（电子科学与技术专业论文）lcd生产线玻璃板实时检测系统.pdf

浙江人学硕士学位论文摘要 移交有关生产单位试用，运行情况很好，l c d 玻璃板的完整性在线实时检测正确 率达1 0 0 。 关键词：l c d 生产线，边缘检测，降噪，实时图像处理，线性变换 i i 浙江大学顿+ 学位论文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fm o d e r ni n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y t h e r e s e a r c h e sa n da p p l i c a t i o n so fi m a g ep r o c e s s i n g ，e s p e c i a l l yr e a lt i m e i m a g ep r o c e s s i n gc a t c hg r e a ti n t e r e s t sf r o ma 1 1o v e rt h ew o r l d a n di n r e c e n ty e a r s ，t h ed e v e l o p m e n to fl c d t e c h n o l o g yh a sp u tt h et h e o r y a c h i e v e m e n to fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gf i e l di n t op r a c t i c a la p p l i c a t i o n s y s t e m s t h e r ea r el o t so fl c dp r o d u c tl i n e si nourc o u n t r y ，h o w e v e rm o s t o f t h e s ep r o d u c tl i n e sw e r ei m p o r t e d e s p e c i a l l yl c db u gr e a l t i m e d e t e c t i v es y s t e mi se x p e n s i v e ，s om o s to fo u rp r o d u c t1 i n ed i d n tb u y t h i ss y s t e m t h e r ei s n to n es i m i l a rs y s t e md e v e l o p e db yo u rc o u n t r y s c o m p a n y t h e r e f o r ew ed e v e l o p e dl c dp r o d u c fl i n eg l a s s b o a r dr e a l t i m e d e t e c ts y s t e mi ss i g n if i c a n tv e r ym u c h t h ed i s s e r t a t i o ni sb a s e do no u rl a b sr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n si n t h ef i e l do fi m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m t h ep a p e rd e s c r i b e st h em a i np l a na n dr e q u i r e m e n to ft h er e a l t i m e d e t e c t i v es y s t e m ，a n dt h ec a p a b i l i t yo fk e yh a r d w a r e ，a n dt h er e a s o n w e c h o o s et h eh a r d w a r e a n dt h e n ，a f t e ra n a l y z i n gt h er e q u i r e m e n to f o u r p r o j e c ta n d t h ed e v e l o p i n g p r o c e d u r e so fr e a l t i m ei m a g ep r o c e s s i n g s y s t e m ，t h ed i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e st h ef u n c t i o n sa n dt h et o pl e v e l d e s i g no ft h es y s t e m w ea l s od e s c r i b et h ed i f f e r e n c eo fi m a g ep r o c e s s i n g a r i t h m e t i c ，e x p l a i nt h er