（光学工程专业论文）光学电路板检测方法的研究和基础软件实现.pdf

j 飞 北京邮电大学硕士论文 独创性。或创新性) 声明 tyl1if7lllf5if117f9fflf2tlltl1tlul 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： ，路2 盘 日期： 迎f 望。芝：! l 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 趋2 j 2 墨，l 兰 日规：j 斗l l 玉止一 北京邮电大学硕士论文 2 ， 一 k 北京邮电大学硕士论文 光学电路板检测方法的研究和基础软件实现 摘要 早期，电子制造商花大量的时间和精力去找出和修复成品电路板 中的缺陷。而现在制造商们已把这些努力用在生产过程中，从而制出 更好的电路板。这就需要在组装过程中的每个阶段检验电路板的质 量。因此促进了当代电路板检测技术的发展，也因此出来了多种多样 的电路板检测方法，基于各自技术原理的不同，其技术优点和针对领 域也不同。 在现有检测技术方案中，为检测电路板是否有缺陷，可以使用电 磁波方法、电子方法和超声波探测这3 种方法。其中电磁波方法包括 可见光检测、x 射线检测和激光扫描检测，进一步可见光检测又包括 人工目检和可见光扫描匹配检测：电子检测方法包括功能测试和电路 导通性检测，电路导通性检测又包含在线测试，其包括针床式测试和 飞针测试。 本论文立足于电路板检测技术、光学原理和图像处理技术，完成 在可见光范围内实现对电路板的检测。主要工作如下： l 、基于现有电路板检测技术的原理分析，参考光学原理及现有 电路板检测系统，提出在可见光范围内电路板检测的实现，结合图像 处理和模式识别技术，完成电路板采集图片的图像处理及数据提取； 综合图像数据扫描方法，数据处理等技术，实现整个基础检测系统的 设计搭建。v c 环境下完成仿真，实现基本的图像处理、数据处理， 得到检测结果。 2 、考虑到实际电路板检测运用中存在的位移误差，对矫正算法 进行优化，参考指纹识别技术、模式识别技术、直线检测方法及h o u g h 变换算法等，在存在位移误差情况下，提出新的定位标识识别方法和 位移调整算法流程，进一步完善电路板的检测，提高电路板检测的实 际应用能力，及检测的有效性和准确性。整个检测系统在m f c 环境 下仿真实现。 关键词：电路板检测光学图像处理h o u g h 变换 北京邮电大学硕士论文 ， 德， 雌 一 。 北京邮电大学硕士论文 t h ed e t e c t e dm e t h o do fc i r c u i tb o a r db a s e do n o p t i c a li m 啥g i ep r o c e s sw i t h s i b l e l i g h t a b s t r a c t f o r e p a r t ，e l e c t r o n i cm a n u f a c t u r e rp a i dm o r et i m e so nd e t e c t t i n ga n dr e p a i r i n gt h e b u g si nt h e i rf i n i s h e dp r o d u c t s b u tn o w , t h e yp a i dm o r et i m eo nd e t e c t t i n gt h eb u g s d u r i n gt h em a n u f a c t u r e ，s o 弱t oh a v eb e t t e re l e c t r o n i c i a lb o s r d s a n dw en e e dt o c o n t r o lt h eq u a l i t ya n dd e t e c tt h eb u g sa te v e r yp h a s ed u r i n gt h ea s s e m b l y a l lo ft h e s e a c c e l e t a t e d t h ed e v e l o p m e n t so fe l e c t r o n i c a ld e t e c t e dt e c h n i c s ，n o w ，w eh a v e d e v e l o p p e dm a n y k i n d so fd e t e c t i v em e t h o d s t h e yb a s e do nd i f f e r e n tt h e o r y , a n db e u s e di nd i f f e r e n ta 玎巴够 t h ed