（信号与信息处理专业论文）基于机器视觉的led显示屏智能化测试系统.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 大屏幕显示在商务会议、教学讲座、广告宣传、工业监控等方亟都有广 泛的应用。l e d 拼接显示屏作为实现大屏幕显示的一种方法也得到了广泛的 使用。近年来，随着国内外在l e d 材料和控制技术方面不断踊跃出新的成果， l e d 显示屏产业已发展成为新兴的高科技产业。但是，在我国对l e d 显示 屏的质量检测在很大程度上仍然依靠人工来完成，使检测速度和检测质量受 个人主观程度影响很大。 失控点数目、色度均匀性是评价l e d 显示屏显示质量的两个重要指标。 因此，本文的研究内容主要围绕着解决这两个问题进行展开。把机器视觉技 术融入到对全彩色l e d 显示屏的检测过程中，研发一种价格相对低廉的l e d 显示屏智能化测试系统。 文章首先对l e d 显示屏的发展概况进行了介绍，重点分析了l e d 显示 屏在生产、检测和使用过程中存在的问题。然后对机器视觉系统的开发环境 l a b w j n 曲w s c v i 进行简单介绍，并针对实际问题提出真彩色显示模块测试 系统的硬件系统设计流程。再从色度学角度对显示屏颜色均匀性进行了分析， 并提出从三基色色品坐标和白平衡两个方面对l e d 显示屏的颜色均匀性调 整的方案。最后，运用图像分割、图像定位与标记、图像配准等技术对显示 屏检测软件流程进行设计，给出了具体的设计流程并对实验结果进行分析。 实验表明通过该系统可以实现对显示屏指标的快速检测，并可以根据要求， 在一定范围内对显示屏的色彩保真度进行调整。 关键词：机器视觉；l e d 显示屏测试；颜色均匀性；l a b w i n d a w “c 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t l a r g es o r e e l ld i s p l a yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nv a r i o u sa l e a s s u c ha s c o m m e r c i a lc o t f f e r e n c e s ，t e a c h i n gs e m i n a r s ，a d v e i t i s c m e n t ，i n d u s t r i a lc o n t r o la n d s oo n l e dp a n e lh a sb e e nb o u g h ti n t ow j d e1 1 8 0a sam e a n 8o fr e a l i z i n gl a r g e $ o r o e l ld i s p l a y i nr e c e n ty o s l s , w i mt h ei m p r o v e m e n to fl e dm a t e r i a l sa n d c o n t r o lt e c h n o l o g yb o t ha th o m ea n da b r o a d , l e dp a n e li n d u s t r yb e c o m e san e w h i g h - t e c hi n d u s t r y h o w e v e r , t h eq u a l i t yt e s t i n go fl e dp a n e lr e l i e sal o to n m a n u a lw o r ki no u l c o u n t r y , w h i c hr e s u l t si nt h a tt h ed e t e c t i n gs p e e da n dq u a l i t y a r ei n f l u e n c e db yp e r s o n a lo p i n i o n st oag r e a td e g r e e t h en u m b e ro fp o i n t so u to fh a n da n dc o l o rh o m o g e n e i t ya r et h et w o i m p o r t a n ti n d i c a t o r sf o rq u a l i t ya s s e s s m e n to fl e dp a n e l t h e r e f o r e ，t h i st h e s i s m a i n l yf o c u s e do ns o l v i n gt h ea b o v e - m e n t i o n e dp r o b l e m s ar e l a t i v e l yl o w - c o s t i n t e l l i g e n td e t e c t i n gs y s t e mo f l e dp a n e lh a db e e nd e s i g n e db yb r i n g i n gm a c h i n e v i s i o nt e c h n o l o g yi n t ot h ed e t e c t i n gc o l , n s oo f t h ef u l lc o l o rl e dp a n e l f i r s to fa l l ，as u r v e yo fl e dp a n e ld e v e l o p m e n ti sr e v i e w e d , w h i c h e m p h a s i z e sp a r t i c u l a r l yo na n a l y s i so ft h ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h ep r o d u c t i o n , a p p l i c a t i o na n dd e t e c t i n gp r o c e s so ft h el e dp a n e l s t h e nt h ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n to fm a c h i n ev i s i o ns y s t e ml a b w m d o w s c v ii si n t r o d u c e d , a n dt h e h a r d w a r ed e s i g no ft r u ec o l o rp a n e ld e t e c t i n gs y s t e md i r e c t e da tp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n si sp r o p o s e d a n dt h e nt h ec o l o rh o m o g e n e i t yo fl e dp a n e li s d i s c u s s e di nc o l o rt h e o r yt e r m s ，a n das o l u t i o nt oa d j u s tt h ec o l o rh o m o g e n e i t yo f l e df r o mt h ea s p e c to ft r i c o l o rc o o r d i n a t ea n dw h i t eb a l a n c ei sp u tf o r w a r d i n t h ee n d ，t h es o f t w a r eo fp a n e ld e t e c t i o ni s d e s i g n e db a s e d o nt h e i m a g e s e g m e n t a t i o n , i m a g ep o s i t i o n i n g & m a r k i n ga n di m a g em a t c h i n gt e c h n o l o g y s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tt h i ss y s t e mc a nv e r i f yt h eo u to f p o i n ta c c u r a t e l ya n d a d j u s tt h ec o l o rh o m o g e n e i t yo f l e dp a n e li na c e r t a i nr a n g e k e y w o r d s ：m a c h i n ev i s i o n ；l e dp a n e l ；c o l o rh o m o g e n e i t y ；l a b w i n d o w s c v i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 苍秉军 日期：知d 了年3 月i 乏日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1l e d 显示技术的发展现状及趋势 据统计，视觉为人们获取信息的最主要途径。在人类获取的信息中，有 7 0 0 以上是通过视觉手段获得的。随着半导体技术和电子技术的发展，显示 技术作为将各种信息转化为视觉信息的主要途径，也获得了长足的进步，出 现了许多新的显示技术。近年来，l e d 显示屏作为多媒体技术的重要载体之 一，在人们工作、生活和娱乐当中起着越来越重要的作用，逐渐引起人们的 关注【。由于l e d 发光二极管工作电压低、耐冲击、抗震动、寿命长( 1 0 万小时) ，所以在大型的显示设备中，目前尚无其他的显示方式与l e d 显示 方式匹敌。 l e d 发光二极管是六十年代末发展起来的一种半导体显示器件，七十年 代，随着半导体材料合成技术、单晶制造技术和p - - n 结形成技术的研究进 展，发光二极管在发光颜色、亮度等性能得以提高，并迅速进入批量化和实 用化。进入八十年代后，l e d 在发光波长范围和性能方面大大提高，并开始 形成平板显示产品即l e d 显示屏。此后l e d 显示屏发展大致经历了三个阶 段： ( 1 ) 1 9 9 0 年以前，l e d 显示屏的成长形成时期。一方面，受l e d 材料器 件的限制，l e d 显示屏的应用领域没有广泛展开；另一方面，显示屏控制技 术基本上采取的是通讯控制方式，客观上影响了显示效果。