e a s o nw ec h o o s el a p l a c ea se d g ed e t e c t i v e a r i t h m e t i c f ir s t l y ，t h es y s t e mg e to rig i n a li m a g et h r o u g hc c dv i d i c o ns u b s y s t e m t h e nw ed e a lw i t h t h e s eo r i g i n a li m a g e s u s i n gl i n e a rt r a n s f o r m ，n o i s e f i l t e r ，i m a g ee d g ed e t e c t i v e ，p a t t e r nr e c o g n i t i o n ，a n ds oo n f i n a l l y ， t h r o u g hc o m p u t e rs e r i a lp o r t ，t h es y s t e mc h o o s e se n h a n c i n ga l e r t i i i j 塑婆查堂塑塑丝苎：塑至 8 “b s y 8 t 8 mo rn 。ta u t o m a t i c a l l y t h i sm e t h o di n c r e a s e se f f i c i e n c yo f l 。c d p r o d u c tl i n e ，a n de n s u r e st h e s a f e t yo fl c dp r o d u c tl i n e t h 。p r o j e c th a sb e e nf i n i s h e d a f t e rt e s t i n gi no u rl a b ，t h ee q u i p m e n t h 8 5b e e ni n s t a l l e di nl c dp r 。d u c tl i n e o ft h ec 。m p a n y s a n dt h e s y s t e m r u ne x c e l l e n t l y ，t h e p r e c i s i o ni s1 0 0 k e yw o r d s ：l c dp m d u c tl i n e ，e d g e d e t e c t i o n ，n o i s ef il t e r ，r e a l t i m eh n a g e p r o c e s s i n g ，l i n e a r i t yt r a n s f o r m 浙江大学硕十学位论文绪论 第一章绪论 1 ，1 引言 随着电子产业的蓬勃发展，国内有多家企业都启动了l c d 液晶板生产线，但 这些生产线大都依靠进口，所以价格非常昂贵。特别是生产线上使用的“l c d 玻 璃板完整性检测子系统”更是价格不菲。由于价格的原因国内企业引进的l c d 液晶板生产线大都不配备l c d 玻璃板完整性检测子系统。然而由于玻璃板破碎引 起的事故频繁发生，其直接导致的经济损失巨大。为了解决这个问题，本论文开 发研制了l c d 生产线上玻璃板完整性自动检测装置。 本课题的核心为数字图像处理技术。该技术起源于2 0 世纪2 0 年代，当时通 过海底电缆从英国伦敦到美国纽约传输了一幅照片，它采用了数字压缩技术。 1 9 6 4 年美国的喷气推进实验室处理了太空船“徘徊者七号”发回的月球照片， 这标志着第三代计算机出现以后数字图像处理的概念开始得到应用。其后，数字 图像处理技术发展迅速。近些年来，随着多媒体信息技术的迅猛发展和计算机性 能的不断提高，数字图像处理技术受到前所未有的广泛重视，出现了许多新的应 用方法和应用领域。图像动态处理技术在军事目标跟踪、生物医学、交通管理、 安全监控等领域得到了广泛的应用。目前已成为工程学、计算机科学、信息科学、 统计学、物理学、化学、生物学、医学甚至社会科学等领域各学科之间学习和研 究的对像。如今数字图像处理技术已给人类带来了巨大的经济和社会效益不久 的将来它不仅在理论上会有更深入的发展，在应用上也是科学研究、社会生产乃 至人类生活中不可缺少的强有力的工具。图像处理科学对人类具有重要意义，它 是人类从客观世界获得信息的重要来源，是人类视觉延续的重要手段，对国计民 生有重要意义。“2 “” 1 2 数字图像处理的特性 数字图像处理的特点表现在如下几个方面： 一、图像信息理论与通信理论密切相关 浙江大学硕士学位论文绪论 从当今的理论发展看，我们可以说图像信息论是在通信理论研究的基础上发 展起来的。图像理论是把通信中的一维问题推广到二维空间上米研究的，也就是 说，通信研究一维时问信息，而图像研究二维空间信息，通信理论研究的是时间 域和频率域的问题，图像理论研究的是空间域和空间频率域的问题；通信理论认 为：任何一个随时间变化的波形都是由许多不同频率和不同振幅的f 弦波组合而 成。图像理论认为：任何一幅平面图像是由许多频率、振幅不同的xy 方向的空 间频率波相叠加而成的，高空间频率波决定图像的细节，低空间频率波决定图像 的背景和动态范围。