（通信与信息系统专业论文）应用于aoi中的图像拼接算法的研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 近年来，随着印制电路板( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ，简称p c b ) 生产复杂度和产 量的提高，人工目检等传统p c b 缺陷检测方法因接触受限、高成本、低效率己逐 渐不能满足检测需要。基于图像处理的自动光学检测a o i ( a u t o m a t e do p t i c a l i n s p e c t i o n ) 系统已展现其优势。面对国外昂贵的检测设备和国内旺盛的电路板生 产需求，研究快速实用的p c b 自动光学检测技术具有重要的学术意义和经济价 值。本文着重从a o i 系统的硬件平台的搭建和软件部分的图像拼接算法进行了研 究与实现。 文中阐述a o i 系统原理与结构，设计并实现了环形l e d 照明系统与高精度伺 服控制系统，研究了基于特征的图像拼接算法，并在v i s u a lc + + 环境下进行程序 设计与实验，重点研究了基于区域的图像拼接算法，提出并在v i s u a lc + + 环境下 实现了基于区域的彩色图像拼接算法。该算法应用基于小波变换的同态滤波方法， 局部搜索策略等关键技术，取得较好的拼接效果。文章最后对基于区域的彩色图 像拼接算法的速度和精度进行了评估，评估结果表明该算法在速度和精度上能满 足a o i 系统的要求。 实验结果表明，本文提出的基于区域的彩色图像拼接算法是一个速度快和精度 高的图像拼接算法。随着光源的稳定性、摄像机分辨率的改进和提高，本算法精 度还可以进一步提高，具有广泛的应用前景。 准 关键词：图像处理 自动光学检测伺服控制 图像拼接图像配 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a 1 0 n gw i t ht l l e1 1 i g h e rc o m p l e x i t ) ，a n do u t p u to fp r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) m a n u f a c n 】r ei nr e c e n ty e a r s ，t 1 1 e 仃a d i t i o n a lm 抽o d so fp c bd e f c c ti 1 1 s p e c t i o ns u c h 嬲 g o t - u pi i l s p e c t i o nc a n tm e e td 锄a j l d so fi n s p e c t i o ng r a d u a l l yb e c a u s eo fr e s t r i c t e d c o n t a c t ，h i 曲c o s ta n d 1 0 we 伍c i e n c y n ea u t o m a t i co p t i c a li n s p e c t i o n ( a o i ) b a s e do n i l i l a g ep r o c e s s i n gh 硒s h o w e di t sa d v a l l t a g e si ni n s p e “o nm e m o d s i i lf a c eo fc o s t l y i n s p e “o nd e 啊c eo v e r s e a sa i l di n t e n s er e q u i 姗e n t so fp c b sm a m i f a c t u r e ，r e s e a r c h e s o nak i n do fr a p i da i l du s e 如l t e 出l o l o g yo fa u t o m a t i co p t i c a li l l s p e c t i o ns y s t 锄h a v e i m p o n l r l ta c a d e i i l i ca n de c o n o m i cv a l u e s o m er e s e a r c ! hw o r ki sd o n eo ns 缸l c t u r e so f a o ih 莉w a r ep l a t f o n n 觚di m a g em o s a i c sa l g o r i t h mm a i l l l y t h et 1 1 e s i si l l u s t r a t e st h ep d n c i p l ea n da r c m t e c t u r eo fa o is y s t 锄，a n dd e s i 目：l sa n d 一 r c a l i z e s l ec i r c l el e d l i 曲t i i l gs y s t e ma n dh i 曲p r e c i s i o ns e r v oc o n 仃d ls y s t e m s o m e r e s e a r c hi sd o n eo nm ei m a g em o s a i c sa l g o r i t h mb a s e do nt l l ef e a _ c u r eo fi i i l a g e t h e i i l l a g em o