貼片機視覺系統構成原理及其視覺定位

貼片機視覺系統構成原理及其視覺定位

鐘江生1，李秦川2，夏毓鵬1，劉宏昭2

（1、深圳職業技術學院 機電工程學院，深圳 518055 2、西安理工大學 機械與精密儀器學院，西安 710048）

摘要：闡述貼片機視覺系統的基本構成及實現原理。介紹了影像處理技術在其中的應用，並討論了對Chip元件的定位演算法。 關鍵詞：貼片機，表面貼裝技術，飛行視覺，視覺定位 中圖分類號：TP391.41 文獻標識碼：A 文章編號：1004－4507（2005）12－0026－04 隨著人們對小型化、輕型化電子產品的不斷追求，市場上對貼片機的需求也越來越大。目前國內對電子元器件自動貼裝的關鍵技術研究尚處在起步階段，特別是在速度和精度方面與國外先進水平相比有明顯差距[1，2]。視覺對中系統作為貼片機的關鍵技術之一，決定了貼片機的貼裝能力，直接影響著貼片機的貼裝精度和速度。因此，研究基於貼片機的視覺對中系統很有必要。 本文闡述了貼片機視覺系統的構成原理，並提出了針對Chip元件對中的行之有效具體演算法。 1 貼片機視覺系統構成及實現原理 1所示，貼片機視覺系統一般由兩類CCD攝像機組成。其一是安裝在吸頭上並隨之作x－y方向移動的基準（MARK）攝像機，它通過拍攝PCB上的基準點來確定PCB板在系統座標系中的座標；其二是檢測對中攝像機，用來擷取元件中心相對於吸嘴中心的偏差值和元件相對於應貼裝位置的轉角θ。最後通過攝像機之間的座標變換找出元件與貼裝位置之間的精確差值，完成貼裝任務。 1.1 系統的基本組成 視覺系統的基本組成2所示。該系統由三台相互獨立的CCD成像單元、光源、映像採集卡、影像處理專用電腦、主控電腦系統等單元組成，為了提高視覺系統的精度和速度，把檢測對中像機設計成為針對小型Chip元件的低分辨力攝像機CCD1和針對大型IC的高分辨力攝像機CCD2，CCD3為MARK點搜尋攝像機。當吸嘴中心到達檢測對中像機的視野中心位置時發出觸發訊號擷取映像，在觸發的同時對應光源閃亮一次。 1.2 系統各座標系的關係 為了能夠精確的找出待貼元件與目標位置之間的實際偏差，必須對景物、CCD攝像機、CCD成像平面和顯示屏上像素座標之間的關係進行分析，以便將顯示螢幕像素座標系的點與情境座標系中的點聯絡起來；並通過影像處理軟體分析計算出待貼元件中心相對於吸嘴中心的偏差值。 對於單台攝像機，針孔模型是適合於很多電腦視覺應用的最簡單的近似模型[3]。攝像機完成的是從3D射影空間P3到2D射影空間P2的線性變換，其幾何關係3所示，為便於進一步解釋，定義如下4個座標系統： （1）歐氏情境座標系（下標為w）：原點在OW，點X和U用情境座標系來表示。 （2）歐氏攝像機座標系（下標為c），原點在焦點C＝Oc，座標軸Zc與光軸重合并指向映像平面外。在情境座標系和攝像機座標系之間存在著唯一的關係，可以通過一個平移t和一個旋轉R構成的歐氏變換將情境座標系轉化為攝像機座標。其關係如式（1）所示： （3）歐氏映像座標系（下標為i），座標軸與攝像機座標系一致，Xi和Yi位於映像平面上，Oi像素座標系的座標為（xp0，yp0）。 （4）像素座標系（下標為P），它是影像處理過程中使用的座標系。在本系統中與歐氏映像座標系方向相同，但原點座標不同，尺度不同。 情境點Xc投影到映像平面π上是點Uc（uc，vc，-f）。通過相似三角形來可以匯出它們之間的座標關係： 由於視野小，採用的鏡頭畸變非常低，可將Uc直接簡化為等於歐氏映像座標系下的座標，讓uc＝ui，vc＝vi，而ui＝（up－xp0）δ， vi＝（vp－yp0）δ，δ為單個像素的大小。 這樣可以得到歐氏情境座標系和歐氏映像座標系之間的映射關係： 由於在該系統中各攝像機之間是相互獨立的，所以各路成像出來的座標都可以轉換為同一情境座標下的座標。 1.3 系統實現原理 貼片機視覺系統工作原理4所示。當一塊新的待貼裝PCB板通過送板機構傳送到指定位置固定起來，安裝在貼標題上的基準攝像機CCD3在相應的地區通過Image Recognition演算法搜尋出MARK點，並通過（3）式計算出其在歐氏情境座標系中的座標。接下來將相應的元器件應貼裝的位置資料送給主控電腦。利用對中檢測攝像機（CCD1，CCD2）對元器件檢測，得到其在顯示螢幕座標系下的座標及轉角值，再通過（3）式轉換為情境座標系下的座標，與目標位置比較，得到貼裝頭應移動的位置和轉角。 