总之，通信理论的一维问题都可以推广到二维，尽管有些理 论尚不贴切，但对于图像理论的形成具有极大的借鉴意义。 二、图像处理技术综合性强 在数字图像处理中涉及的基础知识和专业技术相当广泛。一般来说涉及通信 技术“1 、计算机技术”3 、电子技术”1 、电视技术，至于涉及到的数学、物理学等 方面的基础知识就更多。 当今的图像处理理论大多是通信理论的推广，即一维问题推广到二维问题。 在此基础上，逐步发展自己的理论体系。因此，图像处理技术与通信技术息息相 关。 在图像处理工程中的信息获取和显示技术主要源于电视技术，其中的摄像、 显示、同步等各项技术是必不可少的。 计算机已是图像处理的常规工具，在图像处理中涉及到软件、硬件、网络、 接口等多项技术，特别是并行处理技术在实时图像处理中显得十分重要。 三、图像信息量大 在数字图像处理中，一幅图像可看成有图像矩阵巾的像素( p i x e l ) 组成的， 每个像素的灰度级至少要用6 b i t 来表示，一般采用8 b i t ，高精度的可用1 2 b i t 或 1 6 b i t 一般分辨率的图像像素数为2 5 6 * 2 5 6 ，5 1 2 5 1 2 ，高分辨率图像的像素数可 达1 0 2 4 1 0 2 4 或2 0 4 8 * 2 0 4 8 。一幅1 0 2 4 1 0 2 4 8 图像的数据量达到7 1 m b ，而遥感图 像的数据量一般都达到了几十m b 大数据量给存储、传输、处理都带来了巨大的 困难。 浙汀大学颤+ 学位论文绪论 1 3 数字图像处理的应用 当今数字图像处理的应用越来越广泛，已经渗透到了科研、安全保卫、工程、 工业、医疗保健、航空航天、军事等各个方面，在生产生活的各个方面中都发挥 着越来越大的作用应用的典型例子有： 一一、遥感( r e m o t es e n s i n g ) 在遥感的发展和大事纪中，我们可以看到大量的与图像处理密切相关的技 术。自从世界上出现第一幅照片、意大利人乘飞机拍摄的第一张照片以及前苏联 和美国发射的人造地球卫星和陆地资源探测卫星等为遥感技术的发展奠定了坚 实的基础。在1 9 6 5 年国际上已经正式使用遥感一词。遥感技术在农作物估产、军 事侦察、土地测绘、资源调查、气象监测、环境污染监测等领域等到了广泛的应 用。 二、图像处理技术在通信中的应用 图像通信如按业务性能可划分为电视广播( 点对面通信) 、传真、可视电话( 点 对点通信) 、会议电视( 单点对多点通信) 、图文电视、可视图文及电缆电视等； 如按图像变化性质可划分为静止图像和运动图像通信。从历史上看，早在1 8 6 5 年就在法国试验成功传真通信( 巴黎至罩昂) ，但后来由于经济和技术的原冈一直 发展缓慢。1 从7 0 年代以后，多媒体通信逐渐成为人们日常生活中常用的通信方式。并 且随着大规模集成电路技术的发展，使得图像通信中的关键技术得到了逐步的解 决，推动了图像通信的发展。1 9 8 0 年c c i t t 为三类传真机和程控电话交换网上的 数字传真建立了国际标准，1 9 8 4 年c c i i ”i 、提出了i s i ) n 的建议，以及后来的基于i p 技术的多媒体通信都意味着非话业务通信方式在通信中占据了重要的地位，图像 通信的主要内容包括电视广播、可视电话和会议电视、传真、图文电视和可视图 文、电缆电视等等。 三、医学应用 图像处理在医学界的应用非常广泛，无论在临床诊断和病理研究中都大量的 采用图像处理技术。它的直观、微创伤、安全方便的优点得到了普遍的欢迎和接 受。其主要的应用可以举出很多的实例，如x 射线照片的分析、血球记数与染色 体分类等等。目前广泛应用于i 临床诊断和治疗的各种成像技术，如超声波诊断等 浙江大学碗上学位论文绪论 都用到图像处理技术。 四、工业生产的质量检测 在生产线上对产品和部件进行无损检测也是图像处理技术的一个广泛应用 领域如食品包装前的质量检查，l c d 玻璃板生产线上对玻璃质量的检测和监控以 及工件的尺寸测量等等均可以采用图像处理技术。 五、其它的应用 在安全保障、公安领域，利用模式识别技术进行监控、指纹档案、案件侦破、 交通管理等；在教学和科研领域，如科学可视化、远程教学及监控都大量的采用 了图像处理技术的成果；在电子商务领域，图像处理技术在身份验证、产品防伪、 水印技术中正大显身手。 总之，图像处理技术及其与之相应的多媒体技术还可以列出相当多的应用领 域，它们在国家安全、经济发展和日常生活中得到了越来越多的应用，它对国计 民生的影响不可低估。 1 4l c o 生产线简介 本节首先介绍了液晶的基本工作原理和l c d 液晶板生产流程，从中得出了液 晶玻璃板的完整性在整个液晶产品质量中的重要地位。并且介绍了l c d 液晶生产 线和液晶玻璃板的重要参数，以为下文中计算硬件参数提供数值依据。 1 4 1l c i ) 简介 对于环境温度降得足够低时会结晶得一般材料来说，存在莆三种物理状态， 即晶态、液态和气态。然而，某些有机材料在液态和晶态之间的某个温区，会存 在呈现第四种状态，即介晶态。这类材料称为热置液晶。在该温区内，它们具有 有序晶体得光学特性。