（电力电子与电力传动专业论文）基于图像处理的pcb缺陷检测系统的设计与研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 a b s t r a c t p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) i sa ni n f o r m a t i o nc a r d e ri n t e g r a t i n gv a r i o u s e l e c t r o n i c c o m p o n e n t s i th a sb e e na p p l i e di nd i f f e r e n tf i e l dw i d e l y w i t ht h e h i g h e rc o m p l e x i t ya 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 t u r ei n r e c e n ty e a r s t h et r a d i t i o n a lm e t h o d so fp c bd e f e c ti n s p e c t i o nc a nn o tm e e t d e m a n 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 dc o n t a c t ，h i g hc o s to rl o w e f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，t h es t u d y o fa u t o m a t i cd e f e c t i n s p e c t i o ns y s t e m i s m e a n i n g f u li nt h ep c bp r o d u c t i o nt o d a y a c c o r d i n gt oo p t i c a li n s p e c t i o nt h e o r y , t h ep a p e re s t a b li s h e saf r a m e w o r ko f d e f e c ts y s t e mb a s e do nd i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n g t h ei n s p e c t i o ns y s t e mi s c o m p o s e do f s e v e r a l p a r t s ，i n c l u d i n gl i g h t ，c c dc a m e r a s ，c a p t u r ec a r d s ， m o v e m e n tc o n s o l ea n dc o m p u t e ri m a g e p r o c e s s i n gs o f t w a r es y s t e m s a st h ec o r e o ft h i st h e s i s ，i nt h ep a r to fi m a g ep r o c e s s i n gt h ep a p e rf o c u s e so nt h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o na l g o r i t h mo ft h ek e yf u n c t i o n a lm o d u l e si n c l u d i n gm o d u l e so f i m a g ep r e - p r o c e s s i n g ，t h r e s h o l dp a r t i t i o n ，a n di m a g er e c o g n i t i o n ，a n dt h e s e a l g o r i t h m sa r es i m u l a t e di nm a t l a b 7 0 t h i sp a p e ri m p l e m e n t st h es o f t w a r ed e t e c t i o np r o g r a mo fp c bd e f e c tu s i n g m o d e ms o p h i s t ic a t e d d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y i no r d e rt ol e g i b l e i m a g e ，a l lk i n d so fm e t h o da b o u ti m a g ep r e p r o c e s s i n ga r ea p p l i e di nt h em o d u l e o fi m a g ep r e p r o c e s s i n g i nc o n s i d e r a t i o no ft h ep r o b l e mo fc h o o s i n gt h r e s h o l