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浙江工q k 大学硕上学位论文 基于机器视觉的p c b 裸板缺陷检测方法研究 摘要 印制电路板( p c b ) 作为电子元器件的信息载体，是电子产业的基础环节。随着p c b 朝着高精度、多层数、微型化方向发展，传统的人工检测和电子检测已经无法满足p c b 发展的需要。 本文以p c b 裸板为对象，基于机器视觉技术研究p c b 缺陷检测的原理和算法，通 过实验进行算法验证和评估，为进一步开发实时p c b 缺陷自动检测系统奠定了基础， 具体研究内容和成果如下： ( 1 ) 构建基于机器视觉的p c b 缺陷在线检测系统，分析p c b 材料光学特征，并结 合检测要求确定图像采集方案，选择摄像机和光源，搭建实验平台对p c b 板进行图像 采集。 ( 2 ) 对采集到的p c b 图像进行灰度化处理，分析摄像机的成像模型及镜头畸变原 理，针对图像的桶形畸变，采用多项式拟合、双线性插值对图像进行灰度重建，通过标 准棋盘格测试纸提取控制点，计算校正模型参数完成图像畸变校正。 ( 3 ) 根据p c b 图像特点，采用限定区域的h o u g h 变换快速检测出垂直相交的参考 基准线，将线段交点作为特征点并计算其图像坐标，对标准图和待测图进行仿射变换配 准。由差影计算得到疑似缺陷区域，最后去除虚假缺陷，获取缺陷区域位置。 ( 4 ) 采用基于轮廓分段的缺陷分类算法实现缺陷类型识别。对处理后的差影图进 行膨胀处理，边界检测得到每个缺陷区域闭合轮廓点坐标。通过分析每个轮廓点对应阂 值分割后配准待测图中点的像素值，判断缺陷为缺料缺陷或多料缺陷，最后由树状分类 法完成缺陷类型识别。 ( 5 ) 开发p c b 缺陷检测软件系统。对合格的和有缺陷的p c b 图各1 0 0 幅进行算法 测试，检测准确率为9 6 5 ，对大小为3 5 0 m m x 2 5 0 m m 的p c b 裸板检测时间约为4 9 s 左右，基本满足实时检测的要求。 关键词：机器视觉，p c b 缺陷检测，h o u g h 变换，图像配准，轮廓分段 摘要 i i 浙江工业人学硕上学位论文 a u t o m a t i cd e f e c ti n s p e c t i o no fp c b b a r eb o a r d b a s e do nm a c h i n ev i s l 0 n 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 ) ，a sak i n do fl n f o r m a t i o nc a r t i e rt h a ti n t e g r a t e sv a r i e t i e so f e l e c t r o n i cc o m p o n e n t s ，i st h eb a s i cl i n ko fm o d e me l e c t r o n i c si n d u s t r y a l o n gw i t ht h e d e v e l o p m e n tt r e n do fh i g hp r e c i s i o n ，m u l t i l a y e r e da n dm i n i a t u r i z a t i o no fp c b ，t h et r a d i t i o n a l m a n u a li n s p e c t i o nm e t h o d s ，s u c ha se y e b a l l i n g ，e l e c t r o n i cd e t e c t i o nc a nn o tm e e tt h en e e d so f t h ea c t u a lp r o d u c t i o n i nv i e wo ft h ep r o b l e me x i s t i n gi np c bb a r eb o a r dd e t e c ti n s p e c t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o n m a i n l yr e s e a r c h e dt h ep r i n c i p l ea n da l g o r i t h mf o rp c bb a r eb o a r dd e t e c ti n s p e c t i o nb a s e do n m a c h i n ev i s i o n t h e nt h ea l g o r i t h mw a si sv e r i f i e da n de v a l u a t e dt h r o u g he x p e r i m e n t s i tl a i d t h ef o u n d a t i o nf o rt h ef u t u r ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i cr e a l t i m ed e t e c ti n s p e c t i o