另一种液晶材料称作溶致液晶，它具有双亲特性，而且只 在有机质为适当溶剂( 通常是水) 所包围或处于适当浓度得水面上时才存在。随 环境温度变化的四种状态可用下列方式表示： 颉江人学硕士学位论文绪论 都用到图像处理技术。 网、工业生产的质量检测 在生产线r 对产品和部件进行无损检测也是图像处理技术的一个广泛应用 领域如食品包装前的质量检查，l c d 玻璃板生产线上对玻璃质量的检测和监控以 及工件的尺_ 测量等等均可以采用图像处理技术。 五、其它的应用 在安全保障、公安领域，利用模式识别技术进行监控、指纹档案、案什侦破、 交通管理等；在教学和科研领域，如科学可视化、远程教学及监控都大量的采用 了图像处理技术的成果；舟电了商务领域，图像处理技术在身份验证、产品防伪、 水印技术中止大显身手。 总之，图像处理技术及其与之相应的多媒体技术还可以列出相当多的应用领 域，它们在国家安全、经济发展和日常生活中得到了越来越多的府用，它对国计 民生的影响不h j 低估。 1 4l c d 生产线简介 本节首先介绍了液晶的基本工作原理和l c d 液晶板生产流程，从中得出了液 晶玻璃板的完整性在整个液晶产品质量中的重要地位。并且介绍了l c d 液晶生产 线和液晶玻璃板的重要参数，以为下文中计算硬件参数提供数值依据。 1 4 1l o d 简介 对于环境涡度降得足够低时会结晶得般材料来说，存存! 着三种物理状态， 即晶态、液态和气态。然而，某些有机材料在液态和晶态之问的某个温区，会存 在呈现第四科状态，即介晶态。这类剌料称为热置液晶。在该温区内，它们具有 有序晶体得光学特性。另种液晶材料称作溶致液晶，它只有双亲特性，而日只 在有机质为适当溶剂( 通常是水) 所包围或处于适当浓度得水面上时才存在。随 环境温度变化的四种状态可用r 列方式表不： 环境温度变化的四种状态可用r 列方式表示： 浙江人学硕士学位沦文- 绪沦 晶态 图卜l 物质物理状态转换图 l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 液晶是介于固态和液态之问的一种新物理 态。液晶具有晶体的光学特性，例如布拉格反射、衍射、旋光性以及折射率、电 导率、弹性系数等各项异性；还具有晶体的电学特性，例如介电或磁导率各向异 性、电导各向异性，压电效应等。 液晶的一个重要特性是：液晶分子在较低的电场、磁场或光场的作用下会重 新排列，由此引起了液晶的电光、磁光、光光等效应。外加场会使液晶指向矢从 初始状态变化到另个状态。从而改变了入射光的强度和位相。当外加场消失的 时候，根据液晶种类以及它们的物理特性的不同，指向矢可能恢复初始状态，也 可能保持在最终的状态。 液品种类很多，有近晶型、外列型、胆留型等等，其光电特性有正型和负型。 其中一种简单工作原理就是：当液晶二端面加以一定电压以后，液晶排列变得有 序，使光线容易通过；液晶二端面不加以电压时，液晶排列混乱，阻止光线通过， 说得简单点，受电控制的液晶如阈门一样，控制着光的通透。 l c d 的优点主要包括零辐射、低功耗、散热小、体积小、图像还原精确、字 符显示锐利等。 液晶在中间态( m e s o g e n i cp h a s e ) 能像液体一样的流动。因此它 l l l h b 在两 块经过处理的基板之间形成一定规则的排列。本项目中所需要自动实时检测的液 晶玻璃板就是这里所提到的基板，由此可以看出该基板的完整的重要性可见一 斑。 液晶板是由玻璃基板、i t o 膜、配向膜、偏光板等部件组成，并在两夹层间 填充液晶分子的设计，电极改为f e t 晶体管。在光源设计上，液晶板的显示采用 “背透式”照射方式，光源路径是从下向上，这样的作法是在液晶的背部设置类 似日光灯的光管。光源照射时先通过下偏光板向上透出，它也借助液晶分子来传 导光线，由于上下夹层的电极改成f e t 电极和共通电极。在f e t 电极导通时，液 晶分子排列状态会发生改变，通过遮光和透光来达到显示的目的。 浙江大学硕十学位论文绪论 由于液晶展示器的工作原理与c r t 显示器工作原理有着本质的区别，所以， 其标称的性能指标也与c r t 显示器大不相同。液晶显示器没有c r t 显示器的汇聚、 聚焦、场频、带宽等c r t 射线管的性能指标之说，有的是相位、相应时间、视角 等特性指标。此外，液晶显示器的真实分辨率也是固定分辨率。目前，我们在国 内市场所能见到的液晶显示器的面板性能大致如下：亮度1 5 0 3 0 0 c d m 2 、对比 度2 0 0 4 0 0 1 、反应速度2 5 m s 5 0 m s 、水平视角1 2 0 1 6 0 度、垂直视角9 0 1 2 0 度，上述指标基本能满足日常的需求。但由于t f t l c d 液晶板工作原理的自 身因素，长久以来液晶板的视角、色饱和度、亮度及反应速度等方面的缺陷一直 是捆绕液晶显示器普及的问题，对于大屏幕尺寸的液晶板而言，这一点尤为突出。 目前，液晶显示器的第五代生产线正是人们议论的焦点，第五代液晶思示器 生产线的投入改变了玻璃基板的切割工艺，可以生产更大尺寸液晶面板，提高液 晶板的生产良率。目前，飞利浦已经推出了基于第五代生产线的液晶显示器。 