CN106327496B - 基于aoi的pcb裸板盲孔缺陷的检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于AOI的PCB裸板盲孔缺陷检测系统及方法，用于解决现有检测系统及方法中存在的弱光照环境下盲孔检测准确率低的技术问题，检测系统包括依次相连的图像采集单元、图像预处理单元、文件预处理单元、参数读取单元、盲孔检测单元和误差计算单元；该系统首先采集待测PCB裸板的扫描图像，通过预处理得到二值图像，接着读取标准PCB裸板的设计文件信息，根据标准PCB裸板的设计文件信息，检测二值图像中所有盲孔的坐标及半径，最后计算待测PCB裸板扫描图像上所有盲孔的误差。本发明在弱光照环境下的检测准确率高，且系统成本低，可用于电路板加工环境中盲孔缺陷的检测。

Description

基于AOI的PCB裸板盲孔缺陷的检测系统及方法

技术领域

本发明属于电路板检测技术领域，涉及图形图像处理技术，具体涉及一种基于AOI的PCB裸板盲孔缺陷的检测系统及方法，可用于电路板加工环境中盲孔缺陷的检测。

背景技术

印制电路板(PCB，Printed Circuit Board)，是电子元器件电气连接的提供者。它是现代信息产业的基础，中小型设备从电子手表、电动玩具到电视机、智能家用电器，再到电子通讯设备、军事武器系统、航天飞机等大型设备都离不开它，它在生活、社会、交通、航天等方面发挥着重大作用。随着电子工业和表面贴装技术的发展，印刷电路板正朝着高密度、轻量型方向发展。随着PCB体积越来越小，复杂度越来越高，同时给PCB质量检测带来困难与挑战。现有的PCB缺陷检测方法按检测对象可分为两大类：一是对无贴装电路元器件的裸板进行检测，它主要检测电路板上线路的导通性、通孔及盲孔是否符合规格等；二是对已贴装电路元器件的PCB检测，主要检测电路焊接质量、焊锡剂量和PCB组件贴装质量等方面。第二种检测以PCB裸板为基础，裸板质量严重影响贴装电路板的质量，故对PCB裸板质量的检测有着重大意义。

现有的PCB裸板盲孔缺陷检测方法有三种：人工目测、电子检测和自动光学检测(AOI,Automated Optical Inspection)。人工目测是由检测人员借助放大镜或投影仪通过肉眼检测盲孔是否存在缺陷；常用的电子检测装置主要有针床式检测和飞针式检测；自动光学检测是利用高分辨率相机和特殊光源取得PCB板图像，经过灰度化、二值处理、特征提取、特征检测和模板匹配来自动检测PCB板上的盲孔缺陷，具有稳定可靠、高精度、高效率等优点，成为应用最广泛的盲孔缺陷检测方法。

例如，中国专利申请，申请公布号为CN105486698A，发明名称为“AOI自动检测设备和检测方法”的专利申请，公开了一种AOI自动检测设备和检测方法，AOI自动检测设备主要包括机架，机架内部设置有传输装置，机架顶部设置有CCD相机，CCD相机的镜头朝向传输装置，在CCD相机与传输装置之间还设置有光源罩，CCD相机能穿过光源罩的通孔对传输装置上的产品进行照相，在光源罩内部设置有光源，还包括控制处理器，控制处理器与CCD相机连接，机架上还设置有显示器，显示器与控制处理器连接；AOI自动检测方法，包括图像采集模块，坐标分析模块，图像处理模块，良品图片存储模块、不良区域记录模块和显示模块。

由于AOI系统采用高分辨率相机和特殊光源获取PCB图像，弱光照环境下采集到的PCB图像质量不高、光学特征点不明显，不经亮度增强、倾斜校正操作，直接运用模板匹配进行检测，导致在弱光照环境下盲孔检测的准确率低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种基于AOI的PCB裸板盲孔缺陷检测系统及方法，用于解决现有检测系统及方法中存在的弱光照环境下盲孔检测准确率低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于AOI的PCB裸板盲孔缺陷的检测系统，包括依次相连的图像采集单元、图像预处理单元、文件预处理单元、参数读取单元、盲孔检测单元和误差计算单元，其中：

