CN105938243B - 一种tft‑lcd检测中多倍率显微镜快速对焦方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TFT‑LCD检测中多倍率显微镜快速对焦方法，包括下述步骤：A.经验值的采集：采集不同型号TFT‑LCD聚焦清晰时的经验值、不同倍率镜头下上下光源经验值以及相机参数经验值；B.构建TFT‑LCD图像清晰度评价函数：使用图像平均色调值作为清晰度评价函数；C.聚焦搜索策略：利用采集的经验值结合评价函数采用曲线拟合与过峰变步长的爬山搜索方法实现快速对焦。本发明的方法相对现有的技术更充分的利用了现有的经验值，在评价方法上针对TFT‑LCD提出了一种精简特殊的清晰度评价函数，在TFT‑LCD多倍率镜头下能够达到快速精准的自动调焦。同时本发明中提出的新型清晰度评价函数可以减弱因镜头或液晶屏沾有细小灰尘而导致传统评价函数出现的局部峰值甚至是错误聚焦现象。
Description
技术领域
本发明涉及TFT-LCD缺陷检测相机聚焦领域，尤其是指一种TFT-LCD检测中多倍率显微镜快速对焦方法。
背景技术
随着液晶技术的快速发展，薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)正得到广泛的使用，平板显示器已经彻底取代了CRT显示技术。在其生产和使用中，不可避免产生了大量缺陷产品和损坏产品，对这些产品进行缺陷检测与修复具有十分重要的商业价值。工业上一般采用AOI(机器视觉系统)来检测液晶屏缺陷，其中相机的对焦直接影响了整个工艺的准确度和快速度，实时精准的自动对焦更是不可或缺的一个环节。
目前，已有的自动聚焦技术主要分为两类：一类是基于测距法的主动对焦方法；另一类是基于图像灰度对比度分析法的被动对焦方法。其中第一类方法需要添加额外的信号发射接收装置，常见的有红外测距、超声波测距和三角测距法等。第二类方法是通过改变相机距离TFT-LCD的距离获取多幅图像，分析图像特征来对焦。在对焦准确时图像的细节清晰，离焦时图像模糊细节丢失，对焦准确的图像在空间域上表现出灰度跃变明显，有较大的梯度值，在频域上清晰具有更多的高频部分。依据这些图像的细节变化特征，人们提出了灰度梯度函数、图像熵函数、频域分析函数三大类图像清晰度评价函数。虽然在摄像机对焦上已有不同的方法，但针对TFT-LCD实时性检查中暂无一种针对性的快速准确自动聚焦方法，同时当液晶屏或镜头沾有灰尘时，因以往的评价函数关注于图像细节，会出现聚焦在某个位置时，这些细小灰尘在画面中作为主要目标显示清晰，在聚焦曲线上表现出局部峰值，若细小灰尘过多则会使此局部峰值成为曲线的全局峰值导致对焦错误。工业环境中，如何减弱及消除这种影响显得尤为重要。
在自动调焦的搜索策略上，传统的自动聚焦方式一般采用爬山法，这种方法需要走完镜头的整个行程，并连续采集多幅图像计算相应位置清晰度来构成一条曲线，求出该曲线极大值后认为该位置为最清晰位置。所利用的评价函数一般为灰度梯度、能量梯度、频域分量等，这些评价函数与爬山法结合会导致计算量较大，对于实时聚焦所要求的快速精准要求还有所欠缺。同时，由于TFT-LCD在显微镜下图像的特殊性，若对全部视野图像进行处理，有比较大的重复性。