本项目中所要检测的就是这块基板的完整性，因为玻璃基板是整块液晶板是 否能正常工作的基础，而且它的损坏还会破坏生产线上的其它设备，带来重大的 损失，所以保证基板的完整性是生产流程中的一道重要工序。 1 4 2 液晶板生产线参数 一般的液晶板生产流程要经过药水洗涤、清水洗涤、烘干、完整性检测、镀 膜、压合等过程。图1 2 为生产流程图， 臣匦屯巫母叫至至卜匝墨( 巫 ! j 图卜2 生产工艺流程图 图卜3 为典型液晶板生产线的洗涤和烘干设备图片，本项目所开发的完整性 检测系统就安放在该图烘干设备的左侧。 浙江大学硕士学位论文绪论 图1 - 3l c d 生产线设备圈 图卜4 介绍了液晶面板的压合过程。首先是异方向性导电胶( a c f ) 贴附： 利用异方向性导电胶( 可当作双面胶看待) 黏附于i c 和c e l l ( l c d 液晶成品面 板) 间，提供导通和粘合之功能；其次进行集成电路( i c ) 压合作业，目的是为 了使面板线路与i c 线路通过导电粒子导通，以达到电流信号流通的目的。接下 来是可绕式线路版( f p c ) 压合作业：f p c 是软性印刷板，起连接讯号的作用， 经过这一步压合可以使面板线路与f p c 线路通过导电粒子导通以顺利连接信号。 最后一步压合是集成电路板( p c b a ) 压合，通过这个步骤可以达到两个目的，一 是可以使f p c 和p c b 的线路通过导电粒子导通，从而让电流信号流通，第二是机 台压合提供一定的温度、压力通过控制压合时间，a f c 可在高温下聚合硬化而将 两种不同材料连在一起以提供足够的工作强度。因为在整个压合做成中都需要给 c e l l ( 液晶玻璃板) 施加一定的压力，所以如果玻璃板存在裂纹等缺陷，都将导 致玻璃板在压合过程中破裂，造成不必要的损失，所以在烘干后就进行玻璃板完 整性检测是非常必要的。 浙江大学硕士学位论文绪论 图1 - 4 压合过程图 表卜l 中列出了典型生产线的尺寸和待检测玻璃板的尺寸数据。该尺寸数据 是下文中计算镜头、摄像机摆放位置角度、软件算法设计的基础依据。这些数据 的准确性对本系统是否能稳定、可靠的运行具有重要的意义。 生产线参数如表卜1 所示。 1 - 1 生产线参数 j 柜口尺寸： 宽 4 3 5 “4 7 5 c m 长7 2 5 7 6 c m 轴尺寸： 轴距 8 0 m m 轴直径 3 6 m m 柜深度： 总深度 2 4 0 m m 滚轴至柜底 1 5 m m 浙江大学硕士学位论文绪沦 l c d 板尺寸： 长 4 1 0 m m 宽 3 6 0 m m 其他： 传送速度1 2 s 板 以上参数是本系统设计的重要依据。 1 5 本论文的研究内容和章节安排 本文分析了实时图像处理方法，并利用v c 平台，结合本实验室具体项目的 需求，开发了一套利用工业计算机、c c d 摄像机和图像采集卡为硬件整体框架， 以面向对象编程语言( c h ) 开发的硬件驱动和图像处理算法的实时l c d 生产线榆 测系统。 c c d 摄像机十图像采集卡+ 工业计算机系统的最大优点是开发方便、系统资源 丰富、可完成复杂功能运算，从而实现复杂精确的图像处理功能。 作者的主要工作有： 1 )分析了本研究室以往在图像处理系统方面的研究成果和实验丌发经 验，结合当今实时图像处理技术发展和l c d 生产线的实际情况，设计 出一套基于c c d 摄像机+ 图像采集卡+ 工业计算机的l c d 生产线玻璃板 完整性实时自动检测系统。 2 )对系统的主要参数( 所需的c c d 分辩率、透镜焦距、处理速度等) 进行 分析计算，选定二个摄像机同时处理的方案。 3 )研究了实时图像处理算法的各个部分，包括灰度拉伸、去噪、边缘增 强、平滑处理、二值化阈值的确定方法、各类边缘检测算法，并进行 了比较，从而选择了最为适合本项目的算法。 根据面向对象的编程思想，利用v c 实现了上述算法的代码，并且封 装于白定义的b i t m a p 类中，形成实用软件。 4 )研制成的l c d 生产线上玻璃板完整性的实时自动检测系统经实验室测 试后，移交有关生产单位试用，运行情况很好，l c d 玻璃板的完整性 在线实时检测正确率达1 0 0 。 浙江大学硕士学位论文绪论 奉文的章节安排如一f ： 第一章绪论。分析了数字图像处理的特点和应用，并且介绍了液晶板生 产线的工艺流程。最后列出了作者的主要工作和本文章节的安 排。 第二章详细介绍了各硬件模块的设计过程。硬件系统设计是本系统的基 础。没有合理精确的硬件设计，该系统将根本无法正常运行。而 且由于生产线的实际参数所限，主要是由于生产线尺、j 、图像高 分辨率要求、运动玻璃板的实时性要求，给本项目中硬件设计带 来了很多难点，需要提前通过大量的理论计算，才能选择合适的 硬件设备。详细介绍了各硬件模块的设汁过程。 第三章边缘检测。边缘检测是本项目的核心和基础。没有合适的边缘检 测算法，根本无法完成图像的实时处理和精确判别。所以本章比 较了各种边缘检测算法的优缺点，并且根据比较结果确定了本系 统所采用的核心算法。 第四章系统软件设计。本章介绍了软件系统的各模块划分和各模块中通 讯接口。特别是介绍了b i t m a p 类中各函数的应用和各模块的实 现方法，它是进一步开发图像处理程序的基础。 第五章图像信噪比的提升。