印刷電路板三維導(dǎo)線自動(dòng)提取方法*

劉西鋒，胡玉薇

(北京京儀儀器儀表研究總院有限公司 技術(shù)中心，北京　100079)

0　引言

在電路板質(zhì)量檢測(cè)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的人工視覺檢測(cè)逐漸被自動(dòng)光學(xué)檢測(cè)(AOI)[1-2]、自動(dòng)X射線檢測(cè)(AXI)[3-4]等新興檢測(cè)技術(shù)所代替。同時(shí)隨著電路板制造工藝的提高，對(duì)電路板內(nèi)部缺陷的研究也從二維擴(kuò)展到三維，獲得電路板的三維形狀、空間位置、空間尺寸等信息，從而準(zhǔn)確地了解缺陷。尤其是錐束CT的出現(xiàn)，更加促進(jìn)了三維缺陷檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

錐束CT(Cone Beam Computed Tomography)系統(tǒng)采用某種掃描方式獲取目標(biāo)物的投影圖像，然后根據(jù)投影數(shù)據(jù)利用特定的算法得到高分辨率三維圖像，且三個(gè)方向的分辨率一致[5]。與常規(guī)CT相比，錐束CT在檢測(cè)微小缺陷和內(nèi)部缺陷方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。電路板一般是由導(dǎo)線、過孔、焊盤、基板等構(gòu)成，由于目前元器件都采用貼片的形式，因此焊盤在電路板中可以通過二維圖像很好地檢測(cè)，導(dǎo)線在電路板均有分布，起到電路連接的作用，如果存在短路、斷路等缺陷會(huì)導(dǎo)致PCB的功能失效，因此對(duì)電路板中導(dǎo)線進(jìn)行提取是三維分析的前提條件。目前直線檢測(cè)的常用方法主要是Hough變換[6]，雖然Hough變換能檢測(cè)到直線，但不能確定直線的起始位置和尺寸。

本文在通過錐束CT設(shè)備采集CT圖像的基礎(chǔ)上，對(duì)采集的圖像進(jìn)行層析獲得電路板分層圖像提取導(dǎo)線區(qū)域，最后利用等值面體繪制進(jìn)行導(dǎo)線的三維可視化。

1　導(dǎo)線提取技術(shù)

1.1　導(dǎo)線區(qū)域分割篩選

導(dǎo)線區(qū)域的提取是建立在圖像分割的基礎(chǔ)之上，其主要目標(biāo)是將圖像劃分為目標(biāo)區(qū)和非目標(biāo)區(qū)，其處理效果的好壞將直接影響圖像分析、缺陷識(shí)別等后續(xù)步驟。當(dāng)一幅圖像背景和目標(biāo)物對(duì)比度不夠時(shí)，采用全局閾值并不能較好地分割前景目標(biāo)。如果通過頂帽變換先去除背景，得到較均勻的前景目標(biāo)后再進(jìn)行閾值分割，這樣會(huì)得到較為理想的分割結(jié)果。圖像的白頂帽變換(White Top-Hat，WTH)定義為原始圖像f與其開運(yùn)算圖像r(f)的差，即：

WTH(f)=f-r(f).

(1)

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中的開運(yùn)算一般能夠去除圖像中孤立的小點(diǎn)、毛刺和連通兩塊區(qū)域的部分。圖像分割后采用形態(tài)學(xué)開運(yùn)算對(duì)連接區(qū)域進(jìn)行平滑，能夠消除小點(diǎn)、毛刺等部分，圖像分割的結(jié)果如圖1所示。從圖1中可以看出,經(jīng)過對(duì)比度增強(qiáng)和頂帽變換后的圖像背景更加均勻，對(duì)于受到黑色偽影影響的區(qū)域，可以明顯看出偽影對(duì)導(dǎo)線的影響基本消除，分割后的形態(tài)學(xué)處理導(dǎo)線部分更加平滑。

圖1　分層圖像的分割結(jié)果

電路板分層圖像中除了有導(dǎo)線外還有過孔、焊盤等要素，為了很好地對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行單獨(dú)分析，需要對(duì)導(dǎo)線區(qū)域進(jìn)行篩選。首先利用區(qū)域標(biāo)識(shí)算法獲取連通區(qū)域的區(qū)域信息[7]，然后利用設(shè)定的面積閾值進(jìn)行約束以便刪除較小的非導(dǎo)線區(qū)域。當(dāng)區(qū)域面積大于閾值時(shí)判斷為導(dǎo)線區(qū)域；當(dāng)區(qū)域面積小于閾值時(shí)判斷為非導(dǎo)線區(qū)域并進(jìn)行刪除，從而篩選出導(dǎo)線區(qū)域。