s a i c sa l g o r i t l l mb a s e do nf e a t u r ei sr e a l i z e di n 廿l eb u i l d i n ge 1 1 v i r o n m e f l to f v c + + 6 0 t l l et h e s i sf o c u s e so nt l l ei m a g em o s a i c sa l g o r i t l l r n b a s e do na r e a n l ec o l o r i m a g em o s a i c sa 1 9 0 r i t l l mb a s e do na r e ai sp r o p o s e da i l dr e a l i z e di nm eb u i l d i n go f v i s u a lc 抖t h ec o l o ri m a g em o s a i c sa l g o r i t h mu s e s 栅ot e c l l l l o l o 西e sm es t a t e 矗l t e d n g m e m o db 酗o do nw a v e l e t 咖l s f o 锄a 1 1 dl o c a ls e a r c l ls t r a t e g y r e s u l to fm o s a i c si s g o o d 1 1 1 ec o l o ri m a g e m o s a i c sa l g o r i t i l i i li st e s t e do ns p e e da i l di se v a l u a t e do na c c u r a c y e x p 咖e n t ss h o wt 1 1 a tt l l ec o l o ri i l l a g em o s a i c sa l g o r i t h mb a s e do na r e ac a i lm e e tm e h i 曲s p e e da n dm 曲- p r e c i s i o ni n l a g em o s a i cr e q u i r e m e l l t so f a o is y s t e m e x p e d m e l l t ss h o wt l l a tm ec 0 1 0 ri m a g em o s a i c sa l g o r i m mb a s e do ni m a g e a r e ai s f a s t - s p e e d 锄dh i 曲- p r e c i s i o na l g o r i t l l mo fi i l l a g em o s a i c s a st 1 1 ei i i l p r 0 v e m e n to fm e 鼬i l i 锣o fo p t i c a ls o u r c ea n dt l l er e s o l u t i o no fc 锄e m i s9 0 i n go i l 廿l i sa l g o r i t h mw i u b ei l l l p r o v e d t h ec 0 1 0 ri m a g em o s a i c sa l g o t l l mw i l lh a v eaw i d e 印p l i c a t i o n f o r e 舀o u i l d k e y w o r d s ： h i l a g ep r o c e s s m g ； a o i ； s e r v oc o n 仃d 1 ； i n l a g em o s a i c s ； h 1 1 a g e r e 西s 眦i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构的 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。 签名： 际 1 日期：h 憎6 - 哆 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： p 曼& 导师签名：聊日期： 碱6 ，l 丫。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1绪论 1 1研究背景 图像拼接( m o s a i c s ) 技术是由于摄像器材的视角限制而产生，它利用计 算机进行自动匹配，合成一幅更大的、更复杂的宽视角图片，因而在实践中 被广泛使用，比如医学图像拼接、航空与卫星图像拼接、三维虚拟场景的模 拟、图像压缩以及改善图像分辨率等。图像拼接技术主要包括两个关键环 节：图像配准和图像融合。图像配准幢，是图像拼接技术的核心部分，早在1 9 9 2 年，l i s a g o t t e s f e l db r o w n 已经总结了各领域图像配准技术的基本理论以及 它们的主要方法，这些领域包括医学图像分析，遥感数据处理以及计算机视 觉，模式识别等。r i c h a r ds z e l i s k i 提出了基于运动的全景图像拼接模型婚1 ， 采用l e v e n b e r g m a r q u a r d t 迭代非线性最小化方法( 简称l m 算法) ，通过 求出图像间的几何变换关系来进行图像配准，由于此方法效果较好，收敛速 度快，且可处理具有平移，旋转，放射等多种变换的待拼接图像，因此也成 为图像拼接领域的经典算法，而r i c h a r ds z e l i s k i 也从此成为图像拼接领 域的奠基人，他提出的理论已经成为一种经典理论体系。