（电路与系统专业论文）印刷电路板在线自动视觉检测系统的分析研究.pdf

、 j 毒 印刷电路板在线自动视觉检测系统的分析研究 摘要 | f i 在现代电子设备中印刷电路板( p c b ) 占有重要的地位，其质量直接影响 到产品的性能，口f 讨p c b 质量检验工作大部分由人工目测完成，人为囚素的影 响易发生漏检和误检，因此p c b 工业迫切需要在线自动视觉检测。8 0 年代初国 际上利用计算机与图像处理技术进行p c b 缺陷自动视觉检测的研究丌始成为 p c b 检测的热门方向。k 本文就p c b 自动视觉检测系统的构成及其设备的性质特点进行了分析， 就部分设备的选择进行了研究，着重介绍了彩色高亮度方式采集图像的原理和 优点。检测算法是提高检测效率和f 确率的理论依据，在检测算法的研究中， 采用h o u g h 变换法进行p c b 图像的定位，并研究了具体的实现算法，通过实验 证明此方法是有效和可行的。为了提高检测效率，把p c b 的缺陷分为大缺陷和 小缺陷两种。为了实现大缺陷的检测，本文提出了图像信息熵法，通过实验验 证了此方法对大缺陷检测的有效性；在小缺陷检测中利用彩色高亮度方式的优 点，把图像从r g b 模式转到h s l 模式，进行彩色图像的分割，实现了对某些小 缺陷的检测。由于现有的检测仪器不能很好的满足高速在线检测的实时性要求， 为此文中对适合进行图像处理的d s p 技术进行了探讨，并研究了基于d s p 的 p c b 检测系统方案。通过两个实验验证了d s p 的在图像处理中的高效性和可行 性。把d s p 引入p c b 检测系统的思路将有助于解决检测系统的实时性问题， 是提高p c b 检测系统的效率的一个新方法。 关键词：印刷电露，板，检萄，图徕五理，d 婶，实奇磕理 _ 一 一 t h er e s e a r c ha n da n a l y s i so nt h es y s t e m o ft h e a u t o m a t i co n l i n ev i s u a li n s p e c t i o no f p c b a b s t r a c t t h ep r i n t e dc i r c u i tb o a r d ( p c b ) i si m p o r t a n tt om o d e m d a ye l e c t r o n i ce q u i p m e n t ； i t s q u a l i t ya f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo fp r o d u c t s s op c b i n d u s t r i e sc r yf o ro n - l i n e v i s u a l i n s p e c t i o n b u ti fp e o p l ed ot h i s w o r k ，i tw i l l b ed u l l p e o p l e s e n e r g yi s l i m i t e d ，s ol e a k i n gw i l lb eh a p p e ne a s i l y m a n yp e o p l eb e g a nt od e v e l o pt h es y s t e m o fd e f e c t i o ni n s p e c t i o no fp c bi nt h ee a r l yo f 19 8 0 s i nt h i sp a p e rt h ea u t h o ri n t r o d u c et h es t r u c t u r eo ft h ei n s p e c t i o ns y s t e mo ft h e p c b i te m p h a s i z e st h em e t h o do f i m a g ec o l l e c t i o na n d i n t r o d u c e st h ep r i n c i p l ea n d m e r i to ft h ec o l o ra n dh ig hb r i g h t n e s sm o d e t h ea u t h o ru s i n gt h em e t h o do f h o u g h t r a n s f o r mt oa c c o m p l i s ht h el o c a t i o no fp c bi m a g ea n dg i v et h eh o u g ht r a n s f o r m r e a l i z ea r i t h m e t i c t h ee x p e r i m e n t ss h o wt h em e t h o do f h o u g h t r a n s f o r mi se f f e c t i v e t h ed e f e c t i o no fp