此外，目前的TFT-LCD检测中的对焦技术未能充分利用已有的经验值，每次聚焦时都进行了大范围的搜索，比较耗时。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种TFT-LCD检测中多倍率显微镜快速对焦方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种TFT-LCD检测中多倍率显微镜快速对焦方法，包括下述步骤：
A.经验值的采集：采集不同型号TFT-LCD聚焦清晰时的经验值、不同倍率镜头下上下光源经验值以及相机参数经验值；
B.构建TFT-LCD图像清晰度评价函数：使用图像平均色调值作为清晰度评价函数；
C.聚焦搜索策略：利用采集的经验值结合评价函数采用曲线拟合与过峰变步长的爬山搜索方法实现快速对焦。
作为优选的技术方案，所述步骤A包括下述步骤：
A1.首先进行最低镜头倍数的聚焦，手动调整Z方向来调整物距使得画面达到人眼所观察的最为清晰处，当聚焦最清晰时调整上下光源及相机参数至人眼观察的画面色彩最鲜艳分明状态；
A2.记录此倍率下的聚焦Z轴高度、上下光源值和相机参数；
A3.切换镜头到其他倍率，重复步骤A1、A2，完成所有倍率镜头相应经验值的采集；
A4.计算不同倍率在聚焦最清晰时的物距相对值并记录；
A5.对其他型号的液晶屏重复A1至A4步骤。
作为优选的技术方案，所述步骤B包括下述步骤：
B1.根据TFT-LCD图像的特殊性，采用中央窗口选择法选取画面的中心部分作为图像处理部分；
B2.将图像由RGB空间转换到HSV空间；
B3.针对TFT-LCD聚焦提出的清晰度评价函数为：
其中H(i,j)为图像在H通道的值，M*N为图像的大小，即以LCD图像的平均色调值来作为清晰度评价指标。
作为优选的技术方案，步骤B2中，将图像由RGB空间转换到HSV空间，其转换公式如下：
V＝max
其中，max＝max(R,G,B),min＝min(R,G,B)。
作为优选的技术方案，所述步骤C包括下述步骤：
C1.初始化工作台，机械回零，将镜头调整至最低倍率并按照物距、上下光源、相机参数经验值进行调整，移动XY轴方向将镜头目标移动到起始观察点；
C2.设定观察路径，开始移动，在运动过程中采用曲线拟合与过峰变步长的爬山搜索方法进行实时自动调焦；
C3.若需切换镜头倍率移动观察，根据当前镜头与待切换镜头倍率的相对物距差调整Z轴高度，并载入上下光源经验值、相机参数，进行步骤C2。
作为优选的技术方案，进一步包括结合曲线拟合预估最清晰位置与过峰变步长的爬山搜索检测实际值的步骤，其具体方法为：
D1.按照步骤B3中公式(*)计算当前位置图像清晰度f(0)，设定初始移动方向；
D2.按照设定方向连续移动两次，步长为step，按照步骤B3中公式(*)计算清晰度f(1)、f(2)；
D3.比较|f(1)-f(0)|+|f(2)-f(0)|是否大于阈值Tr＝0.1，若大于进入步骤D4，否则反向后进入步骤D2；
D4.连续移动四次，步长每次减半，同时每移动一次，移动方向取反一次；
D5.对D4中的移动数据进行曲线拟合，求出极值，判断与上一次所求极值之差的绝对值是否小于阈值S＝0.02，若小于则结束调焦，否则进入步骤D6；
D6.将物距调整至上一步骤所求的极值处，按照步骤B3中公式(*)计算清晰度；
D7.反向，移动步长2*step，按照步骤B3中公式(*)计算清晰度；
D8.求出最近相邻两次清晰度差值的绝对值，判断该绝对值是否小于阈值Tr/2＝0.05，若小于进入步骤D4，否则进入步骤D7。