e t e c t i v em e t h o d sw eu s e dn o w a d a y s ，i no r d e rt of i n do u tt h ee f f e c t i v eq u a l i t y o fc i r c u i tb o a r d ，w eu s em e t h o d s i n c l u d i n g ：e l e c t r o m a g n e t i c w a v em e t h o d s ， e l e c t r o n i c a lm e t h o d sa n du l t r a s o n i cd e t e c t i o n s f u r t h e rm o r e ，e l e c t r o m a g n e t i c w a v em e t h o d si n c l u d ev i s i b l e - l i g h td e t e c t i o nm e t h o d , x - r a yd e t e c t i o nm e t h o da n d l a s e rd e t e c t i o nm e t h o d a n dv i s i b l e - l i g h td e t e c t i o nm e t h o dc a r lb ed i v i d e di n t oe y e d e t e c t i o nm e t h o da n dv i s i b l e l i g h ts c a nm e t h o d ；e l e c t r o n i c a lm e t h o d sc o m p r i s e f u n c t i o nt e s t sa n dc i r c u i t se x p e d i t e dt e s t s ；a n dc i r c u i t se x p e d i t e dt e s t sc a nb eu s e da s o n l i n et e s t s ，i n c l u d i n gf i x e dp i nt e s ta n df l y i n gp i nt e s t t h i sp a p e rb a s e do nc i r c u i td e t e c t i v em e t h o d s ，c o n s u l t e do p t i c a li m a g ep r o c e s s t e c h n i c a l ，i no r d e ra c h i e v ec i r c u i td e t e c t i o nb yv i s i b l e - l i g h t , t h em a i nw o r ki n c l u d i n g ： 1 、b a s e do nc i r c u i td e t e c t i v em e t h o d s p r i n c i p l ea n a l y s e , c o n s u l t e do p t i c a lt h e o r y a n dl a s e rd e t e c t i v es y s t e m ，ib r i n gf o r w a r dan e wd e t e c t e dm e t h o do fc i r c u i tb o a r d b a s e do no p t i c a li m a g ep r o c e s sb yv i s i b l e - l i g h t ；c o m b i n e dw i t hi m a g ep r o c e s s t e c h n i c a l ，w cc a na t t a i nt h ec i r c u i tb o a r d si m a g ed a t a b a s e ；c o n s u l t e dt h el a s e rs c a n s y s t e mt of i g u r eo u to u rd e t e c t i v es y s t e m t h es y s t e m s h o u l db er a nu n d e rv c e n v i r o n m e n t ，w i t hi m a g ed a t a b a s ea n dt e s tr e s u l te x p o g 2 、c o n s i d e r i n gt h ed i s p l a c e m e n td e p a