基于機(jī)器視覺(jué)的電路板故障檢測(cè)方法

周曉巍，陳華

（上海航天控制技術(shù)研究所，上海，201109）

0 引言

目前現(xiàn)有的電路板故障檢測(cè)方法在實(shí)際使用過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)漏檢和誤檢現(xiàn)象，并且錯(cuò)檢率較高，傳統(tǒng)方法存在的問(wèn)題不僅會(huì)提高電路板故障檢測(cè)成本，更重要的是無(wú)法為電路板故障維修提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，因此提出基于機(jī)器視覺(jué)的電路板故障檢測(cè)方法研究，為電路板故障檢測(cè)提供理論依據(jù)。

1 電路板故障檢測(cè)現(xiàn)狀

目前現(xiàn)有的電路板故障檢測(cè)主要是通過(guò)建立測(cè)試電路實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)測(cè)試對(duì)電路板不同元器件輸出的物理量分析，分析電路板各個(gè)部件的運(yùn)行數(shù)據(jù)是否在正常范圍內(nèi)，以此來(lái)判斷電路板是否處于正常的工作狀態(tài)。這種電路板故障檢測(cè)方法的檢測(cè)原理是黑盒測(cè)試，即被測(cè)的電路板是一個(gè)故障未知的“黑盒”，通過(guò)對(duì)被測(cè)設(shè)備施加規(guī)定的輸入信號(hào)，獲取到被測(cè)電路板上的輸出相應(yīng)信號(hào)，并將其與正常技術(shù)參數(shù)對(duì)比分析了解被測(cè)電路板的狀況[1]。傳統(tǒng)方法雖然在操作思路上具有一定的可行性，但是由于電路板內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對(duì)電路板所有部件的全面測(cè)試很難實(shí)現(xiàn)，且不同類型的電路板內(nèi)部集成電路結(jié)構(gòu)不同，如果要進(jìn)行全面測(cè)試需要針對(duì)電路板實(shí)際情況重新設(shè)計(jì)測(cè)試模型，因此傳統(tǒng)方法在操作上可行度較低[2]。目前極大部分電路板在故障檢測(cè)過(guò)程中均采用同一測(cè)試模型，導(dǎo)致電路板部分元器件運(yùn)行狀況無(wú)法檢測(cè)到，測(cè)試模型部分測(cè)試參數(shù)與被測(cè)電路板不相符，導(dǎo)致檢測(cè)精度較低，常常出現(xiàn)錯(cuò)檢問(wèn)題，這也是目前電路板故障檢測(cè)方法誤檢率較高的主要原因。

2 電路板故障檢測(cè)方法

2.1 基于機(jī)器視覺(jué)的電路板運(yùn)行數(shù)據(jù)采集

針對(duì)電路板運(yùn)行數(shù)據(jù)采集需求，不僅采集到的圖像數(shù)據(jù)具有較高的清晰度，而且對(duì)電路板運(yùn)行狀況抓拍的時(shí)刻要精準(zhǔn)掌握，因此選擇CCD光譜探頭作為電路板運(yùn)行圖像數(shù)據(jù)采集裝置。將CCD光譜探頭安裝在電路板兩側(cè)，在獲取電路板運(yùn)行圖像數(shù)據(jù)之前，要對(duì)探頭各個(gè)參數(shù)量進(jìn)行設(shè)置，其中將探頭的分辨率設(shè)置為1080p，信號(hào)采集頻率設(shè)置為7.46Hz，信號(hào)采集周期設(shè)置為1s，采集速度設(shè)置為1250mm/s，寬幅為400mm，橫向精度為0.35mm[3]。由于周圍環(huán)境的光線、亮度會(huì)影響到拍攝圖像的質(zhì)量，因此選擇一組大功率LED作為機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)電路板運(yùn)行數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的補(bǔ)充光源，利用特殊圓形透鏡形成窄帶光線，提高在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中光線的亮度。CCD光譜探頭拍攝完電路板運(yùn)行圖像數(shù)據(jù)后，利用DT編碼器作為圖像數(shù)據(jù)的編碼裝置，將圖像數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)編碼器編碼轉(zhuǎn)化為格式統(tǒng)一的可傳輸和存儲(chǔ)的圖像數(shù)據(jù)，為了配合CCD光譜探頭的拍攝過(guò)程，編碼器需要周期性對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，并且還要滿足電路板運(yùn)行速度，因此將DT編碼器的編碼速度、編碼周期等參數(shù)設(shè)置與CCD光譜探頭保持一致，利用PDF接口與CCD光譜探頭和電路板連接，對(duì)采集到的電路板運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、處理和保存。

2.2 電路板故障信號(hào)提取

采集完電路板運(yùn)行參數(shù)后，需要從中提取到與電路板故障相關(guān)的圖像信號(hào)，用于后續(xù)對(duì)電路板故障診斷、故障未知定位分析。電路板故障在圖像上顯示出來(lái)的是電路板整體面積與正常面積存在差異，要么大于電路板正常面積，要么小于電路板正常面積，根據(jù)以上分析此次采用參考法提取電路板故障信號(hào)，將采集到的所有圖像中短路版面積與正常電路板面積相比較，提取到不同于電路板正常面積的圖像數(shù)據(jù)，其提取過(guò)程分為兩部分。

