專利名稱：：基于連接表的印刷線路板自動光學(xué)檢測算法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于機(jī)器視覺自動檢測技術(shù)，具體涉及印刷線路板自動光學(xué)檢測算法。二
背景技術(shù)：
：通訊、計算機(jī)、消費(fèi)電子等產(chǎn)業(yè)的繁榮，促進(jìn)了印刷線路板(PrintedCircuitBoard,簡稱PCB)行業(yè)的快速發(fā)展。作為電子工業(yè)中最活躍的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一，印刷線路板的設(shè)計與制造越來越趨向于高密度、多層數(shù)、高性能，這就使線路板制造的品質(zhì)保證問題面臨巨大的挑戰(zhàn)。線路板在生產(chǎn)過程中由于各種不確定因素的影響(如原材料、設(shè)備穩(wěn)定性、環(huán)境、溫度和人為操作等)，造成多種缺陷，因而需要實(shí)施嚴(yán)格的檢驗(yàn)。在線路板的制造過程中，越早發(fā)現(xiàn)錯誤，就可以越早采取相應(yīng)措施對其進(jìn)行處理，從而降低生產(chǎn)成本。因此，印刷線路板的生產(chǎn)在線檢測已成為線路板生產(chǎn)企業(yè)的共識，但真正實(shí)現(xiàn)中間檢驗(yàn)和在線檢驗(yàn)難度較大。因此，高效、高速、高精度且易于實(shí)現(xiàn)的印刷線路板缺陷自動檢測方法成為線路板行業(yè)的迫切需要。傳統(tǒng)的人工目測和在線針床檢測，因"接觸受限"(電氣接觸受限和視覺接觸受限)所制，已不能完全適應(yīng)當(dāng)今制造技術(shù)發(fā)展的需要，非接觸自動光學(xué)檢測系統(tǒng)(AutomaticOpticallnspector，簡稱AOI)成為PCB制造業(yè)的必然趨勢。從上個世紀(jì)80年代初開始國際上紛紛研制PCB缺陷自動光學(xué)檢測系統(tǒng)，是一種對人工CT和功能測試的有力補(bǔ)充，基于光學(xué)原理，綜合圖像分析、計算機(jī)和自動控制等多種技術(shù)，對生產(chǎn)中遇到的缺陷進(jìn)行檢測和處理，從而提高電氣處理或功能測試階段的合格率。在全球PCB市場中，中國所扮演的角色日趨重要，2005年中國首次超過日本躍居世界第一大印刷電路板生產(chǎn)基地。國內(nèi)需求巨大，吸引了許多國外PCB生產(chǎn)商，而且產(chǎn)品檔次也在不斷提高，高多層板HDI和柔性電路板都在迅速發(fā)展。但是限于經(jīng)濟(jì)和科研等因素，目前國內(nèi)的大部分PCB生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)線上仍大量采用傳統(tǒng)檢測方法，尚缺乏技術(shù)成熟、性能可靠的A0I系統(tǒng)。主要是因?yàn)閲獾挠∷㈦娐钒宓淖詣訖z測系統(tǒng)價格昂貴，而國內(nèi)的檢測系統(tǒng)又存在技術(shù)問題，所以迫切需要我國科研單位或者高等院校加強(qiáng)PCB自動檢測系統(tǒng)的研制工作。目前，國內(nèi)幾所高等院校都相繼推出了自己的線路板檢測系統(tǒng)，如華中科技大學(xué)印刷線路板瑕疵檢測系統(tǒng)，上海交通大學(xué)的電路板光學(xué)自動檢測機(jī)，重慶大學(xué)的PCB檢測系統(tǒng)等。這些高等院校開啟了國內(nèi)的印刷線路板檢測系統(tǒng)研制的腳步，為國內(nèi)研發(fā)檢測系統(tǒng)提供了一定的技術(shù)支持，但是仍然存在眾多的不足，待將來解決。三