由于本项目对图像的信噪比和分辨率要求都 很高，所以必须在对图像进行边缘检测之间进行降噪处理。本章 结合实际检测的图像探讨了应用于自动检测系统图像处理的图 像质量改善的各种方法及具体算法。 第六章总结与展望。总结了本课题研究所取得的成果及其不足之处，提 出了课题进一步深入研究的展望及应用前景。 l o 浙江大学项士学位论文系统硬件设计 第二章系统硬件设计 2 1 总体方案 在检测系统运行时，实时检测系统利用已安装合适镜头的摄像机不断获取检 测区域内的视频图像，并通过图像采集卡直接采集图像信息到工业控制计算机内 存，软件系统从计算机内存直接读取图像数据信息进行实时分析处理，利用分析 结果来判断检测区域内是否有玻璃板存在，如果存在玻璃板，再判定检测区域内 玻璃板的完整性。如果判断结果确定玻璃板存在缺陷，检测模块向图像存储模块 发出存储指令，图像存储模块同时记录实时信息，以供后期处理使用：同时启动 报警系统。对于未检测到有缺陷的玻璃板图像将不予保存。采集和检测过程在监 录时段内不断循环进行。 本实时检测系统用于l c d 液晶板生产线，检测生产线运行期间玻璃板的完整 性，以确保生产后续程序的安全进行。检测模块对采集入内存的视频信息作玻璃 板存在性和完整性的检测判断。 检测系统为了能够准确清晰的采集到合适的图像，必须通过精确的计算和大 量的试验，得出合适的硬件参数和硬件安装参数。具体的参数计算和关键硬件的 选择将在本章下面的小节进行沦述。 实时检测系统的硬件系统组成图，如图2 - 1 ： 圈 图2 - 1 系统硬件组成图 浙江大学硕士学位论文系统硬件设计 根据上述系统硬件组成图，并且根据生产线实际情况，我们可以得出系统的 模型图2 - 2 。 图2 - 2 系统模型图 2 2 方案设计计算 2 2 1 图像分辨率的计算 本检测系统使用c c d 摄像器件是为了把清晰的生产线图像实时记录下来，不 但要满足实时检测的需要，而且要求在后期处理中能够从存储的视频图像清晰地 辨别玻璃板的边缘。 在检测区域c c d 必须检测较大的生产线区域，c c d 对准的摄录视场必须尽可能 的大。但摄录视场与图像的分辨能力是相矛盾的。当视场太大时，玻璃板在视频 图像中所占空问比例较小，相应玻璃板的分辨率就低，整体清晰度就差，以至不 能识别玻璃板边缘。因此，我们采用二台摄像机并行拍摄，以减少图形畸变和图 浙江大学硕十学位论文系统硬件设计 像亮度不均性，降低后续处理难度。在选择c c d 分辨率时，必须综合考虑摄像系 统的视场和玻璃板图像清晰度，使其能准确地鉴别出玻璃板裂纹。下面为整个计 算推导过程。 若检测视场宽度为l ，玻璃板边缘的阴影为0 5 m m ，c c d 的像素数为m * n ，则每 段边缘对应的像素数m 为 r m s 0 5 m(22m 一1 ) = 一 l z 一一lj 三三 若要求视场宽度大于3 6 0 r r u n ，能识别玻璃板边缘的最小像素数为5 。则要求c c d 像面宽的像素m 为 埘：兰 坍：3 6 04 5 ：3 6 0 0( 222 ) s0 5 由此可见，要求清晰地分辨玻璃板边缘，就要求选用很高分辨率的c c d ，一 般的c c d 满足不了上述要求，若用很高分辩率的科学测试c c d ，则价格十分昂贵， 每台只少在5 万元人民币以上，同时还配以昂贵的高分辩率镜头，这样使系统成 本大幅度地上升，用户不能承受。为此，我们选择两台摄像机分别对准玻璃板 ( 4 1 0 m m * 3 6 0 m m ) 两个区域，每个区域尺寸为1 5 0 m m * 2 0 0 m m ，有1 8 m m 的重复区域， 如示意图2 3 所示。图中阴影区域为检测区域。 另外考虑到用户使用的方便性，本系统将由用户在检测区域内，由用户自定 义特征信号线的位置，默认值为最大检测区域的边界线。如图2 4 所示。 t 望托址。难 7 ； l 鋈fi 缓 ? 嘶，1 ； + 4 话测l 臧 2 骧霸投肫递扪“ 图2 - 4c c d 检测区域及自定义特征信号线 浙江大学硕士学位论文系统硬件设计 软件系统将只对自定义特征信号线区域内的图像进行相应得检测算法。这样 间以提高运算速度，另外可以避开生产线传送滚轮所造成的噪音对连续抓取的 视频图像序列在检测区域内作相关运算，来判断监控区域是否有不合格目标出 现，其检测计算量比对整副视频图像作相关处理的计算量要小目町靠得多。 2 2 2 透镜焦距的计算 我们选用的c c d 为s o n y l 3 ”c c d ，它的光敏感而为4 9 m m * 3 7 m m 。而当物象 之间的距离确定以后，m 的增大意味着物距p 的减少。一般情况下，m 的增大， 视域减小，被测目标在c c d 上所占像元数增加，减少数据处理误差。但是，由于 成像系统的物距可能有p 误差，p 的减小，使相对误差ap p 增大，精度反而 降低。另外，m 的增大，导致光通量减小，成像信号减弱，降低了信噪比，图像 反而不清晰，导致信号处理困难，计算误差增大。所以m 的选择从各个方面来权 衡。本项目中假设在充分利用c c d 成像面积的情况下，可计算得出本系统应该选 择的放大倍数m = 2 0 0 m m 4 9 m m * 4 0 倍的镜头。其摄像系统光路示意图如图 2 4 所示。 p “。