这一时期的l e d 显示屏在国外应用较广，国内较少，产品以红、绿双基色为主，灰度等级为 单点4 级调灰，产品的成本比较高。 ( 2 ) 1 9 9 0 一1 9 9 5 年，l e d 显示屏迅速发展时期。九十年代，全球信息产 业高速增长，信息技术各个领域不断突破，在l e d 材料和控制技术方面也不 断踊跃出新的成果。蓝色l e d 晶片的研制成功使全彩色l e d 显示屏进入市 场。视频控制技术的成熟运用使显示屏控制实现1 6 级和6 4 级灰度调灰，动 哈尔滨工程大学硕士学位论文 态显示效果大大提高。这一时期，l e d 显示屏在我国发展速度非常迅速，从 初期的几家企业、年产值几千万元，发展到几十家企业、年产值几亿元。产 品应用领域涉及金融证券、体育、机场、铁路、车站、公路交通、商业广告、 邮电电信等诸多领域，特别是1 9 9 3 年证券股票业的发展，更促使了l e d 显 示屏作为平板显示领域主流产品局面的形成，l e d 显示屏产业成为新兴的高 科技产业。 ( 3 ) 1 9 9 5 年以后，l e d 显示屏的发展进入总体稳步提高、产业格局调整 完善的时期。l e d 显示屏产业内部竞争的加剧使产品价格大幅回落，应用领 域更为广阔，但同时也发现产品在质量、标准化等方面存在一系列问题。有 关部门开始对l e d 显示屏的发展予以重视并进行了适当的规范和引导，目前 这方面的工作仍在逐步深化。 目前，世界上l e d 显示屏生产厂家主要有日本、美国、德国、我国台湾 等国家和地区的著名公司，国内主要有电子系统部、中科院等研究生产单位。 尽管我国l e d 显示屏生产技术有了很大发展，生产企业近百家，c a p 、g a a s 单晶材料、引线框架及l e d 所需设备也已经能够生产，但前道生产薄弱，9 5 的生产厂从事后道封装生产。我国年需要普通红、绿、黄色发光二极管约2 0 亿只，绝大部分仍然需要进口。制作黄、橙色高亮度、红外、激光等l e d 器 件用的单、双异质结，m o c v d 等外延技术还正在研究。我国的l e d 显示屏 生产技术与国际先进水平相比，尚有很大差距t 2 j 。 1 2 国内l e d 显示模块生产过程中存在的问题 我国半导体行业远远落后于国际先进水平，同时对l e d 显示行业又缺乏 足够的重视，缺少对专业人才的培养，以及对新技术、新工艺研究的大力投 入。绝大部分新产品、新技术、新工艺的专利权都掌握在国外大企业手中， 国内企业很少掌握具有自主知识产权的专利。产品在国际市场缺乏竞争力， 往往在国际竞争中处于被动地位。 显示屏显示效果的好坏直接取决于显示屏发光模块的质量优劣发光模 块的成本占显示屏整个造价的一半以上。目前，国内部分半导体生产厂家虽 然具有了真彩色l e d 发光模块生产和封装能力，但是由于缺少真彩色l e d 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 发光模块相应的产品规范和标准。使得各个厂家生产出的发光模块产品质量 千差万别。突出表现出来的问题是发光模块之间的发光亮度、色度不一致性 过大【3 】1 4 。在组屏时就会不可避免地出现“马赛克”现象，极大地影响了显 示屏的显示效果，降低了显示屏的产品质量和档次。目前来讲，国内l 王 d 显 示模块在生产过程中造成各个模块的亮度、色彩饱和度之间存在不同的原因 主要有两点： ( 1 ) 制作每个l e d 模块的硅片纯度不同，必然造成生产出来的每个模块 之间的亮度、色彩饱和度不同。 ( 2 ) 在封装显示模块时，国外都采用了较为高级的拉丝工艺，把硅片封装 在模块中时，通过拉丝工艺把硅片拉丝成管脚直接连到模块外部，不需要使 用其它导电介质，从丽很好地避免了内部阻抗的变化。国内企业由于生产和 加工工艺都落后于国外企业，无法达到拉丝工艺水平，只能使用导电胶将硅 片粘在模块上，再通过导电管脚连到模块外部。导电胶的使用就造成了各个 模块内部阻抗的不同，从而造成各个显示模块之间亮度不同。由于以上原因， 国内生产厂家生产的显示模块每个亮度都不太一样，产品检验时又没有专门 的设备对每一个象素的亮度进行准确的校正，只是用人工目测方式进行一般 的质量检验。这样生产出来的显示模块的质量与工艺水平都无法与国外产品 相匹敌。从价格上来讲，国外显示屏每平方米报价为3 万美元；国内显示屏 每平方米报价仅为8 万元人民币，相差3 倍以上。 1 3l e d 显示屏测试技术现状分析 国外对l e d 显示屏发光模块的测试设备的研发相比较国内来说开展较 早，但测试标准仍尚未统一，设备造价极其昂贵例如日本s o n y 公司为了 实现对l e d 显示屏发光元器件的发光效果一致性进行测试和标记，以配合生 产时进行一致性矫正，投资上千万美元开发了一整套全自动化测试、采集、 矫正、生产流水线。相比国内只有少数半导体和显示屏厂商在产前对不同亮 度的发光模块进行分类，但大都采用将发光模块点亮后，用肉眼进行识别和 观察，以感官为依据对产品进行分类。这样的方法很难保证测试的准确性， 效率也极其低下。目前，中华人民共和国电子行业标准u d 显示屏通用规 哈尔滨工程大学硕士学位论文 范中对于l e d 显示屏的质量凭定标准中，也还有很大一部分是以目测结果 为依据进行规定的。 据统计，全球2 0 0 6 年各类新产品所用的高亮度l e d 的销售额达到了4 0 多亿美元，成为价值2 6 0 亿美元之巨的照明行业中的一个重要组成部分。