作为优选的技术方案，进一步包含了特殊的曲线拟合方法，仅对满足了搜素阈值的点进行拟合，拟合曲线为二次曲线，并通过预估加检测的方法进行搜索，其中步长step根据实际型号的TFT-LCD做调整，步长step选取过程包括下述步骤：
S1.调整镜头至某一倍率，手动调整物距走完整个行程，同时每一次调整按照B3中公式(*)计算清晰度值并记录；
S2.对步骤S1中所记录值筛选出清晰度值大于等于所记录的最大清晰度值的0.55倍的点；
S3.对步骤S2中筛选出的点按照最小二乘法进行二次曲线拟合，求出曲线峰值与曲线0.55倍峰值高度对应的物距，以此两物距之差绝对值作为步长step；
S4.切换镜头到其他倍率，重复步骤S1、S2、S3，完成所有倍率镜头相应步长step的采集。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、目前，还没有专门针对于TFT-LCD的图像清晰度评价函数，已有的显微镜自动聚焦系统中未能充分利用被观察物体的特性，本发明将固定型号的TFT-LCD调焦经验值(包括物距、上下光源亮度、相机参数)记录下来并充分利用，在多倍率镜头相互切换时能直接快速准确的找到最佳清晰物距。
2、相对以往的自动调焦方法，本发明在自动调焦中计算更为简单，调焦更为迅速，同时能更好的客服因工业环境中灰尘带来的聚焦影响。
3、在搜索策略上，使用了曲线拟合预估与检测验证反复结合的方式，大大提高了聚焦速度和精确度。
附图说明
图1是本发明聚焦窗口选择示意图；
图2是本发明拟合数据筛选与拟合曲线；
图3是本发明自动聚焦算法的控制流程图；
图4是本发明多倍率镜头切换的处理示意图；
图5是本发明沾有灰尘时的LCD图像；
图6是本发明清晰度评价函数对比图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本发明涉及一种TFT-LCD检测中多倍率显微镜快速对焦方法，它包括以下步骤：
A.经验值的采集：不同型号TFT-LCD聚焦清晰时的经验值、不同倍率镜头下上下光源经验值、相机参数经验值；
B.新型简单的TFT-LCD图像清晰度评价函数：使用了图像平均色调值作为清晰度评价函数；
C.聚焦搜索策略：利用采集的经验值结合评价函数采用曲线拟合与过峰变步长的爬山搜索方法。
可见，在本发明中，为了在镜头变倍再聚焦时利用不同镜头间的物距相对关系及先前该倍率镜头的最佳参数，在初始时进行了经验值的采集，它具体包括：
A1.将液晶屏放于工作台上，切换镜头倍率至最低倍数，移动镜头XY方向位置将镜头对准液晶屏大致的中央区域；
A2.手动调整Z方向位置来改变物距，调整至画面达到人眼所观察的最为清晰处；
A3.当聚焦最清晰时调整上下光源及相机参数(主要是相机的白平衡及曝光值)来保证相机画面显示最佳，并使得画面色彩鲜明从而使得以画面平均色调值作为清晰评价函数的准确性；
A4.记录此倍率下的聚焦Z轴高度(物距)、上下光源值、相机参数；
A5.切换镜头到其他倍率，重复步骤A2、A3、A4，完成所有倍率镜头相应经验值的采集；
A6.计算不同倍率在聚焦最清晰时的物距相对值并记录；
A7.对其他型号的液晶屏重复A1至A6步骤。
本发明正是基于对这种已有经验值的处理来加速对焦过程。
作为一实施例，所述的评价函数，其处理步骤为：
B1.根据TFT-LCD图像的特殊性，采用如图1所示中央窗口选择法选取画面的中心部分作为图像处理部分。
B2.将图像由RGB空间转换到HSV空间，其转换公式如下：
V＝max
其中，max＝max(R,G,B),min＝min(R,G,B).
