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少年易学老难成，一寸光阴不可轻-百度文库机器视觉PCB光板视觉检测技术研究——第二讲总体1.问题的提出随着科学技术的不断发展，电子产品趋于更轻、更薄、更短、更小，也使得PCB制造技术朝更高密度发展，从而使得PCB的尺寸增大、层数增多；同时，电路板本身也变得越来越小、越来越复杂。由于这些原因，生产及更换它们的成本也越来越高。所以，需要相应的质量控制手段，使每一层上的线路都能够在上一层铺设之前被检查，排除或修复大部分缺陷。PCB光板缺陷产生的原因是多方面的，生产过程中的每个工序都可能产生缺陷。PCB光板缺陷首先产生在胶片的质量上。在胶片制作过程中，如果显影液配制不当、曝光时间过长或温度过高，则胶片的反差不好；当显影液中杂质过多或温度过低时会产生沙眼，从而使胶片出现斑点；显影时间过长或反射光角度不对则会引起线条有灰雾。在布线时更会产生多种缺陷。曝光时间长短、光源强弱，显影液配制的浓度等，对线条的粗细及精度会产生直接的影响。曝光过量会造成显影困难，甚至无法对细线显影；反之，线条边缘将会不平滑，产生缺损、毛刺。总而言之，PCB光板上容易产生的几种最影响PCB功能的缺陷是短路、断路、缺损、毛刺。除此之外，线路间的保留间隙、导线宽度和其它类似的实际限制，都会影响电路速度、信号强弱、耗电大小与噪声敏感程度等电气传输性能，所以导线或间隙过窄也都被认为是缺陷。本课题不考虑导线宽度及线路间隔缺陷之类的测量型缺陷，针对PCB光板生产过程中可能出现的短路、断路、缺损、毛刺几种主要几何型缺陷进行分析和识别，以便及时将其送去返修。2.检测系统工作原理本文所描述的PCB光板视觉检测系统，将运用图像处及图像识别的方法对PCB光板缺陷进行检测。设计的PCB光板视觉检测系统基于PC架构，主要由照明系统、图像采集系统、运动控制系统以及图像处理系统组成。系统总体结构如图2-1所示。系统原理如下：由照明系统、图像采集系统和运动控制系统获取图像，把采集到的PCB图像信号传送给PC机，在PC机上进行图像处理与识别，完成缺陷检测任务，检测结果在监视器上显示，并送给报警单元及执行单元执行相应动作。1少年易学老难成，一寸光阴不可轻-百度文库3.照明系统设计在视觉检测系统中，获取质量好的图像是系统成功的基础，这里主要涉及到选取合适的光源，摄像机和图像采集卡三个部分。首先讨论照明系统。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：(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开来。例如，使两者的灰度值的差别尽可能的大，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不同信息，自动视觉检测系统必须使用预定义好的程序，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地分开，那么就可以大大减少了图像处理算法的复杂性，从而减少图像的运算时间，也减少了软件开发的时间和难度。(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。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。采用封闭的照明方式或增强光照强度就可以屏蔽周围环境光线的影响。常见的照明方式有结构光、逆光、环形光、暗场照明和散射等。根据不同表面特性物体的照明方式选择如表2-1所示。表2-1根据表面特性选择照明方式2少年易学老难成，一寸光阴不可轻-百度文库考虑到PCB光板图像的基本组成是线和孔，以及表面的光谱反射等原因，根据照明系统设计基本原则以及本系统要求的线扫描CCD摄像机，本系统选用白色条形光源，采用正向照明的方式来获取PCB图像，并且在调整光源位置和亮度时注意尽量不引起PCB板上线路和点的明显反光，这样就可以在物体的移动过程中保证光比较均匀的照射在PCB板上，通过PCB板与CCD摄像机的相对运动，获得均匀亮度且高精度的PCB图像。