r t u r ei no u rc i r c u i td e t e c t i v es y s t e m ，w e i m p r o v e do u ra n t h m e t i c ，c o n s u l t e dd a c t y l o g r a mi d e n t i f ym e t h o d s ，m o d ei d e n t i f y , p o i n t l i n ed e t e c t i o na n dh o u g ht r a n s f o r m a t i o n w h e nt h e r ei se r r o rd i s p l a c e m e n t ，w e 5 北京邮电大学硕士论文 m v a n c e dan e wm a r kd e s i g n ，a n da l s oan e wf l o w i no r d e rt oe n l a r g et h ea r e at h a tt h i s s y s t e mc o u l db eu s e d ，a n da l s oi t st e s tv a l i d i t ya n dv e r a c i t y t h i ss y s t e ms h o u l db em u n d e rv ce n v i r o n m e n tw i t hm f c ，a n do u t p u ti t se m u l a t i o nr e s u l t k e yw o r d s ：c i r c u i tb o a r dd e t e c t i o n 、v i s i b l e - l i g h t ，i m a g ep r o c e s s i n g ，d a t a b a s e p r o c o s s m g ， t _ k k 北京邮电大学硕士论文 目录 第一章电路板检测的现状和发展趋势9 1 1 引言9 1 2 电路板检测技术9 1 2 1x 射线检测技术9 1 2 2 激光检测系统1 0 1 2 3 功能测试1 l 1 2 4 在线测试1 l 1 2 5 超声波探伤1 1 1 3 电路板可见光检测技术1 2 1 4 各种检测方法比较1 2 1 5 本论文的主要研究内容1 3 第二章光学电路板检测的背景技术介绍1 4 2 1 引言。1 4 2 2 图像光学原理分析1 4 2 2 1r g b 色彩模式1 5 2 2 2 灰度值模式1 5 2 3 数字图像处理技术1 5 2 3 1 数字图像处理的主要特点1 6 2 3 2 图像的点运算1 7 2 3 3 图像二值化处理1 7 2 3 4 图像分割处理1 8 2 3 4 1 基于区域的分割方法1 8 2 3 4 2 基于边缘的分割方法1 8 2 4 小结2 0 第三章可见光电路板检测系统设计分析及结构方案2 1 3 1 可见光电路板检测系统的研究现状2 l 3 1 1 电路板检测技术2 1 3 1 2 自动光学检测2 2 3 2 电路板检测系统的结构设计2 3 3 4 可见光电路板检测系统的优势及设计的几点考虑2 4 第四章电路板检测系统的基本软件设计实现2 6 7 北京邮电大学硕士论文 4 1 引言2 6 4 1 1b m p 位图的读取2 6 4 1 2 图像的平移2 8 4 1 3 图像任意角度的旋转2 8 4 1 4 电路板图像拼接技术1 9 4 2 基于图像处理技术的检测系统基础功能代码实现2 8 4 2 1 图像数据的读取2 8 4 2 2 图像数据比对3 3 4 3 系统仿真3 4 4 4 小结3 7 第五章电路板检测系统中对准技术设计和优化3 9 5 1 图像参考比较法3 9 5 1 1 参考比较法的基本原理3 9 5 1 2 参考比较法的对准3 9 5 1 2 1 现有技术方案3 9 5 1 2 2h o u g h 变换基本原理4 0 5 1 3 优化后的参考比较法对准方案4 2 5 2 改进后的定位操作算法流程4 3 5 4 图像灰度化处理及软件设计4 4 5 4 1 实现灰度值转换函数部分4 5 5 4 2 图像重绘函数部分4 6 5 5 边缘提取( c a n n y 算子) 的应用及实现4 8 5 5 1c a n n y 算子原理及计算4 9 5 5 2 边缘化软件实现5 0 5 5 2 1 界面函数定义5 0 5 5 2 2 调用c a n n y 函数进行边界提取5 l 第六章软件系统界面介绍5 3 6 1 电路板参考比较法检测系统介绍5 3 6 2 图像处理软件系统界面介绍5 3 第七章结束语5 5 致谢5 6 作者攻读学位期间发表的学术论文目录5 7 j 北京邮电大学硕士论文 1 1 引言1 1 i 第一章电路板检测的现状和发展趋势 在七十年代，电子制造商花大量的时间和精力去找出和修复成品电路板中的 故障。