在 经济利益的驱使下。国内外许多厂家都投入大量资金从事显示屏行业的生产 和研发，对u d 显示屏检测系统的需要也就显得非常迫切。 1 4 课题的提出和主要工作 本课题主要是以两种情况为背景而提出的： 第一，针对目前我国显示屏显示模块生产业正在推广的标准化问题，要 求l e d 显示屏测试系统首先应该能够对显示屏的基本性能指标( 最大亮度， 亮度、颜色均匀性) 是否合乎行业标准进行判断。 第二，在一些特殊的场合，要求能够有一种检测设备实现对显示屏显示 模块的亮度和颜色进行校正。例如，对使用了有很多显示面板的体育场或广 告显示牌来讲，即使安装时显示屏整体效果非常理想( u m 供应商提供经过 匹配的l e d 并收取一定的额外费用。再将这些测试后的r g b 发光二极管与 可在规定电流上产生相似亮度的l e d 组合在一起。利用这种方法以最少的设 计工作量来为低端照明系统提供所需的亮度一致性) ，但由于每个象素随时间 的衰落速度或亮度下降速度各不相同。在今后一到两年内，各象素的亮度将 无法再保持一致。另外，当需要更换有缺陷的面板时，新换上的面板的亮度 在视觉上也会和其他面板有差异。对显示屏整体显示效果造成影响。这时， 需要有设备能够对“马赛克”模块进行检测和亮度、色度调整，使其与其它 模块亮度、色彩相适应【5 1 。 基于上述提出的两个主要要求，综合考虑以光强测试仪或彩色分析仪【日 这些传统测量方法中存在忽略人眼主观感受的弊端。此次设计从更加接近于 人眼感受的机器视觉技术入手，研发一种价格相对低廉的l e d 显示屏智能化 测试系统。通过该系统，一方面，对显示屏模块的颜色、亮度值进行采集、 统计，检测出显示屏模块的标准性能指标，协助企业对整批模块产品的质量 优劣做出完整评价。更加重要的一方面，利用摄像机的实时采集和计算机的 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 处理，运用处理结果通过主机系统实现与显示屏驱动系统的信息交互。对显 示屏逐点进行亮度、颜色均匀性校正，在不改变原有l e d 显示模块的硬件基 础上，实现显示屏整体显示质量的提高。 1 5 课题结构及内容安排 本论文的具体内容安排： 第一章介绍l e d 显示技术的现状及其发展趋势。综述国内外对于l e d 显示屏显示质量的检测方法，分析该领域存在的问题。明确课题的意义和主 要研究内容。 第二章介绍基于虚拟仪器的机器视觉系统的原理。介绍机器视觉系统的 组成和虚拟仪器软件。并简要介绍p c i 1 4 1 1 图像采集卡的组成及其性能。 第三章提出显示屏彩色模块测试系统硬件的组成方案。对各部分的选择 原则进行说明。 第四章介绍了色度学的相关知识，从色度学的相关概念和亮度调节入手， 对l e d 拼接显示屏的颜色均匀性进行调节。 第五章对检测系统的软件流程图进行了设计。针对各部分的不同特点提 出适合的解决方案。最后对实验涉及的图像处理方法进行了详细说明。 第六章对l e d 显示屏进行综合检测，并对实验结果进行分析。 最后。总结论文的研究内容，并对课题的后续研究进行展望。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章应用虚拟仪器技术的机器视觉系统 2 1 虚拟仪器技术 在纷繁的铡试仪器中，虚拟仪器( 简称) 已经成为越来越多测试人员 的最佳选择。这是因为系统能够更迅捷、更经济、更灵活地解决测试问 题。所谓虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计 定义，具有虚拟面板，测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。使 用者用鼠标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器。 应用程序将可选硬件资源( 如g p i b ，v x i ，r s 2 3 2 ，d h q 板) 和可重 复用原码库函数等软件结合在一起，实现了模块间的通信、定时与触发。原 码库函数为用户构造自己的v i 系统提供了基本的软件模块。由于的模块 化、开放性和灵活性，以及软件是其关键的特点，当用户的测试要求变化时， 可以方便地由用户自己来增减软、硬件模块，或重新配置现有系统以满足新 的测试要求。 与传统仪器的比较见表2 1 所示，其最主要的区别是的功能由用 户使用时自己定义，而传统仪器的功能是由厂商事先定义好的。 表2 1 虚拟仪器与传统仪器比较 虚拟仪器传统仪器 软件使得开发与维护费用降至最低 开发与维护开销高 技术更新周期短( 1 2 年)技术更新周期长( 5 1 0 年) 关键是软件 关键是硬件 价格低、可重用与可重配置性强价格昂贵 用户定义仪器功能厂商定义仪器功能 开放、灵活，可与计算机技术保持同步发展封闭，固定 与网络及其它设备方便互联面向应用的仪器系统功能单一、互联有限的独立设备 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 基于虚拟仪器的机器视觉系统 2 2 。1 机器视觉 美国制造工程师协会机器视觉分会和美国机器人工业协会的自动化视觉 分会对机器视觉下的定义为：“机器视觉是通过光学的装置和非接触的传感器 自动地接收和处理一个真实物体的图像，以获得所需信息或用于控制机器人 运动的装置1 7 j 。” ( 1 ) 机器视觉系统的组成 图2 1 给出了典型的视觉系统基本组成。