s h u e lp e le g ，b e n n y r o u s s o ，a l e xr a v a c h a ，和a s s a fz o m e t 在r i c h a r ds z e l is k i 的基础上做了 进一步改进，提出了自适应的图像拼接模型，它是根据相机的不同运动，自 适应选择拼接模型，通过把图像分成狭条进行多重投影来完成图像的拼接。 这一研究成果无疑推动了图像拼接技术的进一步发展，自适应问题也从此成 为图像拼接领域研究的新热点。与此同时，其他配准算法的发展也应用到了 图像拼接技术上来。除了上述的经典算法之外，还有两种主要算法。一是相 位相关度法，另一种是基于几何特征的图像拼接方法。相位相关度法1 最早 由k u g l i n 和h i n e s 提出，具有场景无关性，能够将纯粹二维平移的图像精 确的对齐。后来，d ec a s t r o 和m o r a n d i 发现用傅立叶变换确定旋转对齐， 就像图像确定平移对齐一样；r e d d y 和c h a t t e r j i 改进了d e c a d t r o 的算法， 大大减少了需要转换的数量。两幅图像的平移矢量可以通过它们的互功率谱 ( c r o sp o w e rs p e c t r u m ) 的相位直接计算出来。应用傅立叶变换进行图像的 配准是图像拼接领域的另一研究成果，而且随着快速傅立叶变换算法的提出 以及信号处理领域对傅立叶变换的成熟应用，图像拼接技术也得到了相应的 发展。基于几何特征的图像配准方法，是图像拼接技术的另一研究热点。1 9 9 7 年，z o 曲1 a m ii ，f a u g e r a so d e r ic h er 提出基于几何模型的图像对齐算 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 法，因为角模型提出了比坐标点更多的信息；接着在1 9 9 9 年，b a op ，x ud 提出利用小波变换提取保留边的视觉模型进行图像对齐，；而n i e l s e nf 提 出基于图像的高级特征进行图像拼接的方法，他是利用特征图像功效图来进 行图像对齐。通过利用图像的低级特征到后来利用其高级特征，人们对图像 的分析和理解日益深入，图像拼接技术的研究也逐渐成熟起来。 除了这些对静止拍摄序列的图像进行拼接以外，还有对具有动态的特征 场景拼接研究，另外随着视频编码技术的迅速发展和极大应用，图像拼接技 术也和其他技术结合起来，这主要应用于m p e g 一4 编码标准中的s p r i t e 技术， 它主要对某段视频编码序列中的背景图像进行全景图的拼接。 1 2研究现状 图像拼接技术主要包括两个关键环节，即图像配准和图像融合。对于图 像融合部分，由于其耗时少，算法相对简单，且现有的几种主要方法处理效 果比较好，图像融合部分比较成熟。而图像配准部分是整个图像拼接技术的 核心部分，它直接关系到图像拼接算法成功率和运行速度。因此配准算法的 研究是多年来研究的重点。 目前的图像配准算法基本上可以分为两大类：基于频域的方法( 相位相 关度法瞳，) 和基于灰度级相似的方法。前者首先利用傅立叶变换将两幅待配 准图像变换到频域，然后通过它们的互功率谱直接计算出两幅图像间的平移 矢量，从而实现图像的配准。由于其具有简单而精确的特点，后来成为最有 前途的图像配准算法之一。但是相位相关度法一般需要比较大重叠比例( 通 常要求配准图像之间有5 0 的重叠比例) ，如果重叠比例较小，则容易造成 平移矢量的错误估计，从而较难实现图像的配准。基于灰度级相似的方法是 以两幅图像重叠部分所以对在r g b 或c m y 颜色系统中灰度级相似性为配准准 则，自动寻找图像的配准位置。这一类方法采用的思想较为直观，目前大部 分的图像配准算法都可以归为这一类，按照配准算法n 1 的具体实现，这些算 法又可以分为直接法和搜索法两大类，直接法主要包括变换优化法1 ，它首 先建立两幅待破解图像间的变换模型，然后采用非线性迭代最小化算法直接 计算出模型的变换参数，从而确定图像的配准位置。该算法效果好，收敛速 度较快，但是它要达到过程的收敛要求有较好的初始估计，如果初始估计不 好，则会造成图像拼接的失败。搜索法主要是以一副图像中的某些特征为依 据，在另一副图像中搜索最佳配准位置，常用的有比值匹配法，块匹配法和 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 网格匹配法。比值匹配法是从一副图像的重叠区域中部分相邻的两列上去 除部分像素，然后以它们的比值做模板，在另一副图像中搜索最佳匹配。这 种算法计算量较小，但精度较低：块匹配法则是以一副图像重叠区域中的一 块作为模板，在另一副图像中搜索与此模板最佳的计算量，这种算法精度较 高，但是计算量太大；网格匹配法减小了块匹配法的计算量，它首先要进行 粗匹配，每次水平或垂直移动一个步长，记录最佳匹配位置，然后再此位置 附近进行精确匹配，每次步长减半，然后循环该过程直至步长减为0 。这种 算法较前两种算法运算量都有所减小，但是在实际应用中仍然偏大，而且粗 匹配时如果步长取的太大，很可能会造成较大的粗匹配误差，从而很难实现 精确匹配。 上述不同的配准算法各有优缺点，在精度和速度上各有不同，但在商业 应用中是必须要考虑的，因此目前迫切需要找到一种理想的图像配准算法， 这也是本文研究的目的所在。 