而现代制造商们已把这些努力用在生产过程中，从而制出更好的电路板。 为了管理这些生产过程，制造商必须能在发生这些故障的生产阶段就检测并且更 正任何故障，而不是在成品阶段才进行，实现这种现代质量管理概念，需要在组 装过程中的每个阶段检验电路板的质量。因此促进了当代电路板检测技术的发 展，也因此出来了多种多样的电路板检测方法，基于各自技术原理的不同，其技 术优点和针对领域也不同，相应的应用于各自领域。 1 2 电路板检测技术 电路板检测技术方法，主要可以分为：电磁波方法，电子方法和超声波探测 方法。其中电磁波方法包括可见光检测，x 射线检测和激光扫描检测，进一步可 见光检测又包括人工目检和可见光扫描匹配检测；电子检测方法包括功能测试和 电路导通性检测，电路导通性检测有在线测试，其包含针床式测试和飞针测试。 具体的各项原理分析下面将依次介绍。 1 2 1x 射线检测技术i z i x 射线检测技术作为自动光学检测的补充，在检测超细间距和超高密度电路 板方面有很重要的应用，主要用于电路组装工艺过程中产生的桥接、丢片、对准 不良等缺陷的检测。x 射线检测技术分为三部分：射线照相检测技术、实时成像 检测技术和射线层析检测技术等。 在x 射线检测的过程中1 3 l ，x 射线将穿过待检样品，然后在图像探测器( 现 大多使用x 射线图像增强器) 上形成一个放大的x 光图。由于焊点中含有可以大 量吸收x 射线的铅，因此与穿过玻璃纤维、铜、硅等其它材料的x 射线相比，照 射在焊点上的x 射线被大量的吸收，而呈现为黑点后产生良好图像，该图像的 质量主要由分辨率及对比度决定。成像系统的分辨率( 清晰度) 决定于x 射线源 焦斑的大小、x 光路的几何放大率以及探测器像素大小。微焦点x 光管的焦斑可 小到几个微米，x 光路的几何放大率可达到1 0 、2 5 0 0 倍，探测器像素可小到几十 微米。成像系统的对比度决定于图像探测器的探测效率、电子学系统的信噪比和 合适的x 射线能量。目前一般的x 射线成像技术已可以获得高于1 的对比度。 9 睢 北京邮电大学硕士论文 x 射线实时成像系统主要由x 射线源( x 射线机) 、x 射线接收转换装置、图 像处理和分析系统组成，如下图1 1 所示： x 线 工件 图1 - 1x 射线检测系统硬件组成图 1 2 2 激光检测系统 这种非接触测试方法是电路板检测技术的最新发展。它利用激光束扫描印制 板，收集所有测量数据，并将实际测量值与预置的合格极限值进行比较。这种技 术己经在光板上得到证实，正考虑用于装配板测试，速度已足够用于批量生产线。 快速输出、不要求夹具是其主要优点；初始成本高、维护和使用问题多是其主要 缺点。 0 0 10 0 20 0 30 5 80 5 9 0 6 0 0 6 l0 6 2 0 6 30 8 80 8 9 0 9 0 。 。 3 5 3 3 5 3 3 5 3 3 5 93 5 93 6 0 123890 图卜2 物面扫描点阵 检测原理 我们收集的数据是每个点到测量激光器的距离，探头周期性的移动，把整个 电路板分成点阵的测距，如上图卜2 示。 扫描每个物体的激光脉冲个数设置为6 0 x6 0 的点矩阵，图中序号为激光扫描 1 0 k r h 北京邮电大学硕士论文 点的扫描序号，扫描顺序为第一行结束后，激光脉冲从第二行的首位开始，依次 以一字型对物体进行扫描。“”表示略去的序号点。 系统中要求激光的摆角最大范围为+ 一5 0 ，那么我们可以确定每个扫描矩阵点 中的四个顶角的点与中心点的角度分别为( 一5 ，+ 5 ) 、( + 5 ，+ 5 ) 、( - 5 ，- 5 ) 、 ( + 5 。，- 5 ) 。而在软件设计中每个扫描点的步进距离又是相等的，所以表面封 装平整后我们对每个点得到的测量数据应该是一样的，当波动范围过大时，就可 以得到结论：电路板的封装没有达到要求；在某一数值波动范围内是可以归类为 检测合格通过。 已投入使用的激光自动检测设备有在线样品检测设备和在线整块印制板检 测设备。前者检测样品缺陷，能够快速预置并编程，但缺陷漏检的机会高；后者 能够在线检测每块印制板上的每个检测点，成本高但速度快、并可检验各种不同 类型的缺陷，包括偶然出现的缺陷。 1 2 3 功能测试1 4 i 功能系统测试是在生产线的末端，利用专门的测试设备，按照设计规格对电 路板的各功能模块进行全面的测试，用以确认电路板的好坏。功能测试可以说是 最早的自动测试原理，它是基于特定板或特定单元的，可通过各种设备来完成。 包含最终产品测试、最新实体模型等类型。 功能测试通常不提供用于过程改进的脚级元件级诊断等深层数据，同时需 要专门设备及专门设计的测试流程，编写功能测试程序复杂，因此不适用于大多 数电路板生产线。 