ns y s t e mo f p c b t h ec o n t e n t sa n dr e s u l t so f t h er e s e a r c hc a nb eb r i e f l ys u m m a r i z e da sf o l l o w s ： ( 1 ) ad e t e c ti n s p e c t i o ns y s t e mo fp c bw a sd e s i g n e d ，w h i c hb a s e do nm a c h i n ev i s i o n o p t i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fp c bm a t e r i a l sw e r ea n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d i n s p e c t i o nr e q u i r e m e n t s ，t h ei m a g ea c q u i s i t i o ns c h e m ew a sd e t e r m i n e d t h ec a m e r aa n d i l l u m i n a t i o nw a sc h o s e n t h e nt h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mw a se s t a b l i s h e da n dt h ei m a g e sw e r e a c q u i r e d ( 2 ) t h ec a m e r am o d e la n dt h el e n sd i s t o r t i o n sp r i n c i p l ew e r ea n a l y z e d f o rp c bi m a g e t h em a i n l yd i s t o r t i o ni sb a r r e l s h a p e d t h ed i s t o r t i o ni m a g ec o u l db er e c o v e r e db yp o l y n o m i a l f i t t i n ga n dg r a yr e s t o r a t i o no fb i l i n e a r i t yi n t e r p o l a t i o n t h ec o n t r o lp o i n t sw e r ee x t r a c t e db y t h ec h e c k e r b o a r dt e s ti m a g e s t h e ne m e n d a t i o nm o d e lp a r a m e t e r sw e r ec a l c u l a t e da n dt h e d i s t o r t e di m a g ew a sc o r r e c t e de f f e c t i v e l y ( 3 ) o nt h ep c bi m a g et h e r es y m m e t r i c a l l yd i s t r i b u t e ds o m ev e r t i c a lr e f e r e n c eb a s e l i n e s f i r s t ，t h e s eb a s e l i n e sw e r ed e t e c t e dr a p i d l yb yr e s t r i c t e da r e a sh o u g ht r a n s f o r ma n dt h e i n t e r s e c t i o no ft h el i n e sw e r ec h o s e na st h ef e a t u r ep o i n t t h e nt h ea f f i n er e g i s t r a t i o nb e t w e e n t h et a r g e ti m a g ea n dt h es t a n d a r di m a g ec o u l db ec o m p l e t e d a f t e rs u b t r a c t i o n ，f a l s ed e f e c t s w e r er e m o v e db yt h r e s h o l ds e g m e n t a t i o na n dm o r p h o l o g i c a lp r o c e s s i n gi nt h ed i f f e r e n c e i m a g e t h el o c a t i o n so fd e f e c ta r e a sw e r eo b t a i n e d ( 4 ) ad e f e c tc l a s s i f i c a t i o na l g o r i t h mw a sp r o p o s e dt oi d e n t i f yt h et