（信号与信息处理专业论文）基于图像处理的印刷电路板缺陷检测技术研究.pdf

中文摘要摘要近年来随着电路印刷板p c b 生产复杂度和产量的提高，人工目检等传统p c b缺陷检测方式因接触受限、高成本、低效率等因素。已逐渐不能满足检测需要。检测方法中基于图像处理的自动光学检测已展现其优势。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。笔者研究了基于图像处理的p c b 缺陷自动光学检测技术，目的在于实现高精度、快速的p c b 缺陷检测。笔者建立了基于图像处理的p c b 缺陷检测系统方案，构建了检测软件结构，研究了检测软件关键功能模块算法及其应用。检测系统采用非接触式的自动光学实时无损检测方式，主要由运动控制、光照、图像采集、计算机图像处理系统构成。检测软件包含系统自检初始化、运动采集控制和待测图采集、标准图恢复和入库、缺陷检出、缺陷分析识别几大模块，其中标准图恢复入库、缺陷检出和缺陷分析是关键功能模块。标准图恢复和入库模块在成批检测前完成，该模块主要实现标准图恢复和保存功能，通过内存画图和分模块保存等措施，解决了高精度标准图中海量数据的及时获取、转换、快速显示和保存等问题。缺陷检出模块主要实现缺陷位置检出功能，包含图像预处理、配准、对比、去噪、缺陷位置显示等，通过灰度图自适应二值化阂值分割和快速开运算去噪，解决了由噪声干扰引起的图像线路特征削弱问题；通过灰度图二值化压缩数据量，构建图像模块库以供快速调用和处理图像，在配准、去噪等算法中有效限定处理范围，将检出各环节集成到相同扫描循环同步处理等措施，解决了多处理环节、高精度待测图中海量数据和检出速度之间的矛盾。缺陷分析模块主要实现缺陷特征统计识别和整板质量初评，包含几何特征统计，连通、灰度、边界特征的选择性联合识别，及根据分析对整板的质量初评。通过限定范围标记法，根据缺陷严重性和已识别程度而采用的树状分层多特征选择联合识别法，解决了缺陷多种类、多特征和识别速度之间的矛盾，提高了分析速度。实验证明文中基于图像处理的p c b 缺陷检测算法可进行快速实用的高精度检测。关键词：图像处理，电路印刷板，缺陷检测，缺陷识别，自动光学检测英文摘要a b s t r a c ta l o n gw i t ht h eh 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 lm a n u f a c t u r er 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 ns u c ha sg o t u pi n s p e c t i o nc a n tm e e td 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 m c t ，h i g hc o s to rl o we f f i c i e n c y t h ea u t o m a t i co p t i ci n s p e c t i o n ( a o i ) b a s e do ni m a g e - p r o c e s s i n gh a ds h o w e di t sa d v a n t a g e si ni n s p e c t i o nm e t h o d s i nf a c eo fc o s t l yi n s p e c t i o nd e v i c eo v e r s e a sa n di n t e n s er e q u i r e m e n t so fp c b sm a n u f a c t u r e ，r e s e a r c ho nak i n do fr a p i da n du s e f u lt e c h n o l o g yo fa u t o m a t c io p t i ci n s p e c t i o nh a v ei m p o r t a n ta c a d e m i ca n de c o n o m i cv a l u e t h ea u t h o rr e a s e r c h e do np c b sd e f e c td e t e c t i n gt e c h n o l o g yb a s e do ni m a g ep r o c e s s i n gi no r d e rt or e a l i z et h eh i g h - p r e c i s i o na n df a s td e t e c t i n go f p c bd e f e c t s t h ea u t h o re s t a b l i s h e daf l 锄e w o f ko fd e f e c td e t e c t i n gs y s t e mb a s e do ni m a g ep r o c e s s i n g ，c o n s t r u c t e dt h es t r u c t u r eo fs o f t w a r e ，r e a s e r c h e do np c b sd e f e c td e t e c t i n ga l