TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.5, May 2014, pp . 3737 ~ 37 4 4   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i5.5108          3737     Re cei v ed  No vem ber 1 1 , 2013; Re vi sed  De cem ber 2 3 ,  2013; Accep t ed Jan uary 8 ,  2014   Development of a Machine Vision System for Solar  Wafer Counting       Nan  Wang, Shuguang Z h a ng, Man Ch eng, Zhenjia ng Cai*   Coll eg e of Elec trical an d Mech anic a l Eng i n e e r ing, Agric u ltur al Univ ersit y  of  Hebe i,   Baod ing 071 00 1,  Chin a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : czj65@ 163.c o     A b st r a ct  The trad ition a l  man ual  cou n t ing w a fers  le ade to t he  silico n  w a fer  cracked  by  o perati n g   freque ntly. Instead  of the   manu al w o rk, th is pa per   pro p o sed  a syste m  to  cou n tin g  w a fers bas ed  on   Machi ne Visi o n  theory a nd Ima ge Proc essi ng al gorit hm.  We desig ne d a counter syst em  and a d o p te d   infrare d  le d as  para lle l il lu mi natio n so urce.  In i m ag e pr e- process i ng, th i s  pap er pr ese n ted a  seri es  of  alg o rith ms, w h ich contai ned i m a ge s m o o thi ng, unev en  i m age corr ection  and i m a ge  mor pho logy o per ation .   T h is pap er pro pose d  a vertic al proj ectio n  counti ng b a sed  on statistics analysis su bstit u te for the Ho ugh   straight li nes d e tection, a nd the metho d s ha ve ac hi eve d  id eal effects by e x peri m e n tal re sults.     Key w ords :  u neve n  Illu mi nat ion, i m a ge pre- process i ng, co untin g al gorith m      Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  Photoele c tri c  conve r si on e fficiency, pro duct  q uality rate and  pro d uction  of co st  are the  three  key fact ors  whi c h pl a y  an importa nt role in the  sola r cell pro ductio n  pro c e ss. Not only the  quality of ma terial itself, but also  the  crack ed wafe r redu ce th e quality  rate, and  the   pri n cipal   element i m p a cts the  cracked  wafer i s  the tra d it ion a l man ual  co unting  wafe rs. Firstly, all  the  cou n ting  re sults a r e  freq uently ina ccura cy. Seco ndly, due  to  the fragile   prop ertie s   of the   material, h a n d  ope ration  may lead to t he dam age  wafers  and th e  eco nomi c  lo sses. Fin a lly, for a  long time  a n d  bo ring  ma nual  co untin g may  re sult  in fatigu e o perato r   and   redu ce  the   work  efficien cy. To  solve  this a bove d r a w ba ck,  we  ad opt ed ma chi ne  vision m e tho d  in stead  of  the  manual  work,  which  can p r ovide a c cura cy and efficie n cy in wafe r cou n ting. In this arti cle, the   machi n e   visi on  frame w o r in clu d e s  speci a lly-de s ig ned ma chine ,  special p a rallel illuminat ion  sou r ce, high -resolution  ca mera, p e rso nal compute r  and ima ge  pro c e ssi ng t e ch nolo g y. The  frame w ork  can improves countin g th e numb e rs  o f  wafer qui ckly, repeatedl y, and accurately  while mini mizing han dling t o  prevent wafer dam age.   There a r so me research es  on  pap er  cou n ting  usi n g ma chin e vi sion  technol o g y [1-3],  but it is very limited on the  study of sola r wafe r counting.  Som e  pape rs  wo rke d  on pa p e cou n ting ba sed on T e xture Featu r e [1-2], [1] pr ese n ts a meth od  based on  a nalyzin g texture   feature of th e pap er ima g e , obtaining t he bina ry im age throug LOG filter. T hen the  cou n t ing   numbe rs  we re obtai ned  by  pixel p r oj ecti on al gorith m   based  on tilt  corre c ting  of t he im age  an d  by  differen c e al gorithm b a se d on statisti c analysis  re spectively. A  method resp ectively base d  on  2D Ga bo r filter an d 1D lin e-by-li ne freq uen cy anal ysi s  is p r op osed  in [2], then counting n u mb ers  by extractin g  the filtere d   bord e r i n form ation of  p a p e r. But when  the si de  of pape r h a b een   abra ded  which lea d  to u n e v en in  sh ado w, the  re sults in [1]  were e rro r frequ entl y , while [2]  can   not satisfying  the real-tim e  req u ire m ent s .To  so lve  th ese  problem,  [3] pre s e n ts  a metho d  b a s ed  on mathem atical mo rphol o g y, the result s ca n be  sati sfied in pract i cal produ ctio n. A countin g   method ba se d on textural  prope rty [4], which ac co rding to the common featu r e of piece a nd  wafer,  which  firstly lo cat ed  wafe r a r ea e m ployin g first-o r de r statisti cs m e thod  and  e dge  detectio n  p r o j ection, a nd t hen o b taine d  the num be rs by extre m e value a nal ysis in  practi cal  appli c ation.   