图像采集单元，用于获取待测PCB裸板扫描图像；

图像预处理单元，用于对待测PCB裸板扫描图像进行预处理；

文件预处理单元，用于读取标准PCB裸板设计文件中的坐标值表示形式、安装孔信息和盲孔信息；

参数读取单元，用于读取扫描仪的分辨率和已输入的待测PCB裸板扫描图像盲孔的误差计算方式；

盲孔检测单元，包括依次相连的特征点检测模块、盲孔区域估算模块和盲孔检测模块；特征点检测模块，用于检测安装孔的圆心位置，并将其作为待测PCB裸板扫描图像的特征点；盲孔区域估算模块，用于估算待测PCB裸板扫描图像上不同盲孔所在的区域；盲孔检测模块，用于检测所有盲孔的圆心和半径；

误差计算单元，用于计算待测PCB裸板扫描图像上所有盲孔的加工误差。

上述基于AOI的PCB裸板盲孔缺陷的检测系统，图像预处理单元，包括依次相连的灰度化模块、图像增强模块、倾斜校正模块、裁剪模块和二值化模块；灰度化模块，用于对待测PCB裸板扫描图像进行灰度化；图像增强模块，用于对经过灰度化的扫描图像进行亮度增强；倾斜校正模块，用于对亮度增强后的扫描图像进行校正；裁剪模块，用于裁剪待测PCB裸板扫描图像的毛边，以获取待测PCB裸板扫描图像的子图像；二值化模块，用于对待测PCB裸板扫描图像的子图像进行二值化，以获取待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像。

上述基于AOI的PCB裸板盲孔缺陷的检测系统，待测PCB裸板扫描图像，保存为位图格式。

一种基于AOI的PCB裸板盲孔缺陷的检测方法，包括如下步骤：

(1)对待测PCB裸板进行扫描，得到待测PCB裸板扫描图像；

(2)图像预处理单元对待测PCB裸板扫描图像进行预处理，得到待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像，实现步骤为：

(2a)灰度化模块对待测PCB裸板扫描图像进行灰度化，得到灰度图像；

(2b)图像增强模块对灰度图像进行亮度增强，得到增强图像；

(2c)倾斜校正模块对增强图像进行倾斜校正，得到校正图像；

(2d)裁剪模块对校正图像的毛边进行裁剪，得到待测PCB裸板扫描图像的子图像；

(2e)二值化模块对待测PCB裸板扫描图像的子图像进行二值化，得到待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像；

(3)文件预处理单元读取标准PCB裸板设计文件中的坐标值表示形式、安装孔圆心坐标、盲孔加工误差范围、同一方向上同类盲孔且相邻盲孔间距相同的首个盲孔信息，并计算同一方向上同类盲孔且相邻盲孔间距相同的最后一个盲孔圆心坐标和任意两个安装孔间的距离；

(4)参数读取单元读取扫描仪的分辨率和已输入的待测PCB裸板扫描图像盲孔的误差计算方式；

(5)盲孔检测单元对待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像进行检测，得到所有盲孔的圆心坐标及半径，实现步骤为：

(5a)特征点检测模块对待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像中所有安装孔的圆心坐标进行检测，得到待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像的多个特征点，并计算多个特征点中与步骤(3)中计算的任意两个安装孔间距离对应的两个特征点之间的距离，得到两个特征点之间的距离与步骤(3)中计算的任意两个安装孔间的距离的映射关系；

(5b)盲孔区域估算模块，计算标准PCB裸板设计文件中任意两个安装孔分别到标准PCB裸板设计文件中同一方向上同类盲孔且相邻盲孔间距相同的首个盲孔之间的距离，和到步骤(3)中计算的同一方向上同类盲孔且相邻盲孔间距相同的最后一个盲孔圆心坐标之间的距离，得到标准PCB裸板设计文件中四个距离值，并根据步骤(5a)得到的映射关系，计算待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像中与标准PCB裸板设计文件中四个距离值对应的四个距离值，然后计算待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像中同一方向上同类且相邻盲孔间距相同的所有盲孔所在的多个图像区域；