g o r i t h mi np i v o t a lf u n c t i o nm o d u l e so fi n s p e c t i o ns o f t w a r ea n da p p l i c a t i o no fa l g o r i t h m t h ei n s p e c t i o ns y s t e mu s e dt h em a n n e ro fu n - c o n t a c t ，r e a l t i m e ，l o s s l e s si n s p e c t i o n ，w h i c hw a sc o m p o s e do fs e v e r a lp a r t s ，i n c l u d i n gm o v e m e n tc o n t r o l ，i l l u m i n a t i o n ，i m a g ec o l l e c t i n ga n dc o m p u t e ri m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m i n s p e c t i o ns o f t w a r eo fs y s t e mi n c l u d e dm o d u l e st h a ts y s t e ms e l f - c h e c k i n ga n di n i t i a l i z a t i o n 、s t a n d a r di m a g er e v e r s i o na n ds a v i n gi ti n t og a l l e r y , d e f e c t sc h e c k i n ga n dd e f e c t sa n a l y s e i nt h e s em o d u l e s ，s t a n d a r di m a g e ，d e f e c t sc h e c k i n ga n dd e f e c t sa n a l y s i n gm o d u l e sw e r ep i v o t a lf u n c t i o nm o d u l e s s t a n d a r di m a g er e v e r s i o na n ds a v ei ti n t og a l l e r ym o d u l ew a sa c c o m p l i s h e db e f o r ec h e c k i n gi nb a t c h e s ，w h i c hr e a l i z e dr e v e r s i o na n dp r e s e r v a t i o no fs t a n d a r di m a g e ，b ys o m em e a s l e ss u c ha sd r a w i n gi ne m sm e m o r ya n ds a v ep i c t u r e sb yp i e c e s ，i ts o l v e dt h ep r o b l e mo fg e t t i n g ，t r a n s f o r m i n g ，s h o w i n ga n dp r e s e r v i n gal o to fd a t a sc a u s e db yl l i g hp r e c i s ei ng o o dt i m e d e f e c td e t e c t i n gw a st of i n dp o s i t i o no fd e f e c t s ，c o n t a i n e di m a g ep r e t r e a t m e n t 、m a t c l l i n g ，c o n t r a s t ，e l i m i n a t i n gn o i s ea n ds h o w i n gd e f e c t s ，t h ep r o b l e mt h a tn o i s ew e a k e nt h es p e c i a l i t yo fp c bc i r c u i t r yw a gr e s o l v e db ys e g m e n t i n gw i t hs e l f - a d a p t e dt h r e s h o l dv a l u ea n de l i m i n a t i n gn o i s eb yf a s to p e no p e r a t i o n , a n dt h ec o n f l i c to fm u l t i p r o c e s s i n gt a c h e s ，al o to fd a t a si nh i g hp r e c i s ei m a g ea n df a s tc h e c k i n gw e r er e s o l v e db ys e g m e n t i n gi m a g ei n t ot w og r a yl e v e lt oc o m p r e s sd a t a s ，b