y p eo fd e t e c t ，w h i c h b a s e do nc o n t o u rs e g m e n t a t i o n t h ed i f f e r e n c ei m a g ew a si nt h ep r o c e s so fd i l a t i o n ，t h e nt h e c o o r d i n a t ev a l u e so fe a c hd e f e c ta r e ac l o s e dc o n t o u rp o i n t sc o u l db eo b t a i n e db yb o u n d a r y d e t e c t i o n t h ea l i g n e dt a r g e ti m a g ew a st r e a t e dw i t ht h r e s h o l ds e g m e n t a t i o n i nt h ep r o c e s s e d i i i 摘要 i m a g e ，t h ep i x e lv a l u e so ft h ep o i n t sw h o s ec o o r d i n a t ev a l u e sh a db e e ng e ta b o v ew e r e o b t a i n e d a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so f t h ep i x e lv a l u e sa n dt h ej u d g r n e n to fw h e t h e rt h ed e f e c t w a sl a c ko fm a t e r i a lo rn o t ，t h et y p eo fd e t e c t sc o u l db eq u i c k l yd e t e r m i n e db yt r e e c l a s s i f i c a t i o n ( 5 ) t h ep c bd e f e c ti n s p e c t i o ns o f t w a r es y s t e mw a sd e v e l o p e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s o n2 0 0p c bi m a g e si n d i c a t e dt h a tt h ec o r r e c t i o nr a t eo fd e t e c t i o ni s9 6 5 t h et e s t i n gt i m e o fp c bb a r eb o a dw h o s es i z ei s3 5 0 m m x 2 5 0 m mw a sa b o u t4 9 s t h ea l g o r i t h mc o u l d b a s i c a l l ym e e tt h en e e d so f t h er e a l - t i m ed e t e c t i o n k e yw o r d s ：m a c h i n ev i s i o n ，p c b d e f e c t i n s p e c t i o n ，h o u g ht r a n s f o r m ，i m a g e r e g i s t r a t i o n ，c o n t o u rs e g m e n t a t i o n i v 浙江工、f p 大学硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 印制电路板( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ，p c b ) ，作为各种电子元器件的信息载体，为电子 元器件提供固定支撑和电气连接，是电子产品基础部件。从生活中的手机、计算机到高 新科技领域中的航天飞机、人造卫星等各种电子产品设备，都包含各式各样，大小各异 的p c b 1 ，2 1 。 近年来，随着计算机、电子信息、通信等产业的飞速发展，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1 8 ，2 0 0 7 年全球p c b 总产 值己达5 0 7 1 亿美元。国内近几年p c b 产业发展更为迅猛，从2 0 0 0 年到2 0 0 9 年短短9 年，我同p c b 产值的从3 3 7 亿美元增长到1 4 3 7 亿美元，增长率高达3 2 3 ，占全球的 比重也从8 2 提高到3 5 1 。并于2 0 0 6 年起超过日本，产值、产量均居世界第一，已 成为p c b 产业第一生产大国【3 - 5 】。与此同时，随着电子产品往趋于微型化和加工工艺水 平的日益提高，p c b 也朝着超薄型、小元件、细间距、多层数、高性能方向发展【6 】。 p c b 结构复杂，必须保证所有线宽、线距、焊盘等都满足设计要求，才能保证其品 质，其中任意一个出现过细、过粗、残缺、粘连、断开等缺陷，都将影响最终产品的质 量，或产生废晶。