c bc a nb ec o m p o s i n go ft w oc l a s s e s ：l a r g ed e f e c t i o na n ds m a l l d e f e c t i o n t h ea u t h o rb r i n g sf o r w a r dt h em e t h o do fi m a g ei n f o r m a t i o ne n t r o p yt o i n s p e c t i o nt h el a r g ed e f e c t i o n s t h ee x p e r i m e n t st e s t i f yv a l i d i t yo f t h i sm e t h o d b y u s i n gt h em e r i to ft h ec o l o ra n dh i g hb r i g h t n e s sm o d e ，s o m es m a l ld e f e c t i o n sb e i n s p e c t e dw i t ht h em e t h o do fs e g m e n t a t i o no fc o l o ri m a g e i no r d e rt os o l v et h e p r o b l e mo fr e a lt i m e ，t h e a u t h o rd i s c u s s e s d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) i t i n t r o d u c e st m s 3 2 0 c 6 2 01a n dt m s 3 2 0 c 8 0 ，w h i c hf i tf o r i m a g ep r o c e s s i n g i t r e s e a r c h e st h es c h e m eo f i n s p e c t i o ns y s t e m o fp c bb a s e do nd s et w o e x p e r i m e n t sh a v ec h e c k e dt h eh i g he f f i c i e n c ya n df e a s i b i l i t yo fd s p i ti san e w m e t h o do fi m p r o v i n ge f f i c i e n c yo ft h ei n s p e c t i o ns y s t e mo fp c bt h a tu s e sd s pi n t h ei n s p e c t i o ns y s t e mo fp c b k e y w o r d s ：p c b ，i n s p e c t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n g ，d s p ，r e a lt i m ep r o c e s s i n g ， 致谢 首先向我的指导老师鲁昌华副教授表示衷心的感谢! 在两年半的硕士学习 期问，鲁老师在学业和生活上给了我很大的帮助和支持，不光在学术上悉心指 导，而且在我家遇到不幸时，给予了我精神上、物质上的极大帮助，使我能重 新鼓起勇气继续我的学业。也要感谢北京星河康帝思科技丌发有限公司的大力 支持。 同时我要感访 系罩的关心我的家庭、学习、生活的老师们，他们关爱的话 语使我不再感到无助；还要感谢很多给了我精神和物质帮助的同学们，他们浓 浓的真挚友情给了我战胜困难的勇气。 我更要谢谢我那因患白血病而英年早逝的弟弟徐胜江。从充满生机的大学 校吲到冷冷的医院病脒，弟弟始终以无谓的精神面对病魔，顽强的与之作斗争。 弟弟乐观的精神、坦荡的胸怀一次次激励着我，使我以坚强的意志面对困难、 战胜困难。 在这罩我要向我的伟大的父母表示感谢，谢谢他们给予我学习的机会。势 单力薄的父母总是能坦然地面对任何困难，带领全家和不幸作斗争，从不认输。 他们强忍着中年丧子的剧痛，仍然一次次的鼓励我继续学业。我的小妹妹也表 现了难以想象的勇气和毅力。他们的这种精神时时鼓励着我，使我能很快的从 痛苦中走出来，投入到学习中。能完成这篇论文也离不丌我的女友的鼓励和支 持，在此深表谢意。 谨以此文献给我那英年早逝、未能完成学业的弟弟! 