d ， t h ep a p e rc o m e st r u ef o u rp a r t i t i o na r i t h m e t i ci no r d e rt og e tp c bb i n a r yi m a g e w i t hc l e a rc h a r a c t e ra n dl o wn o i s e i n t h em o d u l eo fi m a g er e c o g n i t i o n b y a n a l y z i n gt h ec h a r a c t e ro ff i v ed e f e c t s ，n a m e l ys h o r tc i r c u i t ，o p e nc i r c u i t ，b u r r , d e f i c i e n c y , h o l l o w , t h es o f t w a r ed e s i g n sa n di m p l e m e n t sr e c o g n i t i o na r i t h m e t i c ， a n dp r o m o t e sd e f e c t si n f o r m a t i o n k e y w o r d s ：d e f e c t i n s p e c t i o n ；p r e p r o c e s s i n g ；t h r e s h o l dp a r t i t i o n ；i m a g e r e c o g n i t i o n 西南交通大学曲南父逋大宇 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或结构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密囹，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名： 日期： 躲甍 m r 指导老师签 日期： 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行 研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 氰6 黏叶 乃小 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 近几年，随着通信、计算机、消费电子等产业的发展，印刷电 路板( p c b ) 行业也快速发展起来。据资料统计，全球p c b 的产值 约占电子元器件总产值的18 ，2 0 01 年全球p c b 产值达4 6 0 亿美元。 国内近几年p c b 产业更是迅猛发展，2 0 0 3 年我国印刷电路板产值5 01 亿元人民币，同比增长3 2 4 0 ，产值超越美国跃居全球第二位。而 2 0 0 5 年我国p c b 产值则突破8 6 8 亿元，2 0 0 6 年更是超过了日本，产 值、产量均居世界第一位，成为名副其实的p c b 产业第一生产大国。 印刷电路板( p c b ) 作为电子工业中最基础和最活跃的产业之一， 发展迅速，并且随着半导体设计和制造技术的日益发展，印刷电路 板也朝着超薄型、高密度、多层数、高性能等方向发展，。目前，印 刷电路板的设计、加工水平己达到0 2 0 3 m m ( 孔径) ， 0 15 - 0 12 m m ( 线条宽度和间距) ，层数已经达到4 6 层( 富士公司) 甚至 更多，可以说印刷电路板的高技术和高复杂性已经达到一个相当高 的水平。但在取得高速发展的同时，p c b 行业也面临着巨大的挑战， 那就是p c b 的质量问题。目前的印刷电路板的质量情况不容乐观。 因为印刷电路板品质的好坏，取决于印制电路板上每根线条、每个 孔品质的好坏，而一块板上数以千计的线条和孔中任意一个发生过 细、过粗、残缺、针孔、粘连、断开、错位等质量问题，都会影响 最终产品质量，或导致产生废品。电路板的层数越多，问题越突出， 造成的废品率越高。所以在生产过程中，如何提高中间过程产品品 质，如何减少废品率，如何提高印刷电路板质量是各电路板生产厂 家一直不懈追求的目标。 由于电路板在生产过程中受许多不确定因素的影响如原材料、 设备稳定性、温度、环境以及人为的错误操作等，造成缺陷是很难 避免的，出现的故障基本都是线路错误，主要可分为：短路、断路、 毛刺、缺损几类5 1 。如果不及时地将这些质量问题检查出来，势必在 p c b 板调试和使用过程中留下隐患，造成更大的损失，所以必须实 施严格的中间检验。目前，印刷电路板的在线检测已成为p c b 板生 产厂家和企业的共识，但真正实现在线检测难度很大，现有的p c b 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 检测手段已经不能适应当今p c b 的发展趋势了。因此，一种高效、 高速、高精度的印刷电路板缺陷自动检测设备已成为p c b 行业的迫 切需要。 1 2 国内外现状和发展趋势 目前，p c b 板缺陷的检测方法主要有接触式和非接触式，在p c b 发展早期接触式检测发挥了重要作用，现在非接触式则成了p c b 板 主要的检测方法和手段”。 