基于LabVIEW的HDTV主控板自動測試系統(tǒng)設(shè)計

摘要：針對人工測試效率低、易受主觀影響等不足，設(shè)計了基于LabVIEW的高清電視(HDTV)主控板自動測試系統(tǒng)。利用LabVIEW豐富的信號處理、虛擬儀器等圖形化編程特點，開發(fā)音頻及視頻圖像評價軟件。采用基于梯度的結(jié)構(gòu)相似性圖像評價算法(GSSIM)，提高了測試分析中對模糊失真圖像的判別精度。該自動測試系統(tǒng)可大大提高測試效率，并保證產(chǎn)品測試指標(biāo)的客觀性和一致性。

高清電視(HDTV)已成為目前彩電市場的主力軍，其核心部件是電視主控板。目前主控板出廠測試普遍采用人工測試方法，但存在如下不足：1)測試效率低，需要人工頻繁更換測試工具，費時費力;2)評價主觀性強(qiáng)，因依靠人的感官來評判產(chǎn)品好壞，容易造成產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。因此，開發(fā)自動測試系統(tǒng)已成為HDTV生產(chǎn)企業(yè)的一項急迫任務(wù)。

本文以市場上一款液晶HDTV主控板為測試對象，采用LabVIEW圖形化編程，設(shè)計測試軟件，對采集到的音頻、視頻信號進(jìn)行算法分析和評價，并設(shè)計友好的人機(jī)交互界面和數(shù)據(jù)管理軟件模塊，最終提高了產(chǎn)品測試效率，并保證產(chǎn)品質(zhì)量分析的客觀性、一致性。

1 自動測試系統(tǒng)總體設(shè)計

典型高清電視系統(tǒng)框圖如圖1所示，主控板包括控制電路和時序電路兩大部分?？刂齐娐分饕?fù)責(zé)音視頻信號的接收和處理，并轉(zhuǎn)換為mini—LVDS標(biāo)準(zhǔn)信號;時序電路產(chǎn)生脈沖時序信號，實時將數(shù)字圖像信號經(jīng)行、列驅(qū)動電路送顯示屏顯示。

主控板是高清電視的核心部件，出廠前必須嚴(yán)格測試。本文設(shè)計的自動測試系統(tǒng)包含上位工控機(jī)、音視頻信號源、音頻采集卡、視頻采集卡和可學(xué)習(xí)性遙控模塊等，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2中，CHROMA作為音視頻信號發(fā)生源，通過RS-232與上位機(jī)通信，按照上位機(jī)命令，輸出音視頻信號。主控板輸出的音頻和視頻信號分別經(jīng)過音頻采集卡、視頻采集卡傳輸?shù)缴衔还た貦C(jī)進(jìn)行分析評價。在測試過程中，可學(xué)習(xí)型遙控器模塊可以模擬紅外遙控器，采用單片機(jī)開發(fā)，實現(xiàn)測試流程的自動切換。本文將重點闡述基于LabVIEW的測試軟件設(shè)計。

2 自動測試軟件設(shè)計

自動測試軟件是該系統(tǒng)的重要組成部分，經(jīng)分析比較最終選定NI公司的LabVIEW作為開發(fā)軟件，充分利用其豐富的信號處理、虛擬儀器等圖形化編程工具，實現(xiàn)音頻信號和圖像信號分析算法的軟件編程，并開發(fā)友善的用戶界面，集控制和管理為一體，設(shè)計簡易實用的HDTV主控板自動測試系統(tǒng)。限于篇幅，本文將重點介紹自動測試軟件中的音頻分析模塊、圖像分析模塊，以及數(shù)據(jù)處理等模塊。

2.1 音頻分析模塊

音頻分析是電視主板測試的一個重要方面，LabVIEW內(nèi)部包含信號處理和分析的函數(shù)庫，如各種波形生成VI、濾波函數(shù)、頻譜測量、失真測量等函數(shù)，借助LabVIEW的虛擬儀器框架，可以進(jìn)行圖形化軟件編程，搭建音頻信號的處理和分析平臺。

音頻分析模塊的輸入信號是通過音頻采集卡采集并調(diào)理的聲音信號，信號源是固定頻率的單頻正弦信號。音頻測試常用指標(biāo)有：

1)信噪比(Signal to Noise)：輸出信號的電壓(功率)與同時輸出的噪聲電壓(功率)的比，一般不應(yīng)低于70 dB。

2)總諧波失真率(T.H.D)：輸出信號比輸入信號多出的額外諧波成分，是由于系統(tǒng)非線性造成的。當(dāng)總諧波失真在1%以下，一般人耳分辨不出。

3)總諧波失真率+噪聲(THD—N)：系統(tǒng)各種諧波造成的失真及器件內(nèi)外部造成的噪聲，一般要求在10%以下。

4)頻譜分析：檢測信號的諧波成分，對于單頻信號來說，其頻譜應(yīng)只有基頻。

基于LabVIEW的音頻分析軟件模塊如圖3所示。

為測試上述軟件模塊對音頻信號分析的準(zhǔn)確性，利用LabVIEW的波形生成器來模擬標(biāo)準(zhǔn)音頻信號，并加入高斯白噪聲和高頻正弦噪聲，合成為失真音頻信號，再經(jīng)過信噪比、失真測量、頻譜測量等得到測試指標(biāo)。