1.2　目標(biāo)提取

對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行提取之前首先需要對(duì)篩選出的導(dǎo)線區(qū)域進(jìn)行細(xì)化以便提取導(dǎo)線的骨架。對(duì)于單像素骨架圖像的提取可以通過形態(tài)學(xué)多次細(xì)化得到。目前常用的二值圖像細(xì)化算法是根據(jù)圖像中每個(gè)區(qū)域的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來判斷是否能夠刪除其中心像素，從而實(shí)現(xiàn)骨架提取。本文采用OPENCV中的cvRectangle()函數(shù)對(duì)每個(gè)像素的八鄰域進(jìn)行標(biāo)記，遍歷圖像中的目標(biāo)像素點(diǎn)，直到得到導(dǎo)線的單像素骨架圖像。

導(dǎo)線是有起始端點(diǎn)的一條直線，知道其端點(diǎn)就能完成導(dǎo)線的有效提取。對(duì)于導(dǎo)線的單像素骨架圖像來說，當(dāng)某一像素的八鄰域中只有一個(gè)鄰接點(diǎn)時(shí)，判斷該像素點(diǎn)可能是導(dǎo)線的端點(diǎn)。以該像素為中心，提取導(dǎo)線骨架圖像每一像素點(diǎn)的八鄰域，當(dāng)其鄰接點(diǎn)的個(gè)數(shù)大于2個(gè)時(shí)，該像素被認(rèn)為是導(dǎo)線的最終端點(diǎn)然后將這些端點(diǎn)腐蝕，以斷開相連的導(dǎo)線。最后設(shè)定導(dǎo)線長(zhǎng)度閾值進(jìn)行導(dǎo)線的判斷，遍歷整幅圖像得到所有導(dǎo)線目標(biāo)，如圖2所示。

導(dǎo)線是由線段構(gòu)成的，因此對(duì)每條導(dǎo)線的端點(diǎn)和拐點(diǎn)進(jìn)行分析即可完成導(dǎo)線檢測(cè)。本文采用基于曲線曲率的方法對(duì)拐點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，該方法的關(guān)鍵是求取曲線的曲率，采用十一點(diǎn)法對(duì)曲線進(jìn)行曲率的求解[8]，然后通過取曲率鏈表的極大值判斷該位置是否拐點(diǎn)，最后遍歷曲率鏈表，如果當(dāng)前曲率點(diǎn)的值在前后各三個(gè)點(diǎn)內(nèi)取得極大值時(shí)則認(rèn)為該點(diǎn)為一個(gè)拐點(diǎn)并記錄，對(duì)每個(gè)導(dǎo)線區(qū)域進(jìn)行以上的拐點(diǎn)分析過程，遍歷整幅圖像完成該層導(dǎo)線檢測(cè)。如圖3所示是經(jīng)過上述步驟的某一層導(dǎo)線提取結(jié)果。

圖2　細(xì)化后提取的導(dǎo)線

圖3　導(dǎo)線檢測(cè)結(jié)果

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)電路板所有的分層圖像用前文所述的方法進(jìn)行導(dǎo)線目標(biāo)提取，最后使用體繪制方法在MATLAB中對(duì)提取導(dǎo)線后的序列CT分層圖像進(jìn)行三維重建[9]。三維體繪制的步驟如下：

(1) 對(duì)提取的電路板24層CT圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)集提取，得到一個(gè)三維的矩陣，該矩陣由圖像數(shù)據(jù)的長(zhǎng)和寬以及數(shù)據(jù)集的總數(shù)構(gòu)成。本文中實(shí)驗(yàn)樣品得到的三維數(shù)據(jù)集為512×299×24矩陣。

(2) 通過調(diào)用MATLAB函數(shù)庫(kù)中的reducevolume函數(shù)來減少數(shù)據(jù)量，提高運(yùn)算速度。

(3) 通過調(diào)用MATLAB函數(shù)庫(kù)中的isosurface函數(shù)來計(jì)算數(shù)據(jù)集在顯示平面的累計(jì)投影。

(4) 通過調(diào)用MATLAB函數(shù)庫(kù)中的patch函數(shù)對(duì)碎片進(jìn)行重建。

(5) 自定義顯示效果。

通過上述步驟，運(yùn)用MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)了電路板導(dǎo)線的三維重建，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該方法對(duì)印刷電路板中的導(dǎo)線能夠?qū)崿F(xiàn)有效的自動(dòng)檢測(cè)。

圖4　三維導(dǎo)線檢測(cè)結(jié)果

3　結(jié)論

本文針對(duì)印刷電路板中三維線狀目標(biāo)，提出了一種基于電路板分層圖像的導(dǎo)線自動(dòng)檢測(cè)方法。首先通過分析圖像中連通區(qū)域的面積對(duì)導(dǎo)線目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行粗略定位和提取，然后通過形態(tài)學(xué)細(xì)化對(duì)導(dǎo)線單像素骨架進(jìn)行了提取后分析導(dǎo)線的端點(diǎn)和拐點(diǎn)完成單層圖像的導(dǎo)線提取，最后采用序列圖像完成PCB板中導(dǎo)線的三維體繪制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文提出的錐束CT電路板序列分層圖像的導(dǎo)線三維自動(dòng)檢測(cè)方法，檢測(cè)效果較好，效率較高，能夠滿足實(shí)際工程中的應(yīng)用要求。

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