接触式检测设备主要有两种形式：针床式检测和飞针式检测。 针床式测试仪主要适用于大批量中、低密度电路板的检测，检测速 度较快。譬如制造缺陷分析仪使用一个针床，接着便可以诊断输出。 然而针床式检测也存在很多缺陷：针对不同的电路板需要制作不同 的模板，制作和调试周期长、成本高，因此不适合低产量原型样机 的测试；测试覆盖能力有限，只能测短路和断路缺陷，不能测试到 屏蔽了的装配；随着电路板密度越来越高，无法测量间距太小的电 路板。飞针测试仪是专门针对小批量、多品种生产的测试系统，使 用来回移动的探针对整块的电路板进行测试。飞针检测具有许多优 点：设定、编程和测试简单灵活；能快速地转换测试和反馈过程错 误；很方便检测具有微细间距引脚的电路板；精度、稳定性、可靠 性高；无须专门开发夹具，降低检测成本；简化功能测试。但也有 缺点如：由于逐点检测，测试一面后翻转再测试另一面，飞针测试 时间很长；因为物理的接触通孔和焊盘，可能在焊锡上留下小凹坑； 在没有焊盘的地方探针会接触到元件引脚，所以可能会错过松脱或 焊接不良的元件引脚；探针测试仪还限制电路板的尺寸1 。 非接触式检测设备中，检测传感器不与被检测对象发生直接物 理接触，这可以避免因物理接触而发生的故障。相对接触式检测来 说，非接触式检测通常不需专门的定位和装卡，而且响应时间较快。 非接触法在p c b 缺陷检测中有其明显的优势，它不仅可以检测到功 能性缺陷，而且可以很方便地检测出外观性缺陷h “。现在自动光学检 测系统( a o i ) 是非接触式p c b 检测中一个相当重要的研究方向。 自动光学检测系统( a u t o m a t i co p t i c a li n s p e c t i o ns y s t e m ，简称 a o i ) 是利用摄像头、扫描仪等对p c b 板进行扫描，将标准板和被 测板的电路图像进行比较，从而发现缺陷n ”。自动光学检测系统比以 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 前的检测方式有着不可比拟的优势如o 】a o i 不仅能检查出p c b 上 断路、短路的缺陷，而且对导线上的缺口、残余铜、空洞或划痕等 能进行有效的检查；它不需要和p c b 板接触，不会损坏电路板；可 以对高密度p c b 、超小型元器件进行检测；此外a o i 是一种快速的 在线测试法，不会有疲劳问题，可以让操作者能及时处理有关的问 题并可以日夜工作，可以跟上高速的生产线，减少重复劳动的花费， 提高检测的效率。因此，可以把a o i 放到生产线中的不同位置，及 时发现故障和缺陷，使生产和检测合二为一，这样可以缩短发现故 障和缺陷时间，及时找出故障和缺陷的原因。因此它是目前采用得 比较多的一种检测手段引。 1 2 1 国外相关产品与技术现状 自从上个世纪8 0 年代初，国际上已经纷纷开始研制p c b 缺陷自 动检测系统。一些国际性的大企业、大厂商，如美国的i b m 、日本的 日立、美国的西屋等都投入了大量的人力、物力、财力在这方面的 研究上。经过l0 多年的努力，自动光学检测系统最终被成功地运用 在印刷电路板生产线上。因此，a o i 供应商的数量急剧增加，各种 a o i 技术也得到了长足发展。从简单的摄像系统到复杂的3 一d x 光检 测系统，众多供应商们已经几乎能够提供可以适用于所有自动生产 线的自动光学检测设备。 目前，能够生产a o i 系统、技术也比较成熟的世界主要制造厂 商有以色列o r b o t e c h 及c a m t e k 公司、日本日立制作所的l io y dd o y l e 和s c r e e n 、英国t e r ad y n e 公司的5 5 0 0 型，美国a n g i l e n t 公司的 5 d x ( 有x 射线) 、林肯激光公司、ib m 公司等。以色列的c a m t e k 公司 的2 v 3 0 、2 v 5 0 型和0 p t r o te c h 公司的v isio n10 5 型机，采用设计标 准法和c a h p ( 设计工作自动化系统) 参数比较法相结合的系统原理， 来分别查出大缺陷和小缺陷；美国的林肯激光公司的 i ns p c z a r v e r if ie r 型自动光学检测仪，也是基于设计标准法原理， 可探测导线额定尺寸和线间距偏差、跨接和断线等缺陷：日本的日立 制作所研制的m p10 0 0 型机利用在p c b 板的原材料中产生的荧光，结 合图像识别技术，自动检测、判断电路板上划伤、毛刺、针孔、粘 连和其他微细缺陷，具有极高的精度：还有l c - 2 c 型机( 如图卜1 所 示) 不仅可检测基板上的穿孔位置，同时还可以检测孔径、塞孔、 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 缺孔、多余孔及孔数，监控精度高、速度快并且检测时间与孔数无 关：o r b o t e c h 公司生产t r i o n 一2 0 0 0 系列采用了多摄像头技术，因 此对于很多平常难以检测到的缺陷都可以发现，功能也十分强大。 图1 1 l c2 c 实物图 世界主要制造厂商目前已经将a o i 技术推广到电路板上的贴装 元件的位置、方向的检测以及带芯片的电路板的整体检测等领域。 