4.PCB图像采集系统设计图像采集部分是由CCD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，即CCD摄像头将摄入的图像模拟信号经图像采集卡数字化后送入计算机。它的采集过程如图2-2所示。4.1CCD摄像机CCD(ChargeCoupledDevice)是美国人Boyle发明的一种金属-氧化物-半导体新型传感器器件。CCD摄像机于1970年推出。CCD的突出优点是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号，其基本功能是电荷的存储和电荷的转移。CCD传感器采用敷设在薄硅片上组成矩形网格的电荷收集晶格，来到达每个晶格的光能总量的某种度量。每个晶格是通过在硅片上生长一层二氧化硅，然后在二氧化硅上渗入导电门结构的方式组成的。当光子击中硅片时，经过光电转换产生了电子－空穴对，而电子就被加载有正3少年易学老难成，一寸光阴不可轻-百度文库电压的门所形成的势能阱捕获，如图2-3所示。每个晶格将在一个固定的时间间隔T内产生的电荷收集起来。此时，存储在每个晶格内的电荷使用电荷耦合方式往外传递，通过控制门电势的方法，每个晶体存储的电荷成组地从一个晶格传输到另一个晶格，组与组之间保持一定的间隔。图像从CCD按一次一行方式读出，经输出放大器放大形成电压信号输出，重复这个过程直至所有像素电荷被移出。简而言之，CCD的主要工作过程是电荷的产生、存储、传输和检测。近三十年来，CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展。与其它成像系统相比，CCD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、特别是在非接触测量等领域迅速发展。目前CCD技术己经成为综合光学、电子学的一门综合技术，在现代光子学、光电检测技术和现代测试技术领域中均取得了重大应用。CCD摄像机的型号很多，要选择时应主要从以下几方面考虑：(1)选择灰度CCD摄像机还是彩色CCD摄像机，选择灰度CCD摄像机优点是图像数据量较少、传输处理速度较快，每个像素点对应一个像元，采集得到的是灰度图像，缺点是将会丢失图像的彩色信息；选择彩色CCD摄像机则其输出图像数据将会是前者的三倍，但会降低系统的处理速度。(2)分辨率的高低决定了CCD摄像机的价格，也直接影响整个系统的测量精度。总的来说，分辨率高，测量精度会好一些，但要考虑到系统的性价比。(3)电噪声的高低是CCD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。CCD摄像机按照CCD芯片类型可分为线阵CCD和面阵CCD。线阵CCD摄像机使用的成像器件是线阵的CCD探测器，一次只能观察物体的一个条状部分，所以要实现成像，摄像头和物体必须相对运动完成扫描，把每次探测到的结果衔接起来得到完整的图像。这就导致了两个基本要求：一是这个过程中光源的强度不能发生变化，二是相对运动的速度必须是均匀的。而面阵的CCD摄像机采用的是二维的CCD芯片，可实现一次成像。然而，与面阵CCD相比，线阵CCD有其独特的优点。其实，线阵CCD采集的图像实际上还是一幅完整的2D图像，单单从采集到的图像来看，线阵与面阵没有什么区别。但是，线阵CCD只有纵向上才有球型效应，而面阵CCD的四个角与边上球形效应都存在。因此对于要求高分辨精度的大幅面物体，线阵4少年易学老难成，一寸光阴不可轻-百度文库CCD更加合适。因此，在本系统的图像采集单元中，采用线阵CCD获取图像。线阵CCD由许多感光基元排列成一线，被检测对象在与线阵CCD垂直的方向上做一维相对运动，从而扫描出一幅二维图像。因此，在系统设计中既要考虑运动控制，又要考虑I/O控制。运动控制主要是对运动轴进行伺服控制，如速度的控制，运动轨迹的控制等，与线阵CCD相配合进行图像获取；I/O控制主要是获取传感器信号和对各种开关量的控制，如CCD采集触发信号的控制等。