1 2 4 在线测试 在线测试是通过对电性能的检测来实现，判断制造缺陷、连接状况、元件是 否到位，已有针床式测试和飞针测试等几种测试方法。i c t 具有单件测试成本低、 数字与功能测试能力、高输出、良好的诊断、快速彻底的短路与开路测试、编程 固件、缺陷覆盖和易于编程等优点。 但其主要缺点是夹具成本、预期开支高，编程与调试时间长等使用问题。 i c t 将逐步被淘汰，让位于具备自动固定接口设计、可重构测试硬件、测试 工具即插即用、可过程监控等新性能的测试装置。可见光学检测、自动x 射线检 测( a x i ) 等便是有望取代i c t 的技术。 ， 1 2 5 超声波探伤 超声波作为一种频率超过2 0 k h z 的特殊声波，同样具有声波传输的基本物理 特性一反射、折射、干涉、散射和衍射，同时具有方向性集中，振幅小等特点。 北京邮电大学硕士论文 利用超声波进行检测往往迅速、方便，并且容易做到实时控制，同时精度高。由 于其振幅小，不会损伤被检器件，实现无损检测的目的。同时，由于超声波对人 体和环境是无害的，所以超声检测可以广泛应用到各个部门。 1 3 电路板可见光检测技术1 5 i 可见光扫描匹配检测是针对电路板上元件及电路连接进行检测，通过数码相 机或扫描仪等仪器获取扫描图像信息，与标准图像数据进行比较，实现在电路板 电路测试前及时找出元件和电路连接上的错误，并加以更正；因此有很强的实用 性。它的原理如下图1 3 示： 图卜3 基于图像比对的快速检测系统原理 标准模板图象是根据产品的设计规格和测试所需的最低象素精度生成的，将 标准模板与所采集的产品图象叠加在一起，进行比对检测。标准模板的精度是根 据被测产品的线宽、采集精度进行计算设定的。例如，产品的扫描分辨率为3 0 0 ， 实际线宽为0 2 n u n ，放大倍数为3 倍，所以得到计算公式：3 0 0 2 5 4 * 0 2 * 3 = 7 0 9 。 也就是说每7 个象素表示0 2 m m 。但是线条数每增加1 0 个象素( 加上间距) 后 就会产生1 个象素的误差，所以要进行误差补偿。不同的产品规格，不同线宽对 应的误差补偿也是不同的，因此需要根据不同的产品规格生成不同的标准模板， 以便检测需要。 采用模板比对方法，只需对标准模板图象与被测产品图象的差值进行统计计 算，所以计算工作量较小，可以快速判别印刷板上平行导线的线间距和线宽精度， 这是实现快速性的关键。通过进一步的精细图象分析，可以识别印刷导线的微小 缺陷。系统软件用c + + 开发，在w i n d o w s 环境下运行，适用于0 2 - 1 2 毫米线宽， 每板4 - 1 2 块线路的柔性电路检测和质量分析。 1 4 各种检测方法比较1 6 1 i 7 1 1 8 11 9 1 缺陷覆盖范围。电子测试能达到每个电气节点，可以比较准确地找出短 路或断擅长找出通断路，不过电磁波测试更容易检测到导线间的不正确空隙。两 种电子测试方法已在工业上大量应用，可见光检测也逐渐开始进入主流，a x i 1 2 北京邮电大学硕士论文 与激光检测系统有一些新型应用，但技术仍有待发展。 经济成本。人工目视预先成本最低，但长期成本高；针床系统预先成本 很高、但大批量成本较经济实惠：飞针系统在这两者之间；可见光检测无论在预 先成本还是大批量成本上都很低；a x i 与激光检测系统则成本都很高。 应用范围。电子测试既可用于在线检测，也用于最后工序的功能检测； 而电磁波检测方法可用于除了功能检测之外的所有工序。 灵活性程度。针床系统需要专用夹具，更改较困难；飞针系统需要探针； a x i 与激光系统需要特殊光源，有一定局限性；可见光检测及大部分方法都需要 编程；人工目视检查则没有上述限制。 自动化程度。人工目视检查自动化程度最低，很难得到过程控制和统计 分析所需要的数据；其它方法则都能够实现数据的自动收集和处理。 电子测试寻找短路或断路比较准确i l 们，不过电磁波检测可以更容易侦测到导 体间不正确空隙的问题。通常超声波检测难度较大，只运用在厚度较大的零件上， 并不很适合做电路板的检测。可见光检测相较于x 光检测和超声波检测来说， 在光源的实现上更简单，同时有更高的安全性，结合计算机软件一体化后能够很 方便快捷地完成电路板上元件及电路连接的检测，其中的图像对比过程通过电脑 控制是可实现的。因此，可见光检测是最具可行价值的方法 1 5 本论文的主要研究内容 本文针对现有电路板检测技术，对比分析各方法存在的优劣所在，得到可见 光检测的优势所在，结合现有可见光检测技术，具体细化该快速检测系统，并基 于激光检测系统设计实现。 完成检测过程中数据处理、比对的程序化实现，同时实现在v c 环境下仿真 实现结果验证：通过图像采集，数据采集，图像边缘化提取，数据处理等步骤， 最终得到检测结果。 