(5c)盲孔检测模块对步骤(5b)中计算的多个图像区域进行检测，得到待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像中所有盲孔的圆心坐标及半径，并将其写入文件；

(6)误差计算单元根据步骤(4)中扫描仪的分辨率和已输入的待测PCB裸板扫描图像盲孔的误差计算方式，计算待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像中所有盲孔的加工误差值；

(7)根据步骤(3)中读取的标准PCB裸板设计文件中的盲孔加工误差范围，对步骤(6)计算的待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像中所有盲孔的加工误差值进行判定，得到待测PCB裸板盲孔的检测结果。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明由于对待测PCB裸板扫描图像经过灰度化模块、亮度增强模块、倾斜校正模块、裁剪模块、二值化模块和特征点检测模块进行了灰度化、亮度增强、倾斜校正、裁剪、二值化和特征点检测操作得到了特征点明显的二值图像，并根据特征点和盲孔区域估算模块计算了盲孔所在的区域，减少了盲孔区域外部对检测盲孔时的噪声干扰，与现有技术相比，有效的提高了在弱光照环境下盲孔检测的准确率。

2.本发明的图像采集单元，采用扫描仪扫描待测PCB裸板，生成待测PCB裸板扫描图像，与现有技术采用的高分辨率相机和特殊光源相比，降低了系统成本。

附图说明

图1是本发明检测系统的结构示意图；

图2是本发明检测方法的实现流程框图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

参照图1，本发明的检测系统包括依次相连的图像采集单元、图像预处理单元、文件预处理单元、参数读取单元、盲孔检测单元和误差计算单元，其中：

图像采集单元，用于获取待测PCB裸板扫描图像；

图像预处理单元，用于对待测PCB裸板扫描图像进行预处理；

文件预处理单元，用于读取标准PCB裸板设计文件中的坐标值表示形式、安装孔信息和盲孔信息；

参数读取单元，用于读取扫描仪的分辨率和已输入的待测PCB裸板扫描图像盲孔的误差计算方式；

盲孔检测单元，包括依次相连的特征点检测模块、盲孔区域估算模块和盲孔检测模块；特征点检测模块，用于检测安装孔的圆心位置，并将其作为待测PCB裸板扫描图像的特征点；盲孔区域估算模块，用于估算待测PCB裸板扫描图像上不同盲孔所在的区域；盲孔检测模块，用于检测所有盲孔的圆心和半径；

误差计算单元，用于计算待测PCB裸板扫描图像上所有盲孔的加工误差值。

参照图2，本发明检测的方法包括如下步骤：

步骤1，对待测PCB裸板进行扫描，得到待测PCB裸板扫描图像，实施例对四角具有四个安装孔、正面有3排同类盲孔且每排相邻盲孔间距相同的长方形PCB裸板进行扫描；

步骤2，图像预处理单元，对待测PCB裸板扫描图像进行预处理，得到待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像，实现步骤为：

步骤2a，灰度化模块，待测PCB裸板扫描图像进行灰度化，得到灰度图像，实施例利用灰度平均值法对待测PCB裸板扫描图像进行灰度化，以将三通道彩色图像转为单通道灰度图像，减少图像信息；

步骤2b，图像增强模块，对灰度图像进行亮度增强，得到增强图像，实施例利用灰度拉伸法对灰度图像进行亮度增强，以去除图像采集时光照对图像质量的影响；

步骤2c，倾斜校正模块，对增强图像进行倾斜校正，得到校正图像，实施例利用Hough变换法检测到的倾斜角度，对增强图像进行倾斜校正，以排除倾斜图像对裁剪操作的干扰；

步骤2d，裁剪模块，对校正图像的毛边进行裁剪，得到待测PCB裸板扫描图像的子图像，实施例裁掉校正图像中不包含电路板信息的无效区域，进一步减少图像信息，排除无效区域的干扰；

步骤2e，二值化模块，对待测PCB裸板扫描图像的子图像进行二值化，实施例利用自适应阈值法对待测PCB裸板扫描图像的子图像进行二值化，以得到噪声少的待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像；