The  stru cture  of this pap e r  in clud ed: th solar wafer co unter sy stem an d the   parall e illumination  source  whi c rest rain ed th e uneven ill u m ination in fi rst pa rt. The  digital imag e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3737 – 37 44   3738 pro c e ssi ng m e thod an d the cou n ting al gorithm a r appli c ation fo r sola r wafe r in second p a rt.  And the expe riment re sult s and analy s is  are sho w n in  last part.       2. Solar Wafer Coun ter S y stem  The sola wafer counte r  system  i n clu des pr ote c tive exterio r  sy stem, sl eeve  sup port   sy st em,  dis p l a y   sy st e m   a nd cou n t i ng sy st em.  The   rol e  of th prote c tive ex terior sy stem  is  prote c ting th e came ra from envi r onm ent interf e r e n ce  an d hol ding it in  th e prope po sitio n   steadily. T he  feature  of the  sle e ve  sup p o rt system   is assistin o p e r ator in  loadi n g  an unloa di ng  the wafe r e a s ily, and  prov iding id entica l  sleeve  po sit i oning. T he d i splay  system  is  sho w in g the  real -time ima ge and the computed result. The above  three syste m  is the external sy stem, and   the last co un ting system i s  the intern a l  sy stem, wh ich rol e  is i m age p r o c e s sing a nd ima g e   analyzi ng. Th e sch e matic  diagram  of th e sy stem i s   shown in  Figu re 1(a),  and  th e a c tual  pro d u ct  is sh own in Figure 1 ( b )       Figure 1(a ) . T he Sche matic Diagram of Cou n ter Syst em        (1)       (2)   Figure 1(b ) : (1) The Protective Exterior Syst em and  Sleeve Supp ort System, (2) The A c tual   Produ ct       Acco rdi ng to  the experi m e n t, the came ra is  imp a cte d  by the illumi nant in the p r otective   exterior  syste m . Whe n  un e v en lumina nce, the wa fer  bord e ca n n o t be  captu r e d  by the  cam e ra   due to  the l o contrast  an d lo w fre que n c y noi se s.  In  the present  study,  a sealin g da rk box  was  desi gne d to avoid this prob lem. The cam e ra is fi xed in  the back of the box  inner,  and the front is  cutting  squ a re  gap  to th e came ra  ca pture  imag e.  In the  right  o f  the b o x inn e r, the  pa rall el   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     De velo pm ent of a Machine  Vision Syste m  for Solar Wafer Co unting  (Nan  Wan g 3739 illumination source is placed to pr ovide even illumination.  To  avoi d the noise affected by visible  spectrum, we adopt infr ared led i n stead of common l ed. Th e illumi nation  schem atic di agram i s   sho w n in Fig u re 2 ( a), an d the dark box in Figure 2(b ) .          Figure 2(a ) . T he Parall el Illumination Pri n cipl e           Figure 2(b ) . T he Sealing  Dark Box       3. Image Processing  for  Solar Wafer   The me cha n i s m of employ  image proce ssi ng to co un t the wafers n u mbe r  wa s ill ustrate d   in the following c h art (Figure 3).           Figure 3. Image Pro c e ssi n g  Flowcha r t     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3737 – 37 44   3740 After the  cam e ra  ca pture  a n  imag e of  solar  wafe r, th e ori g inal i m a ge i s  RGB im age,  so  the first p r ocedure is  ne cessary to tra n sform the  o r iginal im age  to gray ima ge (Fi gure 4(a)),   whi c h also re mains mo st o f  the useful inform ation an d do not affect the sub s eq uent pro c e s si ng  [5].     