第一部分：數(shù)字圖像中存在一個(gè)名為歐拉數(shù)的拓?fù)鋮?shù)，歐拉數(shù)表示數(shù)字圖像中空洞個(gè)數(shù)與數(shù)字圖像中連接體的個(gè)數(shù)的差。因此首先以歐拉數(shù)作為電路板故障信號(hào)提取標(biāo)準(zhǔn)，如果計(jì)算歐拉數(shù)圖像物流結(jié)構(gòu)參數(shù)為零，則表示該圖像信號(hào)為非故障信號(hào)，如果計(jì)算的歐拉數(shù)圖像物流結(jié)構(gòu)參數(shù)不為零，則表示該圖像信號(hào)為電路板故障信號(hào)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)電路板故障信號(hào)提取。

第二部分：利用歐拉數(shù)提取到的電路板故障信號(hào)不夠精準(zhǔn)，提取到的部分?jǐn)?shù)據(jù)可能為無(wú)用數(shù)據(jù)和非故障數(shù)據(jù)，因此利用電路板故障的形狀特征，對(duì)一次提取的故障信號(hào)進(jìn)行二次篩查，以提高電路板故障信號(hào)提取的精準(zhǔn)度。電路板故障的形狀特征包括周長(zhǎng)、寬度以及面積等參數(shù)，通過(guò)搜索圖像區(qū)域的主軸方向來(lái)尋找縱軸方向的最大像素點(diǎn)數(shù)得到電路板各個(gè)元器件在圖像中的長(zhǎng)度和寬度，并通過(guò)計(jì)算圖像中值為1的圖像點(diǎn)數(shù)量得到電路板各個(gè)元器件在圖像中的面積，將兩個(gè)特征參數(shù)與正常電路板特征參數(shù)相對(duì)比，提取到不相符的圖像為電路板故障信號(hào)，以此完成電路板故障信號(hào)提取。

2.3 電路板故障識(shí)別

首先需要對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行增強(qiáng)，在圖像上的目標(biāo)像素添加一個(gè)窗口模板，設(shè)窗口模板的大小為S ，其計(jì)算公式如下：

公式（1）中，n 為不定數(shù)，可以表示為n=0,1,2...。在該窗口模板選取平均值作為目標(biāo)像素。假設(shè)目標(biāo)像素點(diǎn)為（x,y），通過(guò)圖像增強(qiáng)后的該點(diǎn)的像素值為：

公式（2）中，f為當(dāng)前電路板圖像的像素總個(gè)數(shù)。然后對(duì)電路板圖像進(jìn)行分割出來(lái)，在對(duì)電路板圖像閥值分割處理中，像素值可以設(shè)置為數(shù)值同時(shí)，也可以假設(shè)為一個(gè)區(qū)間，所以對(duì)區(qū)間內(nèi)的像素值閥值分割后的圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理，將電路板的結(jié)構(gòu)元素與提取到的電路板圖像進(jìn)行對(duì)比，并分析和識(shí)別出兩者之間的差異，存在差異的區(qū)域?yàn)殡娐钒宄霈F(xiàn)故障的位置，以此完成電路板故障識(shí)別，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了電路板故障檢測(cè)。

3 實(shí)驗(yàn)論證分析

實(shí)驗(yàn)以某電路板為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該電路板使用時(shí)間較長(zhǎng)，存在短路、斷路、凸起、凹陷、多線、少線等多項(xiàng)故障，實(shí)驗(yàn)利用此次設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法對(duì)該電路板進(jìn)行故障檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)中在該電路板中布置5個(gè)故障檢測(cè)點(diǎn)，使電路板處于運(yùn)行狀態(tài)30min，將光譜探頭安裝在該電路板左側(cè)，每個(gè)信號(hào)采集周期拍攝50個(gè)圖像信號(hào)，利用公式（1）提取到電路板故障信號(hào)2000bit，并先后檢測(cè)到電路板24個(gè)故障。實(shí)驗(yàn)記錄兩種方法的電路板故障檢測(cè)結(jié)果，并將其與實(shí)際值進(jìn)行對(duì)比計(jì)算出兩種方法的錯(cuò)檢率，將其作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)兩種電路板故障檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表所示。

表1 兩種方法錯(cuò)檢率對(duì)比（%）

從上表可以看出，此次設(shè)計(jì)方法誤檢率較低，基本可以控制在1%以下，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)方法，因此實(shí)驗(yàn)證明了基于機(jī)器視覺(jué)的電路板故障檢測(cè)方法具有較低的誤檢率，檢測(cè)精度較高，具有較高的可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，針對(duì)傳統(tǒng)電路板故障檢測(cè)方法存在的問(wèn)題，提出一種新的電路板故障檢測(cè)理論，即基于機(jī)器視覺(jué)的電路板故障檢測(cè)方法，具體分析了該方法在電路板信號(hào)采集、故障信號(hào)提取以及故障分析方面，并利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此次提出的電路板故障檢測(cè)方法具有較低的錯(cuò)檢率。此次研究有利于提高電路板故障檢測(cè)技術(shù)水平，豐富了電路板故障檢測(cè)理論內(nèi)容，促進(jìn)了機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在電路板故障檢測(cè)中的廣泛應(yīng)用，能夠有效保證電路板運(yùn)行穩(wěn)定。