摘 要：提出了基于IMAQ Vision Assistant的印刷電路板上電子元件缺件檢測(cè)方法。該方法首先對(duì)被檢測(cè)的印刷電路板圖像進(jìn)行校正，然后主要利用IMAQ Vision Assistant的模板匹配函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)印刷電路板上電子元件缺件的檢測(cè)。文中給出了應(yīng)用實(shí)例，結(jié)果表明該方法能有效地檢測(cè)出印刷電路板上電子元件缺件缺陷。 關(guān)鍵詞：IMAQ Vision Assistant;印刷電路板;模板匹配 [b][align=center]Inspection of missing electronic component on Printed Circuit Board based on IMAQ CHEN Fei，XU Xian-zhen，LU Ming-li，XIE Qi[/align][/b] Abstract: A method of inspection of missing electronic component on printed circuit board based on IMAQ Vision Assistant is proposed. Firstly, this method calibrates the inspected image of printed circuit board. Then, the pattern matching function of IMAQ Vision Assistant is mainly used to inspect the missing electronic component on printed circuit board. An application example is given, and the results indicate that this method is effective. Keyword: IMAQ Vision Assistant; printed circuit board; pattern matching 1　引言 　　印刷電路板（Printed Circuit Board，簡(jiǎn)稱為PCB）是目前電子相關(guān)產(chǎn)品的重要組件，而表面貼片技術(shù)（Surface Mount Technology，簡(jiǎn)記為SMT）是現(xiàn)今應(yīng)用在組裝印刷電路元件的主要方式。傳統(tǒng)的電子元件是針腳式的元件，而表面帖片技術(shù)則是將表面帖片元件（Surface Mount Device，簡(jiǎn)稱為SMD）直接置放在涂有錫膏的電路板上，然后再利用回焊的方式使元件固定于電路板的表面上[1]。盡管表面帖片技術(shù)已日漸成熟，貼片機(jī)的準(zhǔn)確性也在不斷地提高，但仍有許多的瑕疵存在于貼片制程中，小則會(huì)造成整個(gè)電路板的不穩(wěn)定，大則使整個(gè)電路板沒有任何功能，這給企業(yè)帶來的損失是相當(dāng)大的。在印刷電路板SMT元件的組裝過程中，容易產(chǎn)生的缺陷可以分為四個(gè)部分：缺件、歪斜、反向、焊錫不良，其中焊錫不良包含空焊或斷路、橋接或短路以及墓碑效應(yīng) [2]。 　　過去在對(duì)PCB表面元件缺陷的檢測(cè)上，大多采用傳統(tǒng)的人工目視檢測(cè)和電性檢測(cè)，這種檢測(cè)方法不但精度低，耗時(shí)多而且無法適應(yīng)高速的流水線作業(yè)。針對(duì)這一問題經(jīng)過努力產(chǎn)生了自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)（Automatic Optical Inspection，簡(jiǎn)稱為AOI）系統(tǒng)，由于其穩(wěn)定性高已成為新興的檢測(cè)方法之一。一般而言，不同的缺陷應(yīng)配有不同的檢測(cè)方法，因此文章針對(duì)于印刷電路板SMT元件中最常用的電阻、電容及IC等的缺件問題，提出了采用NI公司的IMAQ Vision Assistant 軟件進(jìn)行檢測(cè)的方法。文中首先對(duì)IMAQ Vision Assistant軟件的圖像校正函數(shù)模塊和模板匹配函數(shù)模塊作了簡(jiǎn)單介紹，繼而給出了關(guān)于PCB上電子元件缺件檢測(cè)的應(yīng)用實(shí)例，結(jié)果表明該方法能夠有效地檢測(cè)出缺件缺陷，同時(shí)該方法也可以檢測(cè)出元件的歪斜和反向缺陷。 