3.1. Image Smoothing   Since th e noi se exi s ts i n  surroun ding  a nd sola r wa fer, it is essenti a for  restraining it in  the pro c e s of image p r e p ro ce ssi ng.  Median  Filter  [6] is used i n  [4], which  can  eliminate  the   isolate noi se effectively,  but  it  not use for the  strip e   analysi s . A ccordin g to the  hori z ontal  stri pe   feature  of th e obj ect im a ge, Avera ge  Filter [6]  i s  u s ed  to  smoot h the  pictu r e ,  instea d of t h e   conve n tional 3×3   squa re kernel, 1×3 ke rnel  to  a c com m odate th e i m age  wa be  ado pted,  whi c h   can be elimi n ating pixel values which are unre p re se n t ative of  their surro undi ngs.  Meanwhile the  filtering al go rithm ca uses  image fu zzy, so  t he i m proved Sob e l [ 6 ] ope rato r i s  u s e d  in  ed ge  detectio n  in o r de r to sha r p en the image.   The Sobel  op erato r  is a di screte  different iation ope rato r, comp uting  an app roxima tion of  the gra d ient  of the image  intensity fun c tion. Th e Sobel o perator is ba se d on  convolvin g  th e   image with  a small, sepa ra ble, and integ e r valued f ilte r  in hori z o n tal  and vertical dire ction an d is  therefo r rela tively inexpen sive in te rm of com putatio ns. Be cau s the ho rizontal  feature  of th e   sola r wafer,  we u s e th e i m prove d  Sob e l hori z o n tal  operator (a s 2-2 )   to  in st ea d of the defa u lt (as  2-1 ) , which i s  fitting fo r t he im age  preferably. T h e  re sult i s  sh o w n i n  Fi gure  2-3, comp arison   Figure 4 ( b )   a nd Fi gure  4(c), the  improved m e thod   ca n en han ce  th e lo co ntra st part  is supe rior  to the default operator.   Default Sobel  horizontal op erato r     12 1 00 0 12 1                                              (1)    Improved So bel hori z o n tal  operato r :      11 2 1 1 11 2 1 1 0 000 0 11 2 1 1 11 2 1 1                                 ( 2 )               Figure 4(a ) . T he Origi nal G r ay  Image   Figure 4(b ) . Default Sobel   Operator  Figure 4(c). Improve d  Sob e Operator  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     De velo pm ent of a Machine  Vision Syste m  for Solar Wafer Co unting  (Nan  Wan g 3741 3.2. Unev en Image Corr ec tion   Ahead of ima ge co rrectio n , it must extract t he wafer f r om ba ckgro und. As the theory of  mean value  of the image  can m easure  luminan ce, fi rstly, taking h o rizontal p r oj ection by me an  value of  ea ch  ro w,  we  den ote by m a trix () M i . Secondly,  we ave r agi ng  () M i   and th re sul t  is A.   Last, ope rati ng formul () Ni  = () M i -A, and  () Ni  is a nonn egati v e numbe r. Figure 5(a)  can  illustrate the procedure,  () M i  is sh own in the upp er g r a ph, and  () Ni  is di splaye d in th e unde grap h. We e x tract wafer f r om b a ckg r o und u s in g e d ge info rmatio n of the im a ge fro m  ab o v e   method. The  result of imag e extraction i s  sh own in Figure 6.           Figure 5. Image Lo cation  Method       In spite of  u s ing th e infrared  pa rallel  illumination  to solve the  influen ce of  uneve n   luminance for the solar wa f e r, there i s  st ill some  low contrast part i n  picture, as  shown in green  squ a re  of Fi g u re  6(a).  Re move the  bia s  lig ht from  t he o r igin al im age i s   an  effective m e tho d  to  uneven illumi nation corre c tion, su ch a s  estimating b a c kgro und  with morp holo g i c al op eratio n [6],  and usi ng a  polynomial to fitting bia s  light. We adopt sp atial  filtering to  corre c t unev en   illumination, i n  ad dition, thi c kne s s of o n e  pie c e  is  ab out 5 ~ pixels, so u s in g th e imp r oved  Sobel   operation (fo r mula 2-2 )  to filtering the ob ject  image, which a c hieve d  a good re sult as displ a yed  in gree n sq ua re of Figu re 6 ( b).                  