B3.针对TFT-LCD聚焦提出的清晰度评价函数为：
其中H(i,j)为图像在H通道的值，M*N为图像的大小，即本算法以LCD图像的平均色调值来作为清晰度评价指标。
作为一实施例，对移动步长step根据实际型号的TFT-LCD做调整，根据每一个镜头倍率
选取相应的搜索步长step，包含步骤：
(s1)调整镜头至某一倍率，手动调整物距走完整个行程，同时每一次调整按照B3中公式(*)计算清晰度值并记录。
(s2)对(s1)中所记录值筛选出清晰度值大于等于所记录的最大清晰度值的0.55倍的点；
(s3)对(s2)中筛选出的点按照最小二乘法进行二次曲线拟合，求出曲线峰值与曲线0.55倍峰值高度对应的物距，以此两物距之差绝对值作为步长step。
(S4)切换镜头到其他倍率，重复步骤s1、s2、s3，完成所有倍率镜头相应步长step的采集。
如图2所示，在曲线拟合时仅选取了满足条件y≥0.55*max的点集作为拟合数据，其中y为各位置点按照B3中(*)式所计算的清晰度值，max为各个位置点所计算出的最大清晰度值。
在实施中，不同倍率镜头的切换采用了如图3所示的流程进行处理，始终先保持当前镜头处于最清晰状态，然后再根据经验值切换镜头直接调整物距、光源参数、相机参数，使得切换后镜头基本处于最佳清晰位置。在实施中，首先是采用最低倍率观察，然后再切换到其他倍率，它包括步骤：
C1.初始化工作台，机械回零，将镜头调整至最低倍率并按照物距、光源参数、相机参数经验值进行调整，移动XY轴方向将镜头目标移动到起始观察点；
C2.设定观察路径，开始移动，在运动过程中采用曲线拟合与过峰变步长的爬山搜索方法进行实时自动调焦；
C3.若需切换镜头倍率移动观察，根据当前镜头与待切换镜头倍率的相对物距差调整Z轴高度，并载入光源参数、相机参数经验值，进行步骤C2。
如图3、图4所示，本实施例中，某个镜头下的自动聚焦方法，它包括步骤：
D1.按照B3中(*)式计算当前位置图像清晰度f(0),设定初始移动方向；
D2.按照设定方向连续移动两次，步长为step，按照B3中(*)式计算清晰度f(1)、f(2)；
D3.比较|f(1)-f(0)|+|f(2)-f(0)|是否大于阈值Tr，若大于进入步骤D4，否则反向后进入步骤D2；
D4.连续移动四次，步长每次减半，同时每移动一次，移动方向取反一次；
D5.对D4中的移动数据利用最小二乘法进行曲线拟合，求出极值，判断与上一次所求极值之差的绝对值是否小于阈值S，若小于则结束调焦，否则进入步骤D6；
D6.将物距调整至上一步骤所求的极值处，按照B3中(*)式计算清晰度；
D7.反向，移动步长2*step，按照B3中(*)式计算清晰度；
D8.求出最近相邻两次清晰度差值的绝对值，判断该绝对值是否小于Tr/2，若小于进入步骤D4，否则进入步骤D7。
如图5所示，测试了一序列包含有细小灰尘的TFT-LCD图像，比较了本发明所提出的清晰度评价函数与其他常用清晰度评价函数，归一化后曲线如图6所示。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种TFT-LCD检测中多倍率显微镜快速对焦方法，其特征在于，包括下述步骤：
A.经验值的采集：采集不同型号TFT-LCD聚焦清晰时的经验值、不同倍率镜头下上下光源经验值以及相机参数经验值；
B.构建TFT-LCD图像清晰度评价函数：使用图像平均色调值作为清晰度评价函数；
所述步骤B包括下述步骤：
B1.根据TFT-LCD图像的特殊性，采用中央窗口选择法选取画面的中心部分作为图像处理部分；
B2.将图像由RGB空间转换到HSV空间；
B3.针对TFT-LCD聚焦提出的清晰度评价函数为：
<mrow>
<mi>F</mi>
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<mo>*</mo>
<mo>)</mo>
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</mrow>