2　IMAQ Vision Assistant的模板匹配函數(shù)模塊 　　IMAQ Vision 是LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)）內(nèi)置的視覺開發(fā)工具包，由NI公司提供。它包括IMAQ Vision Build 和IMAQ Vision Assistant。IMAQ Vision是一個(gè)功能強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)，提供了大量的圖像處理函數(shù)模塊和功能模塊，如圖像采集、圖像校準(zhǔn)、圖像處理、幾何測(cè)量等，包含了一系列MMX優(yōu)化函數(shù)。而且IMAQ Vision Assistant帶有的代碼自動(dòng)生成功能大大地縮短了開發(fā)周期，降低了成本[3]。 　　（1）模板匹配函數(shù)模塊的使用[4] 　　模板匹配是最重要的圖像分析工具之一。在IMAQ Vision Assistant 軟件中的模板匹配函數(shù)可以提供被檢測(cè)的圖像中與標(biāo)準(zhǔn)模板圖像相匹配的位置、匹配值等信息。使用該函數(shù)模塊需： 　　（a）　定義一個(gè)模板圖像（即給出標(biāo)準(zhǔn)模板圖像）; 　?。╞）　設(shè)置被檢測(cè)圖像的參數(shù)：（ⅰ）設(shè)置要尋找的與標(biāo)準(zhǔn)模板圖像相匹配的最大個(gè)數(shù)，該參數(shù)最大可以設(shè)為1000;（ⅱ）設(shè)置最小匹配值（匹配值的范圍為[0，1000]，1000表示完全匹配，0表示完全不匹配）：該值設(shè)的越大說明匹配時(shí)要求的相似程度越高，反之則越低。但若該值設(shè)置的過高，合格的印刷電路板將被作為有缺陷的處理。若設(shè)置的過低，有缺陷的印刷電路板將被作為合格品處理。因此該值的設(shè)置一定要符合實(shí)際要求;（ⅲ）設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)模板圖像與被檢測(cè)圖像中匹配區(qū)域允許存在的角度，可設(shè)置的范圍為[-α，+α]，α為0°到180°;該參數(shù)設(shè)置中，若又選中鏡相角度（Mirror Angle）,則標(biāo)準(zhǔn)模板圖像與被檢測(cè)圖像中匹配區(qū)域允許存在的角度范圍為[-α，+α]或[-（180-α），+（180-α）]。 　?。?）模板匹配方法及特點(diǎn) 　　傳統(tǒng)的模板匹配常采用互相關(guān)函數(shù)。其互相關(guān)函數(shù)的定義[4-6]如式（2-1）： 　　（2-1） 　　其中，w（x,y）是尺寸為 的標(biāo)準(zhǔn)模板圖像; f（x,y）是尺寸為的需檢測(cè)圖像。式（2-1）對(duì)于尋找單個(gè)匹配是沒有問題的，但若用到多重匹配中，其得到的結(jié)果受模板及需檢測(cè)圖像的光線（亮度）影響很大。該方法不僅處理速度較慢，而且對(duì)模板及需檢測(cè)圖像的大小比例和角度的變化也有很嚴(yán)格的限制。 　　IMAQ Vision Assistant的模板匹配函數(shù)模塊采用了歸一化的互相關(guān)系數(shù) ，定義如式（2-2）： 　　（2-2） 　　其中，是標(biāo)準(zhǔn)模板w像素的平均亮度，是待檢測(cè)圖像f的平均亮度; R的值為-1到1，與f和w的亮度無關(guān)。從式（2-2）中可以看出互相關(guān)過程是一系列乘法運(yùn)算操作，是相當(dāng)耗時(shí)的。如果在匹配時(shí)只對(duì)圖像中具有代表意義的部分進(jìn)行采樣，就可以大大減小要處理的信息量，從而加快了匹配的處理速度。IMAQ Vision Assistant模式匹配函數(shù)采用了非均勻采樣和圖像理解兩種技術(shù)來改善匹配速度。非均勻采樣是指對(duì)檢測(cè)圖像和標(biāo)準(zhǔn)模板進(jìn)行特殊采樣以減少空間分辨率。如，每隔一個(gè)像素采樣一次，檢測(cè)圖像和標(biāo)準(zhǔn)模板的尺寸將縮小為原來的1/4。匹配時(shí)只對(duì)縮減后的圖像進(jìn)行，匹配完成后在檢測(cè)圖像中僅將高匹配值的區(qū)域作為與標(biāo)準(zhǔn)模板相匹配的區(qū)域。圖像理解指IMAQ Vision Assistant 模板匹配函數(shù)使用智能采樣方法，即采樣時(shí)考慮邊緣像素和匹配區(qū)域像素的結(jié)合，并且考慮了檢測(cè)圖像的角度旋轉(zhuǎn)及縮放情況。因此，IMAQ Vision Assistant 模板匹配函數(shù)具有精度高、速度快、不受檢測(cè)圖像縮放和旋轉(zhuǎn)的影響、對(duì)亮度變化適應(yīng)性好的特點(diǎn)。 