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基于圖像處理的PCB自動(dòng)檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究（一）

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于圖像處理的PCB缺陷自動(dòng)檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)理所當(dāng)然為其核心。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的圖像數(shù)據(jù)采集、圖像數(shù)據(jù)處理、圖像數(shù)據(jù)分析單元的功能，還實(shí)現(xiàn)了二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制單元的功能，同時(shí)負(fù)責(zé)與操作者交互。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖所示。

3.1 系統(tǒng)算法流程

系統(tǒng)軟件流程分為手動(dòng)檢測和自動(dòng)檢測，手動(dòng)檢測需要操作員在人機(jī)交互界面點(diǎn)擊相應(yīng)操作處理，自動(dòng)檢測可以實(shí)現(xiàn)一鍵自動(dòng)化檢測，直接根據(jù)預(yù)先參數(shù)設(shè)置好的流程進(jìn)行PCB缺陷檢測并得出結(jié)果。算法流程如圖所示。

手動(dòng)檢測可以根據(jù)需要在采集圖像時(shí)直接通過控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)將CCD攝像頭運(yùn)動(dòng)到待測PCB板的主要部位，在進(jìn)行圖像處理時(shí)也可以根據(jù)圖像質(zhì)量來選擇與之 相適應(yīng)的圖像處理算法來實(shí)現(xiàn)，使系統(tǒng)具有交互性。自動(dòng)檢測初始化設(shè)置參數(shù)后，可以一鍵實(shí)現(xiàn)缺陷檢測得出檢測結(jié)果，減少了操作復(fù)雜度，也大大提高了檢測的速 度，使系統(tǒng)具有自動(dòng)化、操作簡單、速度快等優(yōu)點(diǎn)。本文結(jié)合二者于一體，使PCB缺陷自動(dòng)檢測系統(tǒng)更加優(yōu)秀，更加實(shí)用。

3.2 缺陷檢測

當(dāng)前印刷電路板缺陷檢測方法主要分為參考比較法、非參考比較法和混合法三大類，參考比較法將被測圖像和參考圖像進(jìn)行特征對(duì)特征的比較；非參考比較法不需要 任何的參考圖像，只是根據(jù)先前設(shè)計(jì)的規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)來判斷出是否有缺陷，如果不符合標(biāo)準(zhǔn)便認(rèn)為此有缺陷；混合法是參考比較法和非參考比較法綜合應(yīng)用。本文主要使 用參考比較法，通過檢測PCB圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行對(duì)比分析，判斷該P(yáng)CB板是否有缺陷。

3.3 缺陷識(shí)別

實(shí)際生產(chǎn)中PCB裸板上存在的典型的缺陷有：短路、斷路、凸起、凹陷、空洞等。

缺陷獲取后，并不能確定缺陷類型，還需要進(jìn)行缺陷識(shí)別。缺陷識(shí)別是根據(jù)各種缺陷的不同特征來判斷。常用的描述圖像特征有直方圖統(tǒng)計(jì)特征、紋理特征、二值圖 像特征。因?yàn)镻CB圖像灰度層次不豐富，電路模式均為幾何模式，因此本文采用二值圖像特征來識(shí)別缺陷。針對(duì)短路、斷路、凸起、凹坑、空洞幾類典型缺陷進(jìn)行 分類識(shí)別的主要缺陷特征有：（1）缺陷圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像中連通域數(shù)目有所不同；（2）缺陷圖的背景連通域面積與標(biāo)準(zhǔn)圖像不同；綜合上述特征1、2可將斷路、 短路、凸起、空洞和凹坑缺陷識(shí)別出來，見表1所示。

對(duì)于缺陷圖像上只有單個(gè)缺陷檢測過程如下：

（1）首先將缺陷圖像進(jìn)行閾值分割，得到的二值化圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像的二值化圖像進(jìn)行相加再取平均值，獲取缺陷連通域位置，并進(jìn)行位彩色編碼標(biāo)記。

（2）分別將缺陷圖和標(biāo)準(zhǔn)圖的閾值分割圖像進(jìn)行輪廓提取；（3）分別將缺陷圖和標(biāo)準(zhǔn)圖的輪廓提取圖像進(jìn)行連通域數(shù)目計(jì)算，獲得連通域數(shù)目；（3）分別將缺 陷圖和標(biāo)準(zhǔn)圖的輪廓提取圖像進(jìn)行背景連通域面積計(jì)算，獲得背景連通域面積大小，（4）根據(jù)表1判斷缺陷類型，并根據(jù)（1）獲取的缺陷位置標(biāo)記好缺陷并顯示 缺陷圖像。

3.4 結(jié)果分析

通過比較分析采用參考比較法對(duì)PCB板進(jìn)行缺陷識(shí)別。首先對(duì)PCB光板進(jìn)行異或運(yùn)算，提取缺陷特征；再對(duì)其進(jìn)行二值數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理，以去除虛假缺陷；然后 采用兩種圖像識(shí)別方式：一種通過比較運(yùn)算，再進(jìn)行偽彩色處理以凸顯缺陷，從而便于人工目測識(shí)別缺陷類型和位置；另一種是通過缺陷的目標(biāo)區(qū)域數(shù)特征、目標(biāo)區(qū) 域面積特征和缺陷邊界的封閉性特征對(duì)缺陷進(jìn)行樹狀逐級(jí)分層判斷，從而實(shí)現(xiàn)了PCB光板上常見的斷路、短路、凸起、凹坑和空洞缺陷的自動(dòng)識(shí)別。

4.結(jié)論

本文基于計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理設(shè)計(jì)了一個(gè)印刷電路板（PCB）缺陷自動(dòng)檢測系統(tǒng)，并對(duì)其功能進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)界面友好，操作簡單，檢測方法簡單，檢測過程迅速，檢測結(jié)果準(zhǔn)確。該系統(tǒng)為PCB缺陷的檢測提供了一個(gè)很好的解決方案，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。