步骤3，文件预处理单元读取标准PCB裸板设计文件中的坐标值表示形式、安装孔圆心坐标、盲孔加工误差范围、同一方向上同类盲孔且相邻盲孔间距相同的首个盲孔信息，并计算同一方向上同类盲孔且相邻盲孔间距相同的最后一个盲孔圆心坐标和任意两个安装孔间的距离，实施例读取标准PCB裸板设计文件中的坐标值表示形式：2位表示整数位和5位表示小数位，位于电路板四角的安装孔的坐标，盲孔加工误差范围，水平方向上每排首个盲孔的信息，计算得到水平方向上每排最后一个盲孔的坐标，并计算左上角安装孔到右下角安装孔间的距离；

步骤4，参数读取单元读取扫描仪的分辨率和已输入的待测PCB裸板扫描图像盲孔的误差计算方式，实施例读取的扫描仪分辨率为60，误差计算方式为绝对误差；

步骤5，盲孔检测单元对待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像进行检测，得到所有盲孔的圆心坐标及半径，实现步骤为：

步骤5a，特征点检测模块利用连通域检测方法对待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像中所有安装孔的圆心坐标进行检测，得到待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像的多个特征点，并计算多个特征点中与步骤3中计算的任意两个安装孔间距离对应的两个特征点之间的距离，得到两个特征点之间的距离与步骤3中计算的任意两个安装孔间的距离的映射关系，实施例利用连通域检测算法对四角的安装孔进行检测，得到亚像素级的检测结果，以减小计算误差，计算待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像中左上角安装孔到右下角安装孔间的距离，根据步骤3中左上角安装孔到右下角安装孔间的距离，得到距离映射关系；

步骤5b，盲孔区域估算模块，计算标准PCB裸板设计文件中任意两个安装孔分别到标准PCB裸板设计文件中同一方向上同类盲孔且相邻盲孔间距相同的首个盲孔之间的距离，和到步骤3中计算的同一方向上同类盲孔且相邻盲孔间距相同的最后一个盲孔圆心坐标之间的距离，得到标准PCB裸板设计文件中四个距离值，并根据步骤5a得到的映射关系，计算待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像中与标准PCB裸板设计文件中四个距离值对应的四个距离值，然后计算待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像中同一方向上同类且相邻盲孔间距相同的所有盲孔所在的多个图像区域，实施例计算标准PCB裸板上左端两个安装孔到每排首个盲孔间的两个距离，右端两个安装孔到每排最后一个盲孔的两个距离，根据步骤5a得到的映射关系，将四个距离转换为待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像上左端两个安装孔到每排首个盲孔间的两个距离，右端两个安装孔到每排最后一个盲孔的两个距离，根据两圆相交的交点公式，计算出待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像上每排首个和最后一个盲孔的坐标，从而得到每排盲孔所在的图像区域；

步骤5c，盲孔检测模块对步骤5b中计算的多个图像区域进行检测，得到待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像中所有盲孔的圆心坐标及半径，并将其写入文件；

步骤6，误差计算单元根据步骤4中扫描仪的分辨率和已输入的待测PCB裸板扫描图像盲孔的误差计算方式，计算待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像中所有盲孔的加工误差值；

步骤7，根据步骤3中读取的标准PCB裸板设计文件中的盲孔加工误差范围，对步骤6计算的待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像中所有盲孔的加工误差值进行判定，得到待测PCB裸板盲孔的检测结果。

上述基于AOI的PCB裸板盲孔缺陷的检测方法，步骤2e中所述的对待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像进行二值化，采用自适应阈值方法实现，自适应阈值方法会根据每幅图像的灰度动态计算每幅图像的最佳阈值，得到噪声少的二值图像。

上述基于AOI的PCB裸板盲孔缺陷的检测方法，步骤5c中所述的对多个图像区域进行检测，采用连通域检测方法实现，连通域检测方法可以检测二值图像上所有的白色像素区域，同时可以忽略盲孔的变形，得到亚像素级的检测结果。