光源、光学系统、摄相机、图 像处理单元( 或图像采集卡) 、图像分析处理软件、监视器、通讯及输入输出 单元等。被测物体放在镜头前，采用合适的光照条件，摄像机将被测物体图 形转换为模拟信号，此信号经采集卡数字化后送入计算机进行处理、分析。 图2 1 典型的机器视觉组成 ( 2 ) 图像的处理和分析 在机器视觉系统中，摄相机的主要功能是将光敏元件所接收到的光信号 转换为电压的幅值信号输出。若要得到被计算机处理与识别的数字信号，还 需对视频信息进行量化处理。图像采集卡是进行视频信息量化处理的重要工 具。 图像采集处理卡 图像采集卡主要完成对模拟视频信号的数字化过程。视频模拟信号首先 7 啥尔滨工程大学硕士学位论文 经低通滤波器滤波，按照应用系统对图像分辨率的要求，用模数转换器件 ( a 仍) 按一定频率对其进行采样，把信号转换为离散形式，然后再输出数 字信号。图像采集处理卡在具有模数转换功能的同时，还具有对视频图像分 析、处理功能，并同时可对摄像机进行有效的控制。 图像处理软件 机器视觉系统中，视觉信息的处理技术主要依赖于图像处理方法。它包 括图像增强、数据编码和传输、平滑、边缘锐化、分割、特征抽取、图像识 别与理解等内容。经过这些处理后，输出图像的质量得到相当程度的改善， 既改善了图像的视觉效果，又便于计算机对图像进行分析、处理和识别。 ( 3 ) 机器视觉的发展趋势 快速、低成本、准确、可靠是计算视觉发展的需求，通常针对不同应用 目的要在这些需求中进行折衷。例如要提高机器视觉系统的准确性与可靠性， 通常要在速度上做出牺牲。而机器视觉技术的发展技术就是要降低这种折衷， 减小高性能和低价位之间的矛盾。 平台发生变化 传统的机器视觉系统是一种专用系统，具有为获取和处理图像专门设计 的嵌入式系统。这些系统有自己专用的操作系统和编程语言，使用单独设计 的a s i c 来完成处理工作。这种高度用户化的方法使得早期的机器视觉系统 及其昂贵，并且难以使用。降低成本的方法之一就是采用开放标准。近几年 已经有基于w m d o w s 的系统出现，一些专用技术已经被基于w i n d o w sn t 的 板卡级系统所替代。 更加灵活的软件 传统的机器视觉系统令人望而生畏的地方就是编程十分困难，而且难以 改动。改变这一局面的方法就是使用更加容易掌握的编程工具，使用功能灵 活的处理工具。 人机界面更加友好 d o s 、1 7 n 和专用操作系统都有其不同的界面，但通常都需要一个熟 练的程序员来操作它们。机器视觉系统向开放标准的靠拢和基于w i n d o w s 的 通用界面将使得系统更加友好，更加易于使用。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 2 基于虚拟仪器的机器视觉系统 机器视觉系统正处于在不断发展的进程中，而基于虚拟仪器的机器视觉 系统正是这些发展趋势的集中体现。 随着计算机技术及高性能处理器的不断发展，基于虚拟仪器的视觉系统 更加趋于经济和实用。含有h m d ( 技术的高性能p e n t i u m 处理器、坚固的操 作系统、p c i 局部总线以及具有友好用户接口的、基于虚拟仪器的图像采集 软硬件，使今天的视觉应用系统的性能远非以往的系统所能比拟，而其成本 却在不断下降。 基于虚拟仪器的视觉系统对p c 机性能有以下要求： ( 1 ) p c i 局部总线 p c i 总线理论上所能提供的最大数据传输速率是1 3 2 m b s ，6 4 位p c i 可 达2 6 4 m b s ，足够满足高清晰度电视h d t v 信号与实时距离虚拟实现3 d v r 的需要。而且，由于p c i 支持“即插即用”自动配置功能，使得插入式图像 采集卡的配置变得更加方便。目前，基于p c i 总线的数据采集、图像采集 ( d a q f i m a q ) 产品大大提高了机器视觉系统的性能。 ( 2 ) h 彻( 技术 i n t e l 的m m x 技术改进了视觉软件的性能，有效地提高了图像处理速度。 对于大多数视觉软件函数，含m 正x 的p e n t i u m 处理器的执行速度，较不含 此处理器提高2 0 0 4 0 0 ，这是由于m m x 技术包含大量通用指令，增强 了p c 机的处理能力，且与原有的i n t e l 结构保持了完整的兼容性。而且，m m x 技术也完全兼容于现存的各类操作系统与应用软件。 ( 3 ) 软件处理与分析 数字图像处理是视觉系统的关键，在虚拟仪器系统中，这一切是通过计 算机软件实现的。目前，国内外使用最为广泛的虚拟仪器开发平台是 公 司的i a b v 疆w 和l a b n d o w 北。 9 啥尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 虚拟仪器开发平台 2 ，3 ，1l a b v i e w l a b v i e w 是n i 公司推出的图形化软件编程平台，各个专业领域的工程 师、科学家通过定义和连接代表各种功能模块的图标，方便迅速地建立起通 常只有高超编程技巧的程序员才能编制的高水平应用程序。因此，它又称为 “面向工程师和科学家的编程平台”嘲。 