u i l d i n gg a l l e r i e si i i重庆大学硕士学位论文f o rt r a n s f e r i n ga n dp r o c e s s i n gi m a g ef a s t ，l i m i t t i n gt h er a n g eo fp r o c e s s i n gi ne v e r yp i e c eo fp i c t u r ew h e nm a t c h i n ga n dn o i s e - e l i m i n a t i n g ，i n t e g r a t i n gt h ep r o c e d u r e so fc h e c k i n gi n t ot h es a n l es c a nc i r c l et op r o c e s si ns y n c h r o n i z a t i o n d e f e c ta n a l y s ew a st oa c c u m u l a t et h ec h a r a c t e r i s t i c s ，r e c o g n i s ed e f e c t sa n dg e tt h ee l e m e n t a r ye v a l u a t i o no fq u a l i t yo fp c b ，a n a l y s ec o n t a i n e dg e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c s g e t t i n g ，d e f e e tr e c o g n i t i o nb yc h o o s i n gi nm a n yk i n d so fc h a r a c t e r i s t i c sa n de l e m e n t a r ye v a l u a t i o no fq u a l i t yo ft h ew h o l ep c bb a s e do na n a l y s i s t h ec o n f l i c tb e t w e e nm a n yc h a r a c t e r i s t i c sa n df a s tr e c o g n i t i o nw a sr e s o l v e da n dt h et i m eo fa n a l y s ew a sd e c r e a s e db yl i m i t t i n gt h er a n g eo fs i g n ，d e n d r i f o r md e l a m i n a t i n ga n dj u d g i n gg r a d u a l l yt h ed e f e c t sw h i c hi sr e c o g n i z e db ym a n yc h a r a c t e r i s t i c sc h o o s e d e x p e r i m e n tp r o v e dt h a td e f e c td e t e c t i n ga l g o r i t h m so fp c bi n t h i sa r t i c l ec a ni n s p e c tf a s ta n dp r a c t i c a b l y k e y w o r d ：i m a g ep r o c e s s i n g ，p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ，d e f e c td e t e c t i n g 。a u t o m a t i co p i t ci n s p e c t i o ni v独创性声明本人声明所呈交的学位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。据我所知，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，也不包含为获得重庞太堂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己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：签字日期：0 0 7 年占月j 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的规定，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，允许论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将学位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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密() ，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密( ) 。