徐胜海 2 0 0 1 2 2 7 图表清单 图1 1故障分和图 幽1 2 检测算法分类图 图2 1 系统框图 图2 2d s p 检测系统 图2 3不同角度的照明 表1 1根据表面特性选择照明方式 图2 4 对刻蚀表面的暗场照明 图2 5 彩色高亮度方式的基本构成 图2 - 6 焊锡表面反射 图2 7 光照示意图 图2 8 红光照射示意图 图2 - 9 绿光照射示意图 图2 1 0 蓝光照射示意图 图2 1 1焊锡形状和摄像机的关系 图2 1 2 检查浸涧性图像 图2 1 3丝网条纹影响图像 图2 1 4自由女神对比 图2 1 5 凸凹显示对比 图2 1 6r s l 7 0 制式信号示意图 图2 1 7 采样和量化 图2 1 8 图像采集卡原理图 图3 - 1p c b 板图示 图3 2 h o u g h 变换示意图 图3 3 圆的h o u g h 变换 图3 - 4s o b e l 边缘算子 图3 - 5 二值定位圆 图3 - 6 定位圆边缘提取一 图3 7 实验用图 图3 8 h o u g h 变换实验结果1 图3 - 9 h o u g h 变换实验结果2 图3 1 0p c b 标准模板 图3 - 1 1待测p c b 板 图3 1 2 二值化差值图像 表3 1 两图像的信息熵矢量间的欧氏距离 2 4 7 8 9 9 l0 13 13 13 13 14 l4 14 l5 15 l5 l5 17 19 20 22 26 27 28 28 28 3l 31 31 33 33 33 36 垒坐二些叁兰竺! 堡兰 图3 1 3 标准p c b 板图像的2 5 维单元熵矢量 图3 1 4 缺表面贴装元件的p c b 板图像的2 5 维熵矢量 图3 15图3 1 3 和图3 1 4 熵矢量间的欧氏距离 图3 1 6 合格品图像示例 图3 1 7 焊锡不足 图3 1 8 翘起 图3 1 9 未焊 表3 2蓝色区域面积 图3 2 0 桥接 图3 2 1蓝色区域提取示例 图3 2 2 偏移图像 图3 2 3二值偏移图像 图3 2 4 骨架化偏移图像 图4 1d s p 系统的设计流程 图4 2t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 结构框图 图4 3基于t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 的p c b 检测系统框图 图4 - 4t m s 3 2 0 c 8 0 的内部结构 图4 5 基于c 8 0 的p c b 检测系统框 图4 - 6 程序丌发流程图 图4 7 图4 _ 8 图4 - 9 v 37 37 37 39 4l 41 41 41 42 42 4 3 43 4 3 46 47 49 50 52 54 57 57 57 丝! 些叁塑! ：堡兰一笙旦上 第一章绪 论 近年来，随着全球电子工业的高速发展，电子信息产业不断进步，计算 机应用能力也得到大幅度提高；这一切不仅带动了生产和需求的巨大变化， 而且极大地促进了电子产品生产的工艺革命。支持这种变革的就是生产工艺 技术的创新。生产工艺技术的创新已经成为社会生产力的一个重要组成部分， 同时已经为企业和社会创造出巨大的效益。然而，不断进步的生产工艺，对 电子产品的一个重要环节一一检测提出了新的挑战。 经过表面贴片以后，p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ，印刷电路板) 检测成为生 产工艺中的一i 页重要工作。以往陔项工作主要是由人工来完成，其检测质量 及检测速度都难以让人满意。随着近年来计算机图像处理技术的飞速发展， 通过机器视觉进行p c b 检测已经成为一种发展趋势。 但是，在目前的生产实际中，许多在线检测仪表在对高密度化产品进行 检测时出现误检和漏检现象，不能很好的满足生产要求，一些仪表还不能很 好的满足生产流水线实时性的要求。因此，如何在现代生产工艺中，着眼于 未束发展，提高测试仪的性能，解决高密度、复杂化的电路板生产的需求， 已经成为p c b 板制造企业和p c b 板检测仪生产企业共同面对的一个课题。 1 1 视觉检测技术 视觉是各个应用领域，如制造业、检验、文档分析、医疗诊断和军事等 领域中各种智能自主系统中不可分割的一部分。由于它的重要性，一些先 进国家，例如美国把对计算机视觉的研究列为对经济和科学有广泛影响的科 学和工程中的重大基本问题，即所谓的重大挑战( g r a n dc h a l l e n g e ) 。作为一门 学科，计算机视觉丌始于6 0 年代初，但在计算机视觉的基本研究中的许多重 要进展是在8 0 年代取得的。 同时计算机视觉作为一种检测手段也引起人们的重视，逐步形成一种新 的检测技术一一计算机视觉检n i j ( a u t o m a t e d v i s u a li n s p e c t i o n ，a v l ) 技术。a v i 是一种以计算机视觉方法为基础，综合运用图像处理、精密测量以及模式识 别、人工智能等技术的非接触检测方法。其基本原理是对由计算机视觉系统 得到的被测目标图像进行分析，从而得到所需要的测量信息，并根据已有的 先验知识，判断被测目标是否符合规范( 即合格或不合格) 。从8 0 年代开始 a v i 系统在美国制造业中得到广泛应用，最为广泛的是那些重复性检测相同部 件或产品的场合。电子工业是a v i 应用最活跃、最为成功的行业，其中印刷 鱼些三些查堂塑! ：丝兰丝二! l 竺! ：一 电路板( p c b ) 和集成电路芯片的自动检测已广泛采用a v i 技术，其他工业如 汽车、木材、纺织和包装等都有各自专用的a v i 系统。 