其中H(i,j)为图像在H通道的值，M*N为图像的大小，即以LCD图像的平均色调值来作为清晰度评价指标；
C.聚焦搜索策略：利用采集的经验值结合评价函数采用曲线拟合与过峰变步长的爬山搜索方法实现快速对焦。
2.根据权利要求1所述的一种TFT-LCD检测中多倍率显微镜快速对焦方法，其特征在于，所述步骤A包括下述步骤：
A1.首先进行最低镜头倍数的聚焦，手动调整Z方向来调整物距使得画面达到人眼所观察的最为清晰处，当聚焦最清晰时调整上下光源及相机参数至人眼观察的画面色彩最鲜艳分明状态；
A2.记录此倍率下的聚焦Z轴高度、上下光源值和相机参数；
A3.切换镜头到其他倍率，重复步骤A1、A2，完成所有倍率镜头相应经验值的采集；
A4.计算不同倍率在聚焦最清晰时的物距相对值并记录；
A5.对其他型号的液晶屏重复A1至A4步骤。
3.根据权利要求1所述的一种TFT-LCD检测中多倍率显微镜快速对焦方法，其特征在于，步骤B2中，将图像由RGB空间转换到HSV空间，其转换公式如下：
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<mi>e</mi>
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</mfenced>
</mrow>
V＝max
其中，max＝max(R,G,B),min＝min(R,G,B)。
4.根据权利要求1所述的一种TFT-LCD检测中多倍率显微镜快速对焦方法，其特征在于，所述步骤C包括下述步骤：
C1.初始化工作台，机械回零，将镜头调整至最低倍率并按照物距、上下光源、相机参数经验值进行调整，移动XY轴方向将镜头目标移动到起始观察点；
C2.设定观察路径，开始移动，在运动过程中采用曲线拟合与过峰变步长的爬山搜索方法进行实时自动调焦；
C3.若需切换镜头倍率移动观察，根据当前镜头与待切换镜头倍率的相对物距差调整Z轴高度，并载入上下光源经验值、相机参数，进行步骤C2。
5.根据权利要求4所述的一种TFT-LCD检测中多倍率显微镜快速对焦方法，其特征在于，进一步包括结合曲线拟合预估最清晰位置与过峰变步长的爬山搜索检测实际值的步骤，其具体方法为：
D1.按照步骤B3中公式(*)计算当前位置图像清晰度f(0)，设定初始移动方向；
D2.按照设定方向连续移动两次，步长为step，按照步骤B3中公式(*)计算清晰度f(1)、f(2)；
D3.比较|f(1)-f(0)|+|f(2)-f(0)|是否大于阈值Tr＝0.1，若大于进入步骤D4，否则反向后进入步骤D2；
D4.连续移动四次，步长每次减半，同时每移动一次，移动方向取反一次；
D5.对D4中的移动数据进行曲线拟合，求出极值，判断与上一次所求极值之差的绝对值是否小于阈值S＝0.02，若小于则结束调焦，否则进入步骤D6；
D6.将物距调整至上一步骤所求的极值处，按照步骤B3中公式(*)计算清晰度；
D7.反向，移动步长2*step，按照步骤B3中公式(*)计算清晰度；
D8.求出最近相邻两次清晰度差值的绝对值，判断该绝对值是否小于阈值Tr/2＝0.05，若小于进入步骤D4，否则进入步骤D7。
6.根据权利要求5所述的一种TFT-LCD检测中多倍率显微镜快速对焦方法，其特征在于，进一步包含了特殊的曲线拟合方法，仅对满足了搜索阈值的点进行拟合，拟合曲线为二次曲线，并通过预估加检测的方法进行搜索，其中步长step根据实际型号的TFT-LCD做调整，步长step选取过程包括下述步骤：
S1.调整镜头至某一倍率，手动调整物距走完整个行程，同时每一次调整按照B3中公式(*)计算清晰度值并记录；
S2.对步骤S1中所记录值筛选出清晰度值大于等于所记录的最大清晰度值的0.55倍的点；
S3.对步骤S2中筛选出的点按照最小二乘法进行二次曲线拟合，求出曲线峰值与曲线0.55倍峰值高度对应的物距，以此两物距之差绝对值作为步长step；
S4.切换镜头到其他倍率，重复步骤S1、S2、S3，完成所有倍率镜头相应步长step的采集。
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