对于本文所要检测的PCB，由于其颜色信息简单，所以我们采用灰度CCD即可满足要求。又由于其为大幅面物体的检测，为了达到高的分辨精度而精确的检测缺陷位置并进行识别，我们选择灰度线阵CCD进行扫描以获取高精度的PCB图像。对于大幅面的PCB线路板来说，设其沿控制台运动轨道方向为横向，那么线阵CCD沿与PCB板运动轨道垂直的方向进行图像捕获。对PCB图像进行采集采用的是线扫描CCD直线步进连续扫描，每扫描一次，扫描到的将是PCB板的一条，随着PCB板随控制台机械运动，将扫描得到二维图像。另外，对于大幅面的待检测物体，如果一个CCD相机一次捕获到的一条图像不能完全包括整个待检测物体，我们就需要并排采用多个线阵CCD的方式进行同步捕获，然后在沿CCD并排的方向上进行图像拼接。本系统中，我们只考虑用一个CCD相机进行图像采集。4.2图像采集卡图像采集卡(FrameGrabber)，又称视频捕捉卡。图像采集卡可以被认为是CCD与计算机的接口。它的主要功能是处理来自不同图像源的信息，并在各种不同应用中具有灵活性，可快速高效地存储图像信息。为了满足不同需求，大多数图像采集卡采用模块结构，对不同应用可以对模块进行不同配置。图像采集卡种类繁多，很难对其统一结构进行描述，但其通常包括如下模块：输入单元、帧缓存、数字信号处理和输出单元[20]。工作原理如图2-4所示。5少年易学老难成，一寸光阴不可轻-百度文库其中，输入信号是从摄像机输出的各种制式的视频信号，这个信号经输入选择模块处理后，形成能被图像采集卡识别的模拟视频信号。模拟视频信号经过A/D转换后，变成一幅数字图像，存储在采集卡上的帧缓存存储器内。这时，信号分成两路，一路用于实时显示视频图像：信号传输到显示卡，再传输到显示器。这里需要由计算机CPU通过计算机总线以及采集卡的显示控制模块来控制具体的信息传递。另一路用于图像的采集和存储，最终图像存储在计算机的内存或硬盘，用于图像处理。这里也需要计算机CPU通过计算机总线和采集卡的图像采集控制模块来控制具体的信息传递。采集的图像序列采用压缩过的动态图像存储格式，节省了大量的存储空间，在需要对图像进行显示、播放和处理时，要解压缩成位图文件(BMP)。BMP是计算机最基本的图像存储格式，也是进行图像处理的基础格式，位图的优点是计算机识别速度快、易于处理，且图像处理前不需再进行图像转换。在选择图像采集卡时，主要考虑以下几个方面的问题：(l)要与选用的CCD摄像机匹配，与CCD输出的视频信号一致；(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)图像采集卡的空间分辨率；(5)像素抖动。5.控制台设计线阵CCD摄像机使用的成像器件是线阵CCD传感器，一次只能探测物体的一个条状部分，所以要实现二维成像，摄像头和物体必须相对运动，把每次6少年易学老难成，一寸光阴不可轻-百度文库探测到的结果衔接起来以得到完整的图像。使被测物体与固定的线阵CCD摄像机产生相对运动，就需要下面介绍的控制台。控制台是PCB板传送和承载的主要部分，控制台的平稳运行是采集高质图像的重要保证。控制台的运行主要由上位机与下位机之间的通信来完成。众所周知，可编程逻辑控制器(PLC)由于其可靠性高、稳定性好、编程简单、维护方便等优点而广泛应用于工业控制中，一般作为下位机使用[20]。本系统中的控制台基本结构图如图2-5所示。上位机根据PLC信号来对控制台部分和图像采集部分进行控制。当PCB板进入拍摄区域时，触发信号通知PLC控制摄像机开始拍摄，同时信号传到上位机，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，PCB板继续向前移动，当下一个目标向前移动到拍摄区域时，由位置传感器返回一个信号，摄像机再次触发。6.本章小结本章主要设计了PCB光板视觉检测系统的总体，并搭建了硬件平台。首先针对课题提出了视觉检测的必要性，设计了系统总体方案，分析了检测系统的工作原理，然后分别对照明系统，图像采集系统以及控制台系统进行了详细分析及设计。7