从上面的所举的例子，可以看出a o i 技术在国外研究的比较的早， 技术也相对来说比较的成熟，研究出来的产品也能检测出大部分的 印刷电路板的缺陷。但他们大部分售价昂贵，一般在1 0 - 4 0 万美元， 有的甚至高达1 0 0 万美元1 ”1 。 1 22 国内相关产品与技术现状 国内剥印刷电路板的自动检测系统的研究大约始于9 0 年代初中 期，还刚刚起步。目前，从事这方面研究的科研院所也比较的少， 而且也因为受各种因素的影响，对于印刷电路板缺陷的自动光学检 测系统的研究也停留在一个相对初期的水平。 正因为国外的印刷电路板的自动检测系统价格太贵，而国内也 没有研制出真正意义上印刷电路板的自动检测设备，所以国内绝大 部分电路板生产厂家还是采用人工用放大镜或投影仪查看的办法进 行检侧。由于人工检查劳动强度大，眼睛容易产生疲劳，漏验率很 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 高。而且随着电子产品朝着小型化、数字化发展，印制电路板也朝 着高密度、高精度发展，采用人工检验的方法，基本无法实现引。对 更高密度和精度电路板( o 1 2 o 1o m m ) ，己完全无法检验。检测手段 的落后，导致目前国内多层板( 8 - 12 层) 的产品合格率仅为5 0 6 0 引。 现有的电子相关产业的生产及检测设备等高性能产品大多是进 口的。由于进口设备价格昂贵，使国内大部分印制电路板生产厂家 暂时无力购买，给他们带来了巨大的经济压力，而且这些设备往往 不适合国内操作人员的习惯，在使用过程中不能充分利用其功能， 造成了资源的极大浪费。因此，现在迫切需要种采用先进技术手 段，准确、快捷地检测仪器设备，与国外著名公司进行竞争，从而 大幅度提高产品的合格率，具备高密度、高品质多层p c b 板的生产 能力，。 1 3 课题任务及研究意义 随着全球经济的一体化步伐的加快，我国产业结构的投资方向 发生了重大调整，国家“十五 规划己经把研制微电子装备作为一 个专项题目提出，必将向该领域投入大量的资金和人力资源，用于 芯片和相关检测设备的研制，以填补该领域的空白。这对于科技最 敏感的科研院所面临的既是机遇又是挑战。 我国是全球生产印刷电路板的大国，但行业的现状并不乐观， 产品的生产、检测还处于一个相对低的水平，这样也导致了生产率 也比较低，同世界发达国家相比，还具有一定的差距。因此，研制 开发具有自主知识产权的光机电一体化高科技的产品一一印刷电路 板的自动检测系统是必须的、也是紧迫的。如果这个自动检测系统 能研究成功，从而使我国摆脱a oi 产品还需进口这样难堪的局面， 可以节省外汇，这也将使我国印刷电路板行业的检测技术落后的状 况得到改观，增加竞争的能力，提高我国p c b 企业在国际上的地位。 所以，本论文研究的课题一基于图像处理的p c b 缺陷检测系统的设 计与研究具有非常深远的意义。 本课题的研究任务是采用图像处理的方法检测印刷电路板的缺 陷，针对工业应用的要求，本课题主要要求如下： 1 动态实时性。本课题用于印刷电路板在线检测，实时性强：需 要合理的设计算法，提高运算速度，以提高整个系统的检测速率。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 缺陷的判断准则的优化。既不能漏掉特征信息，也不能报告 虚假信息，将误判率限制在合适的范围内。所用算法要能准确区分 真实缺陷和噪声影响。 3 适应性强。人工干预较少，可直接从图像本身提取信息，自 动加以判断处理。 本课题涉及机器视觉h “、图像处理及自动化控制技术，内容广泛， 涵盖面宽。在前面学者研究的基础上，本文集中于图像处理这个中 间环节的处理，为进一步的研究打下坚实的基础。 1 4 本论文完成的工作 本论文研究的主要工作是设计出能对印刷电路板的常见缺陷进 行快速、实时识别的检测系统。课题主要对p c b 的短路、断路、毛 刺、缺损和空洞五大缺陷进行检测，首先在光照单元下，采用c c d 摄像机和图像采集卡获取p c b 图像，然后将获取图像传给p c 机，利 用多种图像处理技术自动检测出五大缺陷。本文共分为5 章进行阐 述。 第一章：绪论。主要介绍了本课题的研究背景、国内外研究现 状、研究意义和任务以及本论文所要完成的工作。 第二章：检测系统总体方案设计。介绍了系统的结构组成并对 系统中各单元进行设计与说明，包括照明单元、图像采集单元、运 动控制单元和图像处理单元。 第三章：p c b 图像的预处理。根据p c b 图像的特点，进行了算法 对比选择，实现了图像的平滑、增强、锐化，从而提高图像质量， 完成了p c b 图像的预处理。 第四章：p c b 图像的阈值分割。此模块中对四种计算阈值的算 法的进行研究与实现，最后选择适合p c b 特点、能完整提取图像特 征的、产生噪声较少的分割方法完成了图像的分割。 ， 第五章：p c b 图像的缺陷检测。对p c b 图像的主要缺陷及其检测 方法进行了简要介绍，针对p c b 的短路、断路、毛刺、缺损、空洞 五大缺陷不同的缺陷特征，主要给出相应的识别算法并仿真实现。 总结与展望：对本论文所做工作进行总结，并提出后续可完善的 部分。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章p c b 检测系统总体方案设计 p c b 缺陷的自动检测是以p c b 裸板为检测对象，根据p c b 板的各 种缺陷特点，运用图像处理、图像识别等方法对采集的p c b 图像进 行缺陷检测、分析并给出判断。