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于提出一種印刷線路板自動光學(xué)檢測新方法，以達(dá)到檢測速度快、無需圖像精確定位的目的，并能夠檢測出PCB基板上常見的短路、斷路及焊盤丟失等瑕疵。本發(fā)明的技術(shù)方案如下于檢測前準(zhǔn)備標(biāo)準(zhǔn)線路板的圖像，對其進(jìn)行圖像處理，對處理后的圖像進(jìn)行基于連接表的特征提取，將所有標(biāo)準(zhǔn)特征值保存于模板數(shù)據(jù)庫中，待檢測時對比使用。當(dāng)檢測開始時，通過圖像采集設(shè)備捕獲實(shí)際線路板圖像，同樣對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)膱D像處理，最后步驟是獲取模板數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)準(zhǔn)特征值，并在實(shí)際線路板中定位此特征，從而檢測出實(shí)際線路板中的相關(guān)瑕疵，如此遍歷所有的模板數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)準(zhǔn)特征值，就能夠?qū)崿F(xiàn)線路板檢測，優(yōu)點(diǎn)是無需圖像精確匹配，檢測速度快，實(shí)用性能優(yōu)。具體步驟如圖1所示，包括如下技術(shù)1、連接表建立在標(biāo)準(zhǔn)印刷線路板基板上主要包括焊盤、導(dǎo)線及過孔等特征，焊盤之間是通過導(dǎo)線連接的，同時每個過孔對應(yīng)于一個焊盤，并且是單射關(guān)系，所以我們有必要建立這樣的一種連接關(guān)系，即將焊盤和過孔看作是同一特征，以數(shù)字來命名圖中所有焊盤，并且獲取焊盤位置，通過導(dǎo)線的連接關(guān)系，獲取每個焊盤所連接的其他焊盤，以對應(yīng)的數(shù)字來建立焊盤的連接關(guān)系，并將此連接數(shù)字，相應(yīng)焊盤的位置坐標(biāo)存到數(shù)據(jù)庫中，這樣就完成了一張焊盤連接表。因此焊盤連接表可以定義為印刷線路板中，由每個焊盤通過導(dǎo)線與其它焊盤的連接關(guān)系及相應(yīng)焊盤位置建立的數(shù)據(jù)庫。由于PCB基板上的過孔與焊盤是一一對應(yīng)，過孔的中心即焊盤的中心。過孔圖像是較規(guī)則的圓形，故采用重心法來獲取過孔中心，即焊盤位置坐標(biāo)。確定焊盤位置后，利用導(dǎo)線的連通性，采用輪廓跟蹤法來搜尋所有的焊盤連接關(guān)系，如圖2。圖3中，焊盤1與焊盤2組成連接關(guān)系，標(biāo)記為1-2;依次建立3-4，5-6，7_8共四組連接關(guān)系，創(chuàng)建此線路板的焊盤連接表。這里需要重點(diǎn)說明7-8連接關(guān)系，在實(shí)際圖像獲取過程中，可能會出現(xiàn)由于圖像捕獲不當(dāng)，導(dǎo)致局部線路板未拍中，從而出現(xiàn)如圖3中7-8這樣的焊盤線路圖，為了能夠使接下來的檢測完整，我們?nèi)匀粚⑵渥鳛樘卣髦堤崛?，而?dǎo)線的端點(diǎn)就看作是特殊情況的焊盤，予以標(biāo)記，圖3中就是紅色的8所標(biāo)記的那個導(dǎo)線端點(diǎn)。最后我們將線路板上所有的搜尋到的焊盤連接關(guān)系和焊盤位置坐標(biāo)存入模板數(shù)據(jù)庫中，建立標(biāo)準(zhǔn)印刷線路板連接表，待接下來的檢測所用。2、圖像處理(1)圖像獲取過程中或多或少會加入一些噪音，為了使連接表特征提取準(zhǔn)確，圖像處理應(yīng)包含濾波過程，本發(fā)明中圖像濾波采用中值濾波法。(2)為了使識別簡單，需要將目標(biāo)圖像從圖片中分離出來，并且標(biāo)記成特殊形式，所以圖像處理還包括圖像分割。圖像分割的關(guān)鍵是閾值的選擇，而且PCB裸板的灰度圖像中存在三種明顯不同的顏色，所以我們需要進(jìn)行多閾值分割處理。通常采用灰度直方圖分析法，因?yàn)閳D像的灰度直方圖中會存在明顯的波峰，這些波峰對應(yīng)的像素值就是圖像的分割的閾值。(3)圖像優(yōu)化，圖像在分割后會存在一些偽圖像，這些偽圖像會干擾圖像的后續(xù)處理，并有可能造成有用信息的丟失或錯誤判斷，再次采用中值濾波去除偽圖像。(4)為了能夠提取圖像中基于連接表的特征，同時使計算量減少，計算時間縮短，我們需要將圖像細(xì)化成單像素連通圖，同時保持圖像特征不變。本發(fā)明采用基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的細(xì)化算法，是一種使用擊中擊不中變換(hit/misstransformation)原理。