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芯片尺寸/外觀篩選方案

2022-04-11 11:46:48 0

       芯片是電路的基本組成部分,有著廣泛的應用。傳統的人工檢測存在很多不足,視覺檢測尺寸測 量技術由此應運而生,視覺檢測由于自身具備高靈敏度、高精度及高耐用性的特性,對于提高工業自動 化水平和工業生產效率有極大助力。根據課題要求,以單片機芯片為研究對象,以檢測單片機芯片二維 平面上的尺寸,外觀,缺陷,質量,長寬,直徑,高度,精度,缺料,字符,劃傷,針腳,真圓度,毛刺為研究目標,設計了基于視覺檢測的單片機芯片檢測系統的硬件方案,硬件組成包 括光源與照明方式的選擇,以及相機與鏡頭的選擇。完成硬件平臺搭建后,同時制作了應用于相機標定 的標定板并在調試完成的硬件平臺上拍攝了三十張左右的標定圖片。

       利用MATLABR2016A作為系統的 軟件處理平臺,一方面應用MATLAB標定箱對標定圖做相機標定,另一方面編寫用于單片機芯片尺寸測 量的圖像處理代碼及測量代碼。其中,在圖像處理環節主要包括圖像濾波、二值化處理和邊緣提取等步 驟。單片機芯片的尺寸測量實驗完成后將實驗結果與真實尺寸的對比,可以看出構建的基于視覺檢測的 電子元器件外形尺寸測量系統滿足了課題設定目標。 


關鍵詞 

芯片尺寸,外觀,缺陷,質量,長寬,直徑,高度,精度,缺料,字符,劃傷,針腳,真圓度,毛刺檢測


1. 系統總體設計 本系統中的硬件設計所需要的設備有光源、相機、鏡頭和計算機,軟件設計所需要的平臺是 MATLAB R2016A,電子元件選用的是單片機芯片。系統硬件應用順序如圖 1 所示。

       系統總體方案的實施步驟是:首先選取適合電子元件尺寸測量的光源類型以及其對應的光照方式, 在完成照明方案設計后選擇合適的工業相機和鏡頭,將照明光源和相機、鏡頭固定在支架后,通過調節 相機與被測物體的距離、相機鏡頭的放大倍數和光圈大小,確保待測單片機芯片可以完整清晰地呈現在 計算機成像畫面中,至此系統硬件平臺的搭建工作完成。隨后在成像畫面中獲取對比度高的單片機芯片 灰度圖作為尺寸測量系統軟件部分的待處理圖片[5]。待處理的單片機芯片灰度圖在 MATLAB 軟件平臺 上經過圖像增強、圖像濾波、二值化、邊緣檢測等一系列圖像處理方法后通過像素點計算獲取芯片長寬 尺寸。


2. 硬件系統設計 照明方案設計對于視覺系統尤其重要,一方面可以提高采集到的圖像的清晰度,另一方面減少環境 光對測量系統的干擾。通過查閱資料和對比本課題實際測量的元器件尺寸,LED 燈的綜合性能最為優越; 同時,經過在實驗室環境下對各種光照方式實際對比,綜合考慮到照明效果與可操作性,本文最終在前 向照明、背向照明和環形照明這種光照方式;與 CMOS 相機相比,CCD 相機有著更高的分辨率和靈敏度, 本系統最終采用大恒圖像 MER-132-30GM 面陣 CCD 相機,它支持水平鏡像和垂直鏡像,可直接連接 HALCON、MERLIC、LabVIEW 等第三方軟件;鏡頭采用 COMPUTAR 公司生產的 M0824-MPW2 型號 鏡頭[6]?,F在主流的視覺處理軟件有:OpenCV、LabVIEW、HALCON、eVision、HexSight、RVB 以及 MATLAB。本課題選擇了 MATLAB 的 R2016a 版本作為系統軟件設計平臺,MATLAB 相比于其他圖像 處理軟件學習成本低同時集成了許多圖像處理函數,適合本科生選用作為畢業設計課題的開發軟件。選 擇好硬件后,將硬件湊齊簡單搭建平臺即可開始軟硬件調試以及后續工作。

3. 圖像處理總體方案 本章將重點介紹圖像預處理和邊緣提取的流程,流程圖如圖 2 所示,

包括圖像濾波、圖像二值化和 邊緣檢測以及邊緣檢測的替代處理方法,同時在這幾道流程中對比不同的算法帶來的效果差別,并挑選 出最適合單片機芯片尺寸測量的方法。 對比中值濾波、均值濾波和高斯濾波可以比較得出,高斯濾波的對于鄰域內各點的權重分配類似于 正態分布,所以高斯濾波對于服從正態分布的噪聲的抑制效果非常好。由于采集的單片機芯片圖像質量 較好,故三種濾波效果均非太明顯,最終采用高斯濾波。濾波效果如圖 3 所示,

并將其灰度反轉為圖像 二值化作準備,灰度反轉效果如圖 4 所示。

本課題對于單片機芯片的二值化處理,在使用最大類間方差 法、平均值法和直方圖閾值法后均未得出較理想的二值圖像結果,由于待測圖像樣本量比較少,根據人 工經驗選擇法的準則最終確定了閾值[7] [8]。確定閾值為 200,效果如圖 5 所示。 

在完成了上述一系列連通域處理步驟后,可以運用 MATLAB 軟件中最小外接矩形函數計算待測單 片機芯片的外接矩形,獲取單片機四個角點坐標為最終尺寸測量作鋪墊。單片機芯片最小外接矩形如圖 6

4. 電子元件尺寸測量實驗及分析 用棋盤格標定法將單片機芯片圖像中的尺寸轉變為現實的尺寸。棋盤格標定法的操作介于相機自標 定法和傳統相機標定法之間,沒有傳統相機標定繁瑣的步驟。 本系統采用 MATLAB 標定工具箱對相機進行標定,相機標定流程如圖 7 所示。

       利用相機內外參數將像素坐標轉換為物理坐標,分別對單片機芯片兩條長寬進行尺寸測算求平均值。 本實驗測量了四個不同型號單片機芯片的長度與寬度,并分別對四組長寬測量結果做誤差計算[9] [10]。 利用尺寸計算的雙邊求平均值的做法降低誤差,但通過對單片機芯片實際測量值與系統測量值的對比發 現仍然存在細微的誤差。對于單片機長度及寬度的終值計算僅依賴簡單的雙邊求平均方法,僅能有限的 降低誤差無法做到徹底消除誤差。


結論 

       尺寸檢測在工業中應用極其廣泛,而電子元器件是工業待檢測物體中占比重很大的門類。應用機器 視覺技術的尺寸檢測系統取代了以往的人工測量,節省了大量的人力與物力,為工業檢測技術的發展增 添了動力?;谝曈X檢測的電子元器件尺寸測量系統的測量對象是單片機芯片,系統主要包括相機標定、 圖像采集、圖像預處理與邊緣提取和芯片長寬尺寸測量等步驟,其重點在于圖像處理與尺寸測量兩個部 分。選型之后重點工作在對圖像處理方法的對比研究,包括圖像濾波、圖像二值化以及邊緣提取等步驟。 其中圖像濾波進行了對高斯濾波、均值濾波及中值濾波的對比分析,圖像二值化進行了對直方圖閾值法、 最大類間方差法及平均值法的對比分析并最終結合三種方法使用了人工經驗選擇法確定了圖像分割的閾 值。采用連通域處理的方法對圖像進行孔洞填充、邊界平滑以及面積過濾最終確定了單片機芯片的最小 外接矩形。最后完成對單片機芯片的尺寸測量并進行了誤差計算與分析。


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