该检测系统的设计是基于飞速发展 的机器视觉，、自动控制和计算机技术，同时考虑到检测精度、检测 速度和经济性方面的要求，具有较高性价比。本章介绍了p c b 检测 系统的结构组成以及系统中的几个关键部分包括：光照单元、图像 采集单元、运动控制单元以及本课题研究的核心一图像处理单元。 2 1 系统结构组成 p c b 板缺陷自动检测系统由硬件系统和软件系统构成。硬件系统 主要包含光照单元( 光源) 、图像采集单元( c c d 摄像机、图像采集 卡) 、运动控制单元( 精密工作平台、运动控制器) 、和计算机( 主 机和显示器) 四部分。软件系统主要是指计算机的图像处理单元。 系统的结构组成如图2 一l 。 ； 运动控制单元 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j 2 1系统结构组成 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 检测系统工作原理是：首先在光照下采用摄像机将待检测的 p c b 板面转换成图像信号，然后经图像采集卡转化成数字信号传送给 计算机图像处理单元，将图像经过预处理和二值化后送入图像缺陷 识别模块中，运用各种运算来检测缺陷特征，并根据预设的容许度 和其他条件输出判断结果，最后将缺陷位置和缺陷分析结果及时显 示给用户引。 光照单元的主要任务就是产生合适的照明及准确的物象位置关 系，以保证得到的图像有合适的对比度和清晰度。图像采集单元将 待检测p c b 板的图像数字化，并输入到计算机系统。运动控制单元 用于移动平台来获得整个电路板的图像。计算机图像处理单元是整 个系统的核心单元，该单元的主要任务是运用图像处理算法检测和 识别出待测p c b 板的缺陷。 2 2 光照单元设计 在目前的机器视觉应用系统中，光源的主要任务是产生合适的 照明及确定准确的物象位置关系，以保证得到足够对比度和清晰度 的图像。好的光源与照明方案往往是整个系统成败的关键，起着非 常重要的作用 ，。由于没有通用的机器视觉照明设备，所以针对不同 的应用实例，要选择相应的照明装置，以达到最佳效果。 因为可见光容易获得，价格低，并且便于操作的特点，许多工 业用的机器视觉系统常用可见光作为光源引。常用的几种可见光源是 白炽灯、日光灯、水银灯和钠光灯。但这些光源的一个最大缺点是 光不能保持稳定。以日光灯为例，在使用的第一个l0 0 小时内，光 能将下降15 ，随着使用时间的增加，光能将不断下降。因此，如何 。 使光能在一定的程度上保持稳定，是实用化过程中急需要解决的问 题。 对于本系统来说，其能够稳定工作的必要条件是：在外部条件 不断变化的情况下，持续获得对比鲜明的图像。l e d 光源以其高亮度、 高稳定性、高性价比满足了这一要求。l e d 光源的主要特征有1 8 ，： ( 1 ) 形状的自由度 一个l e d 光源时由许多单个l e d 发光管组合而成的，因而可做 成多种的形状，更容易针对用户的需求，设计光源的形状和尺寸。 ( 2 ) 使用寿命长 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 为了使图像处理单元得到精确的，重复性号的测量结果，照明 系统必须保证相当常的时间内能够提供稳定的图像输入。l e d 光源可 连续工作10 0 0 0 到3 0 0 0 0 小时。此外，用控制系统使其间断工作， 可抑制发光管发热，寿命将延长_ 倍。 ( 3 ) 响应时间短 l e d 发光管响应时间很短，响应时间的真正意义使能按要求保证 多个光源之间或一个光源不同区域之间的工作切换。采用专用电源 给l e d 光源供电使，达到最大照明度的时间小于1o m s 。 ( 4 ) 可以自由选择颜色 除了光源的形状以外，欲得到稳定图像输入的另一个方面就是 选择光源的颜色。甚至相同形状的光源，由于颜色的不同得到的图 像也会有很大的差别。实际上，如何利用光源颜色的特性得到最佳 对比度图像的效果一直是光源开发的主要方向。 ( 5 ) 综合成本低 选用低廉而性能没有保证的产品，初次投资的节约资金很快就 会被日常的维护、维修费用抵消。其他光源不仅耗电量是l e d 光源 的2 l0 倍，而且几乎每月就要更换，浪费了维修工程师许多宝贵 的时间，因此选用寿命长的l e d 光源从长远看是很经济的。 基于以上特点，本照明系统的光源采用高密度阵列l e d 光源n ”。 除了照明装置的选择，照明方式的设计是一个十分关键的环节。采 用适当的照明方式可以提高系统的精度、增强系统的可靠性、减少 系统的响应时间，也减少不必要的图像处理工作量“。 一般来说，在机器视觉应用系统中的照明设计应该遵循以下原 则【1 ： 1 确定被测部分或特征，使被测部分或特征清楚的与周围的背 景区分。例如，增强被测部分或特征的边缘的对比度等。因为人们 可以用透视、阴影、视差和个体经验等线索从图像中得到信息不同， a o i 系统必须使用预定好的程序，例如滤波、图像减运算、边缘增强 等技术才能从图像中找到所需的信息，所以如果可以把将要检测的 物体和背景清楚的分开，那么就可以大大减少了图像处理算法的复 杂度，从而减少图像的运算时间，也减少了软件的开发时间和难度。 