Figure 6(a ) . L o w Contra st (gree n  sq ua re Fi gure 6(b ) . Uneve n  Co rrection (green  squ a re          3.3. Image Morpholog y   Sobel o p e r at or i s  a  di screte diffe rent iation o perator,  so the   pro c e s sed i m age i s   discon ne cted  after filterin g. To  solve  t he problem,  the op enin g  and  clo s in g  ope ration f r om  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3737 – 37 44   3742 mathemati c al  morp holo g y are u s e d . Th e ope ning  op eration i s  d e fined a s  e r o s i on follo wed  by  dilation u s ing  the same  structuri ng ele m ent for both  o peratio ns. O n  the contrary, it is the closi ng  operation. A c cording  to th e expe rime nt analy s is  an d  the  hori z o n tal cha r a c ter  of the im age,  we   adopt 1 × 3, 1 × 7 a nd 1 × 1 1   stru cturi ng el ement is  use d  for this  step , and the 1 × 7  element  can  be   suit for morp hology ope rat o r (Fig ure 7 ) .  The di scon n e cted a r ea of  the image was shown in re d   roun d of Figu re 7(a), in ad dition the re sult  of image  morp holo g y operatin g was  displ a yed in red   roun d of Figu re 7(b).             Figure 7(a ) . Disco nne cted  Image (red round Figure 7(b ) . Image Mo rph o logy (red ro und)      3.4 Coun ting  Algorithm for Solar Wafer  Hou gh tran sf orm [7] is the comm on m e thod for det ecting  straig h t  lines, in the image   spa c e, the st raight line can  be describe d  as ya x b  where the parameter ‘ a ’ is the slo p e  of  the line and  ‘b’ is the inte rce p t. This i s  called the  sl ope-i n terce p t model of a  straig ht line. In   gene ral, the  Hou gh tra n sf orm s  ch ang e s  into the  pol ar coordinate  spa c e,  an d the equ ation o f  the  line is written as:      co s s i n rx y    The pa ramet e r  repre s e n ts the dista n ce betwe en th e line and the  origin, while  is t h e   angle of the  vector from  the origin t o  this clo s e s t point. The plane of ( r , ) is sometimes  referred to a s  Houg h sp ace for the set o f  straight line s  in two dime nsio ns.    The Houg h d e tection  nee d s  trave r si ng e a ch  pixel and  confirming th e pro p e r  ( r , ), s o  it  is p o o r  p e rfo r mance i n  effi cien cy a n d  a daptabilit y fo r co unting  n u m bers  (results in  Ta ble  1).  So   the pape r pro posed a ne method which bas ed on  statistics analy s is illu strate d:  Step 1: Th mono ch rome  image  after  pro c e ssi ng  b y  step  2-3  re gard s   as M,  casting  out  both the  left  and  right  20  colum n s pixel s , which a r more  apt to  d i sturbi ng  by the n o ise tha n  the   centre pixels,  and the re sul t  as N.  Step 2: Dividing the image  N into 5 su b-i m age s equ all y , which re ga rd as  N1 ~N5.  Step 3: Acco rding to  the h o rizontal feat ure of  th e wa fer, usi ng the  vertical  proj e c tion to  each column   of N i ( i =1 ~5 ), when  cu rre nt pi xel is 1, a nd t he  next  2 pixel  is  0, so re g a rd as  th ere  is a line in current po sition ,the lines n u m ber ad d 1,obt aining the ma trix R i ( i =1~ 5 ).   Step 4: Usin g  the maj o rity  voting by stat istics a nalysi s , finding the   most time s n u mbe r  in  R i ( i =1 ~5 ) and  storin g the  numbe r in r i ( i =1 ~5). Simila rly  for the r i ( i =1~5 ) processing t h e   majority voting and getting  the result C, whi c h is the h o rizontal line s ’   The re sult s with above method are sh own in Table 2.           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     De velo pm ent of a Machine  Vision Syste m  for Solar Wafer Co unting  (Nan  Wan g 3743 4. Results a nd Analy s is  In Table 1, th e (30  50 80  100 12 0 13 150)  sam p le s were sepa ra tely counted i n  non - repe at 10 tim e s b a sed on t he metho d  of  the pape r p r opo sed. Th sampl e  corre c t co unting  ra tio   is ab out 9 8 %  whe r  10 , 1 0  & 2 r , but it spen ds  over  3 seco nd  whe n  the sampl e   numbe rs i s  1 50. By co ntra st Ta ble 2, th e (5 1 00 15 0) sam p le s were se pa ratel y   cou n ted  i n  non- repe at 5 times based on th e theory of Hough dete c tio n  straig ht lines. The co rrect ratio is nearl y   100% and h a s  a goo d agin g . In addition, the 50, 100 and 15 0 sam p les  were se parately coun ted   100 pa ckage s witho u t rep eating, and t he re sults a s  sho w n in Fi gure 8 ( a )  to Figure 8(c). It  achi eved id e a l effect s eq u i valently and  the co rrec ra tio is ove r  9 5 % , so the  co unting al go rithm  based on  statistics analy s is was a dapte d  to solar  wafe r cou n ting.       