1 3课题来源 本课题来源于西南科技大学人才引进基金项目基于s f s 技术的a o i 的 研究，s f s 为s h a p ef r o ms h a d i n g 1 ，从阴影恢复形状，a o i 为a u t o m a t i c 0 p t i c a li n s p e c t i o ns y s t e m ，自动光学检测系统。该项目创新点为将三维图 像处理技术应用于自动光学检测系统当中，比如能对敷铜厚度缺陷进行检 测。 1 4研究内容 本课题以基于s f s 技术的a o i 的研究项目为研究平台，主要研究内 容包括：a o i 系统原理，a o i 硬件平台的搭建，图像拼接预处理，设计并实 现一个图像拼接算法。对a o i 系统原理研究是为了更好的理解项目，为后续 工作打下基础。a o i 硬件平台搭建主要工作是实现高精度的伺服控制系统和 照明系统，以便获取图片序列。课题的重点是对已获取的图像序列进行快速 和高精确的拼接。 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 1 5 本文组织结构 本文内容主要分为五章，各章的组织结构介绍如下： 第一章为绪论。绪论对课题研究背景、现状、来源、内容做简要介绍； 第二章为a o i 系统原理。主要对自动光学检测系统的原理和软件系统进 行简要介绍，对硬件平台的搭建( 针对于伺服控制系统和照明系统) 进行详 细介绍，并给出部分实验数据； 第三章为数字图像拼接相关知识。主要介绍数字图像的特点、格式、拼 接、采集和图像变换； 第四章为图像拼接算法的研究与实现。主要对基于特征图像拼接算法和 本文提出的基于区域的彩色图像拼接算法的实现进行了介绍。基于特征的图 像拼接算法的实现是在文章，提出的基础上进行实现的。本文提出的基于区 域的图像拼接算法进行了大量实验，在速度上取得较好的效果，并给出相关 实验数据； 第五章为基于区域的彩色图像的拼接算法评估。利用摄像机成像原理对 本文提出的基于区域的彩色图像拼接算法的拼接速度和拼接精度进行评估， 评估结果该算法在速度和精度上能满足a o i 系统的要求。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 2a 0i 系统原理 2 1a 0i 研究现状 随着印制电路板密度的增加，尺寸和间距的改变以及微型板的出现，对 p c b 板的质量、可靠性提出了更高要求，使得传统p c b 缺陷监测方法如针床 电路测试和人工肉眼检测m ，( m a n u a lv i s i o ni n s p e c t i o n ，m v i ) 都己不适用 于p c b 制造要求。为了解决这些问题，制造商推出新型的检测系统一一自 动光学检测系统，即a o i ( a u t o m a t e do p t i c a li n s p e c t i o ns y s t e m ) 。在国 外，a o i 技术己，经比较成熟，美国、日本、欧洲的p c b 板厂都配备了a o i 设备。在国内，生产a o i 的制造商还不多，并且从宣传资料来看，国产的 a o i 设备在对p c b 瑕疵缺陷检测精度、速度和技术都落后于国外，国内主要 采用二次元测量机来实现，仅能对敷铜的宽度和缺陷进行检测，而国外能从 三维角度来对p c b 中的缺陷进行检测。 2 2a 0i 系统结构 自动光学检测系统为现代制造业的一种质量检测设备“，其作用是对 p c b 在制造过程中的尺寸规范进行过程控制，通过改正工艺来消除或减少缺 图2 1a o i 系统结构图 f i g 2 1 t h es t r u c t u r eo f a o i s y s t e m 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 陷。常常将其置于关键位置，监控具体生产状况，并为生产工艺的调整提供 必要的依据。自动光学检测系统结构主要是由电气控制系统、c c d 摄像系统、 软件系统、精密机械系统、工作台、主控计算机组成，系统结构框图n 副如图 2 1 所示。电气控制系统主要完成：x 、y 精密工作台微米级精度运动控制、 z 向( c c d 摄像系统) 运动控制、图像采集、p c b 板的自动定位、真空电磁 阀自动控制等功能，由主控计算机、运动控制卡、图像卡、i 0 接口板等组 成。主控计算机是整个控制系统的核心，实现整机数据的采集传送、分析处 理功能，并向各部分发出指令，完成机械传动、图像处理及检测功能。运动 控制卡主要实现三坐标运动控制信号的采集，传送各种加工数据，动作执行 指令功能等。图像卡主要是完成p c b 板的图像采集转换。a o i 系统要求高速、 高精度和高可靠性运行。控制系统按功能划分为不同的模块：坐标控制、图 像控制、l e d 发光阵列控制、辅助控制部分等。c c d 摄像系统主要由c c d 摄 像机、图像卡、l e d 程控光源组成。摄像机所获取的视频图像信号传送到图 像采集上，由控制图像采集卡完成图像采集，主控计算机将采集的视频图像 处理后，将结果返回给主控程序，通过显示器就可以对图像进行实时观测并 完成其它相应的控制过程。软件系统的核心由运动控制、视觉处理及算法三 i 启动系统软il 输入检测i l 1_l 一 ，r i 1 午 7 l p c b 蜀( 刁旨 开机卜一放入样板 c c d 系统扫 、r - 放入样板 描 c c d 系统扫 描 上 l 操作者确定生成并保存显示缺陷位数字图像处 p c b 缺陷文件置理识别缺陷 。