( 请只在上述一个括号内打“”)学位论文作者签名：香猖签字日期：。0 7 年6 月，日导师签名晒讳签字日期：& t 1 年6 月占日1 绪论1 绪论1 1 研究背景和意义1 1 1 研究的背景印刷电路板( p r i n t e d c i r c l e b o a r d ，p c b ) 作为电子产品主要部件和集成各电子元器件的信息载体在各领域得到了广泛应用。据统计，2 0 0 5 年全球p c b 市场比2 0 0 4年增加超过9 ，达4 4 0 亿美元，2 0 0 6 年p c b 市场增长速度在8 到9 之间。作为电子工业最活跃的产业之一，p c b 行业随通信、计算机、电子等产业的飞速发展朝生产高密度、高复杂度、高性能产品等方向日益发展。p c b 产品也向着超薄型、小元件、高密度、细间距方向快速发展。印刷电路板的设计、加工水平已经达到o 2 0 3 r a m ( 孔径) 、0 1 5 0 1 2 m m ( 线条宽度和间距) ，层数已经达到4 6 层甚至更多，可以说印刷电路板的技术和复杂性已达到一个较高的水平。这种趋势必然伴随着越来越大的挑战，那就是印刷电路板的质量检测问题。p c b 制作过程工序繁多，每一道工序都可能产生各种缺陷而影响产品质量，因此必须进行质量控制，否则p c b 上的缺陷可能导致整块印刷板甚至整台机器报废。应用于汽车、军事或航空领域的印制电路板更加要求高可靠性，常常需要1 0 0 的检测，缺陷检测作为质量控制的重要手段，其意义不言而喻。在加工过程中进行检测，尽早识别缺陷，减少进入下一步工序的有缺陷电路板的数量，将有助于提高最终的产品质量，并通过降低返修量和减少废品率可实现降低成本的目的。使用测试夹具很难获得对细密间距板的测试探针的物理空间，测试夹具的制造也昂贵费时。传统的人工目测( m v i ) 和针床在线测试( i n c i r c u i tt e s t e r ，i c t ) 检测因“接触受限”( 电气接触受限和视觉接触受限) 所制，已不能完全适应当今制造技术发展的需要，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 o r , a o i ) 已经成为p c b 板制造业的必然趋势。晗1 从上个世纪8 0 年代初开始国际上纷纷研制p c b缺陷自动光学检测系统( a o i ) ，是一种对人工c t 和功能测试的有力补充，基于光学原理，综合采用图像分析、计算机和自动控制等多种技术，通常在回流前后、电气测试之前使用，对生产中遇到的缺陷进行检测和处理，以提高电气处理或功能测试阶段的合格率。由于在回流炉前进行检测可及时发现由各种原因引起的p c b 缺陷，因此这种方式纠正缺陷的成本远远低于在最终测试和检查之后进行的成本，通常达到十几倍。在众多检测方法中，自动光学检测方法在降低成本、提高效率和可靠性方面有明显的优势。由于中国持续高速发展的电子通讯生产的重要保障，中国印制电路行业近十年来持续保持年增长2 0 以上的速度。全球的p c b 市场中，中国所扮演的角色日趋重庆人学硕士学位论文重要，2 0 0 5 年中国首次超过日本跃居世界第一大印刷电路板生产基地。中国劳动力低廉，国内需求巨大，吸引了许多国外p c b 生产商，而且产品档次也在不断提升，由中低档向中高档发展。高多层板h d i 板和柔性电路板都在迅速的发展。这样迅猛的发展使得国内对精密测量工具的需求也越来越大。但限于经济和科研等因素，目前国内的大部分p c b 生产厂家在生产线上仍大量地采用传统的电子测试方式制造缺陷分析仪m d a ( m a n u f a c t u r ed e f e c t a n l y z e r , ) 和人工目视检查系统，尚缺乏技术成熟、性能可靠的a o i 系统。目前的市场情况是这样：国外的印刷电路板的自动检测系统价格太贵，国内a o i 产品的价格很高，一般定位在1 0 0 万元左右，也有低价位的产品，但其性能有限。因此如果能够开发出2 0 万元左右的性能较好的产品，在中小型企业中应该有较广泛的市场。自动光学原理的印刷电路板检测系统的研究与应用同其它在线检测系统一样，涉及了许多学科，如信号检测技术、图像处理、模式识别、计算机实时处理与控制技术等。1 ，检测系统一般是先对检测对象的参量进行获取或采集然后根据相应的处理方法得到处理结果，最后，所得的处理结果通过一定的方式将这些参量体现在控制对象上。检测系统中最关键的部分是图像处理技术。数字图像处理通常是指对数字图像用计算机进行处理，也称为计算机图像处理，它是指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过程。数字图像处理内容丰富，包括对连续图像的抽样和量化、图像变换、图像的增强和恢复、图像压缩编码、图像重建、图像分割以及图像识别和描述等。早期图像处理技术主要用于改善图像质量，随着计算机技术、图像采集技术的飞速发展，图像处理也逐渐广泛用于解决众多科学与工程领域问题，诸如医学图像分析、指纹鉴别、产品质量检验等。数字图像处理系统一般包括采集设备( 如c c d 和图像采集卡、数码相机、扫描仪等) 、存储、通信、处理、分析设备( 计算机) 以及显示设备( 显示器、打印机等) 。基于图像处理的检测系统的结构参照此，可大致分为三部分：图像输入( 采集设备) 、图像存储和处理分析( 计算机) 、图像输出( 显示器) 。