视觉检测按其所处理的数据类型可分为二值图像、扶度图像、彩色图像 和深度图像的视觉检测。另外，还有x 射线检测、超声波检测和红外线检测。 大部分商业视觉检测系统采用二值图像数据格式，其图像精度要求不高，可 减少检测所需的数据量，有助于满足系统速度和成本要求。一般地，二值图像 视觉检测系统仅采用简单的检测算法，如计算像素点、边缘检测和模板匹配 等。二值图像对于检测那些没有表面特征的平面物体或仅用边缘轮廓就可表 示出来的物体是足够的。狄度图像视觉检测通常用于检测物体的表面缺陷， 如裂缝、磨损等，对光照条件要求较高。在工业环境中，由于光照条件差， 用灰度图像进行视觉检测的系统很少。彩色图像视觉检测主要用于家具、食 品等部门，一般根据阴影或色彩的变化来判断是否存在缺陷。随着计算机视 觉技术自身的成熟和发展，a v i 技术必将在现代和未来制造企业中得到越来越 广泛的应用。 1 2p c r 自动视觉检测技术发展状况 近几年来新型元器件的不断出现与应用，使得印制电路板( p e a ) 上的元器 件密度增加，引脚距离变小。这都使得传统的在线测试系统，不管是针床式 还是飞针、兴具式都有不少显得无能为力的地方。为了提高p c b 上元件在组 装过程中的错误检测率，近几年来出现了以光学系统为主及含有x 射线系统 的检查系统，它们统称自动光学检查系统( a u t o m a t i co p t i c a li n s p e c t o r ，a o i ) 。 在p c b 生产线上，新出现的故障分布大约是；焊接错误占7 5 以上，包 括开路、短路、焊锡不足、焊锡过多等，元器件错误占8 一1 0 ，包括极性反、 漏放、位置错误、元件错误等见图1 1 。仅剩下不到1 0 为元器件电气参数不 合格。当然为使整块p c b 的功能能达到技术指标的要求，还要进行电气测量， 包括功能测量和组合测量。 一 i_ 垒型工、业垒竺! ! l ：堡兰笙二l 兰l ：一 在p c b 的生产线上，a o i 系统一般首先放置在贴片工序之后，以检查贴 片的正确与否；然后在回流焊工序后再放一台，以检查焊接后的质量，包括 焊点质量与元件位置。对于有双面焊的p c b ，或在一个i c 片下面还有元件的 p c b ，宜采用带x 射线的检测系统。 由于a o i 在生产线的前几道工序，因而返修成本相对较低，近几年来广 泛地被采用，特别是具有高产量要求的场合，如通信设备，家电产品。在以 前的生产中，很多厂商也都注意了这一点，对这二道工序也加强了检验，但 使用的是大量的人工目检。a o i 的出现不仅提高了生产效率，也提高了产品 的质量。 带x 射线的检测设备在功能上优于纯光学系统，但在售价上前者是后者 的3 - 4 倍。因而x 射线检测系统，一般均用在产品丌发研制阶段。生产线上 使用的仍以a o i 纯光学检测系统占多。 在电气的在线测试中，有功能简单的m d a 型，即m a n u f a c t u r ed e f e c t a n a l y z e r 。它可以发现p c b 生产中的7 0 左右的故障，如开路、短路、元件 错误、极性反等。只有极少数的如器件( i c ) 功能不合格及整板技术指标不合格 未经检测。而仅具有m d a 测试能力的在线测试系统的售价只有功能测试及组 合测试系统的1 2 1 4 。故在要求不太高的场合，把a o i 和具有m d a 功能的 测试系统组合配置，可以发现p c b 生产过程中9 5 以上的故障。 目前具备a o i 系统韵供应商有英国d i a g n o s y s 公司的v i s i o np o i n t 型，由 中国三吉电气( 集团) 有限公司代理：美国t e r ad y n e 公司的5 5 0 0 型，由香港 d e i 公司代理；美国a n g i l e n t 公司的5 d x ( 有x 射线) ，由安捷伦公司代理。 此外还有其它p c b 自动检测仪，如：s o n ym i n o k a m oc o r p o r a t i o n ( 索尼美浓 加茂株式会社) 产品：c p c 一1 0 0 0 系列。o r b o t e c h 公司生产的t r i o n 2 0 0 0 系列。 对于t r i o n 2 0 0 0 系列，由于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，功能十分强大，但价格十分昂贵。 在许多批量生产产品的企业中，总是努力去取得1 0 0 的合格率，对所有 的部件、子过程和成品都是如此。随着计算机图像处理、模式识别和人工智 能的发展，大量效果更好、价格更便宜的工业图像处理分析系统应运而生， 这个发展使电子行业可以运用自动视觉检测方法来检测包括印刷电路板在内 的电子产品。视觉检测是一种用于识别部分和总体上的缺陷的检测方法。视 觉检测系统在检测、测量和一些装配任务中起着特别重要的作用。视觉检测 有高数据率和高分辨率的优点，用视觉检测的方法来解决p c b 检测的问题是 一个有效的方法。视觉检测还有个优点是它不需要和p c b 板接触，因此不 会损坏它。