， 合格板 1 r 取板生产结束 r 立即检修 一缺陷板卜一一1。，。 。叫送嚣台卜 图2 2a o l 系统的工作流程 f ig 2 2 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 大部分组成，是a o i 系统的核心，它的运算速度和精度决定a o i 的系统的速 度和精度。精密机械系统是a o i 系统平台的一个保障，机械系统的精度影响 a o i 系统的精度。a o i 系统的工作流程引如图2 2 所示。首先启动主控计算 机，软件系统启动自检，并放入标准板p c b ，系统扫描标准板，在软件系统 中输入被测p c b 板的检测数据然后放入测量板，c c d 系统扫描被测p c b 板， 进行检测识别图像缺陷，报告缺陷位置，并保存文件，操作者确定是否存在 p c b 缺陷，然后取出被测p c b 板，然后合格的p c b 板就生产结束，不合格的 产品立即进行检修或维修，知道产品合格为止。 2 3a 0i 系统硬件平台搭建 系统的硬件平台是做本课题实验的前提和基础，对获取拼接的序列图像 具有重要意义。由于项目的意义性，仅对本课题具有重要意义光源设计部分 和伺服控制系统部分做介绍。 2 3 1光源的设计 光源的作用是：将待测区和背景明显区分开；将运动目标“凝固 在图 像上；增强待测目标边缘清晰度；消除阴影；抵消噪光。在基于图像处理的 p c b 自动光学检测系统中，稳定的光源是非常重要的，而且很大程度上影响 着采集的p c b 图像质量。常用光源优劣如表2 1 所示“。 表2 1常用光源比较 t a b 2 1 c o m p a r is o no f n o r m a i ii g h ts o u r c e 荧光灯设计比较简单且成本不高，但是其稳定性和亮度较差。卤素灯和 光纤导管作为光源成本高、亮度较好，但是使用寿命较差。l e d 光源稳定度 较好( 无频闪) ，受温度影响低( 发热量低) ，制作成本低，对自动光学检测 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 系统是一个比较合适光源。一直致力于图像处理系统l e d 光源的开发、设 计、制造和销售的老牌机器视觉光源制造商c c s 公司能够提供高亮度、稳 定、较高性价比的l e d 光源。 光源常见的照明方式n 有正射式、斜射式、后射式( 透射光) 、前 照式、环形光和暗场照明( 被照式) 等等。如图2 3 所示。 a ) d ) 光源 b )c ) 图2 3照明方式 f i g 2 3l i g h t in gm o d e a ) 为正射式，b ) 为前照式，c ) 为斜射式，d ) 为环型光照式，e ) 为被照式 根据调研，本系统拟采用照明方式中的第四种结构光照式。利用环形光 源设计出“环型l e d 照明系统们 ，该系统的光路如图2 4 所示。 环形的光源是希望能模拟球面，使得被测物位于光源照明的焦点位置， 获得均匀一致的照明。围成环形的电路板上密排着5 圈光电二极管，假设二 极管的发光角都接近于零。则透过磨砂玻璃的光线必定在工作区域上汇集在 一起，在工作区域平面上，光强分布比较均匀，如果将工件置于这个平面上， 则可获得较好的照明。则光源到这个平面的距离为： 日= 僻+ r ) c 卵( 2 1 ) 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 4 照明系统 f i g 2 4l i g h t i n gs y s t e m 1 电路板2 磨砂玻璃3 l e d4 工作区域 根据几何关系，可知夕= 口，所以： 日= ( 尺+ ，- ) c 留口 ( 2 2 ) 其中：，为电路板围成的圆台的上底半径，曰为光线汇集的工作区域平 面的半径，为光源上端到工件平面的距离。如果我们确定好工件到光源的 距离岛在满足，大于c c d 镜头的半径的条件下，就可以设计电路板的倾角 和半径了。 本光源的外壳是铝合金材料，固定电路板的是带有凹槽的尼龙材料，对 照明可以实现分圈控制。通过铝块和螺丝固定在支架上，光源的中心和c c d 的中心基本上在同一条垂线上。使得c c d 上下移动时可以穿过光源上面的孔， 有利于实验中的调节。本实验室精心设计的光源系统具有如下优势： ( 1 ) 光源稳定性好，亮度均匀 实验中所使用的发光二极管都经过较严格的挑选，保证所使用的发光二 极管发光强度足够大、发光角比较小、并且使用寿命长。在l e d 采购过程中， 即便是同一规格的l e d ，其光学特性也存在差别。在相同的工作电压下，每 个二极管的发光强度不一定相同，为此我们设计了二极管的检测和分类方 西南科技大学硕士研究生学位论文第10 页 法：在一个黑暗的屋子里，给单个l e d 加上工作电压，把照度计置于l e d 的 正上方的一定距离处，测量并记录其最大的照度值，事先划分照度范围，按 照不同的照度把二极管分类。 ( 2 ) 光源亮度可控，以适应不同表面材料的物体 目前的光源亮度的控制主要有两种方式，即分圈控制和电压控制。分圈 控制是实现光源的不同部位发光，以从不同角度考察被测物体；电压控制是 通过调整二极管的工作电压，使得发光强度发生改变，进而可以在不同光源 亮度下对图像拼接精度做比较，以寻求最佳亮度环境。 