考虑到实际电路板检测运用中存在的位移误差，对矫正算法进行优化，参考 指纹识别技术、模式识别技术、直线检测方法及h o u g h 变换算法等，在存在位移 误差情况下，提出了新的定位标识识别方法和位移调整算法流程，进一步完善电 路板的检测，提高电路板检测的实际应用能力，及检测的有效性和准确性。整个 检测系统在m f c 环境下仿真实现 参考文献 1 3 北京邮电大学硕上论文 1 1 1 1 何绍方“电路板检测技术的巨大变化 世纪期刊1 9 8 9 5 1 2 l 刘俊敏 工业x 射线检测图像处理关键技术研究2 0 0 5 1 2 【3 1 徐莉“我国射线检测技术的发展 内江科技2 0 0 7 1 0 1 4 1 4 郑伟图像法检测印刷电路板缺陷西安理工大学2 0 0 2 3 1 5 l 安捷伦公司“印刷电路板生产用自动光学检测系统刀世界产品与技术 e c n 2 0 0 2 10 1 6 1 6 肖展业“测试仪综述一电子工艺技术2 0 0 0 2 1 ( 5 ) 1 7 】王彩萍“电路组装的检测技术电子工艺技术2 0 0 0 2 1 ( 4 ) 1 8 1 徐立中数字图像的智能信息处理国防工业出版社2 0 0 1 1 9 1 9 李金喜 印刷线路板图像检测技术研究学位论文2 0 0 1 3 ， 1 1 0 1 张亚鹏何涛等“机器视觉在工业测量中的应用与研究 j 】一光学精密工 一 程2 0 0 1 9 2 1 引言 第二章光学电路板检测的背景技术介绍 当代电路板检测技术在便捷性、准确性等方便有着越来越高的要求，可见光 检测技术以其操作便捷、安全，检测准确、质量高等特点，受到越来越多的研究 青睐，因此该方法在各国近年来都取得了显著的进展，但我国可见光检测的工业 化程度还比较低。 由前一章介绍可知，可见光扫描匹配检测是针对电路板上元件及电路连接进 行检测，通过数码相机或扫描仪等仪器获取扫描图像信息，与已有标准图像数据 进行比较，在电路板电路级测试前及时找出元件和电路连接上的错误，加以更正， 因此有很强的实用性。 图像光学原理分析l l i 在进行本文的可见光检测系统结构分析前，需要了解该系统之所以能达到检 1 4 北京邮电大学硕士论文 测效果所依据的光学原理，以下我们进行详细的分析。 2 2 1r g b 色彩模式 r g b 色彩模式是可见光范围内定义的一种颜色标准，它通过对红( r e d ) 、绿 ( g r e e n ) 、蓝( b l u e ) 三种基本颜色的相互组合叠加来得到各种的颜色的。r g b 色 彩模式为每一个红、绿、蓝分量分配了0 2 5 5 范围内的亮度值。r g b 色彩模式通 常用格式r g b ( o ，0 ，0 ) 来表示颜色，括号中的3 个数字分别表示红、绿、蓝 的亮度值。如：黑色r g b ( 0 ，0 ，o ) 、白色r g b ( 2 5 5 ，2 5 5 ，2 5 5 ) 、红色r g b ( 2 5 5 ， 0 ，0 ) 。当红、绿、蓝三种颜色分量相同时就会形成灰色，比如r g b ( 1 2 8 ，1 2 8 ， 1 2 8 ) 。 由此可知，每个图像像素点对应唯一的一个像素值，我们正是通过这个唯一 的像素值来检测电路板上各点的正确性。 2 2 2 灰度值模式 灰度图( g r a y s c a l e ) 1 2 1 是指只含亮度信息，不含色彩信息的图像，就像人们平 时看到亮度由暗到明的片，亮度变化是连续的。因此要表示灰度图，就需要量化亮 度值，通常划分成0 2 5 5 共2 5 6 个级别。 b m p 灰度图像作为w i n d o w s 环境下主要的图像格式之一，以其格式简单，适 应性强而倍受欢迎。这种文件格式就是每一个像素用8 b i t 表示，显示出来的图 像是黑白效果，最黑的像素的灰度( 也叫作亮度) 值为0 ，最白的像素的灰度值 为2 5 5 ，整个图像各个像素的灰度值随机的分布在o 到2 5 5 的区间中，越黑的像 素，其灰度值越接近于0 ，越白( 既越亮) 的像素，其灰度值越接近于2 5 5 ；与 此对应的是在该文件类型中的颜色表项的各个r g b 分量值是相等的，并且颜色表 项的数目是2 5 6 个。 同时，灰度值可以由彩色像素值通过一定计算得到，对于图像中某红、绿、 蓝三基色分量分别为r 、g 、b 的像素来说，其灰度值计算公式如下： g r a y = r 0 2 9 9 + g 0 5 8 7 + b 0 1 1 4 ( 2 一1 ) 其中g r a y 表示灰度值。 通过该计算公式，可以把唯一的r g b 数据对应到灰度值范围内，在电路板检 测方法中，把彩色像素数据变为灰度数据有效的减少了工作量及数据处理时间。 