3、瑕疵檢測瑕疵檢測就是應(yīng)用圖像的結(jié)構(gòu)特征對瑕疵進(jìn)行定位和識別。圖像的結(jié)構(gòu)特征是指PCB上基元(如導(dǎo)線、焊盤、過孔等)的位置特征和形狀特征等。位置特征主要包括過孔中心、焊盤中心等；形狀特征主要包括過孔直徑、焊盤的連接狀態(tài)等。本發(fā)明的好處在于檢測過程中待測圖像不需要和模板圖像完全對準(zhǔn)，縮短檢測時間。在檢測每塊待測板時，只要事先規(guī)定好合格標(biāo)準(zhǔn)，并從模板數(shù)據(jù)庫中提取焊盤連接關(guān)系及焊盤位置坐標(biāo)，在待測圖像中的標(biāo)準(zhǔn)焊盤位置是否存在焊盤或者焊盤連接關(guān)系同標(biāo)準(zhǔn)焊盤連接關(guān)系是否一致，就能進(jìn)行瑕疵檢測，包括焊盤丟失、導(dǎo)線短路、導(dǎo)線斷路等。四圖1PCB檢測系統(tǒng)示意圖圖2標(biāo)準(zhǔn)模板生成流程圖圖3線路板焊盤連接關(guān)系示意圖圖4過孔特征提取流程圖圖5連接表特征提取流程圖圖6輪廓跟蹤法流程圖圖7實(shí)際線路板瑕疵檢測流程圖五具體實(shí)施例方式濾波處理采用中值濾波，窗口掃描路徑采用S型，即窗口先向右移動，當(dāng)?shù)竭_(dá)最右端時，窗口向下移動一個像素，然后窗口向左移動，當(dāng)?shù)竭_(dá)最左端時，窗口向下移動一個像素，然后再向右移動，以此循環(huán)掃描，直至掃描完整幅圖像。窗口每移動一個像素時，窗口內(nèi)的局部直方圖不必重新統(tǒng)計，當(dāng)窗口向右移動時，只需將窗口最左邊的像素從直方圖中減去，同時將窗口外的右邊一列的像素加入；當(dāng)?shù)竭_(dá)一行的末端時，改為將窗口最上一行的像素從直方圖中減去，而將窗口外的下一行像素加入；當(dāng)窗口向左移動時，只需將窗口最右邊的像素從直方圖中減去，同時將窗口外的左邊一列的像素加入即可。在基于連接表的特征提取中，首先需要獲取標(biāo)準(zhǔn)線路板中過孔的圓心位置，具體的步驟如圖4，文字描述為(1)以分割后的圖像為對象，從左往右逐一掃描，當(dāng)發(fā)現(xiàn)灰度值為"O"(黑)時，即為孔的開始邊界點(diǎn)，記下此點(diǎn)坐標(biāo)(Xs，Y》，繼續(xù)向前掃描，直到灰度值為不為"0"時，記下前一個點(diǎn)坐標(biāo)(Xe，Y》，這兩個點(diǎn)的中點(diǎn)坐標(biāo)為(X。，Yc)。再從(Xc，Yc)豎直向上和向下掃描，直到灰度值不為0時，記下這兩點(diǎn)的坐標(biāo)(Xu，Yu)和(Xd，Yd)，可以得到這兩個點(diǎn)的中點(diǎn)坐標(biāo)(Xcc，Ycc)。(2)以(X。。，Y。。)為圓心，選取半徑R，使得此圓區(qū)域的邊界不存在灰度值為"O"的點(diǎn)。則過孔中心坐標(biāo)(X，Y)為其中A為圓區(qū)域，"個數(shù)，過孔的半徑R為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>Y》為灰度值為"0"的點(diǎn)，M為區(qū)域內(nèi)灰度值為"0"的點(diǎn)的(3)其次獲取每個焊盤的連接關(guān)系，將連接關(guān)系以對應(yīng)數(shù)字形式存入數(shù)據(jù)庫中，其步驟如圖5，文字描述為1)首先獲取每個焊盤，放入隊(duì)列Q中；2)從隊(duì)列Q頭開始，依次獲取其中一個焊盤P，在骨架圖中通過輪廓跟蹤法(圖6)得到與此焊盤相連接的所有焊盤，并且標(biāo)記它們；3)如果焊盤P不是隊(duì)列Q的尾部，則獲取下一個焊盤繼續(xù)檢測；否則，結(jié)束算法。本系統(tǒng)要跟蹤處理的是細(xì)化后的圖像上的導(dǎo)線，因此采用掃描線輪廓跟蹤矢量化方法，如圖6。輪廓跟蹤的3X3模板矩陣如表5.1所示，并假設(shè)"0"為白像素點(diǎn)，"1"為黑像素點(diǎn)，其具體實(shí)現(xiàn)算法如下表5.1輪廓線追蹤模板<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>第一步首先建立一個存儲數(shù)據(jù)的鏈表結(jié)構(gòu)；第二步對圖像按行為主進(jìn)行掃描，檢查像素點(diǎn)是黑還是白，找到任意一個未被標(biāo)記的目標(biāo)a。