电路板的层数越多，造成的废品率越高。p c b 生产工序繁多，在生产 过程中存在许多不确定因素的影响，如原材料品质、设备稳定性、温度、环境以及人为 的错误操作等，产生缺陷是很难避免的，常见缺陷主要有短路、断路、毛刺、缺损等。 在生产加工过程中必须对p c b 裸板进行缺陷检测，尽早识别缺陷，减少进入下一步工 序有缺陷电路板的数量，提高最终的产品质量，并通过降低返修量和减少废品率实现成 本降低【7 s 】。 在国内p c b 生产加工业中，缺陷检测主要以传统的人工目测和电子测试为主。其 中，人工目测是由检测人员借助放大镜或投影仪通过肉眼检测p c b 是否存在缺陷。这 种方法快速、简单、有效，用于小批量的生产，目前在中小企业仍然是主要检测手段。 但其缺点也是显而易见的，人眼容易疲劳，漏检率高，效率低。随着p c b 朝着高精度 第1 章绪论 方向发展，线宽、线距随之越来越小，人工检测己无法检测。另外，人工检测对检测者 健康损害巨大，也造成人力资源的浪费，增加人力成本【9 1 们。 常用的电子检测装置主要有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。但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，不适合小批量生产。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扳进行测试、设定、编程和 测试简单灵活。但由于逐点检测，飞针测试时间很长，探针测试仪还限制电路板的尺寸。 此外，电子测试法是一种接触式检测法，可能对产品造成损害 i f - 1 3 】。其检测能力有限， 只能检测短路和断路缺陷，缺损、空洞与余铜等缺陷无法检测。 以机器视觉为基础的自动光学检钡l j ( a 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 ) 技术具有稳定 可靠、高精度、高效率、在线检测和非接触的优点，已成为p c b 检测的重要发展方向【1 4 】。 因此，研究a o i 算法，开发相应的软、硬件检测系统，为p c b 生产过程中提供快速、 有效的检测方法，对提高我国p c b 的自动化检测水平，推动电子产业地发展具有重要 的理论价值和实际意义。 本课题源自国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 资助项目( 2 0 0 9 a a 0 4 2 2 0 9 ) 与浙江 省自然科学基金杰出青年团队项h ( r 1 0 9 0 6 7 4 ) 。以上虞市爱意德电器有限公司提供p c b 为对象，基于机器视觉，研究快速稳定、高精度的a o i 算法，构建p c b 缺陷检测软硬 件系统，为开发具有自主知识产权的p c b 缺陷自动检测系统奠定基础。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 a o i 技术发展及应用现状 a o i 是基于光学原理和自动控制原理，以计算机图像处理技术为核心进行的非接触 式检测方法，它集电子学、光电探测、图像处理和计算机技术于一身，是精密测试领域 中最具有发展潜力的新技术。a o i 通常采用摄像机获取被测目标的图像，然后通过快速 图像处理和模式识别算法，进而获取图像目标的位置、尺寸大小、结构特征、方向以及 缺陷等相关特征信息，据此可以对产品执行流水线品质检验，生产线上的零部件鉴定与 定位，过程监控中的测量、分类等检测任务 1 5 - 1 7 1 。 近几年来，随着半导体、信息、通信电子以及精密组装等新兴产业的发展，a o i 技 术发展非常迅速。冈其具有效率高，精度高，而且是非接触无损检测，其系统设备己广 泛应用于电路板、集成电路芯片、钢铁、医药品质、包装密封等工业领域。a o i 还能实 2 浙江工业大学硕士学位论文 现在线检测，及时发现产品故障与缺陷，极大提高生产效率和产品合格率 1 8 , 1 9 。 在p c b 检测领域，相对传统人工目测和电子测试，a o i 有不可比拟的优势。从上 世纪8 0 年代开始，国际上已经开始研究针对p c b 的a o i 系统。目前，技术比较成熟的 a o i 设备制造厂商主要有以色列的o r b o t c c h 、c a m t e k 公司，日本的欧姆龙公司，英国 的d i a g n o s y s 公司和美国的m v p 公司等【2 0 2 1 1 。 在全球p c b 自动光学检测系统领域一直处于领先地位的o r b o t e c h 公司【2 2 】致力a o i 研究3 0 年，先后推出的产品有p o w e rv i s i o n ，s p r i o n i n s p i r e ，d i s c o v e r y ，f u s i o n 系列。 其中，作为全球最佳销售a o i 的d i s c o v e r y 系列，采用s i pt e c h n o l o g y ，具有检测简单， 高智能，功能强大的性能特点，其检测线宽间距精度己达到3 0 p m ，图1 1 ( a ) 为u l t r a d i s c o v e r yv m 型a o i 。