2 减少反射，这样可以减少由于光照而给图像带来的额外噪声， 使客观景物尽量以不失真的面貌成像，减少图像处理算法的步骤， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 尽量屏蔽环境光线的影响。在实验室中周围环境光线是基本恒定的， 而在工业现场是一个时变的噪声，例如在白天和晚上环境光线就会 发生很大的变化。采用封闭的照明方式或增强光照强度就可以屏蔽 周围环境光线的影响。 依照上述设计规则，在本系统中，考虑到p c b 板图像的基本组 成是线和孔，以及表面的光谱反射等原因，采用了正面环形照明方 式。这样可以使光比较均匀地照射在p c b 上。为了不引起电路板上 的线条和孔的明显反光，光源的照明角度设计成低角度漫射照明， 以获得最佳的图像。如图2 - 2 所示： p c b 扳 22 环形照明方式 控制台 23 图像采集单元设计 图像采集部分是由c c d 摄像机、图像采集卡组成。其主要功能 是根据触发信号或计算机的命令完成对图像的采集。在检测系统中 获取高质量的图像是系统提高检测速率和效率的基础，图像采集单 元的设计主要涉及到选取合适的摄像机和图像采集卡。采集过程如 图2 - 3 所示： 图2 3 图像采集过程 2 31 c c d 摄像机的选择 c c d 摄像机结构简单、集成度高、重量轻、不怕振动，也不需要 加热，具有耗电省，寿命长、功耗小、在低照度下灵敏度高等特点， 故一出现就在固体图像传感、信息存贮和处理、特别是在非接触测 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 量等领域迅速发展。目前c c d 已在光电检测技术和现代测试技术领 域中得到了广泛应用。 c c d 摄像机的型号很多，选择时主要从以下几方面考虑l s ，： 1 选择黑白c c d 摄像机还是彩色c c d 摄像机，选择黑白c c d 摄 像机优点是图像数据量较少、传输处理速度较快，缺点是将会丢失 图像的彩色信息；选择彩色c c d 摄像机则其输出图像数据量将会大 大增加，这样会在很大程度上降低系统的处理速度。 2 分辨率的高低直接影响到整个系统的检测精度，所以高分辨 率是选择c c d 摄像机的重要参数。但分辨率高，测量精度会好一些， 但价格也相对要昂贵，所以也要考虑系统的性价比。 3 电噪声的高低是c c d 摄像机的一个重要指标。噪声越小，采 集的图像质量越好，测量的精度就越高。 4 清晰度的高低。获得高清晰的p c b 图像是整个图像采集单元 的最终目的和要求。 根据系统要求，考虑到以上各项因素，黑白c c d 摄像机便可满 足本系统。因此我们选用了陕西维视数字图像有限公司的 m v - v d 0 3 6 s m 高速工业摄像机。m v - v d 系列高速工业相机适用于高分 辨率l2 8 0 * l0 2 4 和高速8 0 - 5 0 0 f 秒高速在线检测，可以应用在半导 体检测、印制板检测、印刷质量检测、食品饮料检测、半导体和元 件的质量检测等机器视觉领域，几乎涵盖了所有的工业高速图像检 测领域。 m v - v d 系列高速工业相机是专门针对需要高图像质量、高速图像 输出的应用领域设计的，选用了最新的高端c m o s 芯片，信噪比大于 6 0 d b ，可以满足工业检测对图像质量的苛求。主要的技术指标如下： 1 数字面阵c c d 逐行扫描，软件控制图像窗口无级缩放； 2 像素尺寸9 9 * 9 9 聊，最高分辨率75 2 * 4 8 0 ； 3 帧频为6 0 秘，全帧快门，采样精度为1 ob i t ； 4 像素灵敏度为3 2 v 1u x - se c ，信噪比达6 4 d b ； 5 图像窗口无级缩放，带有外触发输入，带有闪光灯控制输出； 6 计算机可以编程控制曝光时间、亮度、增益等参数； 7 动态范围：线形6 4 d b ，非线形可达9 0 d b ： 8 u s b 口供电3 v ，外接电源供电12 v ； 9 支持中英文w in d o w s 9 8 、w in d o w s 2 0 0 0 、w in x p 操作系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 3 2 图像采集卡的选择 图像采集卡( f r a m eg r a b be r ) ，又称视频捕捉卡。图像采集卡， 用来将摄像机输出的视频信号转换为数字信号，并输入到计算机内 存中进行处理和分析，被认为是c c d 与计算机的接口。 在选择图像采集卡时，主要应考虑以下几个方面的问题： 1 要与选用的c c d 摄像机匹配，与c c d 输出视频信号标准一致； 2 要考虑采集卡的a d 转换速度和传输速度； 3 是否数字i o 可用于外触发； 4 图像采集卡的图像分辨率：工业印刷检测常常需要检测12 8 0 10 2 4 的高分辨率图像。 5 灰度分辨率和精度：现在最常用的灰度分辨率为8 b it s ，2 5 6 级，误差在2 bits 以下 6 像素抖动。 综合考虑以上因素，在本系统中采用陕西维视数字图像有限公 司的m v - m 10 0 0 高分辨率黑白图像采集卡。采用了多项先进技术，高 带宽输入，数字抗混叠、滤波等，适用于科学研究、工业检测等的 图像处理系统的通用性高质量图像采集卡。