摘要：闡述貼片機視覺系統(tǒng)的基本構(gòu)成及實現(xiàn)原理。介紹了圖像處理技術(shù)在其中的應(yīng)用，并討論了對Chip元件的定位算法。

關(guān)鍵詞：貼片機，表面貼裝技術(shù)，飛行視覺，視覺定位

中圖分類號：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)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(chǎn)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(nèi)對電子元器件自動貼裝的關(guān)鍵技術(shù)研究尚處在起步階段，特別是在速度和方面與國外先進水平相比有明顯差距[1，2]。視覺對中系統(tǒng)作為貼片機的關(guān)鍵技術(shù)之一，決定了貼片機的貼裝能力，直接影響著貼片機的貼裝和速度。因此，研究基于貼片機的視覺對中系統(tǒng)很有必要。

本文闡述了貼片機視覺系統(tǒng)的構(gòu)成原理，并提出了針對Chip元件對中的行之有效的具體算法。

1 貼片機視覺系統(tǒng)構(gòu)成及實現(xiàn)原理

如所示，貼片機視覺系統(tǒng)一般由兩類CCD攝像機組成。其一是安裝在吸頭上并隨之作x－y方向移動的基準(zhǔn)（MARK）攝像機，它通過拍攝PCB上的基準(zhǔn)點來確定PCB板在系統(tǒng)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；其二是檢測對中攝像機，用來獲取元件中心相對于吸嘴中心的偏差值和元件相對于應(yīng)貼裝位置的轉(zhuǎn)角θ。通過攝像機之間的坐標(biāo)變換找出元件與貼裝位置之間的差值，完成貼裝任務(wù)。

1.1 系統(tǒng)的基本組成

視覺系統(tǒng)的基本組成如所示。該系統(tǒng)由三臺相互獨立的CCD成像單元、光源、圖像采集卡、圖像處理專用計算機、主控計算機系統(tǒng)等單元組成，為了提高視覺系統(tǒng)的和速度，把檢測對中像機設(shè)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(dāng)吸嘴中心到達(dá)檢測對中像機的視野中心位置時發(fā)出觸發(fā)信號獲取圖像，在觸發(fā)的同時對應(yīng)光源閃亮。

1.2 系統(tǒng)各坐標(biāo)系的關(guān)系

為了能夠的找出待貼元件與目標(biāo)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坐標(biāo)之間的關(guān)系進行分析，以便將顯示屏幕像素坐標(biāo)系的點與場景坐標(biāo)系中的點聯(lián)系起來；并通過圖像處理軟件分析計算出待貼元件中心相對于吸嘴中心的偏差值。

對于單臺攝像機，針孔模型是適合于很多計算機視覺應(yīng)用的簡單的近似模型[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(guān)系如所示，為便于進一步解釋，定義如下4個坐標(biāo)系統(tǒng)：

（1）歐氏場景坐標(biāo)系（下標(biāo)為w）：原點在OW，點X和U用場景坐標(biāo)系來表示。

（2）歐氏攝像機坐標(biāo)系（下標(biāo)為c），原點在焦點C＝Oc，坐標(biāo)軸Zc與光軸重合并指向圖像平面外。在場景坐標(biāo)系和攝像機坐標(biāo)系之間存在著的關(guān)系，可以通過一個平移t和一個旋轉(zhuǎn)R構(gòu)成的歐氏變換將場景坐標(biāo)系轉(zhuǎn)化為攝像機坐標(biāo)。其關(guān)系如式（1）所示：

（3）歐氏圖像坐標(biāo)系（下標(biāo)為i），坐標(biāo)軸與攝像機坐標(biāo)系一致，Xi和Yi位于圖像平面上，Oi像素坐標(biāo)系的坐標(biāo)為（xp0，yp0）。

（4）像素坐標(biāo)系（下標(biāo)為P），它是圖像處理過程中使用的坐標(biāo)系。在本系統(tǒng)中與歐氏圖像坐標(biāo)系方向相同，但原點坐標(biāo)不同，尺度不同。

場景點Xc投影到圖像平面π上是點Uc（uc，vc，-f）。通過相似三角形來可以導(dǎo)出它們之間的坐標(biāo)關(guān)系：

由于視野小，采用的鏡頭畸變非常低，可將Uc直接簡化為等于歐氏圖像坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，讓uc＝ui，vc＝vi，而ui＝（up－xp0）δ， vi＝（vp－yp0）δ，δ為單個像素的大小。

這樣可以得到歐氏場景坐標(biāo)系和歐氏圖像坐標(biāo)系之間的映射關(guān)系：

由于在該系統(tǒng)中各攝像機之間是相互獨立的，所以各路成像出來的坐標(biāo)都可以轉(zhuǎn)換為同一場景坐標(biāo)下的坐標(biāo)。

1.3 系統(tǒng)實現(xiàn)原理

貼片機視覺系統(tǒng)工作原理如所示。當(dāng)一塊新的待貼裝PCB板通過送板機構(gòu)傳送到指定位置固定起來，安裝在貼片頭上的基準(zhǔn)攝像機CCD3在相應(yīng)的區(qū)域通過圖像識別算法搜尋出MARK點，并通過（3）式計算出其在歐氏場景坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。接下來將相應(yīng)的元器件應(yīng)貼裝的位置數(shù)據(jù)送給主控計算機。利用對中檢測攝像機（CCD1，CCD2）對元器件檢測，得到其在顯示屏幕坐標(biāo)系下的坐標(biāo)及轉(zhuǎn)角值，再通過（3）式轉(zhuǎn)換為場景坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，與目標(biāo)位置比較，得到貼裝頭應(yīng)移動的位置和轉(zhuǎn)角。