专为高阶印刷电路板制造商所设计的最高级自动光学检测的 f u s i o n 系列采用突破性的m u l t i i m a g et e c h n o l o g y 技术，能在不同光源从不同角度同步 检测每一块p c b 板，实现在单次扫描中进行多重检测，快速省时单一循环流程，达到 超高的侦测精准度，图1 - 1 ( b ) 为f u s i o n2 2 型a o i 。 ( a ) u l t r a d i s c o v e r y v m 型 ( b ) f u s i o n 2 2 型 图1 1以色列o r b o t c c h 公司a o i 以色列c a m t c k 公司【2 3 】最新推出的d r a g o n3 g f l e x 为柔性、柔性一刚性板层的检测 提供了一个可定制的a o i 解决方案，如图l 一2 所示。系统通过使用定制的光学组件、 独特的处理方式与特殊的侦测算法确保超越的性能和速度，专用于柔性、柔性- n 性板 层的检测。 欧姆龙产品【挎】的主要特点在于它采用c h s ( c o l o rh i 曲l i g h ts y s t e m ) 的专利技术，是 唯一的同时采用彩色光源，彩色c c d 摄像头和彩色图像处理的a o i ，其采集到的包 含了三维信息的图像，作为检测判断的标准，对焊点部分的检测尤其突出，对生产上常 第1 章绪论 见的缺陷如假焊、少锡、无锡、短路等都可以准确的检测。图1 。3 所示为欧姆龙公司用 于表面贴装技术( s m t ) 检测的v t - r n s 型a o i ，主要用于焊接前及焊接后工艺流程提 供高速，稳定和精确的检测。 图1 - 2c a m t e k 公司d r a g o n3 g f l e x 鳓。 鹗群攀黪i 霸 图1 - 3 欧姆龙公司v t - r n s 国外的a o i 产品功能齐全，不但可以对电路板裸板进行缺陷检测，还可以对安装了 电子元件、芯片的电路板进行焊接质量、元件安装质量进行检查。但是这些设备售价昂 贵，一般在1 0 - - 4 0 万美元，有的甚至高达1 0 0 万美元，对国内大部分印刷电路板企业来 说投资巨人 2 4 】。 国内这方面的研究则相对较晚，大约始于9 0 年代初中期，但进入2 1 世纪后，我国 在电路板自动光学检测领域也取得了快速发展，已有一些公司专门从事这一领域研究并 研制出了a o i 设备，在市场上也取得一定占有率。比较有代表性有东莞市神州视觉科技 有限公司、香港科隆威自动化设备有限公司、浙江欧威科技有限公司、深圳易科讯科技 有限公司、深圳市振华兴科技有限公司等。这些公司主要针对s m t 生产流水线，检测 安装芯片p c b 的锡少，元件偏移，虚焊等缺陷，而对p c b 裸板缺陷检测研究公司相对 较少。其中，神州视觉科技有限公司 2 5 】2 0 0 4 年5 月开发制造出国内第一台真正意义上 的、拥有完全自主知识产权的离线型自动光学检测仪a l d h 3 5 0 ，并于2 0 0 5 年进入市 场，如图l _ 4 所示，该台a o i 系统采用单一摄像头和特殊环形r g bl e d 光源相结合， 应用彩色图像比对方法和统计建模技术，可以高速准确检测s m t 生产线上p c b 常见缺 陷。在p c b 裸板缺陷检测方面，浙江欧威科技有限公司 2 6 1 最新研制推出的t o p t e c h a o it 8 型内- 夕h 层线路检查机，如图1 - 5 所示，采用l e d 冷光源高亮聚光式系统和u l t r a v i s i o np r o c e s ss o f t w a r e 处理软件，可检测开路、短路、缺口、毛刺、空洞、铜渣等常 见p c b 裸板缺陷。 4 浙江工业大学硕士学位论文 器9 囊霾擎： 图1 4 神州视觉a l d - h 3 5 0 耄 廖 图1 - 5 浙江欧威t o p t e c h o it 8 随着国内一些公司相继成功研制了p c b 缺陷自动光学检测设备并投入市场，打破 了国外a o i 设备在国内的垄断地位，使a o i 产品的价格也渐渐趋于合理化。但由于国 内a o i 研究起步相对较晚，与国外的a o i 设备相比，在检测精度、效率、稳定性上尚 有较大差距，一些复杂缺陷还无法检测。 1 2 2 p c b 缺陷检测算法研究现状 a o i 系统的关键是机器视觉技术。近年来国内外学者对p c b 的缺陷的视觉检测提 出了不少算法，归纳起来可大致可分为3 类：参考算法、非参考算法和混合算法 2 7 - 3 0 】。 参考算法分为两大类：图像对比法和模型对比法。参考算法使用待测电路板的全部 信息，将待测p c b 图像与标准p c b 图进行逐点对比，差异则被视为缺陷，也称为逐像 素比较法。其中最直接的是将两幅图像进行异或运算，算法简单，速度快，并且易于用 硬件实现。但是该算法对光照和定位的要求高，在异或运算前必须将待测p c b 图与标 准p c b 图进行精确配准，否则易出现虚假缺陷，干扰检测结果。参考算法存在采集到 的数据量大、缺陷分类难等问题。 非参考算法是检测p c b 是否满足预先定义的设计准则来检测缺陷，不符合设计准 则的地方则视为存在缺陷，也称基于规则法。例如正常线路都具有规则的，l 何形状，外 形不规则的地方则存在缺陷。