技术特点及指标如下，： 1 可采集标准和非标准逐隔行视频信号，三路视频输入软件切 换选择； 2 8 或10 位高精度高信噪比a d ，宽范围亮度对比度软件调节； 3 输入的视频幅度可适应0 2 v - 3 v 峰峰，零点调整可适应水1 5 v 变化范围： 4 点阵扰动( pix e1jit te r ) 小于1n s ，可自动测量行场视频特性； 5 采用高效总线分享技术，传输速度最高可达1 32 m b s ； 6 可直接采集格式为8 位、2 4 位、3 2 位，图像上下、左右镜象 采集； 7 采集点阵行方向连续可调，最大点频为6 0 m ，最大采集分辨率 可达2 0 4 8 2 0 4 8 ； 8 高带宽输入，数字抗混迭滤波技术，提高图像清晰度； 9 可采集单场，单帧，连续帧，精确到场。具有输入查找表； l0 外触发信号输入( t t l 低电平) ，外触发( 低电平沿) 硬件采集 控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 4 运动控制单元设计 精密工作台是p c b 传送和承载的主要部分，工作台的平稳运行 是采集高质量p c b 图像的重要保证。由p c b 检测系统的总体结构组 成可知：在运动控制单元中，由控制器来控制精密工作台的运动速 度以及运动轨迹。 可编程序控制器( p l c ) 是以微机技术为核心的通用工业控制装 置，它是将传统的继电器接触器控制技术与计算机技术和通信技术 融于一体，具有功能强大、可靠性高、稳定性好、环境适应性好、 编程简单、维护方便等优点。近年来在工业自动控制方面得到广泛 的应用。因此，本文研究中选用欧姆龙公司的c q m i h 系列的p l c 作 为精密工作台的运动控制器。 精密工作台的运行主要由上位机( p c 机) 与下位机( p l c 控制 器) 之间的通信来完成，上位机根据p l c 信号来对工作台和图像采 集部分进行控制。检测时待测p c b 板运行在专用的卡槽式传送带上， 传送至检测机位时，触发信号通知下位机，p l c 停止流水线运行，并 控制摄像机开始拍摄图像，同时p l c 将信号传到上位机，上位机运 行图像采集、处理和分析程序，完毕后向下位机发出信号，下位机 控制工作台将p c b 板继续向前移动，当下一个目标向前移动至拍摄 区域时，由位置传感返回一个信号，p l c 再次停止传送带运行，并控 制摄像机再次触发，如此反复，。 2 5 图像处理单元设计 图像处理单元作为本检测系统的核心模块，由图像的预处理、 图像的阈值分割、图像的识别这几个部分组成，其中预处理包括图 像平滑、图像增强以及图像的锐化。图像处理单元的任务就是利用 图像处理的方法检测出p c b 板的缺陷，整个检测流程见图2 - 6 。 软件工作流程为：首先通过图像采集模块获取高精度的待测电 路板图像，根据p c b 图像的特点，在预处理模块中，采用适当的算 法对图像进行预处理，即利用中值滤波，灰度变换，拉普拉斯变换 等方法对图像的噪声进行去除并增强图像的对比度；阈值分割模块 中采用最适合的阈值分割方法，将预处理后的待测图像进行二值化； 最后在缺陷识别模块中，二值图像经过数学形态学处理得到伪标准 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 图像，将待测电路板图像和伪标准图像进行异或处理，得到缺陷图 像并进行缺陷位置检出。 图2 - 6图像处理单元流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第3 章p o b 图像的预处理 一般来说，系统在p c b 待测灰度图像的采集、传输过程中，由 于光照不均或变化、采集设备自身的干扰、成像的非线性、数字化 过程量化噪声、传输过程误差以及人为因素等，都有可能使得实际 获取的待测p c b 灰度图不可避免地受到外部干扰和内部干扰，从而 使图像质量降低或失真，包含各种各样的噪声和畸变n “。因此，为了 后续图像分析和理解，应对待测灰度图像进行预处理，预处理的过 程包括：增强、平滑( 滤波) 和锐化，从而矫正失真，消除噪声， 改善图像质量，以方便进行后续的闽值分割，提取我们感兴趣的目 标区域n “。 目前，己经有许多成熟的图像预处理的算法。在本课题研究中， 根据p c b 图像的特点，有针对性的选取了适当方法对采集的待测p c b 板进行处理，从而提高图像质量。 3 1p o b 图像的增强 印刷电路板的结构和制作工艺决定了p c b 板具有较为特殊的光 学特性，与一般图像有许多不同之处。一般来说，p c b 图像的颜色偏 暗。由于这一原因，导致图像对比度不强，背景和对象物的灰度级 较为接近，给识别工作带来了困难。此外，用来制作p c b 的板材有 一定透明性，对于双面板来说，被检测面会受到另一面图像阴影的 干扰。因此，必须增加图像对比度，将图像中感兴趣的特征有选择 地突出，而衰减其它不需要的特征，来改善图像的视觉效果川。 图像增强技术主要有两种方法：空域法和频域法。空间域方法主 要是在空间域内对图像像素直接运算处理，如图像的灰度变换、直 方图修正等。频域方法是在图像的某种变换域上对图像的变换值进 行运算，最后将计算后的图像逆变换到空间域，如将运算建立在傅 里叶变换之上，增强感兴趣的频域分量，然后进行逆傅里叶变换， 便得到了增强了的图像。