2 3 数字图像处理技术【3 】 数字图像处理系统的硬件设备包括图像采集设备：如c c d 摄像头和图像采集 卡、数码相机、扫描仪等：图像处理设备：如数字计算机：图像输出设备：如显示器、 北京邮电人学硕上论文 打印机等。数字图像处理( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) 技术是将图像信号转换成 数字信号并利用计算机对其进行处理的技术。 图像处理的软件部分，过去是用汇编语言编写实现的，以提高处理的速度。 对于一些应用较多、计算量较大的程序可以将其固化成硬件，如二维快速傅里叶 变换程序等，以进一步提高处理的速度。但另一方面，为了增加系统的灵活性和 便于新的图像处理软件的研制，用高级语言来编写的图像处理软件近年来也日益 增多。常用的语言就有v b 、v c 、c + + b u i l d e r 、d e l p h i 等，这些语言都具有图像 处理的基础能力：比如各种不同编码图形文件的存取、显示、缩放与转换，像素 色彩值的获取等。此外m a t l a b 语言也具有一定的图像处理功能。同时通用的图 像浏览和图像编辑软件较多，如a c d s e e 、p h o t o s h o p 等。但适用于科学和工程领 域的专用软件，由于涉及到较多的专业领域知识和较窄的应用面，因此在研究和 开发上具有较大的难度。 随着图像处理技术的深入发展，从7 0 年代中期开始，随着计算机技术和人工 智能、思维科学研究的迅速发展，数字图像处理向更高、更深层次发展人们已开 始研究如何用计算机系统解释图像，实现类似人类视觉系统理解外部世界很多 国家，特别是发达国家投入更多的人力、物力到这项研究，取得了不少重要的研究 成果其中代表性的成果是7 0 年代末m i t 的m a r r 提出的视觉计算理论，这个理论 成为计算机视觉领域其后多年的主导思想图像理解虽然在理论方法研究上已取 得不小的进展，但它本身是一个比较难的研究领域，存在不少困难，因人类本身对 自己的视觉过程还了解甚少，因此计算机视觉是一个有待人们进一步探索的新领 域正因为如此，图像处理理论和技术受到各界的广泛重视。 2 3 1 数字图像处理的主要特点 ( 1 ) 目前数字图像处理的信息大多是二维信息，处理信息量很大，因此对计 算机的计算速度、存储容量等要求较高。 ( 2 ) 数字图像处理占用的频带较宽，与语言信息相比，占用的频带要大几个数 量级。所以在成像、传输、存储、处理、显示等各个环节的实现上，技术难度较 大，成本也高，这就对频带压缩技术提出了更高的要求。 ( 3 ) 数字图像中各个像素是不独立的，其相关性大。因此，图像处理中信息 压缩的潜力很大。 ( 4 ) 由于图像是三维景物的二维投影，一幅图像本身不具备复现三维景物的 全部几何信息的能力，很显然三维景物背后部分信息在二维图像画面上是反映不 出来的。因此，要分析和理解三维景物必须作合适的假定或附加新的测量。在理 解三维景物时需要知识导引，这也是人工智能中正在致力解决的知识工程问题。 ( 5 ) 数字图像处理后的图像一般是给人观察和评价的，因此受人的因素影响 1 6 北京邮电大学硕士论文 较大。由于人的视觉系统很复杂，受环境条件、视觉性能、人的情绪爱好以及知 识状况影响很大，作为图像质量的评价还有待进一步深入的研究。另一方面，计 算机视觉是模仿人的视觉，人的感知机理必然影响着计算机视觉的研究，这些都 是心理学和神经心理学正在着力研究的课题。 数字图像处理与模拟图像处理的根本不同在于，它不会因图像的存储、传输 或复制等一系列变换操作而导致图像质量的退化，只要图像在数字化时准确地表 现了原稿，则数字图像处理过程始终能保持图像的再现。处理精度高按目前的技 术，几乎可将一幅模拟图像数字化为任意大小的二维数组，现代扫描仪可以把每 个像素的灰度等级量化为1 6 位甚至更高，这意味着图像的数字化精度可以达到 满足任一应用需求。 简而言之，图像处理技术是将被测对象的图像作为信息的载体，从中提取有 用的信息来达到测量的目的。我们常用的图像处理技术主要包括以下几种方法。 2 3 2 图像的点运算 图像的点运算是图像数字化软件和图像显示软件的重要组成部分。它能够让 用户改变图像数据占据的灰度范围。一幅输入图像经过点运算后将产生一幅新的 输出图像。如果输入图像为a ( x ，y ) ，输出图像为b ( x ，y ) ，则点运算可表示为： b ( x ，y ) = f a ( x ，y ) ( 2 - 2 ) 式中，f ( d ) 可以被称为灰度变换函数，它描述了图像输入像素值和输出灰度 值之间的转换关系。 2 3 3 图像二值化处理 s l 所谓图像二值化处理，就是根据灰度直方图所反映出的图像信息特征，把重 要的图像像素的灰度值设置为某一阈值，而其他的图像像素设置为0 值。