2 圖像處理

2.1 圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理的目的是改善圖像數(shù)據(jù)，抑制不需要的變形或者增強某些對于后續(xù)處理重要的圖像特征。由于SMT生產(chǎn)現(xiàn)場的非潔凈因素造成CCD鏡頭上的塵埃等，易給圖像帶來較大的外界噪聲。另外，圖像的采集過程中也不可避免地引入了來自光路擾動、系統(tǒng)電路失真等噪聲。因此，對圖像進行預(yù)處理以消除這些噪聲的影響是非常必要的。

對噪聲平滑方法主要的要求是：既能有效地減少噪聲，又不致引起邊緣輪廓的模糊，同時還要求運算速度快。常規(guī)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圖像的當(dāng)前點，是一種能夠在去除脈沖噪聲、椒鹽噪聲的同時又能保留圖像邊緣細(xì)節(jié)的平滑方法。并且由于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(nèi)部的所有像素進行排序，這樣開銷會很大。一個更有效的算法[4]（由T S Huang等人提出）是注意到當(dāng)窗口沿著行移動一列時，窗口內(nèi)容的變化只是丟掉了左邊的列而取代為在右側(cè)的一個新的列。對于m行n列的中值窗口，m×n－2×m個像素沒有變化，并不需要重新排序，具體的算法為：

（1）設(shè)置th＝mn/2；

（2）將窗口移至一個新的行的開始，對其內(nèi)容排序，建立窗口像素的直方圖H，確定其中值Med，記下亮度等于或小于Med的像素數(shù)目LMed；

（3）對于左列亮度是Pg的每個像素P做：H[Pg]＝H[Pg]－1；

（4）將窗口右移一列，對于右列亮度是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(cè)轉(zhuǎn)（6），重復(fù) LMed＝LMed＋H[Med] Med＝Med＋1直到LMed≥th，則轉(zhuǎn)（7）；

（6）重復(fù)Med＝Med－1，LMed＝LMed－H[Med]直到LMed≤th；

（7）如果窗口的右側(cè)列不是圖像的右邊界轉(zhuǎn)（3）；

（8）如果窗口的底行不是圖像的下邊界轉(zhuǎn)（2）；

2.2 圖像分割

閾值法是一種傳統(tǒng)的圖像分割方法，因其實現(xiàn)簡單、計算量小、性能較穩(wěn)定而成為圖像分割中基本和應(yīng)用廣泛的分割技術(shù)，已被應(yīng)用于很多的領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，分割是對圖像進一步分析、識別的前提，分割的準(zhǔn)確性直接影響后續(xù)任務(wù)的有效性，其中閾值的選取是圖像閾值分割方法中的關(guān)鍵技術(shù)。

由Otsu于1978年提出的類間方差法[5]以其計算簡單、穩(wěn)定有效，一直廣為使用。從模式識別的角度看，閾值應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生的目標(biāo)類與背景類的分離性能，此性能用類別方差來表征，為此引入類內(nèi)方差σ2W、類間方差σ2B和總體方差σ2T ,并定義3個等效的準(zhǔn)則測量：

鑒于計算量的考慮，一般通過優(yōu)化第三個準(zhǔn)則獲取閾值。在實際運用中，使用以下簡化計算公式：

其中：σ2為兩類間方差，WA為A類概率，μa為A類平均灰度，WB為B類概率，μb為B類平均灰度，μ為圖像總體平均灰度。

即閾值T將圖像分成A、B兩部分，使得兩類總方差σ2（T）取值的T，即為分割閾值。

2.3 圖像識別定位

區(qū)域的矩表示把一個歸一化的灰度級圖像函數(shù)理解為一個二維隨機變量的概率密度。這個隨機變量的屬性可以用統(tǒng)計特征--矩（Moment）[6]來描述。通過假設(shè)非零的像素值表示區(qū)域，矩可以用于二值或灰度的區(qū)域描述。數(shù)字圖像的（p＋q）階矩可以通過下式來計算：

其中 i，j是區(qū)域點的像素坐標(biāo)，f（i，j）是圖像區(qū)域的灰度值。那么圖像區(qū)域的質(zhì)心（對二值化后圖形區(qū)域即為中心）的坐標(biāo)可以通過下面的關(guān)系來得到。

Chip元件的長寬比2：1，因此二值化后的區(qū)域是細(xì)長的，定義區(qū)域的方向為外接矩形的長邊方向。根據(jù)圖像中心矩可以通過下式來計算區(qū)域方向。

其中：

2.4 實驗結(jié)果

針對本文提出的貼片視覺系統(tǒng)Chip元件對中校準(zhǔn)圖像處理方法，在VC＋＋6.0環(huán)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次仿真試驗結(jié)果，可以看出圖像處理取得了滿意的結(jié)果，誤差范圍在允許范圍內(nèi)，圖像處理的時間在100ms以內(nèi)，能夠滿足貼片機對實時性的要求。

3 結(jié)語

本文在闡述了貼片機視覺系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)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實時性和方面的要求具有先進和實用的特點。