本文中采用面阵c c d 摄像头采集图像，可直接获得数字图像以便后续处理。计算机图像处理因相对模拟图像处理具有再现性好、精度高、通用性、灵活性高等许多独特的优点而发展迅速，同时基于图像处理的在线检测逐渐成为现代技术研究尤其是p c b检测技术研究的热点。 4 卯在上述市场背景和技术背景下，本文进行了基于图像处理的印刷电路板的检测技术研究。1 1 2 研究的意义由上述可知，技术成熟、性能可靠的a o i 系统在国内还有很大的研究空间和市场潜力，同时发展快速的图像处理技术也成为检测技术研究的热点，因此，面21 绪论对国外价格昂贵的非接触测量设备，研制具有自动知识产权的高效、高速、高精度的印刷电路板缺陷自动检测设备迫切需要，p c b 检测系统或设备的核心关键技术基于图像处理的p c b 缺陷检测技术的研究无疑具有高度的实用价值和重要的学术研究意义。1 2 检测技术现状在电路印刷板的生产过程中，已出现的可用的方法主要有人工目检、在线测试、功能测试、自动x 光检测、激光检测和自动光学检测等多种。人工目检是最传统、最主要的检测方法，它是通过使用放大镜或显微镜，利用人工视觉来检查电路缺陷和进行标记或纠正操作，方便实用，成本低，但由于越来越复杂的p c b制造工艺以及高密度、细间距的产品要求所引发的视觉疲劳使得检测的质量和速度逐渐降低，越来越不满足生产需求；在线测试( i c t ，i n c i r c u i t t e s t i n g ) 包括针床式测试仪和飞针式测试仪等方法，它是通过对电性能的检测判断线路连接情况，单件测试成本低，快速彻底短路开路测试，易于编程，但由于夹具成本、编程与调试时间、接触受限等问题使其检测能力仍具有很大局限性；功能测试( f u n c t i o n f lt e s t i n g ) 是在生产线末端利用专门的测试设备，按照设计规格对p c b 的功能模块进行测试，它需要专门设备和专门设计的测试流程，针对特定板或特定单元完成，由于编写功能测试程序复杂而不能灵活应用于大多数生产线；自动x 光检测( a x i ，a u t o m a t i cx - r a yi n s p e c t i o n ) 作为i c t 的补充，主要利用2 d 图像或不同角度合成的3 d 图像，用于检测超细间距和超高密度电路板方面关于桥接、丢片、对准不良等缺陷的检测，但其技术不够成熟，速度慢，成本高、开发周期长等缺点使其有待进一步研究；激光检测是利用激光束扫描的方法获得印刷板的实际测量数据的方法，它输出快，不需夹具，但成本高，维护使用问题多；自动光学检测( a o i ，a u t o m a t i co p i t ci n s p e c t i o n ) 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电路板检测，由于它编程和操作简单、缺陷覆盖率高、成本低，其系统设备在国外己成为利用图像处理技术的广泛工业应用硒1 吲射。a o i 技术在国外研究的比较早，技术相对来说比较的成熟，研究出来的产品也能检测除大部分的印刷电路板的缺陷。主要的产品有以色列o r b o t e c h ( 奥宝)的t r i o n 2 0 0 0 系列、c a m t e k 公司2 v 3 0 、2 v 5 0 型、o p t r o t e c h 公司的v i s i o n l 0 5型、日本日立制作所的l i o y d d o y l e 和s c r e e n 、英国t e r a d y n e 公司的5 5 0 0型，英国d i a g n o s y s 公司的v i s i o n p o i n t 系列，s o n ym i n o k a m oc o r p o r a t i o n 的c p c 1 0 0 0 系列，美国a n g i l e n t 公司的5 d x ( 有x 射线) 、美国林肯激光公司的i n s p e c t o r v e r i f i e r 、m m 公司等，其中以色列的c a m t e k 公司的2 v 3 0 、2 v 5 0 型和o p t r o t e c h 公司的v i s i o n l 0 5 型机，采用设计保准法和c a h p ( 设计工作自动化系统)重庆大学硕士学位论文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 n s p c t a r v e r i f i e r 型自动光学检测仪，也是基于设计保准法原理，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 p l 0 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，具有较高的精度；o r b o t e c h公司生产t r i o n 一2 0 0 0 系列采用多摄像头技术，能够检测绝大部分缺陷，功能也较全。但他们大部分售价昂贵，一般在l o 一4 0 万美元，有的甚至高达1 0 0 万美元。这个价位，使国内大部分印刷电路板生产厂家暂时无力购买。国内的研究则相对较晚，大约始于9 0 年代初中期，目前，从事这方面研究的科研院所也较少，因为这些因素的影响使得对于印刷电路板缺陷的自动光学检测技术( a o i ) 的研究也停留在一个相对初期的水平。