, 3…N)的点到圆中心的距离记为Di；点集合中某一点到圆形中心距离平方

和与半径R之间作差得到：

则有δi平方和为：

Q(l,m,c)分别对m,l,c三个参数求偏导数，求取对应极值处的函数值来得到函数的最小值。

图1蓝色点为测头扫描光纤传感器边缘得到的数据信息，利用最小二乘法拟合出的数据就是中间的圆心坐标[2]。

三、图像视觉对位

从相机直接采集到的图像信息由于彩色信息多、拍摄不完整、图像重影等缺陷，在检测之前要对图像进行处理，图2为一般图像处理流程。图像系统主要对目标图像进行二值化、小区域去噪、Blob分析等操作。

Blob分析[3]就是对图像中相关联的像素用灰度值来标识，这些相同的区域叫做Blob块。Blob分析可以为机器视觉提供缺陷的大小、位置、形状等方面的信息，主要适用于二维高对比度有缺陷的图像，可以提供缺陷之间的拓扑关系。在进行Blob分析之前必须把背景图像和目标图像分开，然后通过Blob块进行相应的连通性分析，本文所处理的光纤传感器图像背景和目标对比度相差很大，使用Blob能够很明显得到相应的目标信息，在目标图像中最突出的特征就是圆的半径和圆心的位置，诸如此类信息均可以通过Blob分析得到。

光纤传感器在相机中成像由于边缘有小区域的亮度，在二值化处理时边缘会有一些小的噪声对Blob分析有很大的影响，故利用小区域滤波法[4]选取合适的阈值滤除边缘的噪声，图4为光纤传感器在相机中的成像信息，图5为经过Blob分析后定位图像。

四、坐标位置匹配

在测试过程需要两个坐标系机械测头坐标系和手机屏幕坐标系，如图3所示。在机械测头中原点的坐标就是底座的中心，垂直于底座的坐标就是Z轴方向，另外两轴按照右手定则。手机触摸屏中，触摸屏的左下角坐标原点，原点右边和上方分别为X轴和Y轴坐标。

控制机械手臂移动寻找触摸屏上的像素点，需要计算两左边系之间的矩阵位置关系[5]，下式为这两者之间的矩阵关系：

其中，(Rx,Ry)—触摸屏上任意点A在测头下的坐标；

(Tx,Ty)—触摸屏上任意点A在触摸屏上的坐标；a,b,c,d,e,f—矩阵变换常数。

由式（6）知共有6个未知参数，只要控制触摸屏上3个固定的点，即可得到在机械测头上的坐标。设定固定点(40, 60)、(280, 420)和(40, 420)，半径为5象素。控制机械测头移动使得三个标记点出现在相机中，利用图像处理和Blob分析得到他们在图6下的坐标(Rx1,Ry1)、(Rx2,Ry2)和 (Rx3,Ry3)。

五、实验平台

本文提出以光纤传感器作为固定在实验台的参考系，移动金属测头得到相机中心正对光纤传感器中心的位置和测头中心正对光纤传感器的位置。然后计算两者之间相对位置关系。

首先控制金属测头按照行扫描方式取得光纤传感器的轮廓数据，利用最小二乘拟合出传感器的中心位置，故传感器的选取是影响测试精度重要因素之一。

选择基恩士FU系列光纤传感器，由于它具有聚光程度高、发光均匀的优点，并且很容易进行光电转化等优点，能够很好地拟合中中心坐标，从而利用矩阵转换关系确定两者之间的位置关系。图7为测试仪测试的实验硬件平台。本文利用USB串口对手机坐标数据进行采集，和安装在机械测头上的传感器采集的数据进行比对，表1为机械测头与触摸屏横坐标。

表1 机械测头与触摸屏横坐标

由表1可以看出，分别取机械测头和触摸屏横坐标的差值计算均方差为：

其中，—平均值。

计算结果均方差为0.007566mm，小于0.01mm，检测精度达到客户要求。

六、总结

本文主要研究了手机触摸屏测试仪中机械测头和触摸屏的视觉对位，采取以光纤传感器作为参考系，利用Blob分析原理计算相机对应传感器坐标和利用最小二乘法拟合测头相对与传感器坐标，利用矩阵转化关系得出两者之间的关系。本测试精度达到0.01mm，得到客户的验收要求，现已经投入生产。