圖4是音頻測試模塊的測試結(jié)果，給出了測試曲線并同步記錄到音頻測試文檔中。本測試采用幅值為1 V、基頻為1 kHz的正弦信號，加入高斯噪聲和高頻噪聲后，經(jīng)過音頻分析得到檢測出的基頻為1 kHz，THD—N為7.34%，在允許范圍(10%)內(nèi)，THD為0.99%，也在允許范圍內(nèi)，信噪比為22.68dB，低于70 dB。因此，可以判定該主控板音頻質(zhì)量合格。

2.2 圖像分析模塊

高清電視主板的視頻輸入端口有多種，如HDMI端口、COMP端口、VGA端口等，雖然輸入端口很多，但測試的方法是一致的，即采用標(biāo)準(zhǔn)輸入信號，通過對比輸出質(zhì)量偏差，來確定主控板質(zhì)量是否符合出廠要求。

LabVIEW支持讀取不同格式的圖片，如JPEG、BMP、PNG格式，并且可以還原為像素圖，便于進(jìn)行算法分析。

結(jié)構(gòu)相似性(SSIM)的評價算法是目前應(yīng)用廣泛的圖像評價算法，比較符合人的視覺感受，且計算簡便：

式(1)中l(wèi)(x，y)為亮度比較函數(shù)，c(x，y)為對比度比較函數(shù)，s(x，y)為結(jié)構(gòu)比較函數(shù);3個指數(shù)α、β和γ為各個函數(shù)的權(quán)重。

然而，SSIM對于模糊失真類圖像卻不能具有良好的評價效果。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，人眼對于圖像的邊緣紋理結(jié)構(gòu)十分敏感，而圖像的邊緣紋理往往是圖像結(jié)構(gòu)的重要信息，在SSIM的結(jié)構(gòu)比較函數(shù)中僅考慮了標(biāo)準(zhǔn)圖像和失真圖像之間像素的相關(guān)系數(shù)，而未考慮圖像的邊緣紋理信息。

梯度信息可以較好地反應(yīng)圖像的邊緣紋理信息，因此，本測試系統(tǒng)決定采用基于梯度的結(jié)構(gòu)相似度的圖像質(zhì)量評價方法，以提高了測試分析中對模糊失真類圖像的判別精度。將SSIM中結(jié)構(gòu)對比函數(shù)替換s(x，y)為梯度相似度函數(shù)g(x.y)，則得到基于梯度的結(jié)構(gòu)相似度GSSIM：

按照計算SSIM的思路一樣，利用加權(quán)窗口，逐像素地移動，則最后整幅圖像基于梯度的結(jié)構(gòu)相似度MGSSIM，可由各子塊的GSSIM求均值得到：

本文利用Matlab實現(xiàn)基于梯度的結(jié)構(gòu)相似度算法，為驗證圖像測試程序的準(zhǔn)確性，采用如圖5所示的標(biāo)準(zhǔn)圖像和三幅不同程度的高斯噪聲失真圖像，其失真程度依次減輕。

表1給出了它們的SSIM和GSSIM值?？梢?，模糊失真圖像的GSSIM相對于SSIM，更能體現(xiàn)模糊圖像的邊緣紋理結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)圖像的差異程度，也更符合人的視覺感受。

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

測試軟件的一個重要功能是管理測試文檔，它需要訪問數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行創(chuàng)建、插入、刪除、查詢等操作，并根據(jù)需要打印查詢結(jié)果等。

LabSQL支持Windows操作系統(tǒng)中基于ODBC的數(shù)據(jù)庫，利用Microsoft ADO技術(shù)以及SQL語句來完成數(shù)據(jù)庫訪問。借助LabSQL工具包中封裝的VIs，可以方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的一些基本操作。本設(shè)計以Microsoft Access作為測試數(shù)據(jù)庫。LabSQL工具包只能操作而不能創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，所以需要測試前先創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，再建立LabSQL與Access數(shù)據(jù)庫的連接。數(shù)據(jù)庫訪問程序如圖6所示。

以查詢?yōu)槔?/p>

“SELECT*

FROM TVtest

WHERE product=‘E321 VL’

AND(testdate between #2012/4/10 00：00：00# and #2012/4/10 23：59：59#)”

執(zhí)行上述SQL語句，則可顯示測試結(jié)果。

查詢后根據(jù)需要可以打印測試文檔，LabVIEW同樣提供了一些打印報表的子VI可供調(diào)用，如Set Report Font.vi、Set Report Header Text.vi、添加報表文本.vi、打印報表.vi等.大大簡化了編程工作。

3 結(jié)束語

針對高清電視(HDTV)主控板人工測試存在的諸多問題，設(shè)計了HDTV主控板自動測試系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了基于LabVIEW開發(fā)的音頻分析軟件模塊、圖像分析軟件模塊，以及測試數(shù)據(jù)管理等功能模塊。采用基于梯度的結(jié)構(gòu)相似性圖像評價算法(GSSIM)，提高了測試分析中對模糊失真類圖像的判別精度。該自動測試系統(tǒng)可大大提高測試效率，保證產(chǎn)品測試指標(biāo)的客觀性和一致性，具有良好的應(yīng)用價值。