不断增长的p c b 生产需求、单一、效率低下、操作流程复杂、错检率高的生产现状使得国内急需有自主知识产权的高性能p c b 检测系统，从而大幅提高产品的合格率，具备高密度、高品质多层p c b 板的生产能力，与国外公司进行竞争。综上所述，在众多的p c b 检测技术中，基于图像处理的a o i 检测技术具有检测效率和经济成本等综合优势；通过国内外自动光学检测技术的发展现状对比，可知国内p c b 自动光学检测技术水平还没有完全成熟，由此导致高效、稳定、精确、自动化、低成本的a o i 检测产品的急切需求和自动光学检测技术水平发展缓慢的矛盾还需要更好地解决。1 3 研究的目的和内容1 3 1 研究目的按照检测对象不同，p c b 质量检测可以分为两种：一是对板上没有安装电子元件和集成电路的裸板( 只有线路，没有元件) 的检测，它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。本文研究属于前者。一台完善的精密的智能检测系统并不单纯的依靠某一项技术来实现的，它往往可能涉及到多个领域、很多的方面，是多项技术的一个综合体，同理印刷电路板缺陷自动检测系统也是这样，它涉及到了应用电子、工程光学、图像处理、计算机视觉、计算机实时处理和自动控制、模式识别等方面，内容广泛，涵盖面宽。它是集计算机视觉、图像处理、数控精确定位和自动控制技术于一体的光机电一体化科技产品。7 o 1 特别是先进的计算机图像处理技术，在自动检测系统的设计和应用中起到了不可替代的作用，本文研究就是基于飞速发展的计算机图像处理技术。作为整个检测系统的核心部分，基于图像处理的电路印刷板检测软件的41 绪论质量在很大程度上直接影响着整个检测系统检测精度、速度、可靠性、交互性、经济性等因素。因此，本文的研究目的是：以p c b 裸板为检测对象，基于图像处理技术进行电路印刷板的缺陷检测技术的研究，实现高精度、快速的p c b 缺陷检测。1 3 2 研究内容和章节安排本文研究内容是：在深入理解现有各种图像处理技术、算法和分析比较各自优劣的基础上，以结合参考检测和非参考检测的混合检测思想为基础，建立p c b缺陷检测系统方案，构建检测软件结构，实现标准图恢复保存、缺陷位置检出、缺陷分析关键模块的算法及应用。其中，关键部分在于软件结构构建和优化，标准图恢复和入库、缺陷检出( 分割、配准、去噪) 和缺陷分析( 特征统计、识别) 几大关键功能模块中算法实现和实时性改进。难点首先是解决高精度采集引起的海量数据和快速保存或处理的矛盾，因为本文研究的缺陷检测是在生产环节的p c b 质量检测，有较严格的时间约束( 2 5 c m x 3 0 e m 的p c b 板要求l o o s ) ；同时c c d 采集来的高精度图像( 约1 0 u r n 像素，即1 0 0 0 个像素e m ) 又会引起海量的数据处理：如2 5 c m x 3 0 c m 板子为2 5 0 0 0 x 3 0 0 0 0 = 7 5 0 0 0 0 0 0 0 即7 亿5 千万个像素，对于2 5 6 色灰度图i b y t e 像素，则总共数据量为7 5 亿个字节，即7 5 0 0 0 0 0 0 0b y t e l o o s = 7 5 0 0 0 0 0b y t e s ，即每秒种需要处理7 5 0 万字节数据。速度与效率是评价系统的重要参数，也是一对相互制约的矛盾。快速高效则要求处理的数据量尽量缩小、算法效率高、用时短暂，而准确可靠的算法一般也比较复杂、速度不快。在有限的计算机资源( 如存储容量、中央处理器个数) 和计算机性能( 如c p u 计算速度，多线程处理能力) 的条件限制下，怎样提出高效实用的算法使系统整体性能最优是实时检测最主要的难题；其次，由于要提供较好质量的采集待测图便于处理，以及提供缺陷的准确位置和相关特征跟操作人员及时交互以便参考，则需要较好地解决自适应分割、快速配准和去噪、限定精度误差容忍度、缺陷特征统计识别及交互性问题；另外系统的可靠性也依赖于算法的抗干扰能力和软件的结构和实现方式，比如，算法抗噪声能力越强，系统越可靠；适当增加自检模块可保证系统运行良性；而采用对于用户透明的软件底层线程实现和简单的界面交互，也可保证检测不易受人工干扰，系统稳定运行。本文共分为五大部分：第一章，绪论，主要介绍研究背景、意义、国内外技术现状、研究目的和内容，指出研究的关键和难点；第二章，在工控系统原理和特点的基础上介绍本p c b 检测系统结构和软硬件结构。5重庆大学硕士学位论文p c b 缺陷检测软件关键功能模块算法实现和实验测试分析。第三章，标准图恢复和标准库构建；第四章，图像预处理包括图像增强和分割；第五章，图像配准；第六章，图像对比和后处理：第七章，缺陷识别和特征统计；第八章，缺陷检出优化方案及分析，缺陷检测实验结果及分析；第九章，总结本论文的工作，对后续工作进行展望。62 p c b 检测系统方案2p c b 检测系统方案2 1 检测系统概述2 1 1 工业检测与控制系统简介工业应用上的在线检测，狭义上是指在工业生产线上，加入某一环节以便对生产中某些参数或工作状况进行检测；广义上的在线检测应当包括检测与控制，即在生产线上运用各种传感器对被生产产品的某些参数实时检测，将分析测量结果所获信息与预先设定参数比较，然后根据比较差值( 即误差信号) 做出决策( 如反馈调节、数掘报表和报警等) ，以保证产品的质量和生产线处于最佳运行状态”。