Table 1. Ho u gh Co unt Nu mbers  10 , 1 0  & 2 r   Sample  Count   Hough Co unt Wa fer Numbe r s Non - Repeat  10 Time Mean   Ti me  30  30 30  30 30  30 30  30 30  30 30  1s  50  50 50  50 50  50 50  50 50  50 50  1.2s  80  80 80  80 80  80 80  79 80  80 80  1.4s  100  100 100  100  99  100 100  100 100  101 100  1.6s  120  120 120  120 119  120 121  120 120  120 120  1.9s  135  135 135  134 135  133 135  135 135  136 135  2.4s  150  150 151  150 150  150 149  150 150  150 150  3.1s      Table 2. Parti t ioning Verti c al Obje ction  Cou n t Numb ers  Sample  Count   Non-Re peat   5 Times  r1  r2   r3  r4   r5   Ti me      50  50-1   50 50  49 50 50 50  1.2s  50-2   50 51  50 50 50 50  1.2s  50-3   49 50  50 50 49 50  1.2s  50-4   50 49  50 50 50 50  1.2s  50-5   49 50  50 50 51 50  1.2s    100  100-1   101 100  100 101 100 100  1.3s  100-2   100  100  100 99  99 100  1.3s  100-3   99  99  100 98 100  100  1.3s  100-4   100 101  100 100 101 100  1.3s  100-5   100 100  101 100 101 100  1.3s    150  150  150-1   149 150  150 150 150 150  1.5s  150-2   149 151  152 150 150 150  1.5s  150-3   150 151  150 149 150 150  1.5s  150-4   150 150  150 148 151 150  1.5s  150-5   151 150  150 152 149 150  1.5s                  Figure 8(a ) . 5 0  Piece s   Figure 8(b ) . 1 00 Piece s   Figure 8(c). 1 50 Piece s                         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3737 – 37 44   3744 5. Conclusio n   This  pap er  p r esented  ima ge p r o c e ssi n g  alg o rithm s :  image  sm oo thing, un eve n  imag e   corre c tion  an d image m o rpholo g y ope ration. This  pa per p r o p o s ed  a vertical  projectio n  coun ting  based on  sta t istics a nalysi s  su bstitute f o r the H oug h  straig ht line s  dete c tion.  By experime n ta results, the m e thod s have  achi eved ide a l effects an d  corre c t ratio.       Referen ces   [1]  MIAO Lian g,  PING Xi ji an Algorit hm of  Paper  Co unti n Bas ed on  T e xture  F eatu r e.  Jour nal  of   Information En gin eeri ng U n iv ersity . 2005; 6( 4): 47-50.   [2]  LI Yi, RUAN  Qiuqi. Al gorith m  of P aper C ounti ng B a sed  on T e xture A nal ysis.  J ourn a l  of Ima ge  an d   Graphics . 20 04 ; 9(9): 1042-1 0 48.   [3]  Z H EN Guan g, CHEN Ya op i ng, YU W e n y ong. T he  stud y of a l g o rithm  of pap er cou n ting  base d  o n   mathematic al morph o lo g y Mi cro c om pu te Information.  20 07; 23(2 1 ): 214 -216.   [4] FANG  Chao TA N  W e i DU Jian- ho ng. S o lar  en erg y   w a fer cou n tin g   base d  o n  te xt ural  prop ert y .   Information a n d  Electron ic En gin eeri ng.  20 1 1 ; 9(2); 185-1 8 9 [5]  Jean- Luc Star ck, F i onn M u rtagh, Em m anu el  J Can dès, David   L Do no ho.   Gray  an C o l o r Ima g Contrast En ha nceme n t b y  t h e Curve l et T r ansform.  IEEE Transaction on Im age Processing . 2 003;   12(6): 70 6- 71 7.  [6]  Rafael C, Richard E.  Di gita l Ima ge Pr ocess i ng.  2 nd  ed. T r anslate d b y   RU AN Qiuq i. Bei j i ng: Pu blis hin g   Hous e of Electronics Ind u str y .  2006.   [7] https://en. w i k i p edi a.org/ w i k i /H oug h_tra nsfor m   [8] https://   w w w . ma th . w a s hi ng to n.e d u   [9]  Yuel in Z ou,  Xi aoq ian g  Li an g,  T ongmin g W ang. Vi sib l e a n d  Infrared Ima ge F u sio n  Usi ng the L i ftin g   Wavelet.  T E LKOMNIKA Indon esia n Journ a l o f  Electrical Eng i ne erin g . 201 3; 11(11): 62 90- 629 5.  [10] Yushu  Xio ng.   A Cluster ing  A l gorit hm Base d on  Ro ugh  S e t and  Gen e ti c Algor ithm .   TELKOMNIKA  Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri n g .  2013; 1 1 (10):  578 2-57 88.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.