(即像素點(diǎn)為"0"的點(diǎn))，并以a。作為起點(diǎn)，開始下一個像素點(diǎn)的掃描。第三步在a。的八個領(lǐng)域像素中，按表5.1標(biāo)記的序號從1到8依次順序掃描，判斷其像素值。(1)若a。的八個領(lǐng)域點(diǎn)均為"l"像素點(diǎn)，則a。為孤立點(diǎn)，終止該線條的跟蹤，并從圖像上標(biāo)記該點(diǎn)(將該點(diǎn)的像素改為"l")。然后返回第二步，繼續(xù)掃描，處理下一條連通路徑。(2)若a。的八個領(lǐng)域點(diǎn)的像素值不都是"l"，則把按模板順序搜索到的第一個像素值為"O"的目標(biāo)點(diǎn)作為新點(diǎn)，記為A，并記錄該點(diǎn)的坐標(biāo)值。為防止重復(fù)搜索，將A點(diǎn)的像素值由原來的"0"變?yōu)?1"。第四步在ai的八個領(lǐng)域中，重復(fù)第三步，找到下一個鄰接像素點(diǎn)，記為a2，并記錄a2點(diǎn)的坐標(biāo)值。以同樣的方法對連通路徑上的每一個像素點(diǎn)依次跟蹤搜索，便可以得到a3，a4，a5，...，an。并順次得到這些點(diǎn)的坐標(biāo)值(x，y)。這樣當(dāng)一條曲線跟蹤到端點(diǎn)時(也即當(dāng)前點(diǎn)的八個領(lǐng)域全為"1"時)，跟蹤結(jié)束，跟蹤完畢后本條曲線上的點(diǎn)依次被抹去。通過圖像獲取設(shè)備捕捉實(shí)時線路板的圖像，對待測的線路板圖像也進(jìn)行預(yù)處理和細(xì)化處理環(huán)節(jié)后，就開始在線線路板檢測過程，操作方式如圖7，文字描述如下(1)事先規(guī)定合格閾值，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)焊盤區(qū)域圖焊盤位置信息，判斷在待測線路板圖像中以該標(biāo)準(zhǔn)位置為中心，閾值為半徑的區(qū)域內(nèi)是否存在焊盤。若存在則進(jìn)入步驟2，否則說明此處瑕疵為漏印焊盤。(2)在細(xì)化圖中，通過輪廓跟蹤法(圖6)得到與此焊盤相連接的所有焊盤，將其連接關(guān)系與標(biāo)準(zhǔn)線路板模板數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)比較，如果標(biāo)準(zhǔn)線路板數(shù)據(jù)庫中沒有這組焊盤連接關(guān)系，則說明此連接上存在短路。若與焊盤連接的另一端部沒有焊盤，這說明此處存在斷路或焊盤漏印，若端部在標(biāo)準(zhǔn)焊盤區(qū)域內(nèi)，則是焊盤漏印；否則為斷路。(3)如果數(shù)據(jù)庫中還有未檢測的焊盤，返回步驟1繼續(xù)；否則退出此次檢測，顯示瑕疵種類和所處位置。權(quán)利要求基于連接表法的印刷線路板(PCB)光學(xué)自動檢測方法，主要包括標(biāo)準(zhǔn)線路板圖像和待測線路板圖像的濾波處理、細(xì)化處理和特征提取技術(shù)；根據(jù)線路板圖像中的焊盤間的連接關(guān)系建立焊盤連接表；通過焊盤的連接關(guān)系，無需精確定位，就可以來對待測線路板進(jìn)行瑕疵檢測。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PCB光學(xué)檢測方法，其特征是對標(biāo)準(zhǔn)電路板的圖像采用中值濾波方法，即用一個窗口W在圖像上掃描，把窗口內(nèi)的像素按灰度值進(jìn)行排序，把排序后最中間像素的灰度值作為窗口中心點(diǎn)的灰度值，也就是直接統(tǒng)計每個中值濾波窗口內(nèi)的局部灰度直方圖。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PCB光學(xué)檢測方法，其特征是通過求解灰度圖像的直方圖確定閾值浪著將閾值和圖像的像素灰度值作比較進(jìn)行歸類，就能夠得到分割圖像。圖像在分割后會存在一些偽圖像，可能造成有用信息的丟失或錯誤判斷，故采用4-連通中值濾波去除偽圖像。