另外还可以检查p c b 线宽、线距、焊盘半径等特征值是 否在设计要求的范围内，特征值不符合设计要求范围内的视为缺陷。常用的方法是图像 通过编码来获得边缘信息，例如使用链码或游程编码。非参考法无需标准p c b 图，降 低了存储空间，但是其测量算法相对复杂，并且只能检测那些违反设计规则的缺陷，对 于丢失孔、线条等缺陷无法检测。 第1 章绪论 参考法和非参考法各有所长，亦各有所短，为了有效地解决这个问题，有人又提出 了混合法。混合法综合了参考法和非参考法的优点，取长补短，但这种方法还不是很成 熟，其算法复杂，不能满足实时检测的要求，自适应性不够，系统扩展能力差 3 1 , 3 2 1 。 为解决现有检测算法的一些不足，国内很多学者也提出了其他一些算法，华中科技 大学的刘尚军嗍等提出了一种新的多模板参考比较法来检测p c b 瑕疵的快速识别方法。 通过提取参考图像的特征，将其设计时参数的规格在多个参考图像中表示出来，然后运 用多参考比较法进行瑕疵检测。该检测算法将大量的运算转移到对参考图像的处理上， 从而大大地节约了在线检测的时间，提高了检测效率。范小涛p 4 】等人提出了一种基于模 型对比法的连接表验证法，不需要精确的定位，即可发现由错误连接而导致的结构性缺 陷，但其对一些细小缺陷不够敏感。华中科技大学陈晓辉【3 5 】等提出了一种通过比较参考 图像与被测图像的特征样式来检测印刷电路板( p c b ) 瑕疵的自动光学检测( a o i ) 算法，不 需要严格对准。 目前a o i 检测系统图像处理基本上采用的是参考算法，国外进口品牌大多使用图像 匹配、法则判别等多种组合手段。国产的自动光学检测系统，主要采用了模板匹配技术 和统计建模。两种算法各有所长，但统计建模技术相对模板匹配在程序编写上要明显更 加复杂，而且调试所需时间长。同时良好的模板匹配算法与统计建模算法在核心上基本 是一致的。 1 2 3a o i 技术研究现状总结 目前a o i 系统图像处理基本上采用参考算法，国外进口品牌大多使用图像匹配、法 则判别等多种组合手段。a o i 产品基本能完成p c b 常见缺陷的检测。但其价格昂贵给 国内p c b 生产厂家带来了巨大的经济压力，产品都是大型设备，不适合国内的中小企 业生产流水线在线检测，其操作方式也不符合国人的习惯，在使用过程巾不能充分利用 其功能，造成了资源的极大浪费。 国内的自动光学检测研究起步相对较晚，目前自主研发的a o i 检测算法复杂、烦琐 且调试时间长，由于前期的p c b 图像拼接等算法与后期的检测识别算法都不够成熟， 整个a o i 系统不仅操作复杂，而且稳定性不够，经常出现漏检误判等问题，检测精度和 效率不能满足当前电子信息产业飞速发展的的需求。 凶此迫切需要研制出具有自主知识产权的高效、高精度、低成本，适用于中小企业 生产流水线上的印刷电路板缺陷检测的a o i 设备，对我国电子信息产业的发展有深远的 6 浙江工业人学硕士学位论文 意义。 1 3 研究内容与方法 1 3 1 主要研究内容 按照检测对象不同，p c b 缺陷柃测分为：一是对没有安装电子元件的p c b 裸板检 测，主要是检测板子的电路导通如短路、断路等特性，二是对已安装了元件的电路板的 检测，包括对电气导通特性的检测，还有对元件安装质量和焊接质量的检测。本文以上 虞市爱意德电器有限公司生产的p c b 裸板为研究对象，以机器视觉为基础，研究p c b 缺陷检测原理和方法，构建p c b 缺陷视觉检测的自动化系统。主要工作如下： ( 1 ) 图像采集。根据p c b 生产工艺流程，构建基于机器视觉的p c b 缺陷在线检测 系统，根据p c b 检测要求，选择摄像机和光源，设计图像采集装置，搭建实验平台对 p c b 图像进行采集。 ( 2 ) 灰度化和畸变校正研究。对采集到的p c b 图像进行灰度化处理，分析图像畸 变特点，选择合适的畸变模型并计算校正参数，完成p c b 图像畸变校正。 ( 3 ) 图像配准研究。分析p c b 板图像几何位置偏差原因，结合p c b 检测实时性的 要求，选用基于特征的图像配准算法，研究图像基准特征的提取算法，建立合适配准模 型实现p c b 图像的精确对准。 ( 4 ) 缺陷检测研究。采用图像对比进行缺陷检测，再进行去除虚假缺陷处理，获 取缺陷区域位置、大小等特征。 ( 5 ) 缺陷分类研究。对检测出的缺陷，提取相关特征，研究缺陷分类算法。 ( 6 ) 开发p c b 缺陷检测软件系统。按照p c b 缺陷检测流程，利用m a t l a b 开发p c b 缺陷检测软件系统。进行综合实验，分析实验结果，对系统性能进行评估，提出改进措 施。 1 3 2 研究方法 本文基于机器视觉p c b 裸板缺陷检测进行研究，具体的技术路线和研究方法： ( 1 ) 选用 虞市爱意德电器有限公司提供的p c b 板为研究对象，缺陷检测精度要 求亦由该厂提供，根据p c b 板的特点和检测要求，选用合适摄像机和光源，搭建静态 检测实验平台。 ( 2 ) 针对近距大视场采集的p c b 图像主要存在径向畸变，采用多项式法对畸变模 7 第1 章绪论 型进行拟合，制作标准棋盘格纸进行控制点提取计算畸变校正参数，对p c b 图像进行 校正； ( 3 ) 由于标准图和待测图主要存在旋转和平移的位置偏差，选用仿射变换进行图 像配准。 ( 4 ) p c b 图像均匀对称分布着垂直相交的细短参考基准线，采用限定区域h o u g h 进行直线检测，并计算其交点作为特征点。 ( 5 ) 对比已实现配准标准图和待测图的识别缺陷，采用阂值分割，形态学处理等 去除伪缺陷。 ( 6 ) 分析缺陷区域轮廓与覆铜区、背景区的邻域关系，基于轮廓分段再结合缺陷 是缺料缺陷或多料缺陷识别出缺陷类型，设计缺陷区域轮廓提取和分段算法，最后由树 状分类法完成缺陷的分类识别。 ( 7 ) 在m a t l a b 2 0 1 0 环境下，完成相关算法的集成，开发p c b 缺陷榆测系统的软件。 浙江工q k 大学硕上学位论文 第2 章p c b 缺陷检测系统设计 随着电子信息技术的飞速发展，电子产品越米越趋于小型化、多功能方向发展，要 求p c b 制造技术朝更高密度、多层数方向发展。p c b 生产工艺越来越复杂、成本越来 越高。在每一层线路完成铺设后必须进行缺陷检测，剔除有缺陷p c b ，合格的继续进入 下一道工序加工。 2 1 检测系统结构 p c b 每一层线路的铺设一般都要经过沉铜、板电、干膜、曝光、显影、蚀刻、丝印 阻焊、丝印字符、加工。每一道工序都有可能出现缺陷，但主要缺陷在蚀刻之后产生， a o i 一般在蚀刻工序之后进行检测，主要用来发现其上缺少部分和多余部分。 结合p c b 生产特点，设计了基于机器视觉的p c b 裸板缺陷系统，其结构如图2 1 ， 主要包括光源模块、图像采集模块、机械装置、工业控制计算机。其中，图像采集模块 包括摄像机、二维移动平台；机械装置包括- 丁作台、上料装置、分离装置及其运动控制 器；所有模块都由工控机控制。 光源控制 图2 1p c b 裸板缺陷检测系统 上料装置在接收到工控机发出的信号后，将上道工序j j h - r _ 完成的p c b 裸板放置到 9 第2 章p c b 缺陷检测系统设计 工作台上，并对其进行固定；开启光源系统，摄像机对待测p c b 图像采集并传输给工 控机；工控机对p c b 图像进行处理，识别缺陷并显示结果；对有缺陷的p c b ，通过分 离装置将其分离出生产流水线，合格的p c b 继续进入下一道工序加工。 在满足p c b 视觉检测对分辨率要求下，对于尺寸超过1 2 0 m i n x l 5 0 m 的p c b 板， 一般工业摄像机一次无法完成整块p c b 板的图像的采集，因此需要分块采集，将摄像 机固定于二维移动平台上。检测时，根据p c b 板尺寸、放置位置及检测精度要求，设 计规划摄像机采集p c b 图像的位置及运动路径，然后通过控制二维移动平台进而使摄 像机按照预先设计的移动轨迹依次完成p c b 图像的分块采集和缺陷检测。 2 2 图像采集方案的选择 2 2 1 检测对象 本文针对蚀刻完成后的p c b 裸板进行缺陷，根据g b t4 5 8 8 3 2 0 0 2 3 6 1 所制定的要求 及实习生产工艺，尽管原则上p c b 外形和尺寸没有限制，但为了便于生产，尽量采用 长宽比3 ：2 或4 ：3 的标准矩形。对外形尺寸5 8 0 m m x l l o m m 的p c b 板，一般应采用拼板 的方式使p c b 的加工外形保持为矩形，拼板图上设置光学定位基准标识和定位孔。上 虞市爱意德电器有限公司生产的p c b 板面尺寸范围：l l o m m x l l o m m - , 5 0 8 m m x 4 6 0 m m 。 图2 2 为该公司提供的几块代表半成品检测对象。要求最小检测线距l m m ，导线宽度蚀 刻公差允许为设计值的4 - 2 0 。 图2 - 2 检测对象 图2 3 ( a ) 为其中一块的p c b 板的全局图像，由4 8 个圆形图案组成，整块板大小 为3 5 0 m m x 2 5 0 m m 。一次无法完成全局图像采集，每次采集处理由6 个圆形图案组成的 局部图像( 白色方框的矩形区域) 。其中一块如图2 3 ( b ) 所示，大小为1 l o m m 1 4 0 m m ， 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 p c b 图像中均匀对称的分布着圆形光学定位基准标识和参考基准线。 ( a )全局图( 3 5 0 x 2 5 0 ) ( b ) 局部图( 1 4 0 x 1 1 0 ) 图2 - 3p c b 裸板 2 2 2 摄像机的选择 工业摄像机是机器视觉系统中的关键组件。摄像机选型不仅直接决定采集到的图像 分辨率和图像质量，同时也与整个系统的运行模式直接相关，直接影响检测结果的准确 性。选择摄像机主要是确定摄像机的类型和分辨率。 按最小图像采集区域为1 4 0 m m x l1 0 m m ，按照要求最小检测线距l m m ，导线宽度蚀 刻公差允许为设计值的士2 0 ，计算检测精度： 艿= l x 2 0 = 0 2 ( r a m ) ( 2 一1 ) 用矿、h 分别表示采集区域的横向、纵向的尺寸，取精度裕度系数k = 2 5 ，即可计 算横向、纵向像素要求m 、, ： 小= k 号观5 等川5 0 ( 2 - 2 ) 以= k 等观5 等邛7 5 协3 ， 计算摄像机像素要求： p i x e l = m n = 1 7 5 0 x 1 3 7 5 = 2 4 0 6 2 5 0( 2 - 4 ) 对1 4 0 m m x l1 0 m m 区域进行图像采集，需要2 4 0 万像素分辨率的摄像机机。