已经有很多人对p c b 的视觉检测进行了研究，一些在线检测系统 已经在检测特定的电路板犁中得到了成功的运用。z u e c h 5o 总结了计算机视觉 检测在电子行业中的应用状况。过去用人工来检测p c b 生产过程中的大约5 0 3 合肥丁业人学坝i j 论立 第一章绪论 个步骤，他们只是检测工件和已描述好的标准工作的差异。人工检测的结论 经常带有主观性，此外还受劳动强度的影响，花费也是个问题。自动视觉检 测可以解决这些问题，提供快速、高效的检测效果。这些自动视觉检测系统 不会有疲劳的问题，不会象加电测试法那样烧坏元件，可以同夜工作。在流 水线上的每一步应用视觉检测方法，尤其是在缺陷出现较多的环节，将减少 重复劳动的花费、提高检测的效率。所有这些方法提高了产品的质量，降低 了花费。在过去的几十年中，许多研究者都强调了自动视觉检测在电子行业 中的重要，i 生。 幽卜2 检测算法分类幽 一个成功的p c b 检测系统必须满足四个基本要求：检测性能、检测速度、 l 全坐! 些叁兰丝! 堡兰 一j 鱼二里堕! ：一 价格和灵活性。大部分的缺陷要能被检测出来，而且误检率要小。系统的速 度必须能满足在线检测的需要，价格要经济合理。最终此系统还要能够检测 大量的不同型号的电路板，而且最好能适应电路板生产的各个阶段的检测， 这就是灵活性的问题。 为了得到一个i , _ l k 检测能够接受的高处理率，许多系统是建立在硬件的 基i t t l j z 的。硬件将被用在预处理阶段，这个阶段包括：二值化、边缘检测和 链码；系统其余部分将用软件实现，软件使系统易于修改，满足系统变动的 要求。可以使用软件的原因是通过预处理阶段后，数据率下降了。现有的p c b 自动视觉检测算法基本上可以分为三类：参考检测法、非参考检测法和混合 法。s a n z 和j a i n 所著的关于印刷电路板检测算法的综述【5 2 】中尽可能的把所有 的p c b 检测算法进行了综合。图1 2 是对现有的p c b 检测算法的归纳分类图， 具体的算法说明参见文献1 1 。 主要的p c b 制造和处理的过程包括光板制造、电路板的安装和对已焊板 的处理。自动生产的流水线技术不断发展，逐步替代了人工视觉检测。在p c b 制造的关键过程中，这些系统已经能提供直接的和有限的缺陷检测能力p “。 到目前为止，光板电路板的自动视觉检测已经有了许多成熟的应用【2 】。现在人 们主要研究的对象是已经安装了元件的电路板和已经焊接了的电路板的检测 问题，但是在许多复杂缺陷的检测中效果还是有限的。此外，在在线实时 检测的问题上，现有的检测技术还不能很好的解决，不能很好的配合流水线 的速度，对产品的生产效率有一定的影响。 我国现有的高性能产品几乎都是国外产品，国内企业的产品在技术水平 上还有一定的差距，而这些进口产品都有一个弱点：价格昂贵。为此，国内 急需有自主知识产权的高性能p c b 检测系统。 1 3 本课题的来源及意义 本课题是由北京星河康帝思科技丌发有限公司和合肥工业大学计算机与 信息学院联合提出的，该公司主要从事各种p c b 的贴装及检测设备的研发工 作。近年随着国内i t 行业不断增加，对p c b 视觉检测系统的需求也不断增加， 而国外的类似产品的价格较高，也有低价位的产品，但其性能十分有限。因 此如果能够 ：发出经济高效的产品，应i 袅有相当广泛的市场。目f i 圈内暂尤 类似产品的报道，鉴于这种情况，北京星河康帝思科技丌发有限公司有意丌 发一套经济高效的p c b 在线自动视觉检测系统，该系统将能在生产线上自动 检测出p c b 的元件漏焊、偏移、焊锡过多、焊锡不足、桥接等缺陷。本论文 将对该系统的研制开发做些系统组成及相关检测算法的研究。重点对图像 采集的方法、p c b 图像的定位和与图像采集方式相关的缺陷检测算法进行研 台肥t 业人学坝i j 论立 筘一帝绪论 究，还要对在线检测的实时性问题的解决方法进行探讨。希望通过本文的研 究为下一步系统的组建和实际应用做前期准备工作。 1 4 本文的内容 本文的第二章介绍了p c b 自动视觉检测系统组成及其照明系统、图像采 集环节的设计和选择方法，简要介绍图像显示、图像存储、摄像机的一些知 识。因为照明方式影响到p c b 图像的质量和后续处理的方便、有效性问题， 所以主要介绍本系统所采用彩色高亮度照明方式。 第三章首先介绍p c b 图像的定位问题，然后把p c b 缺陷分为大缺陷和小 缺陷，对大缺陷使用图像信息熵法进行检测，对小缺陷的检测则利用了彩色 高亮度方式的优点，通过对彩色图像的分割等方法实现了一些小缺陷的检测， 并分别进行了实验，分析了实验结果。 第四章为了寻求解决在线检测的实时性问题，对d s p 进行了探讨，介绍 了两款适合用于p c b 检测系统的d s p 芯片，构造了基于d s p 的p c b 检测系 统框图，用t m s 3 2 0 c 5 4 xd s k 进行了部分算法的仿真。 第五章对本课题进行了总结和展望。 垒型二、业叁兰竺! ! 堡苎坠三主堕塑堕望塑坐生 塑垄堡一 第二章p c b 检测系统的设计和选择 下面我们介绍p c b 在线自动视觉检测系统的设计，简述所需的主要设备 及其性质，以及选择原则。 ， 2 1p c b 视觉检测系统的总体设计 p c b 板的缺陷主要有：缺件、错位、翘起、焊锡不足、桥接、漏焊、短 路、毛刺、线路焊点不合格等。本文所描述的p c b 自动视觉检测系统，将运 用图像处理、图像识别等方法对p c b 的缺陷进行检测。希望通过研究找出检 测缺陷的方法及改进系统效率的途径。我们设计了一种运用p c 机为核心的检 测系统，如图2 一l 所示。系统原理如下：采用彩色高亮度方式进行照明，由 c c d 摄像机获取图像，把c c d 摄像机采集的p c b 图像信号传送给图像采集 卡，由图像采集卡给p c 机提供数字图像，在p c 机上进行图像处理、图像识 别、显示等，完成缺陷检测任务，联机控制系统执行p c 机的检测结果。 幽2 1 系统框幽 在图像处理的过程中要对大量的图像数据进行处理，对实时性要求很高 的系统，现有的纯软件方法已经不能很好的满足要求，人们边研究新的效 率高的图像处理算法，一边采用软件和硬件相结合或纯硬件的方法。d s p 芯 片自2 0 世纪8 0 年代初诞生以来，在短短的十多年时间内得到了飞速发展， 随着d s p 芯片性价比和开发手段的不断提高，d s p 已经在社会生活的各个领 域得到了广泛应用。d s p 的运算速度的不断提高，以及适合进行图像处理的 高速、多处理器芯片诞生，使解决实时性要求很高的问题成为可能，运用高 速数字信号处理器( d s p ) 和p c 机相结合的方法，可以有效的解决很多实际 问题，具有方便、灵活、速度快、成本低、体积小等优点。在图2 1 所示的检 测系统中，在p c 机中进行的图像处理的运算速度，不能很好的满足一些实时 性和速度要求很高的系统。为了提高速度和准确性，可以用改进算法、用高 速硬件设备代替软件等方法。鉴于目前数字信号处理器的高度发展，我们提 出了基于高速数字信号处理器( d s p ) 的方案，如图2 2 所示。具体的关于基 于d s p 的p c b 检测系统的分析见第四章。 。l 垒些三、业查兰堡! ：堡兰兰王兰塑塑登塑望竖! 塑垡登一 2 2 照明系统的设计 幽2 - 2 基丁d s p 的p c b 检测系统 p c 总线 在一个自动视觉检测系统中，位于摄像机前端的部分包括了光学系统和机 械系统。光学系统包括照明和成像透镜系统两部分；机械系统指的是送料系 统，它把被测工件定位在合适的位置。在这罩我们不讨论送料系统的设计， 只讨论光学系统中的照明系统的设计。 尽管有关的硬件、软件、成像和摄像机技术都有了长足的进步，但是在自 动视觉检测系统中，照明方式的设计依然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，减少系统的响应时问。 如果认为不适当的照明带来的影响可以被后续的图像处理的有关算法轻易的 加以消除，那么就犯了一个十分严重的错误，其代价将是十分大的。 2 2 1 照明系统的设计原则 一般来说，自动视觉检测系统中照明系统的设计应该遵循以下原则： 一、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 开来。例如，使两者的扶度值的差别尽可能地大，尽量增强被测部分或特征 的边缘的对比度等。因为与人们可以用透视、阴影、视差和个体经验等线索 从图像中得到信息不同，自动视觉检测系统必须使用预先定义好的程序，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 如果可以把欲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 理算法的复杂性，从而减少图像处理的运算时f n j ，也减少了软件丌发的时间 和难度。图2 3 是几个被检测对象不同时，调整照明光源位霞的实例。图a ，。= 、。盛t j 窒墼二些查兰堡! ：丝兰笙三! 鱼型墨塑型些生墅里坠 中，为了均匀照明物体，把摄像机放在物体正前方，两个光源与摄像机成4 5 度角，就可以得到如图所示的有很好对比度的均匀照明的图像。图b 中为了 得到物体的轮廓，把摄像机放在物体f 前方，光源从物体背面照射t 即逆光 照明，就得到了如图所示的清晰的物体轮廓，且背景为白色，物体为黑色， 是一个二值图像。图c 中，为了找到物体表面的微小突起，把光源放在物体 侧面，使光线平行于物体表面照射，摄像机放在物体前方，这样只有表面突 起可以反射光，如图2 3 所示，清楚的找出了表面突起。 二、减少反射。这样可以减少由于光照而给图像带来的额外的噪声，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。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，而在工业现场则是 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 封闭的照明方案或者增强光照强度就可以屏蔽周围环境光线的影响。 