2 3 2 伺服控制系统 伺服控制系统主要由可编程控制器p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r 0 1 1 e r ) 、伺服电机、伺服驱动器、伺服传动机构以及滑台组成。它的 主要功能是完成对三维工作台的高精度控制，实现c c d 摄像机的精确移动， 以获取序列p c b 图像。可编程控制器输出指定数量的周期方波脉冲数刀，伺 服机构的脉冲当量为d ( m m 脉冲) ，伺服机构的位移量为说。三个参数存 在如下关系： 刀= z ) c ，( 2 3 ) 公式( 2 3 ) 中，脉冲当量是一个常量d = 2 册_ r ，z l o o o o 脉冲。伺服电机的总 转角( 伺服机构的位移量) 正比于所输入的控制脉冲个数。因此脉冲控制伺 服电机的转动，控制相机在水平x 方向和垂直】，方向移动距离。p l c 向伺服 电机发送脉冲，控制伺服电机转动，同时线性脉冲编码器将伺服电机收到的 脉冲反馈给p l c ，如果p l c 检测到反馈脉冲数与发出的脉冲数不相等，则会 再次发送丢失脉冲，以确保摄像机的精确移动。这样对p c b 图像重叠区域参 数确认变得更加精细。 伺服控制系统设计方案： 检测头固定在x ，y 伺服定位系统之上，x y 伺服定位系统则由高精度的 驱动器、伺服电机、线性编码器和导轨组成，故检测头运行稳定、定位精度 高、图像清晰稳固、噪音低，检测的p c b 最大尺寸为4 0 0 m m 6 0 0 m m ，最小元 件为o 6 m m o 3 m m 。工作时，p c b 固定不动，检测头只需对电路板进行一次 高速扫描。扫描路径有两种方式n “，这个根据不同的p c b 来进行选择。扫描 方式如图2 5 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第11 页 a ) 垂直扫描b )弓字型方向或水平扫描 图2 5扫描方向 f i g 2 5 s c a nd ir e c t i o n s 2 3 2 1p l c 目前，p l c 在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力等各个行业， 根据使用情况主要n 引分为：开关量逻辑控制、工业过程控制、运动控制、数 据处理、通信及联网五种类型。具有可靠性高，抗干扰能力强；配套齐全， 功能完善，适用性强；易学易用；系统的设计，工作量小，维护方便，容易 改造等特点。s 7 2 0 0c p u 模块包括一个中央处理单元( c p u ) 、电源以及数 字量i 0 点，这些都被集成在一个紧凑、独立的设备中。c p u 负责执行程序 和存储数据，以便对工业自动控制任务或过程进行控制。输入和输出是系统 的控制点：输入部分从现场设备中采集信号，输出部分则控制泵、电机、以 及其他设备。基于对项目中控制伺服电机控制的考虑，本课题拟选有西门子 s 7 2 0 0 p l c 。在伺服控制系统当中，利用p l c 内置高速计数器通过其输出点 向伺服电机发送脉冲。 2 3 2 2 伺服电机与伺服驱动器 随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机n 引也越来越多地应用 于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采 用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。 虽然两者在控制方式上相似( 脉冲串和方向信号) ，但在使用性能和应 用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 ( 1 ) 控制精度不同 两相混合式步进电机步距角一般为3 6 。、1 8 。，五相混合式步进电机 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 步距角一般为0 7 2 。、0 3 6 。也有一些高性能的步进电机步距角更小。如 四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0 0 9 。，德国 百格拉公司( b e r g e rl a h r ) 生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨 码开关设置为1 8 。、0 9 。、0 7 2 。、0 3 6 。、o 1 8 。、0 0 9 。、0 0 7 2 。、 0 0 3 6 。，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。 流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字 式交流伺服电机为例，对于带标准2 5 0 0 线编码器的电机而言，由于驱动器 内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为3 6 0 。1 0 0 0 0 = 0 0 3 6 。对于带1 7 位编码器的电机而言，驱动器每接收2 的1 7 次方= 1 3 1 0 7 2 个脉冲电机转一 圈，即其脉冲当量为3 6 0 。1 3 1 0 7 2 = 9 8 9 秒。是步距角为1 8 。的步进电机 的脉冲当量的1 6 5 5 。 “ ( 2 ) 低频特性不同 步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器 性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机 的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电 机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上 加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。 交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流 伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频 率解析机能( f f t ) ，可检测出机械的共振点，便于系统调整。 ( 3 ) 矩频特性不同 步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降， 所以其最高工作转速一般在3 0 0 一6 0 0 r p m 。交流伺服电机为恒定力矩输出， 即在其额定转速( 一般为2 0 0 0 r p m 或3 0 0 0 r p m ) 以内，都能输出额定转矩， 在额定转速以上为恒功率输出。 ( 4 ) 过载能力不同 步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以 松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额 定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为 没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转 矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪 费的现象。 ( 5 ) 运行性能不同 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵 转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应 处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制驱动器可直接对电机 编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，般不会出现步进电 机的盖步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 ( 6 ) 速度响应性能小蚓 步进电机从静止加速到工作转速( 馓为每分钟几百转) 需要2 0 04 0 0 毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下m s m ad 0 0 w 交流伺服电机为例， 从静止加速到其额定转速3 0 0 0 r p m 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制 场合。 综上所述，交流伺服系统在许多性能方怕i 都优于步进屯机，在伺服控制 系统中拟选择交流伺服电机。 伺服驱动器和伺服电机是配垂使用，p l c 发出的脉冲信号必须经过伺服 驱动器进行信号转换之后彳能接收，从而实蜣高精度伺服控制。在伺服电机 中，拟选择松下m in a sa 4 系列交流伺服电机，如图26 所示。 国2 6m i 伺朋电机和驱动器 f ig2 6 m n a s s e r v o m o t o r a n dd rv e 2 3 23 滚珠丝杠 滚珠丝杠传动系统是滚珠体的滚动和螺旋传动的结合体它的作用是将 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 回转运动转化成直线运动或将直线运动转化成回转运动。使用滚珠丝杠减小 硬件廓j _ ；i ，增长其使用寿命，并且可以达到很高的运行速度，保持精确定位。 伺服控制系统的运动精度1 控制在3 0 u m 庄右，并且运 ，稳定、r 玎靠，璺 求整套运动机构存运行过程中，直线度、平面度谡差均在3 0 u m z 内，并能在 出现偏差的时候进行自动调节。实验平台搭建拟选用的德国布驻斯( b l i s ) 滚珠螳杠如图27 忻示。 图2 7滚珠丝杠 f lg2 7b a ie v er s lk 2 324 平台搭建的部分实验数据 伺服控制系统是壮个系统控制的核一d 该具有抗干扰能力。川此存搭建，f 台时，埘们服控制系统抗干扰能力进行了 测试。 伺服控制系统t 作过程为：首先儿c 发送脉冲给伺服驱动器，伺服驱动 器转换脉冲接着传给伺服电机，驱动伺服电机转动，同时线性编码器将伺服 电机接收到的脉冲数反馈给上位机，通过已发脉冲数和反馈脉冲数的比对， 决定是否重发丢失脉冲。实验时将伺服驱动器转换给伺服屯机的脉冲信号接 在示波器器r ，观察其波形。结果发现其噪声特别大，而且幅度也不能够满 足p l c 的输入i oo 点电压10 v 。因此我们对这个输 l 信号进行r 滤波，并 加了个r 拉电阻。该模块的电路板原理图如图2 8 所示，该电路是利用了 光电耦合器什1 l l l l7 的光耦特性，即：通过光信号的传递实现输人与输h 间电隔离，从而宴现一个滤波的功能。冠和尼为上拉电阻。j 片为整个电路 的对外接口，肥的l 端接的是脉冲输入信号，2 端和3 端接地，4 端接2 4 y 直 流电压。