在结构上，在线检测与控制系统主要由信息获取( 传感器) 单元、信息处理单元、结果显示单元、信息反馈单元和调执行机构等几大部分组成”，如图2 1所示。其基本工作原理为；由传感器等信息获取单元检测被测对象参量变化，并将变化参量数字量化便于计算机处理；根据需要对数字量进行相应的预处理，去除无用和干扰信号或数字信息，提取出有用信号或数据进行特定处理：再将处理结果记录以备参考，同时反馈至预处理单元和控制单元进行相应的参数调整。图2 1 在线检测与控制系统f i 9 2 1o n l i n ed e t e c t i o na n dc o n t r o ls y s t e m根据不同特性，在线检测与控制系统可有不同的分类”n 钔：根据是否与检测对象接触的不同可分为接触式测量和非接触式测量。对于接触式测量，传感器件或测量器具直接与被测对象相接触，来感受被测对象的变化，它般用于离线测量或常温、常压、无腐蚀等对象的测量；而对于通常的在线测量及高温、高压、强腐蚀等恶劣环境下的对象测量则采用非接触测量，根据不同测量的对象和精度要求，还可选择不同的非接触测量方式。根据参数是否随时时间变化可分为静态参数测量和动态参数测量。静态参数稳定不易变化，在系统中易于测量和处理，只需单次测量或定期测量即可；动态参数可能有周期变化、非周期变化、瞬态变化、随机变化等不同变化规律，可能产生系统误差、偶然误差、随机误差等不同的检测结果，故要在检测过程中对参数进行实时测量，以便实时修正检测结果。根据传感器输出是模拟还是数字信号，可分为模拟量测量和数字量测量，7重庆大学硕士学位论文模拟信号的信息参数是限定范围内的连续信号，数字信号的信息参数为数字化离散信号。根据控制实时性要求可分为实时和非实时控制，实时控制系统对信号反馈和参数调节及时，而非实时控制对反馈信号的响应时间要求并不太高。因不同的工业应用环境和工业产品生产要求不同，以上各种因素都需要根据不同的工业生产实际情况和具体要求作出决策。在实际应用时，一个性能优良，精度较高，价格合理，操作方便的在线检测与控制系统，至少需要综合考虑检测对象接触方式、检测变量参数变化状态、输入信号状态以及控制时对信号的响应、反馈和参数调整的快慢要求几种主要因素。本文p c b 自动光学检测系统就是基于在线检测控制基本原理建立的一种非接触式的动态实时的数字化无损检测系统。2 1 2p c b 检测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，作用是检测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。本文中，p c b 缺陷自动检测系统结构主要是由运动控制单元、无频闪光照单元、图像采集单元、计算机图像处理系统组成。系统结构如图2 2 所示。系统工作原理是：系统启动自检，在成批检测前输入p c b 标准格式文件，恢复标准全图和建立标准模块库，根据标准特征数据设定系统运动采集等参数；检测时，首先将需要检测的p c b 置于三维工作平台上，有规律地控制运动和采集设备以获取p c b 待测图模块，将其保存入待测模块库同时送与缺陷检出分析显示单元进行模块处理；在图像传感器捕捉到模块图像后，继续运动采集下一个待测图模块并送与处理，如此反复直至采集完毕；在缺陷检出分析显示处理时，根据已知的检测精度和误差容忍度等检测要求，利用待测模块和相应标准模块进行缺陷位置检出，再进行缺陷分析，将模块缺陷位置和缺陷分析结果及时显示给用户。图像采集单元ji 系统白检和标准图恢复保存照图像堡量器卜_ 叫图像采集卡目；采集明运动计算盥叫电路印刷板l控制- - 4 t缺陷机图一和图检出像处兀二维工作台i - 一i 鱼动控制器h像采分析理系集显示统运动控制单元图2 2 系统结构框图f i 9 2 2s y s t e ms t r u c t u r es k e t c h其中运动控制单元是由三维工作台、运动控制器( 伺服电机和运动控制卡)2 p c b 检测系统方案等组成，负责三维工作台运动；照明单元主要是产生合适的照明及确定准确的物象位置关系，保证得到足够对比度和清晰度的图像；图像采集单元由c c d 、镜头、图像采集卡等组成，负责对受检测p c b 板进行图像扫描和图像数据传输：计算机图像处理系统包含计算机系统和以图像处理为核心的检测软件，检测软件完成系统自检、标准图恢复保存、采集运动控制和待测图保存入库、缺陷检出分析显示等功能。2 2 检测系统硬件平台2 2 1 硬件系统结构p c b 板缺陷自动检测系统由硬件系统和软件系统构成。硬件系统主要包含运动控制单元( 三维工作平台、运动控制器) 、光照单元( 光源) 、图像采集单元( 高精度面阵c c d 摄像机、高精度显微镜头、图像采集卡) 、计算机系统硬件( 主机和显示器) 这几部分。如图2 2 。图2 3 三维运动f i g2 3t h r e ed i m e n s i o nm o v e m e n tf i 9 2 4h a r d w a r ec o n s t r u c t i o no f s y s t e m三维工作平台n 5 1 由一维p c b 放置台( 前后运动y 轴) 、面阵c c d 摄像机运动台( 三维精密机床龙门左右运动- x 轴、摄像机运动平台上下运动z 轴) 组成，运动方向如图2 3 所示；通过运动控制卡输出控制编码数据给三个伺服电机可以控制运动工作平台运动及c c d 的运动；在无频率闪光源的光照下，通过图像采集卡控制面阵c c d 摄像机进行图像的采集，计算机主机负责检测软件的启动和运行，显示器负责人机界面的交互。