2 影像處理 2.1 映像預先處理 映像預先處理的目的是改善映像資料，抑制不需要的變形或者增強某些對於後續處理重要的映像特徵。由於SMT生產現場的非潔淨因素造成CCD鏡頭上的塵埃等，易給映像帶來較大的外界雜訊。另外，映像的採集過程中也不可避免地引入了來自光路擾動、系統電路失真等雜訊。因此，對映像進行預先處理以消除這些雜訊的影響是非常必要的。 對雜訊平滑方法主要的要求是：既能有效地減少雜訊，又不致引起邊緣輪廓的模糊，同時還要求運算速度快。常規的方法有高斯濾波、均值濾波、Lee濾波、中值濾波、邊緣保持濾波等。 中值濾波是一種較少邊緣模糊的非線性平滑方法，它的基本思想是用鄰域中亮度的中值代替映像的當前點，是一種能夠在去除脈衝雜訊、椒鹽雜訊的同時又能保留映像邊緣細節的平滑方法。並且由於中值濾波不會明顯的模糊邊緣，因此可以迭代使用。顯然，在每個像素上都要對一個矩陣（通常是3×3）內部的所有像素進行排序，這樣開銷會很大。一個更有效演算法[4]（由T S Huang等人提出）是注意到當視窗沿著行移動一列時，視窗內容的變化只是丟掉了最左邊的列而取代為在右側的一個新的列。對於m行n列的中值視窗，m×n－2×m個像素沒有變化，並不需要重新排序，具體的演算法為： （1）設定th＝mn/2； （2）將視窗移至一個新的行的開始，對其內容排序，建立視窗像素的長條圖H，確定其中值Med，記下亮度等於或小於Med的像素數目LMed； （3）對於最左列亮度是Pg的每個像素P做：H[Pg]＝H[Pg]－1； （4）將視窗右移一列，對於最右列亮度是Pg的每個像素P做：H[Pg]＝H[Pg]＋1，如果Pg＜Med，置LMed＝LEed＋1； （5）如果LMed＞th 側轉（6），重複 LMed＝LMed＋H[Med] Med＝Med＋1直到LMed≥th，則轉（7）； （6）重複Med＝Med－1，LMed＝LMed－H[Med]直到LMed≤th； （7）如果視窗的右側列不是映像的右邊界轉（3）； （8）如果視窗的底行不是映像的下邊界轉（2）； 2.2 映像分割 閾值法是一種傳統的映像分割方法，因其實現簡單、計算量小、效能較穩定而成為映像分割中最基本和應用最廣泛的分割技術，已被應用於很多的領域。在這些應用中，分割是對映像進一步分析、識別的前提，分割的準確性直接影響後續任務的有效性，其中閾值的選取是映像閾值分割方法中的關鍵技術。 由Otsu於1978年提出的最大類間方差法[5]以其計算簡單、穩定有效，一直廣為使用。從模式識別的角度看，最佳閾值應當產生最佳的目標類與背景類的分離效能，此效能用類別方差來表徵，為此引入類內方差σ2W、類間方差σ2B和總體方差σ2T ,並定義3個等效的準則測量： 鑒於計算量的考慮，一般通過最佳化第三個準則擷取閾值。在實際運用中，使用以下簡化計算公式： 其中：σ2為兩類間最大方差，WA為A類機率，μa為A類平均灰階，WB為B類機率，μb為B類平均灰階，μ為映像總體平均灰階。 即閾值T將映像分成A、B兩部分，使得兩類總方差σ2（T）取最大值的T，即為最佳分割閾值。 2.3 Image Recognition定位 地區的矩表示把一個歸一化的灰階級映像函數理解為一個二維隨機變數的機率密度。這個隨機變數的屬性可以用統計特徵--矩（Moment）[6]來描述。通過假設非零的像素值表示地區，矩可以用於二值或灰階的地區描述。數位影像的（p＋q）階矩可以通過下式來計算： 其中 i，j是地區點的像素座標，f（i，j）是映像地區的灰階值。那麼映像地區的質心（對二值化後繪圖區域即為中心）的座標可以通過下面的關係來得到。 Chip元件的長寬比2：1，因此二值化後的地區是細長的，定義地區的方向為最小外接矩形的最長邊方向。根據映像中心矩可以通過下式來計算地區方向。 其中： 2.4 實驗結果 針對本文提出的貼片視覺系統Chip元件對中校準影像處理方法，在VC＋＋6.0環境下進行了實驗，表1是對0402的片式元件在同一位置下，不同光照的4次模擬實驗結果，可以看出影像處理取得了滿意的結果，誤差範圍在允許範圍內，影像處理的時間在100ms以內，能夠滿足貼片機對即時性的要求。 3 結語 本文在闡述了貼片機視覺系統構成的基礎上，提出了一種非常簡單的針對Chip元件的對中方法，實驗證明，該方法能夠滿足中速貼片機即時性和精度方面的要求具有先進和實用的特點。

本文摘自《電子工業專用裝置》