上述基于AOI的PCB裸板盲孔缺陷的检测方法，步骤5a中所述的对待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像中所有安装孔的圆心坐标进行检测，同样采用连通域检测方法实现。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明的内容和原理后，都可能在不背离本发明的原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于AOI的PCB裸板盲孔缺陷的检测方法，是通过包括依次相连的图像采集单元、图像预处理单元、文件预处理单元、参数读取单元、盲孔检测单元和误差计算单元的检测系统实现的，包括如下步骤：

(1)对待测PCB裸板进行扫描，得到待测PCB裸板扫描图像；

(2)图像预处理单元，对待测PCB裸板扫描图像进行预处理，得到待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像，实现步骤为：

(2a)灰度化模块，对待测PCB裸板扫描图像进行灰度化，得到灰度图像；

(2b)图像增强模块，对灰度图像进行亮度增强，得到增强图像；

(2c)倾斜校正模块，对增强图像进行倾斜校正，得到校正图像；

(2d)裁剪模块，对校正图像的毛边进行裁剪，得到待测PCB裸板扫描图像的子图像；

(2e)二值化模块，对待测PCB裸板扫描图像的子图像进行二值化，得到待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像；

(3)文件预处理单元，读取标准PCB裸板设计文件中的坐标值表示形式、安装孔圆心坐标、盲孔加工误差范围、同一方向上同类盲孔且相邻盲孔间距相同的首个盲孔信息，并计算同一方向上同类盲孔且相邻盲孔间距相同的最后一个盲孔圆心坐标和任意两个安装孔间的距离；

(4)参数读取单元，读取扫描仪的分辨率和已输入的待测PCB裸板扫描图像盲孔的误差计算方式；

(5)盲孔检测单元，对待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像进行检测，得到所有盲孔的圆心坐标及半径，实现步骤为：

(5a)特征点检测模块，对待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像中所有安装孔的圆心坐标进行检测，得到待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像的多个特征点，并计算多个特征点中与步骤(3)中计算的任意两个安装孔间距离对应的两个特征点之间的距离，得到两个特征点之间的距离与步骤(3)中计算的任意两个安装孔间的距离的映射关系；

(5b)盲孔区域估算模块，计算标准PCB裸板设计文件中任意两个安装孔分别到标准PCB裸板设计文件中同一方向上同类盲孔且相邻盲孔间距相同的首个盲孔之间的距离，和另外任意两个安装孔分别到步骤(3)中计算的同一方向上同类盲孔且相邻盲孔间距相同的最后一个盲孔圆心坐标之间的距离，得到标准PCB裸板设计文件中四个距离值，并根据步骤(5a)得到的映射关系，计算待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像中与标准PCB裸板设计文件中四个距离值对应的四个距离值，然后计算待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像中同一方向上同类且相邻盲孔间距相同的所有盲孔所在的多个图像区域；

(5c)盲孔检测模块对步骤(5b)中计算的多个图像区域进行检测，得到待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像中所有盲孔的圆心坐标及半径，并将其写入文件；

(6)误差计算单元根据步骤(4)中扫描仪的分辨率和已输入的待测PCB裸板扫描图像盲孔的误差计算方式，计算待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像中所有盲孔的加工误差值；

(7)根据步骤(3)中读取的标准PCB裸板设计文件中的盲孔加工误差范围，对步骤(6)计算的待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像中所有盲孔的加工误差值进行判定，得到待测PCB裸板盲孔的检测结果。

2.根据权利要求1所述的基于AOI的PCB裸板盲孔缺陷的检测方法，其特征在于，步骤(2e)中所述的对待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像进行二值化，采用自适应阈值方法实现。

3.根据权利要求1所述的基于AOI的PCB裸板盲孔缺陷的检测方法，其特征在于，步骤(5c)中所述的对多个图像区域进行检测，采用连通域检测方法实现。

4.根据权利要求1所述的基于AOI的PCB裸板盲孔缺陷的检测方法，其特征在于，步骤(5a)中所述的对待测PCB裸板扫描图像的黑白子图像中所有安装孔的圆心坐标进行检测，采用连通域检测方法实现。