硬件构成如图2 4 所示。2 2 2 图像自动采集单元介绍在采集单元中，摄像头主要传感部件是c c d ，它具有灵敏度高、畸变小、寿9重庆大学硕士学位论文命长、抗震动、抗磁场、体积小、无残影等特点，c c d 是电耦合器件( c h a r g ec o u p l ed e v i c e ) 的简称，它能够将光线变为电荷并将电荷储存转移，也可将储存之电荷取出使电压发生变化，因此是理想的摄像元件。近年来，面阵c c d 摄像机由于种类齐全、价格较低，具备实时预览图像功能等特点而得到了广泛的运用1 6 7 儿1 叭1 蚰。由于本课题在检测时需要将标准图和采集待测图进行比对，需要在采集时获得包含局部线路特征的块状图像，因此采用面阵c c d 进行待测图采集。在选择c c d时要考虑的主要因素是：彩色或单色：由于彩色c c d 含有r 、g 、b 三色颜色分量，采集同样像素数彩色图像的数据为单色c c d 采集的灰度图的三倍，主要考虑到提高实时性和减少数掘量的要求，选用单色c c d 获取8 位2 5 6 色灰度图进行处理；检测范围( 实际拍摄面积f o v ) 和检测精度：因为检测精度j 、成像光学系统的发大倍数_ ，以及摄像机的灵敏度决定所选用的摄像机的像素尺寸d ，即相机分辨率，如下式所示：ds o xj l一k【2 1 )其中一般k l ，是精度裕度系数。最大测量范围w 为：6 h w =后( 2 2 )其中n 取整数，为摄像机水平或垂直有效像素数。检测速度：数字摄象机的数据采集速度是影响在线自动检测速度的一个重要方面，故采用高速c c d ，由于c c d 曝光时间极短，可达到微秒级且可通过编程控制，因此采集速度在很大程度上取决于采集时面阵c c d 实际帧率大小。本文中，图像处理的检测精度要求是1 0 u m ，综合考虑速度、数据量、检测精度和成本等因素，选择采用b a s l e r a 2 0 0 系列面阵c c d 作为采集设备。如图2 5 。技术指标为：型号：a 2 0 2 ka 2 0 2 k c 分辨率：1 0 0 4 ( h ) x1 0 0 4 ( v ) ；传感器类型：逐行扫描c c d ；像素尺寸：7 4 9 mx7 4 1 x m ；堡耋熨黧：! ! 氅。图2 5b 。l 。a 2 0 2 k 摄相头最大分辨率时最高帧率：4 8 f p s ：彩色黑白：黑白、彩色；f i g2 5 b ”l e r a 2 0 2 k c c d输出格式：c a m e r al i n k ( b a s e ) ，d u a lp i x e l8o r1 0b i t s同步方式：通过输入的外触发信号同步或以摄像机内部产生的信号同步：曝光控制：电平或编程控制。1 02 p c b 检测系统方案c a m e r al i n k 的传输方式其速率一般可达6 6 m b s 。由整块p c b 板( 约2 5 e m 3 0 c m ，共计7 5 0 帧) 检测耗时1 0 0 s 的要求，则每帧图像的耗费时间( 包含采集传输及检测处理时间) 应不高于1 0 0 7 5 0 = 0 1 3 3 3 s ，约1 3 3 m s 。实际情况中，在o 0 1 m m 精度下，l o m m x l o n 1 1 m 视野大小图像所占空间大小约9 7 7 k b ，约1 m 大小。若在连续采集后进行连续传输时，传输速率为6 6 m s ，则1 6 6 = 0 0 1 5 1 5 s 即1 5 1 5 m s m ，则此高速传输速率可满足图像处理时间要求( 约1 3 3 m s 每帧，总时间1 0 0 s ) 。、选择c c d 摄像机时，涉及到与光学系统及图像采集卡的配合。系统附件如镜头、支架、控制软件和与计算机的接口对系统性能也有很大的影响。选择镜头要考虑视场范围和目标放大等因素，同时考虑镜头的安装和保护等。考虑到检测精度o 0 1 m i n x 0 0 1 r a m 和视野1 0 m i n x l o m m 的要求，可选用b a s l e ra 2 0 2 k 相机，相机c c d 尺寸约为7 4 m m ，视野为1 0 m m ，则镜头放大倍率约为7 4 1 0 = 0 7 4 ，可选用美国n a v i t a rp r e c i s ee y e 系列高级定焦显微镜头如图2 6 所示，其放大因子在0 3 0 倍到9 1 0 倍之间，工作距离的范围在1 3 毫米到3 7 0 毫米之间，失真率保持在0 1 4 以下，在可见光到近红外光谱范围内具有较高的透射率( 7 0 ) 。可保证获得高精度、高质量、稳定的待测图像。如图2 6 。图像采集图2 6 n a v i t a r l s e e y e卡可选用c o r e c ox 6 4 - c l k , x 6 4 - i p r o l i t e x 6 4 - c l 系列系列显微镜头c a m e r a l i n k 接口采集卡支持多台相机异步采集；同一f i 9 2 6 n a