2 3 2l a b w in d o w s c v i 虚拟仪器编程语言l a b w m d o w n s c v i 是美国n i 公司利用虚拟仪器技术 开发的3 2 位面向计算机测控领域虚拟仪器的软件开发平台。可以在多操作系 统( 如w i n d o w s9 8 n t ，2 0 0 0 ，m a c o s 和u n i x 等) 下运行。它以a n s i c 为核心，为熟悉c 语言的开发人员建立检测系统、自动测量环境、数据采集 系统、过程监控系统等提供了一个理想的软件开发环境。 l a b g r m d o w n a c v i 具有以下特点： ( 1 ) 交互式的程序开发 l a b w m d o w n s c v i 将源码编程、3 2 位a n s ic 编译、连接、调试及标准 a n s ic 库等集成在一个交互式开发平台中，采用简单直观的图形用户界面设 计，利用函数面板输入函数的参数，采用事件驱动方式和回调函数方式的编 程技术，有效的提高了工程设计的效率和可靠性。 ( 2 ) 功能强大的函数库 其中包括接口函数、信号处理函数库、w i n d o w ss d k 等，利用这些函数 库可以轻松的实现数据采集和仪器控制系统的开发。 ( 3 ) 灵活的程序调试手段 l a b w m d o w n s c v i 提供了单步执行、断点执行、过程跟踪、参数检查， 运行时内存检查等多种调试手段。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 4 ) 高效的编程环境 l a b w i n d o w n s c v i 以其面向虚拟仪器的交互式开发环境，满足了用户对 软件不断变化的要求，在产品设计中，可以快速创建、配准并显示测量结果。 可以自动生成源码、编译和链接，省去了手工编写，更有利于系统的开发 ( 5 ) 开放式的框架结构 在l a b w m d o w n s c v i 环境中，可以结合使用标准的a n s i c 源文件、o b j 文件和动态链接库( d l l ) 。还可以将软件中的仪器于其他标准c 编译器结 合使用，无需更改开发工具。 ( 6 ) 集成的开发环境 l a b 晰n d o 姗s ，c 是集成式的开发环境，可用于创建基于d a q 、g p i b 、 p x i 、v x i 、串口和以太网的虚拟仪器系统。它的交互式开发工具和函数库可 以轻松的实现自动化测试系统、实验室研发、数据采集监视项目和控制系统 设计阴。 2 4n | _ i m a 0p c i _ 1 4 1 1 图像采集系统 2 4 1i m a 0p c i - 1 4 1 1 系统设备和软件概述 p c i - 1 4 1 1 图像采集卡是高精度p c i 接口的黑白、彩色两用i m a q 设备， 支持许多公司的模拟摄像机，支持r s 1 7 0 、c c i r 黑白视频标准和n t s c 、 p a l 彩色视频标准。p c i - 1 4 1 1 实时的获取图像并直接传入板上存储器或者直 接传给系统存储器。它支持每秒2 5 和3 0 帧的扫描，高阻抗模式，8 位的闪 存a d c 将模拟的视频信号转换为数字信号。 p c i - 1 4 1 1 图像采集卡易于安装、设置，并可以直接开始图像获取。它是 美国国家半导体仪器公司( n i ) 的n m m a q 系统的主要硬件部分。系统的 软件部分可以对硬件进行很好地控制。应用n i i m a q 系统不用对设备进行 寄存器编程就可以进行一般性地应用。 它的主要特征是低成本、高性能，广泛应用于工业和科学领域。作为一 个单机设备，它支持视频输入( 一个) 及数字i o 线( 可以作为外部触发或 哈尔滨工程大学硕士学位论文 数字输入输出口线) ，由于p c i - 1 4 1 1 只有一条数字i o 线，所以当需要多个 触发口线和数字输入输出1 2 线时，可以与d a q 卡( 如p c i - 6 0 2 4 e ) 结合使用。 p c i - 1 4 1 1 图像采集卡的软件通过i m a q 驱动来获得并保存图像。图像采 集驱动软件n i - i m a q 支持l a b v i e w 、l a b w m d o w s c v i 等多种语言环境， 提供对采集设备的高层控制。n m m a q 是针对图像采集的一个完整而可靠的 a p i ，可以完成图像采集所需的与计算机和板卡有关的工作。应用n m m a q 和美国n i 公司的其他软件可以进行从图像获取到分析处理的全过程。 2 4 2p g l - 1 4 1 1 图像采集卡 p c i - 1 4 1 1 图像采集卡的框图如图2 2 所示。其各主要功能模块有： 图2 2p c i - 1 4 1 1 图像采集卡内部框图 ( 1 ) 视频解码器：将输入视频信号转化为红、绿和蓝( r o b ) 数据，传 递给色度空间处理器进行处理。 ( 2 ) 色度空间处理器：接受r o b 数据，执行一些优化操作，将结果传递 给存储器。其中优化过程包括如下几点； 独立调整r 、g 、b 三分量增益； 可通过配置l u t 来完成简单的图像处理操作，如对比度增强、数据反 变换或其他非线性处理； 转化r g b 数据到h s l 空间； 处理色度直方图。 ( 3 ) s d r a m ：1 6 m b 高速同步存储器可以作为f i f o 使用，暂时保存图像 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 数据。 ( 4 ) d m a 控制器：在s d r a m 与p c i 总线之间直接传输数据。支持重新 配置，具有很强的灵活性。 ( 5 ) p c i 接口：速度可达1 3 2 m b s ，可进行8 、1 6 、3 2 位的数据读写。采 集卡与计算机存储器之间通过p c i 总线传输数字图像数据。 2 5 本章小结 虚拟仪器技术是机器视觉仪器技术方展的新方向，它利用计算机强大的 运算能力和开放易用的用户界面构成了一种全新的仪器。 基于虚拟仪器的机器视觉系统是虚拟仪器技术和机器视觉系统相结合的 产物，它的出现是对机器视觉仪器系统的一场革命。快速、低成本、准确、 可靠的虚拟仪器系统也代表着机器视觉的发展方向。这也是本课题选择虚拟 仪器技术作为开发机器视觉系统的原因。 在本章的最后，对虚拟仪器软件开发平台n i 公司的图形化软件编程平 台l a b v i e w 、l a b w m d o w s d c v i 和本课题所用的硬件板卡p c i - 1 4 1 1 图像采集 卡进行了简单的介绍。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章真彩色显示模块测试系统硬件设计 3 1 系统组成方案 图像 采集卡 p c 机 c c d 图像 传感器 工作台 l e d 显示屏 r 一 显示屏驱动 笳l j 0 s 8 0 s 5 1 单片机 串行口l + f 单片机 s d r a m 图3 1 测量系统结构图 待检测l e d 显示屏图像信息通过镜头组件传到c c d 图像传感器，进行 光电转换后，经过图像采集卡对信号进行量化，输出数字信号，通过p c i 总 线传送给p c 机，进行图像算法和数据处理。依据处理结果p c 机通过串口发 送控制信号和数据给8 0 s 5 1 单片机。单片机接收待显示信息并存入s d r a m 中，当接收到相应显示控制信号后，从s d r a m 中读出数据，送给显示屏驱 动芯片，实现对显示屏的控制显示。 3 2 硬件设计方案 3 2 1c c d 摄像头的选择 在图像测试系统中，一般选用c c d 传感器阵列摄像头。为保证图像采 集的质量，在选用摄像头时，考虑了象素分辨率和摄像头焦距两个指俐1 o 】： 一髓一一撇一一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 1 ) 象素分辨率 象素分辨率指的是：显示一个完整的被测物体和显示出被测物体上有用 的信息点的像所需要的最少的象素数。可以通过所检测物体的最小特征来决 定象素分辨率。其公式为： ( i t 测物体最大长度物体最小的特征值) x 2 ( 3 - i ) 假设显示屏的最大长度为1 2 0 r a m ，最小特征值为i m m 。根据式( 3 1 ) 需要的最小象素分辨率为2 4 0 。 ( 2 ) 镜头焦距 焦距的大小决定着视场角的大小，焦距数值小，视场角大，所观察的范 围也大，但距离远的物体分辨不很清楚；焦距数值大，视场角小，观察范围 小，只要焦距选择合适，即便距离很远的物体也可以看得清清楚楚。 焦距f 的选择由c c d 传感器的尺寸s 、工作距离( 摄像头镜头到被测物 体的距离和摄像头的视场范围q 三个参数来决定。可按式( 3 2 ) 计算。 f = ( s 嘞) g ( 3 - 2 ) 如选用1 ，3 ”的c c d 传感器h - - - - 4 8 9 c m ，v = 3 6 7 c m 。物距d = 3 0 0 m m ，假定 显示屏长度为v = 1 2 0 m m 。 f = v ( d v ) - - 3 6 7 x ( 3 0 0 f 1 2 0 ) = 9 1 8 r a m 即选择f - - - - 9 1 8 r a m 的镜头即可。 因为彩色图像能够保留更多的物体特征信息，因此本系统中采用了 p a n a s o n i cw v - c p 2 4 0 o 彩色摄像头作为系统的输入传感器，c c d 为行间变 换，7 5 2 ( 水平) x 5 8 2 ( 垂直) 象素，其水平分辨率为4 8 0 行，扫描面积为 4 9 8 m m ( 水平) 3 6 7 m m ( 垂直) ，扫描为6 2 5 行5 0 场2 5 帧，镜头采用日 本s e 0 8 1 3 型，f 1 3 手动光圈，焦距为8 m m ，满足系统要求。 3 2 2 图像采集卡 本系统采用套公司i m a qp c i - 1 4 1 1 图像采集卡。图像的最大分辨率为 7 6 8 5 7 6 3 2 b i t 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 3 计算机设备 计算机主要完成系统信息的获取、处理等工作。由于图像信息量大、处 理时间长，因此要求计算机有较高的主频和较强的运算能力。实验中所用计 算机内存5 1 2 m b ，硬盘8 0 g b ，主频2 4 g h z 。 3 2 4l e d 显示屏实验板 为了方便制造明显的亮度不均匀的l e d 显示屏模块，试验中选用6 4 颗 三基色l e d 拼接成的8 x 8 点阵l e d 作为显示屏模块单元用于产生实验用样 本。引脚连线如图3 2 所示【n l 。 