- 二qi 图2 - 5 摄像系统光路示意图 由图2 - 5 光路和透镜成像原理，即可以确定物距p = 2 0 c m ，像距q = o 2 4 c m ，从而 根据透镜成像公式吉+ 石1 = 公式廿j 以确定焦距为f = 9 7 6 粕2 4 1 0 = 0 4 8 c m o 所 以本系统选用了4 m m 的可微调镜头。 浙江大学硕十学位论文系统硬件设计 2 2 3 处理速度的要求 由于研制的系统是对运动中的玻璃板完整性的实时检测，所以要计算处理速 度和玻璃板运动速度的关系，为此在正式设计之前，我们进行模拟试验，得图采 集时间为4 0 m s ，本系统中信噪比、边缘检测、判定算法的运算处理速度为l o o m s ， 也就是说在下一幅图像被图像采集模块传输进处理模块前，必须经过了1 4 0 m s 以 上的时间。而玻璃板的运动速度为v = 4 1 0 m m 1 2 s “3 4 r a m s ，1 4 0 m s 中玻璃板只 前进了4 7 6 m m 。 由此可见，玻璃板运动速度相对而言是比较慢，所以足以进行检测处理和报 警，这样在系统设计中，可以采用周期性抽样处理的方法，也就是说不对每张采 集到的图像都进行运算处理，而是在软件程序中添加计数器，周期性的对部分数 量的图像进行所有算法的处理，仍能保证玻璃板每个区域都能检测到，并有足够 的重复检测区域。这样不但可以保证检测的实时性、可靠性，更大大减少了工控 机处理系统的负荷。 本项同实际中采用每五幅图像处理一幅的方法。这样由前面计算结果可知该 周期完全能够保证整个系统的精确度，也就是说绝不会存在漏检测区域。 需要说明的是即便采用周期性处理的方法，仍然会有大量的区域被重复检 测，为了保证系统的准确性，并且在系统能够负荷的前提下，对这些重复区域的 大小，本系统中忽略不计。 2 2 4c c d 陕门速度与玻璃板传送速度 本系统记录的是传送中玻璃板图像信息，由于c c d 摄像机会有一定的感光时 问，因此玻璃板运动将带来摄录图像的运动模糊。为了清晰地摄录下玻璃板运动 中的图像，必须计算c c d 的感光时间( 即快门速度) 的数值，以确定是否满足真个 系统的要求。若c c d 摄像系统安装时，采取摄像机垂直正对玻璃板边缘，则所得 图像模糊度最大，由此来计算情况如下： 玻璃板运动方向为平行于镜头平面方向，所以放大倍数为定值1 - 4 0 。当传 送速度为v ，快门时间为t ，则在c c d 摄像期间玻璃板运行的距离为 s ：f tf 2 - 2 3 ) 浙江大学硕士学位论文系统硬件设计 根据软件程序的需要，玻璃板在摄像期间前进的距离需小于半个像素，才能 使图像的边缘清晰可靠。由黑白高解像度数码摄像机v i e w s e 5 2 3 0 的参数可得， 一个像素在c c d 上所占的距离为 4 9 m m 7 5 2 0 0 0 6 5 m m 所以一半像素的距离为0 0 0 3 2 6 m m 。根据本系统所选择的镜头的放大倍数 m - 4 0 ，可得玻璃板所前进的距离为 a s - o 0 0 3 2 6 + 4 0 = 0 1 3 m m 如图26 所示： r li 擗德蜉l h l n 糍麟绶近，女矗 - 一一一 一l i - i jf - - + 。p 一 履j 袅板前域的涔璃s 图2 _ 6 玻璃板运动示意图 并由式2 2 3 计算得 r 些丝竺竺：d d o 姗r 。l 5( 2 2 4 ) 4 l o m m 1 2 s 3 0 0 这样的曝光速度，一般c c d 摄像机都能达到。但是系统所需要的光照强度要 大大的提高。 当c c d 摄像系统与运动玻璃板成某一夹角时，图像模糊度要减少些，边缘阴 影宽度增加，对后期的边缘检测带来了便利，但增加了图像畸变。对此畸变我们 在软件系统中进行了矫正处理，虽然经过矫正的图像仍然存在畸变，但折衷考虑， 我们在实际安装时，c c d 光轴与玻璃板成 。乃。夹角。 2 2 5c o d 感光时间和光照度 根据玻璃板传送速度町以大致确s ：c c o 的感光时削设置范围，而在一定的快 门速度下，环境光的照度对检测图像的质量有很大的影响。又因为系统对光信噪 比要求较高，所以必须将系统至于封闭环境中，则设置辅助照明光源成为必需。 浙江大学硕士学位论文系统硬件设计 另外通常的彩色c c d 摄像机所要求的最低照度为0 5 勒克斯左右( 在d f - 1 2 t - 1 5 0 秒时) 。而系统采用的黑白c c d 摄像机，最低照度要求可在0 0 1 勒克斯左 右，这样不但大大的节省了能源，更使系统的发热量减小了很多。不但延长了系 统的使用寿命，也大大减小了本系统在安装到液晶板生产线后对生产线其它设备 产生的影响。需要指出的是系统采用了1 3 0 0 秒曝光时问，黑白c c d 所需的最低照 度远大于o 0 1 勒克斯。 考虑到生产线上玻璃板已被清洗得非常洁净，导致如果我们采用一般的点光 源或者线光源，它们将非常容易形成不规则的反射面，为此我们必须选择较均匀 的平面光源作为该项目的辅助照明光源。 产生均匀平面光源的方法有很多种，主要可分为由点光源或线光源通过光学 透镜产生平面光源，和专门的平面光源，例如液晶显示器的背景光源。