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PCB光學(xué)檢測方法，其特征是細(xì)化過程采用擊中擊不中變換的形態(tài)學(xué)算法，這里不具體說明。但是這樣細(xì)化后的圖像會存在很多毛剌，本發(fā)明通過修枝處理來去除毛剌。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的PCB光學(xué)檢測方法，其特征是利用像素的連接領(lǐng)域?qū)?xì)化后的圖像進(jìn)行去毛剌處理，根據(jù)線路板圖像的特點(diǎn)制定像素連接種類，依次遍歷圖像中的可疑點(diǎn)，如果屬于制定的像素連接種類，就是有效點(diǎn)；否者，就視為干擾點(diǎn)或毛剌，而予以剔除。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PCB光學(xué)檢測方法，其特征是根據(jù)焊盤和過孔是一一對應(yīng)的，即過孔的中心就是焊盤的中心，故可通過求圓的圓心的方法求取過孔的中心位置，以此作為特征量。采用重心法獲取過孔的中心位置，得到PCB圖像中所有的焊盤及其位置，存入數(shù)據(jù)庫中，為接下里的焊盤連接表制作做好準(zhǔn)備。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的PCB光學(xué)檢測方法，其特征是從數(shù)據(jù)庫中獲取每個焊盤，并把它們依次編號，從頭開始依次獲取每一個焊盤，在細(xì)化圖中通過輪廓跟蹤法得到與此焊盤相連接的所有焊盤，并且標(biāo)記它們，直至遍歷到每個焊盤都有對應(yīng)的連接焊盤為止，將這張連接表存入新的數(shù)據(jù)庫。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PCB光學(xué)檢測方法，其特征是通過圖像采集設(shè)備對在線檢測的線路板進(jìn)行圖像獲取環(huán)節(jié)，將圖像通過傳輸裝置輸入到計算機(jī)中，對圖像同樣進(jìn)行預(yù)處理和細(xì)化處理環(huán)節(jié)，等待檢驗(yàn)。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PCB光學(xué)檢測方法，其特征是從數(shù)據(jù)庫中取出模板線路板中某未測焊盤的中心位置，在待測線路板圖像中的焊盤理論位置周圍一定區(qū)域(閾值區(qū)域)內(nèi)尋找此焊盤，可檢測焊盤有無缺失和位置是否正確。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的PCB光學(xué)檢測方法，其特征是在細(xì)化圖中，通過輪廓跟蹤法得到與此焊盤相連接的所有焊盤，將其連接關(guān)系與標(biāo)準(zhǔn)連接表比較，來檢測有無短路、斷路或焊盤缺少。全文摘要本發(fā)明涉及一種基于連接表的印刷線路板光學(xué)自動檢測算法，屬于機(jī)器視覺領(lǐng)域。本發(fā)明采用連接表法對印刷線路板在線檢測技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，能夠達(dá)到無需圖像精確定位，提高在線檢測速度和準(zhǔn)確度的目的。其主要思想在于本發(fā)明利用焊盤之間的連接關(guān)系建立焊盤導(dǎo)線連接表，為后序的檢測做好準(zhǔn)備；本發(fā)明可以對獲取的標(biāo)準(zhǔn)線路板圖像和待測線路板圖像進(jìn)行預(yù)處理和細(xì)化處理，并由此提取圖像的特征來建立模板數(shù)據(jù)庫；本發(fā)明通過焊盤之間的連接關(guān)系作為目標(biāo)定位工具，使得待測圖像和模板圖像無需精確對準(zhǔn)，達(dá)到快速定位、精確識別的目的。本發(fā)明能準(zhǔn)確地檢測出待測線路板的存在的導(dǎo)線、焊盤瑕疵問題，達(dá)到實(shí)時檢測的目的。文檔編號G01N21/956GK101793843SQ20101012354公開日2010年8月4日申請日期2010年3月12日優(yōu)先權(quán)日2010年3月12日發(fā)明者周羅善,張東方,張松,林礪宗,王啟春,王天威申請人:華東理工大學(xué)