本文只考虑运用空域法对p c b 图像进行增 强，来增加图像的对比度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 3 1 1 灰度直方图均衡化 直方图引是指在图像在各灰度级上的统计百分比，即一幅2 5 6 级灰度图像的灰度在某个灰度级上的点数占所有图像像素点的百分 比。假设某幅图像是w 个像素宽，h 个像素高，该图像共有n = w h 个像素，如果该图像中像素为g 的像素个数是口，则该图像的直方图 是一个一维数组，数组中包含的元素个数为该图像的灰度级数25 6 该数组定义为 h i s r 雄等g cg( 3 - 1 ) 对于一幅给定的图像，因为其包含的像素点的个数n 是固定的， 式( 3 一1 ) 中如果用。代替。与n 的比值，则直方图信息只相差一 个固定的比例因子，所以在计算中，也往往直接用h i s t g _ 。替代式 ( 3 1 ) 进行计算，这样得到修改的直方图公式为 h i s t g = g gcg ( 3 - 2 ) 直方图均衡化是一种最常用的直方图修正”，在介绍灰度直方图 均衡化之前，先讲述直方图修正。直方图修正是通过一个灰度映射 函数q 。= f ( g o l d ) ，将原灰度直方图改造成所希望的直方图。其目的 是通过点运算使输入图像转换为在每一个灰度级上都有相同的像素 点的输出图像，。可以说，直方图修正的关键就是灰度映射函数。 按照图像的概率密度函数的定义： 1 p ( x ) = _ , i t 日( x ) ( 3 3 ) 岛 其中h ( x ) 为直方图，4 为图像面积。 设转换前图像的概率密度函数为p ，( x ) ，设转换函数为s = f ( r ) ，转 换后图像的概率密度函数为以( x ) 。由概率论知识，我们可以得到： 一p 热( s ) = p ，( 厂) ( 3 - 4 ) a 5 这样，如果想使转换后图像的概率密度函数为1 ( 即直方图为平 西南交通丈学硕士研究生学位论文第”页 的) ，则必须满足： 只( r ) = _ d s( 3 - 5 ) a r 等式两边对r 积分，町得： 01 ， 5 2 m ) 5 协( u ) d u 2 j 1j ( p ) d p ( 3 - 6 ) 该转换公式被称为图像的累积分布函数，其中为变量。 e 面的公式是被归一化后推导出的，对于没有归n 一化的情况， 只要乘以撮大灰度值( n 缸，对于灰度图就是2 5 5 ) 即可。灰度均衡 的转换公式为： 吼= ，( r ) = 半f h ( a t ) d 1 2 ( 3 - 7 ) i 对于离散图像，转换公式为： b = f ( o a ：孕兰日， ( 3 - 8 ) 式巾h 为第i 级灰度的像素个数。 直方图均衡化就是把给定图像的直方图分布改造成均匀直方网 分布”。由信息学的理论来解释，具有最大熵( 信息量) 的图像为均衡 化图像。直观地讲，直方图均衡化导致网像的对比度增加。用直方 图均衡的方法对滤波后的p c b 图像进行图像增强，得到的增强效果 图及其直方图如图3 1 所示。 厂。j i | j ( a ) p c b 图像及其直方图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 1 啪 1 枷 恤 御 蜘 咖。 种 卸 。匿夏二 c o ( b ) p c b 图像的直方图均衡化及其直方图 图3 1 直方图均衡化的p c b 图像与直方图 从图3 1 中我们看到，偏暗的p c b 图像经过直方图均衡后，观 看效果得到了明显的改善。但是，直方图均衡算法不关心位置信息， 不考虑像素间的相关性，只是根据统计的方法得到直方图上的比例 均衡，因此这种方法并不灵活。 312 灰度变换 灰度变换是图像增强的重要手段之一，一般来说，成像系统的 亮度范围是一定的，其对比度由亮度范围决定。由于成像系统性能 以及光照等因素的影响，获取的图像常出现对比度不足的现象，视 觉效果欠佳。 灰度变换通过重新均匀地分布各灰度值，可使图像的动态范围 扩展，对比度增强，可使图像清晰、特征明显、视觉效果显著改善”“。 具体方法是将原始图像中各像素灰度值f ( x y ) 按映射关系g = t ( f ) 变 换成新的灰度值g ( x y ) 。若要突出图像中具有某些灰度值物体的细 节，同时又允许适当损失另外灰度范围的细节，可采用分段灰度变 换。典型的分段灰度变换关系如式( 3 - 9 ) ： f矿 g ( x ，y ) = f l ( f 一口) + g a r ( f b ) + g b 93 d 6 ， 一s0 口6 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 出隧i | 墓 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 境因素，图像质量或多或少会有所降低，一般来说，p c b 图像的颜色 偏暗。因此，必须增加图像对比度，将图像中感兴趣的特征有选择 地突出，而衰减其它不需要的特征，来改善图像的视觉效果。 灰度直方图均衡和灰度变换都可以用来实现p c b 图像的对比度 增强，但是，从图3 1 所示的灰度均衡直方图以及p c b 图像均衡后 的效果可以看出，由于直方图均衡没有考虑图像的实际内容，而简 单的由统计的方法将图像进行直方图均衡使得图像对比度增强，一 般来说，使得图像看起来