3　PCB上電子元件缺件檢測(cè) 　　為避免在采集印刷電路板圖像時(shí)由于不正確的聚焦或景深導(dǎo)致的圖像模糊不清（噪聲），因此在得到待檢測(cè)的PCB圖像時(shí)首先對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理——圖像校正。IMAQ Vision Assistant提供的圖像校正函數(shù)模塊有Calibrate image, Calibrate from image 和Image Correction。Calibrate image 函數(shù)模塊的功能是將圖像校正為符合實(shí)際測(cè)量需要的圖像;Calibrate from image函數(shù)模塊要求有一幅包含了校正信息的圖像作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，然后把需校正的圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)圖像的校正。Image Correction函數(shù)模塊的功能是將通過Calibrate image或Calibrate from image函數(shù)校正所得到的扭曲的圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榉弦蟮膱D像。本研究中采用了Calibrate image 函數(shù)。 　　對(duì)印刷電路板上的電子元件缺件檢測(cè)中主要運(yùn)用了IMAQ Vision Assistant 提供的模板匹配函數(shù)模塊（Pattern matching）。首先按第2部分所介紹的先定義好待檢測(cè)元件的標(biāo)準(zhǔn)模板，然后進(jìn)行參數(shù)設(shè)置：在Number of Matches of Find 中設(shè)置為10;在Minimum Score 中設(shè)置為600;并選中Search for Rotated Patterns，Angle Range 為180。這樣不僅可以得到缺件的信息，而且可以知道在貼片制程中是否出現(xiàn)元件反向問題。以上信息可以通過IMAQ Vision Assistant 導(dǎo)出的報(bào)表文件得到，如圖2、圖3所示。圖1為所檢測(cè)PCB合格品圖像。圖2和3所示為不合格產(chǎn)品圖像，其中，圖2為缺件情況，在電子元件缺件情況下，報(bào)表中沒有任何數(shù)據(jù)。圖3為電子元件反向情況。從報(bào)表中我們可以看到與標(biāo)準(zhǔn)模板相匹配的元件其中心所在的位置為（358.101，245.796），與標(biāo)準(zhǔn)模板的匹配值為753和與標(biāo)準(zhǔn)模板所成的角度為181.856度，知該電子元件存在反向缺陷。當(dāng)然通過角度值我們還可以判斷電子元件歪斜缺陷。 4　結(jié)論 　　通過實(shí)例表明基于IMAQ Vision Assistant 的印刷電路板上電子元件缺件檢測(cè)方法是可行的，有效的，且易于實(shí)現(xiàn)的。該方法具有速度快、精度高、抗噪能力強(qiáng)、不受圖像縮放和旋轉(zhuǎn)的影響及對(duì)光線亮度變化不敏感等優(yōu)點(diǎn)。借助于IMAQ Vision Assistant 功能強(qiáng)大的圖像處理函數(shù)庫(kù)，縮短了用圖像處理方法檢測(cè)PCB上電子元件缺件缺陷的開發(fā)周期，并降低了成本。本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)是將NI公司的機(jī)器視覺軟件之一的IMAQ Vision Assistant 應(yīng)用于對(duì)PCB電子元件缺件缺陷的檢測(cè)中。 參考文獻(xiàn)： 　　[1]　蔡典霖，蘇家興，林士杰應(yīng)用類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)于印刷電路板表面元件之機(jī)械視覺檢測(cè). 第四屆精密機(jī)械制造研討會(huì)，2004 　　[2]　周志賢，鄭景鴻，林士杰. 應(yīng)用次像素插值方法改善印刷電路板缺陷直接檢測(cè)之可行性評(píng)估. 第四屆精密機(jī)械制造研討會(huì)，2004 　　[3] 張嘏偉，錢東平，王建新等.　虛擬儀器的計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用[J]，微計(jì)算機(jī)信息，2005，第21卷，11-1：136-138 　　[4]　IMAQ Vision Concepts Manual[M]. 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