面阵 摄像机按照感光芯片又分为c c d 和c m o s 相机，对于这种高分辨率的c c d 相机，2 4 0 万的相机价格都要5 、6 万元；国产的c m o s 相机较为便宜，不到5 0 0 0 元，也可以满 足使用要求。 第2 章p c b 缺陷检测系统设计 本文综合考虑检测精度、检测速度、经济成本、数据量等选择维视数字图像技术有 限公司的m v 3 0 0 0 u c 型c m o s 摄像机，其基本参数如表2 i 所示。该摄像机是一款高 性能工业检测专用工业数字摄像机，具有高分辨率、高精度、高清晰度、色彩还原好、 低噪声等特点，工业数字摄像机采用了u s b 2 0 标准接口，安装使用方便，可通过外部 信号触发采集或连续采集图像，可以按照检测系统工作要求编写程序进行图像采集，非 常适合室内外各种工业机器视觉检测的应用。与国外同档次产品相比，它有明显的价格 优势，是一款高性价比工业数字摄像机。 表2 1m v - 3 0 0 0 u c 型c m o s 摄像机基本参数 在确定了相机类型后，根据相机配置合适的采集卡、镜头和光源。面阵c m o s 相 机为u s b 接口，不需要专门的图像采集卡，线阵相机需要专门的图像采集卡，对光源 的要求也比较高。 摄像机镜头的选择，要求镜头接口跟相机接口匹配安装或可以外加转换口匹配安装； 镜头可支持的最大感光尺寸应大于等于选配相机的传感器芯片光学尺寸。所选c m o s 相机接口为c 口，其感光尺寸为l 2 ”( 6 4 n u - n x 4 8 r a m ) 。 计算镜头焦距f l ( f o c a ll e n 舀h ) 如图2 - 4 所示，已知相机传感器( i m a g es e n s o r ) 的 尺寸为l 2 ”，即相机垂直方向感光尺寸( s e n s o rs i z e ( v e r t i c a l ) ) 用s v 表示，则s v = 6 4 m m ； 相机水平方向感光尺寸( s e n s o rs i z e ( h o r i z o n t a l ) ) 用勋表示，则轳4 8 m m 由最小图 像采集区域为1 4 0 m m x l l o m m ，视场( f i e l do f v i e w ，f o v ) 取垂直方向取f o v v = 1 5 0 m m ， 水平方向f o v t c = 1 2 0 m m ：物距( w o r kd i s t a n c e ，w d ) 取w d = 2 0 0 m m ；从垂直方向和水 平方向分别计算焦距f l ： 1 2 浙江工业人学硕上学位论文 垂直方向： 水平方向： v 竖向 f l ( v e r t i c 口0 ：w d _ 芦s v ：2 0 了0 x 6 4 ：8 5 3 ( m m ) ( 2 5 ) f o k ，1 5 0 、7 f l ( h o r i z 彻砂= 甏f o = 警2 0 - 8 ( 叫 ( 2 - 6 ) 1 、 图2 4 工业镜头成像示意图 综合考虑选取日本c o m p u t a r 公司的a f t - m 0 8 1 4 一m p 型定焦百万像素工业镜头，基 本参数如表2 2 所示。该镜头采用超低失真设计，低畸变率，具有多种光学校正方式， 最人限度的减少像差的发生，使其在空间频率数高的频带处也可维持较高的调制传递函 数m t f 值，对比度清晰度高，镜头坚固的机械设计，调节后的锁定装置，非常适合高 精度工业机器视觉检测。图2 5 为所选摄像机和镜头的实物图。 表2 2a f t - m 0 8 1 4 m p 型工、i k 镜头参数 项目参数值 焦距f o c a ll e n g t h ( m m ) 视场角a o v ( 。) 相对通光孔径a p e r t u r e ( f ) 接口m o u n t 像面尺寸f o r m a t ( i n c h ) 最近物距m o d ( i n ) 外形尺, - 4 。s i z e ( m m ) 8 5 4 f 1 4 c c l 2 ” o 1 5 1 2 i3 2 5 x 5 2 0 第2 章p c b 缺陷柃测系统设计 图2 - 5m v - 3 0 0 0 u c 型相机和m 0 81 4 m p 镜头 2 2 3 光源模块的设计 光源模块是光学检测系统的一个很重要的部分，以保证得到足够对比度和清晰度的 图像( 3 7 1 。光源包括各种人造光以及自然光，根据光源与对象物的位置关系则可以分为背 面光照、正面光照、斜射光照等几种模式【3 8 】。其中，背面光照模式是光源与摄像头不同 侧，背向光源使被测物体产生对比强烈的轮廓，可用来对物体轮廓尺寸进行检测。正面 光照模式是光源与摄像头同侧。检测物体表面特征时多采用正向光源。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【3 9 】：( 1 ) 确定被测部分的特征，使被 测部分清楚的与周围的背景区分开来；( 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；( 3 ) 尽量屏蔽环境光线的影响。 p c b 裸板基本组成单元是线条和孔