图像的 二值化的目的就是为了从原始图像中检测出对象物，即将图像分成对象物和背景 两个区域。通常的方法是设定一阈值6 ，取原始图像中灰度级大于6 的像素群为 对象物；小于6 的像素群为背景区域。例如设原始图像为f ( x ，y ) ，二值化后图 像为g ( x ，y ) ，如式( 2 3 ) 所示： f o x 万 g ( x ，y ) 2 1 2 5 ，x 万 ( 2 3 ) 式中，6 为指定的阈值，处理后可得到简单的黑白二值图像。 阈值的选择是图像二值化处理中一个很关键的过程。数字化的图像数据中， 背景数据和对象物的数据常常混在一起，同时，图像中还含有各种噪声。这里， 应该根据图像的统计性质，从概率的角度来选择合适的阈值。 1 7 北京邮电大学硕士论文 阈值的选择方法有双峰法、最大差方阈值法、判断分析二值化法、基于灰度 差自方图阈值法等。阈值类型主要可以分为全局阈值和局部阈值。全局阈值是对 整个图像采用一个阈值与每一个点的灰度值进行比较，从而得到所要的二值化。 局部阈值是将图像分成一些子块，对每一子块选定一个阈值。 对于待检测p e b 板来说，由于采用大功率光源照明，通孔的灰度值较大，接 近白色；而其他背景部分的灰度值相对较小，接近黑色。系统的光照条件十分稳 定，前后检测时，通孔和背景部分的灰度级都稳定在一个范围内，因此采用最大 方差阈值法和双峰法获取阈值作为后续检测的固定单阈值，检测时采用此经验阈 值作为标准来进行固定单阈值二值化1 4 l o 2 3 4 图像分割处理1 6 i 图像分割是图像处理中的一项关键技术，自2 0 世纪7 0 年代起一直受到人们 高度重视，并在医学、工业、军事等领域得到了广泛应用常用的分割方法主要分 为基于区域的分割方法和基于边缘的分割方法两类。此外，随着各学科的发展出 现了一些结合某种特定理论的分割方法。 2 3 4 1 基于区域的分割方法 这类方法的基本思想是将图像分割成若干不重叠的区域，使各区域内部特征 的相似性大于区域间特征的相似性，各区域内像素都满足基于灰度、纹理等特征 的某种相似性准则其常见的方法：阈值法 7 1 ：区域生长法：分裂合并法 2 3 4 2 基于边缘的分割方法1 3 l 边缘的主要表现为图像局部特征的不连续性，该方法首先检出图像中局部特 性的不连续性或突变性，然后将它们连成边界，通过这些边界把图像分成不同的 区域传统的图像边缘检测方法大多可归结为图像高频分量的增强过程，微分运 算自然成为边缘检测与提取的主要手段。 常用的边缘检测算子包括以下几种：r o b e r t 算子、s o b d 算子、h o u g h 算子、 c a n n y 算子和拉普拉斯算子。微分算子法的优点是计算简单、速度较快，缺点是 对噪声的干扰等比较敏感。边界跟踪法的根本思想是从梯度图中的一边缘点出 发，依次搜索同时连接相邻的边缘点，从而实现对图像边界的检测。先确定搜索 的起点，接着采取合适的数据相关结构和搜索机理，并在已发现的边界点上确定 新的边界点，最后按照搜索的终结准则和终结条件完成边界的跟踪，从而实现边 缘的提取。 图像分割至今尚无通用的理论依据，随着各学科的不断发展，也提出了许多 新理论和新方法，于是出现了许多与一些特定理论、方法相结合的图像分割技术。 北京邮电大学硕士论文 图像的边缘细节信息丰富，边缘定位需精度较高，但易受噪声干扰；大尺度下， 边缘稳定，抗噪性好，但定位精度差。利用小波的多尺度性可实现在大尺度下抑 制噪声，可靠地识别边缘，在小尺度下精确定位。拿s n a k e 模型来举例说明，s n a k e 模型最初是由k a s s 等人在计算机国际视觉会议上提出的，其基本思想是首先通 过人的识别能力，在图像中其目标边界附近确定初始轮廓线，然后对曲线进行能 量最小化变形，使其锁定在待分割目标的边界上。s n a k e 算法能够有效地利用图 像局部与整体的信息，实现对其边界的准确定位，具有良好的提取和跟踪特定区 域内目标轮廓的能力。由于图像的千变万化，在实际应用中，通常将多种分割算 法与其它图像处理技术有效地结合在一起使用以获得更好的分割效果，他们的基 本思想是一致的，都是为了寻求最佳阈值。 此外，图像处理技术还包括图像锐化、图像滤波等方法，在此不详细介绍。 4 1 4 电路板图像拼接技术【9 】【1 0 l 当应用电路板图像采集自动控制系统对p c b 板图象进行采集的时侯，及第三 章中介绍的二维传送带图片采集系统，采用的方法是直线、步进、连续扫描法， 将图像分幅的采集到计算机里，按编号存储起来，因此在计算机里面存储的图像 是零散的图像。而我们知道，对电路板图象的处理分析和参考对比过程往往是针 对整块板的处理和分析，所以，我们还需要对将采集到计算机里面零散的图像拼 接起来。 电路板图像的具体拼接流程图如下图2 1 所示。 图2 - 1 电路板图像撇