若采用由 点光源产生平面光源，其系统组成图如图27 ： 渣 ；秘 图2 7 用点光源产生平面光源 若采用由线光源产生平面光源，其系统组成图如图2 8 浙江大学硕上学位论文- 系统硬件设计 溅为扳 l 簸塌掇瓣遵圳_ 卜 r 恕 ，、 o j _ 1 m & 镀 lililiijl r l l l x # 势澌 图2 _ 8 用线光源产生平面光源 由上面两图可容易得出出利用点光源和线光源制造平面光源，导致整个系统 的复杂度提高，而且在实际生产线不易安装，特别容易损坏。 所以在l c d 液晶玻璃板实时检测系统中，最终采用了液晶显示器所用背景光 源作为系统的照明光源。该光源不但能够满足光照度的要求( 一般的液晶显示器 背景光源可达1 l u m e n ) ，而且形成了较均匀的平面光源。经过实际使用结果验证， 完全满足本系统的要求。 2 2 6 摄像机安装参数 根据生产线的实际尺寸和需要拍摄玻璃板边缘的清晰度要求。摄像机安装必 须有玻璃板平面形成一定的角度，只有这样才能得到较清晰的玻璃板边缘图像。 但由于倾斜角度而造成的玻璃板纵向边缘扭曲的现象，将在软件程序巾进行校 正。根据生产线的实际尺寸和多次试验得到的结果，图2 - 9 图2 10 图2 11 为摄 像机生产线安装图。 浙江人学硕士学位论文系统硬件设计 一1 0，7 图2 - 9 侧视图 图2 1 0 俯视图 图2 _ 1 1 摄像机固定点 1 9 浙江大学硕士学位论文系统硬件设计 2 3 关键硬件选择 2 3 1 摄像机镜头 摄像机镜头是视频监视系统的关键设备，它的质量( 指标) 优劣直接影响 摄像机的整机指标，因此，摄像机镜头的选择是否恰当既关系到系统质量， 又关系到本项目的造价。 镜头相当于人眼的晶状体，如果没有晶状体，人眼看不到任何物体；如 果没有镜头，那么摄像头所输出的图像：就是白茫茫的一片，没有清晰的图 像输出，这方面本项目中使用的工业用摄像机镜头与我们家用摄像机和照相 机的原理是一致的。 由此可见，镜头在本l c d 生产线自动检测系统中的作用是非常重要的。 本节简单介绍了摄像镜头的分类、选择镜头的技术依据、不同镜头的应用范 围、镜头的主要性能指标和焦距的计算。 一、镜头的分类 ( 1 ) 以镜头安装分类 所有的摄象机镜头均是螺纹口的，c c d 摄象机的镜头安装有两种工业标 准，即c 安装座和c s 安装座。两者螺纹部分相同，但两者从镜头到感光表面 的距离不同。c 安装座：从镜头安装基准面到焦点的距离是1 7 5 2 6 m m 。c s 安 装座：特种c 安装，此时应将摄象机前部的垫圈取下，再安装镜头。其镜头安 装基准面到焦点的距离是1 2 5 m m 。如果要将一个c 安装座镜头安装到一个c s 安装座摄象机e 时，则需要使用镜头转换器。 ( 2 ) 以摄象机镜头规格分类 摄像机镜头规格应视摄像机的c c d 尺寸而定，两者应该相互对应。 即： 摄像机的c c d 靶面的大小为1 2 英寸时，镜头应选1 2 英寸。 摄像机的c c d 靶面的大小为1 3 英寸时，镜头应选1 3 英寸。 摄像机的c c d 靶面的大小为1 4 英寸时，镜头应选1 4 英寸。 如果镜头尺寸与摄像 ) l c c d 靶面的尺寸不一致时，观察角度将不符合设 计要求，或者发生画面在焦点以外等问题。 浙江人学硕士学位论文系统硬件设计 注：如果实际应用中镜头为l 2 英寸，那么摄像机的c c d 靶面的大小为1 3 英寸或1 4 英寸是可以应用的，但视角会减少。 ( 3 ) 以镜头光圈分类 镜头有手动光圈( m a n u a l r is ) 和自动光圈( a u t o i r i s ) 之分，配合摄像机 使用，手动光圈镜头适合于亮度不变的应用场合，自动光圈镜头冈亮度变更 时其光圈亦作自动调整，故适用亮度变化的场合。自动光圈镜头有两类：一 类是将一个视频信号及电源从摄像机输送到透镜来控制镜头上的光圈，称为 视频输入型，另一类则利用摄像机上的直流电压来直接控制光圈，称为d c 输入型。 自动光圈镜头上的a l c ( 自动镜头控制) 调整用于设定镜头的测光系统， 可以是整个画面的平均亮度，也可以是画面中最亮部分( 峰值) 来设定基准信 号强度，供给自动光圈调整使用。一般而言，a t c 己在出厂时经过设定，可 不作调整，但是对于拍摄景物中包含有一个亮度极高的目标时，明亮目标物 之影像可能会造成“白电平削波”现象，从而使得全部屏幕变成白色，此时 可以调节a l c 来变换画面。 另外，自动光圈镜头装有光圈环，转动光圈环时，通过镜头的光通量会 发生变化，光通量即光圈，一般用f 表示，其取值为镜头焦距与镜头的通光口 径之比，即：f = f ( 焦距) d ( 镜头实际有效口径) ，f 值越小，则光圈越大。 ( 4 ) 以镜头的视场大小分类 标准镜头：视角3 0 度左右，在1 2 英寸c c d 摄象机中，标准镜头焦距定为 1 2 m m ，在1 3 英寸cc d 摄像机中，标准镜头焦距定为8 m m 。 广角镜头：视角9 0 度以上，焦距可小于几毫米，可提供较宽广的视景。 远摄镜头：视角2 0 度以内，焦距可达几米甚至几十米，此镜头可在远距 离情况下将拍摄的物体影响放大，但使观察范围变小。 变倍镜头( z o o m1 e n s ) ：也称为