a 2 2 2 常见的照明方式 b c 幽2 - 3 不同角度的照明 常见的照明方式有结构光、逆光、环形光、暗场照明和散射等。表2 1 给 出了不同表面特性的物体的照明方式的选择。 表1 - 根据表面特性选择照明方式 表面特性照明方式 有不透明缺陷的透明表面背光 漫反射的平坦表面点光源等常规照明 有凹凸刻痕的表面暗场照明 反光平面近轴散射照明 反光的崎岖表面点光源阵列散射照明 一、 结构光照明 台肥t 业人学坝l j 论文 第一章 柃测系统的敬汁和选择 结构光一般用在需要提取物体表面特征的应用中。用结构光照明物体， 观察物体对结构光的反射，就可以得到物体的三维形状的信息。使用结构光 还可以消除高斯光线的影响。现在一般的激光发生器发出的光束都呈高斯分 布，即光束中心最亮，亮度从中心到边缘逐渐减弱。出于高斯光线的光强从 中心到边缘逐渐减弱，所以到一定的辐射半径时，光强就会低于光探测器的 闽值而变得不可见。由于不同的光探测器的设置和系统对光线均匀性的要求， 会有多达5 0 的光能被损耗掉。而且，由于高斯光线远非均匀照明，所以会 使c c d 的标定变得十分困难。而采用一定的结构光的设计就可以使激光器产 生均匀的照明光线，从而克服了高斯光线带来的问题。 二、 逆光照明 使用逆光照明可以使背景一律变为白色而显现出物体的轮廓，成为一幅 高对比度的图象。对于透明物体或其它特殊情况普通的逆光照明效果并不好， 但是采用改进的逆光照明就可以达到目的。 三、 照明中镜面反射光的消除 用偏振光照明以及在透镜前放置偏振滤光片的方法可以消除物体表面任 意视角的反射光。用偏振光照明成像物体可以使物体表面的反射光只包含偏 振光的成份，而反射的偏振光可以随后被滤光片去掉，这样就消除了反射光。 当滤光片和偏振器垂直时，反射光可以被完全消除。环形光源( 无影灯) 可 以提供充足的无阴影的照明，在反射性物体的成像中很有用。环形光源、偏 振器和滤光片一起使用，可以进一步消除光泽表面的镜面反射。 光 摄 幽2 - 4 对刻蚀表面的| | i ； 场_ 明 四、暗场照明 用逆光照明时许多透明的物体不容易显现出来，这时如果用暗场照明的 方式就可以达到物体边缘较亮而背景较暗的效果，从而大大增强了图象的对 竺三些叁塑! ：堡兰 一塾至上鳖塑型壁整 比度，使物体容易与背景区分丌来。从背后发出束锥形的光投射到透明物 体上可以实现暗场照明。如果锥形的光没有被物体阻拦就会从光轴发散出去 而不会成像，只有被物体反射的光j 会沿着光轴方向从而成像。例如在测量 光泽表面的光刻符号的应用中，由于表面和光刻符号都具有反光特i t ，所以 在普通的照明条件下会出现j n 亮表面的闪亮符号的情况。在这种情况下，用 暗场照明的方式，由于光刻符号略低于或略高于( 浮雕) 周围的光滑表面， 从而会以与周围表面不同的角度反射光；周围的光滑表面会把光向各个方向 反射( 包括向摄像机的方向) 而得到更高的亮度值，这样就可以使物体表面 和光刻符号的不同纹理在亮度上出现对比( 见图2 - 4 ) 。在暗场照明中，随着 入射角的增加，更多的入射光会被光滑表面反射，光刻符号和光滑表面的对 比度会降低，同时更多的光滑表面的信息会被成像。 血、光的漫射照明 光的漫射照明可以消除阴影减少镜面反射使一个区域得到均匀照明，还可 以扩大照明光线的覆盖范围。我们可以用在光源前加一片聚酯薄膜的方法或 用白板把物体反射光再反射回去的办法实现漫射照明。漫射照明可以使用光 纤光源、荧光灯或发光二极管等光源。漫射照明的不同设计可以产生不同的 特定的照明效果。 2 , 2 3 彩色高亮度方式 在生产现场制造产品的过程中，机械化、自动化得以飞速发展。但是， 一说到基板检查工序，好象并未采用自动化流程。印刷电路板的外观检查， 尽管作为一项重要工序对产品的质量产生很大影响，但是当| ； 还是依赖使用 放大镜进行目测检查。然而，随着产品的小型化以及追求高品质，零部件的 精细化、基板的高密度化得到急速地发展，即使是具备熟练技术的人员通过 目视也无法检查，这也是众所周知的事实。为解决这样的课题，广大科研人 员运用各种技术来解决这个问题，自动视觉检测的关键部分之一为照明方式 的选择，我们通过比较，选择了欧姆龙有限公司的专利技术“彩色高亮度方 式”，作为首选的照明方式。 2 2 3 1 彩色高亮度方式的基本构成 红色、绿色、蓝色3 种环形光线从不同的高度照射基板。在环形照明的 中心线上，垂直方向配置一台彩色摄像机，摄取基板图像。如图2 5 所示。 2 2 3 2 彩色高亮度方式的基本原理 1 ) 应用焊锡的特性 焊锡表面具有反射特性。即照射到焊锡表面的光线以与入射角相同的反 垒坚! 些叁兰! ! i 堡兰 笙二：! j 鱼塑兰登! 塑兰生上翌里坠 射角度进行反射。如图2 - 6 所示。 2 )照射红、绿、蓝3 色光线 采用彩色高亮度方式时，红、绿、蓝3 色光线分别从不同的角度照射到 焊锡的表面。如图2 - 7 所示。 3 )照射红色光线的场合 以红色光线反射为例，由于红色光线比另两种颜色光线位于离基板更远 的位置( 更高的位置) ，所以相对于基板平面的入射角较大。即为如图2 - 8 所 示照射到平坦焊锡表面的光线向f 上方的摄像机方向反射。