一 ii， 图3 2l e d 显示屏引脚连接圈 8 2 5 显示屏驱动芯片的选取 ( 1 ) 传统显示屏驱动电路设计方法概述 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 广 i i l i i i i l i l e d 显示点阵 上 j 重每 下 ”鼽i ： 列驱动器 l 位位 机机 图3 3 显不屏驱动电路框图 传统l e d 图文显示屏的电路框图如图3 3 所示，行驱动器的一行的行线 连接到电源的一端，列驱动器的一列的列线连到电源的另一端。当行驱动选 中第衍亍，列驱动器选中第，列时，对应的l e d 器件根据列驱动器的数据要 求进行显示。控制电路负责有序的选通各行，在选通每一行之前要把该行各 列的数据准备好。一旦该行选通，这一行线上的u 发光器件就可以根据列 数据进行显示。这种方法操作比较简单，但可以很显然的看出，用这种方法 对显示屏进行控制，显示屏的各个象素点只有两种亮度状态，即亮或不亮【1 2 】。 为了使l e d 显示屏象素点的亮度实现可调，需要对这种方法进行改进。 一种改进方法是基于占空比调节【”】。在一定的显示重复扫描频率下，l e d 器 件的亮度可以由发光时间t ( 占空比) 进行控制。用占空比调节l e d 的亮 度，是发光能量与人眼暂留作用两者相结合的产物，在相同的l e d 正向电流 作用下，屯越大能量就越大。在周期性扫描速度足够快的情况下，人眼感觉 不到闪烁，只是感觉l e d 亮度更高。调节占空比也就是调节发光时间的长度。 图3 4 采用计数器比较器的占空比控制电路 1 7 啥尔滨工程大学硕士学位论文 图3 4 中所示的占空比控制电路由一个8 b i t 列数据寄存器和一个8 b i t 计 数器以及一个双8 b i t 比较器组成。列数据寄存器中保存有当前扫描行某一列 的s b i t 灰度数据，其值聊由输出端送往比较器。计数器对时钟脉冲c l k 进 行计数c l k 的周期t c l r 设计成当s b i t 计满时，恰好等于行扫描周期l 即 t = 2 5 6 x t c u c ，计数值腰也输出到比较器。比较器的输出用于在选通每一行 之前还要把该行的数据准备好。一旦该行选通，这一行线上的l e d 发光器件 就可以根据列数据进行显示。控制时序可由单片机完成【1 4 1 ( 嘲。 ( 2 ) 制定驱动电路的任务说明书 依据实验要求，显示屏驱动电路必须满足以下功能： 实现对显示屏的逐点亮度控制； 实现对屏幕上每个点的亮度差异分别进行校正，并对校正结果进行存 储： 反应速度快，实现显示屏无闪烁； ( 3 ) 驱动芯片的选择。 综合考虑任务说明书和电路的简化性，设计中选用1 2 片豇公司生产的 t l c 5 9 4 0 芯片作为l e d 显示屏的驱动芯片 阍。t l c 5 9 4 0 是n 公司1 6 通道 恒流下沉式l e d 驱动器，每个通道均可以进行多达40 9 6 级的灰度脉宽亮度 ( p w m ) 调节和6 4 级点校正调整。p w m 调节使显示屏可显示的色彩多达 6 8 7 亿种。“级点校正功能可以在灰度范围内补偿系统中单个l e d 之间的亮 度差异。点校正数据被储存在片上的e e p r o m 中，灰度级控制和点校正功 能都可以通过串行接口进行访问。调节一个单独的外部下拉电阻可以设置1 6 路通道的最大电流。 对t l c 5 9 4 0 的操作过程中，v p r g 引脚的起着控制芯片工作状态的作用 ( 当v p r g 接低电平，芯片处于灰度模式；v p r g 接高电平时，芯片处于点 校正模式；v p r g 接2 2 v 电压信号，将芯片寄存器数据存入e e p r o m 中) 。 为了能够给v p r g 引脚提供2 2 v 的电压信号，需要用到升压电路，在设计中 升压电路主芯片采用t p s 6 1 0 4 0 ，t p s 6 1 0 4 0 芯片能将从1 _ 8 v 到6 v 的输入电压 升高至2 8 v 。t p s 6 1 0 4 0 构成升压电路连接方法如图3 5 所示。图3 6 所示是5 1 单片机与n c 5 9 4 0 芯片连接电路图。 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 v m 1 8 v 协i o v 钿 7 i 莘 t 1 图3 5t p s 6 1 0 4 0 芯片应用电路 3 3 本章小结 图3 6 单片机与t l c 5 9 4 0 连接图 本章提出了显示屏彩色模块测试系统的硬件组成方案。并对各部分的选 择原则进行了说明。充分分析了传统显示屏控制方法存在的不足的前提下， 重点阐述了课题中驱动芯片的选型原则。在本章最后，给出了t l c 5 9 4 0 驱动 芯片与单片机的部分连接电路图。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第4 章显示屏颜色均匀性分析及调整方案的提出 4 1l e d 显示屏中颜色均匀性的分析 色度学是研究颜色度量和评价方法的一门学科，从色度学的角度，对拼 接显示屏中颜色均匀性进行评价是可行且科学的。 物体颜色的定量度量非常复杂，涉及到观察者的视觉生理、视觉心理及 照明条件、观察条件等许多方面。本节对设计中用到的颜色的相关知识进行 介绍。 4 1 1r f i b 颜色模型 r g b 模型基于笛卡尔坐标系统，3 个轴分别为