该光耦电路p c b 封装如图29 所示。 西南科技大学硕士研究生学位论文第15 页 o “厂_ 二警。器= ；习 型芝 ? = 二二二二二二二二二益二= 二二j 图28光耦电路原理图 f 。g2 8s c h tcd la gr fp h o t o e e c t p ie dcr c ut 图29p c b 封装图 f g2 9 p c bp a c k a g l “gda g a )滤波前 图2 1 0波形比较图 b j滤波后 西南科技大学硕士研究生学位论文 第16 页 经过光电耦合电路处理前和处理后的波形比对如图2 1 0 所示。在滤波 前，在正负脉冲处有比较多干扰信号，且电压是2 矿，经过光耦电路之后电 压成了1 0y ，并且干扰信号也得到了很好抑制。 2 4a 0i 系统软件介绍 a o i 系统软件是自动光学检测系统的核心，主要实现系统自检初始化、 图像采集运动控制和待测图采集、标准图恢复和入库、缺陷检出、缺陷分析 识别等功能。 系统自检初始化部分主要完成两个功能，一是系统工作状态检测和监 测：系统开机运行时检测所有外部设备( 包括采集卡，光源，电控柜，执行 机构等) ，仅当所有设备状态正常才进入后续工作，否则退出系统或等待状 态改变，系统正常工作时对这些信息进行定时监测，若某个设备有故障，提 示检修相关设备；二是初始化采集运动控制参数以便系统进入检测前准备状 态，如运动工作平台和安装摄像机支架台复位，完成摄像机定焦和根据c c d 配置文件完成对分辨率、增益、补偿、曝光时间、刷新频率等摄像机参数的 初始设定，以便采集规定精度的待测图像质量，满足图像检测要求。图像采 集运动控制和待测图采集部分主要负责通过图像采集卡驱动程序的调用和 电机驱动控制信号参数的输出或调整来控制采集和运动方式，同时将采集的 待测图灰度图像按采集顺序存入待测模块库；标准图恢复和入库部分主要包 含标准文档的读入和数据转换、特征数据提取和标准图绘制、标准图实时显 示和分模块保存入库功能；缺陷检出部分主要实现缺陷位置检出，包含待测 图模块预处理、待测图和标准图配准、对比、对比后去噪处理、缺陷位置显 示功能；缺陷分析识别部分主要包含缺陷特征统计和识别功能。其软件结构 副如图2 1 l 所示。 图2 1 1 a 0i 软件系统结构 fig 2 11t h es o f t w a r es y s t e ms t r u c t u r eo f a 0i s y s t e m 西南科技大学硕士研究生学位论文 第17 页 软件工作原理为：系统启动自检后，先将p c b 标准文档数据输入转换， 提取特征数据、绘制标准图全图显示，并按采集顺序分模块存储标准图到标 准图模块库；根据标准图像范围特征设置检测运动行程和总模块号，同时进 入成批在线检测，给出采集信号开始采集待测图模块并保存入待测模块库； 采集完一个待测图模块后即开始对已采集图像模块进行缺陷位置检出，同时 采集下一个待测图模块；当通过缺陷检出获得模块的缺陷目标位置后，进入 缺陷特征分析，同时对下一个已采集图像模块进行缺陷位置检出。 本课题研究的就是将采集到的序列p c b 图像拼接成为一个完整的p c b 图 像。它的意义在于对后续p c b 缺陷监测与识别工作做准备。 2 5本章小结 本章主要对自动光学检测系统的结构和原理、硬件平台搭建、软件系统 进行了介绍。在介绍硬件平台搭建过程中，光源设计和伺服控制系统对本课 题的意义性，因此而进行了较为详细的阐述。在软件系统中，对其结构、工 作原理进行了介绍。 西南科技大学硕士研究生学位论文第18 页 3数字图像拼接相关知识 3 1数字图像的特点与文件格式 数字图像在计算机上是以位图( b i t m a p ) 的形式存在的，位图是一个矩 形点阵，上面的每一个点称为象素( p i x e l ) ，象素是数字图像的基本单位。 例如一幅图像的大小为m n ，那么这幅图像就由m n 个象素组成。在数字 图像中各个象素点的明暗程度是由该象素点的灰度值( g r a y1 e v e l ) 来表示 的，一般我们将白色的灰度值定义为2 5 5 ，黑色灰度值定义为0 ，而且由黑 到白之间均匀化为2 5 6 阶灰度级，每一个灰度级都有一个相应的灰度定义， 这样我们就定义了2 5 6 阶等级的灰度，任何一幅图像都可以用0 2 5 5 之 间的灰度表示。在彩色图像中每个象素需要用三个字节来存储，这是因为任 何彩色图像都可以分解为红( r ) 、绿( g ) 、蓝( b ) 三个单色图像，任何一 种图像都可以由这三种颜色混合而成。所以记录一幅红、绿、蓝分别为2 5 6 种灰度的彩色图像，每一个象素需要占有三个字节。在图像处理中，彩色图 像的处理通常是对其三个单色图像分别进行处理实现的。 3 1 1数字图像的特点 ( 1 ) 图像光强量化具有非线性效应n “。在采集数字图像过程中，存在着 光电和模数转换两次量化过程。 ( 2 ) 光学成像系统的几何畸变现象。在光学成像系统中，数字图像与自 然景物在几何上很难满足严格的中心投影，通常存在一定的几何畸变现象。 ( 3 ) 数字图像的数学表示是一数学矩阵，因此对数学矩阵所能作的所有 数学运算都能够用于数字图像。这些运算包括加、减、乘、除、微分、卷积 和数学变换，以及各种局域运算、分析等等。 ( 4 ) 数字图像是通过成像设备将自然界景象的光强分布函数在空间上离 散成像素点，在光强上离散为灰度等级而形成的。其中景象的几何位置与图 像成中心投影关系；灰度级与对应光强度成正比关系。因此数字图像在几何 位置和光强分布上与自然界景