因此，对于平坦 的焊锡表面部分，摄像机拍摄到的是红色区域。 4 )照射绿色光线的场合 与红色光线的原理相同，如图2 - 9 所示，只有照射到轻微倾斜的焊锡表面 的光线向正上方反射，所以绿色区域为摄像机拍摄到的轻微倾斜的焊锡表面。 5 ) 照射蓝色光线的场合 以同样的原理照射到陡峭倾斜的焊锡表面的光线向f 上方反射，所以蓝 色区域为摄像机拍摄到的陡峭倾斜的焊锡表面。如图2 1 0 所示。 6 ) 焊锡形状与摄像机图像的关系 如图2 1 l a ，图2 1 l b 显示了彩色高亮度方式下的焊锡表面的倾斜度与摄 像机拍摄到的图像颜色分布的关系。 7 ) 镜面反射与漫反射 镜面反射仅存在于焊锡、电极、引线部分，由于其它地方对照射光线进 行漫反射，所以颜色与由红色、绿色、蓝色合成的白色光线照射下的图像颜 色相同。即在彩色高亮度图像中只有在必要的部分爿可见。 2 2 4 彩色高亮度方式的优点 在检查元件是否脱落及位置是否偏移等安装检查过程中，大多可根据元 件颜色与背景色差别进行判断。即使是亮度差别很小的不稳定状况，也可以 通过颜色信息( 彩色像素的多少) 作出正确的判断。彩色高亮度方式具有这 种处理彩色图像的基本优点。采用彩色高亮度方式最适合浸润性检测。 采用彩色高亮度方式可以做到以下方面： 1 ) 可检查浸涧性 如图2 1 2 所示，如果为彩色高亮度图像，由于焊锡结合部是红、绿、蓝 3 色区别的图像，所以可清楚地了解焊锡的浸润性。 2 ) 无丝网条纹影响 如图2 - l3 所示，白色光线照射下难于判别的焊锡和细丝，如果采用彩色 高亮度方式就可以详实地捕捉到。焊盘附近出现细丝时，也不会影响对连焊 合肥丁业大学硕士论文 第二章检测系统的设计和选择 桥接的检查。 3 ) 适于任何形状 如图2 一1 4 所示，自由女神的面部。若采用彩色高亮度方式，就可以清晰 地显现。任何形状的焊锡皆可详实地捕捉到。 图2 7 光照示意图 图2 - 8 红光照射示意图 合肥t 业人学硕i 论义 第一章 检测系统的设计和选择 a ) 图2 - 1 1 焊锡形状和摄像机的关系 14 b 1 合肥工业人学硕上论文 第一章 检测系统的设计和选掸 图2 1 5 凸凹显示对比 垒坚王些叁兰堡! 丝兰竺三! j 塑壁墨竺堕堂兰塑堡苎一 4 )可进行凸凹判断 如图2 1 5 所示，如果采用彩色高亮度方式，就可以判别凸出形状和凹陷 形状，因此最适合于检查装有带引线的元件进行流动焊锡的基板。 利用彩色高亮度方式的这些优点采集的图像，可以较好的为后续的图像 处理、图像识别以及得到准确的检测结果服务。在后面的p c b 检测算法研究 中，你将发现用彩色高亮度方式采集的图像有利于简化算法、提高算法的实 用性。 2 3 图像采集环节的设计和选择 由于计算机和d s p 只能处理数字图像，而自然界提供p c b 图像却是其他 形式的，所以数字图像处理、图像识别、图像分析的一个先决条件就是将图 像转化为数字形式。为采集数字图象，需要具备两种装置。一种是对某个电 磁能量谱波段( 如x 射线、紫外线、可见光、红外线等) 敏感的物理器件， 它能产生与所接受到的电磁能量成难比的模拟电信号。另一种称为数字化器， 它能将上述模拟电信号转化为数字离散的形式。所有采集数字图像的设备都 需要这两种装置。以常见的x 光透视成像仪为例，由x 光源发出的射线穿越 物体到达另一端的对x 光敏感的媒体。这个媒体能获得物体材料对x 光不同 吸收的图像。这个媒体可以是胶片，一个带有将x 光转化为光子的电视摄像 机，或其它能输出数字图像的离散检测器。 在实际的应用中数字图象的采集一般由两种设备完成：模拟摄像机和数 字化器，其中数字化器常采用在计算机中插专门的卡来完成，称为图象采集 卡。但有时候也不尽然，如果采用数字摄像机的话，就可以直接经并口或e e e 13 9 4 等接口直接与计算机相连而不需要图象采集卡；有的虽然需要经一总线 插卡与计算机相连，但卡上并不需要帧存和d a ，不完成数字化器的功能， 只是一个通汛接口。 下面我们按照一般的情况分摄像机和图象采集卡两部分柬分别论述二者 的设计和选择。出于一般这两种设备都有很彩商用产品供选择，不需要自己 设计，所以内容更多以选择为主。此外还要涉及图像显示和图像存储的问题。 2 3 1 c c d 摄像机 2 3 1 1 摄像机的主要特征参数 不同的摄像机可以产生不同制式的视频信号，后续的图象采集卡为了能 够正确的识别摄像机的视频信号，必须知道摄像机信号的制式。 摄像机的制式主要包括：叫帧幽象由多少线组成：每线的象素数；行频 垒壁! 些叁兰堡! ：垦墨 笙；垦一塑坐壁型旦坠生竺堕塑! 一 率，行频率以及每线的象素数决定了数字化处理时的采样率；输出信号的电 瓜范幽； i 同步信弓，决定什么州候条 j 捕l 线结求新的 条扫描线) t 始； 场同步信号，决定什么时候一帧图象结束新的一帧图象丌始；是单色的还是 彩色的：是否使用隔行扫描的方式，在隔行扫描方式下，每帧由两场构成： 奇场和偶场，奇场包含序数为奇数条扫描线，偶场包含序数为偶数的扫描线。 常见的摄像机制式包括r s 1 7 0 ，c c i r ，r g b 彩色，n