基于圖像處理的石英晶片定位技術(shù)研究

安寶健　王艷林　李東

摘 要： 為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量石英晶片的頻率等相關(guān)參數(shù)并進(jìn)行分檔，研究了石英晶片的圖像定位技術(shù)，主要利用圖像處理技術(shù)對(duì)采集的圖像進(jìn)行圖像二值化、邊緣檢測(cè)、輪廓提取等處理，完成對(duì)石英晶片中心的定位。經(jīng)驗(yàn)證，該石英晶片定位技術(shù)能夠在保證系統(tǒng)要求的石英晶片分選速度的前提下實(shí)現(xiàn)石英晶片的準(zhǔn)確定位。

關(guān)鍵詞： 石英晶片； 定位技術(shù)； 圖像處理； 自動(dòng)分選

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911.73?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）01?0109?03

Abstract： In order to realize the automatic measurement and classification of quartz crystal frequency， and other related parameters， the quartz wafer positioning technology based on image processing is studied. The image binaryzation， edge detection and contour extraction for the acquired images are conducted by means of image processing technology to complete the positioning of the quartz wafer center. The verification result shows that the quartz wafer positioning technology can achieve accurate positioning of the quartz wafer under the premise of ensuring the system requirements of quartz wafer sorting speed.

Keywords： quartz wafer； positioning technology； image processing； automatic sorting

0 引 言

目前，數(shù)字類(lèi)電子產(chǎn)品的應(yīng)用越來(lái)越廣，市場(chǎng)容量也越來(lái)越大，作為數(shù)字電子產(chǎn)品中必不可少的關(guān)鍵器件石英晶體諧振器（簡(jiǎn)稱石英晶體）的市場(chǎng)需求量也急劇擴(kuò)大。石英晶片是石英晶體振蕩器的核心，對(duì)其封裝外殼后即成為石英晶體振蕩器。在石英晶片生產(chǎn)加工過(guò)程中，要經(jīng)過(guò)切割、研磨等工藝過(guò)程，難免其中一部分石英晶片會(huì)產(chǎn)生一些外觀缺陷，這些缺陷嚴(yán)重影響了石英晶片的性能[1]。目前，石英晶片主要依靠人工通過(guò)目視的方法進(jìn)行檢測(cè)，這種方法存在不但效率低而且檢驗(yàn)結(jié)果易受人為因素影響等弊端[2]。因此，研究設(shè)計(jì)石英晶片的自動(dòng)分選系統(tǒng)是非常必要的。

石英晶片定位系統(tǒng)的研究在石英晶片自動(dòng)分選系統(tǒng)中占有非常重要的地位，是關(guān)鍵技術(shù)之一，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的后續(xù)工作能否實(shí)現(xiàn)。石英晶片的檢測(cè)屬于大規(guī)模檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)速率的要求也較高[3]。因此，石英晶片自動(dòng)分選系統(tǒng)的研究對(duì)于實(shí)現(xiàn)石英晶片的高效、高精度的自動(dòng)化檢測(cè)以及實(shí)現(xiàn)石英晶片的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)具有重要意義。

1 石英晶片定位分選系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的工作過(guò)程是通過(guò)攝像頭對(duì)散于料盤(pán)上的石英晶片進(jìn)行拍攝獲取圖像，并將石英晶片的圖像采集到計(jì)算機(jī)中，利用圖像處理技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行處理，計(jì)算出其外觀尺寸和坐標(biāo)；識(shí)別出其中一片石英晶片確定其中心坐標(biāo)，找出最佳可取片的位置，通知散料盤(pán)旋轉(zhuǎn)一定角度，將該晶片送至真空吸盤(pán)運(yùn)行軌跡線上[4]，并控制機(jī)械手準(zhǔn)確移動(dòng)到石英晶片的中心位置；機(jī)械手吸取該石英晶片并將其放置在測(cè)臺(tái)中心，開(kāi)始測(cè)量頻率；測(cè)量完畢后，機(jī)械手吸取該石英晶片并將其放在相應(yīng)檔位的分料口中。

2 石英晶片定位原理

石英晶片定位系統(tǒng)運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)料盤(pán)上石英晶片群的圖像進(jìn)行處理分析計(jì)算，得到每個(gè)石英晶片的中心坐標(biāo)。本系統(tǒng)包括圖像采集模塊和圖像處理模塊。系統(tǒng)通過(guò)攝像機(jī)并配以適當(dāng)照明系統(tǒng)在石英晶片自動(dòng)分選機(jī)上在線拍攝眾多被檢石英晶片的圖像，經(jīng)過(guò)USB口傳入計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)對(duì)接收到的被測(cè)晶片圖像進(jìn)行分析及圖像二值化、輪廓檢測(cè)處理，完成對(duì)各個(gè)石英晶片的識(shí)別定位。

2.1 確定基準(zhǔn)

對(duì)于系統(tǒng)經(jīng)攝像頭獲取的圖像首先要確定一片石英晶片作為基準(zhǔn)，確定基準(zhǔn)有兩個(gè)作用：一個(gè)是確定石英晶片大致的周長(zhǎng)和外接圓半徑，為后面石英晶片的定位做準(zhǔn)備。二是得到石英晶片的灰度值，這樣可以為后面圖像的二值化處理提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。用鼠標(biāo)在圖片上依次點(diǎn)五個(gè)點(diǎn)，A，B，C，D，A′，如圖1所示，會(huì)產(chǎn)生四條線段，把四條線段加起來(lái)當(dāng)作這個(gè)石英晶片周長(zhǎng)的大概值，把AO的長(zhǎng)度作為外接圓半徑的大概值。同時(shí)記錄下兩對(duì)角線交點(diǎn)O的灰度值。一般情況下，O點(diǎn)會(huì)在晶片上，而且由于晶片的光照變化不大，可以通過(guò)O的灰度值來(lái)大致得到石英晶片的灰度值。

2.2 圖像二值化

圖像二值化是用灰度變換來(lái)研究灰度圖像的一種常用方法，即設(shè)定某一閾值，將灰度圖像的像素分成大于閾值的像素群和小于閾值的像素群兩部分，把圖像分為只有兩個(gè)灰度級(jí)的圖像，即黑（0）與白（255），一般在二值圖像中用0代表黑色，1代表白色[6]。經(jīng)過(guò)二值化閾值分割將石英晶片對(duì)象處理為比較容易識(shí)別的白色，背景處理為黑色。從而盡可能地去除無(wú)效區(qū)域，完整地保存感興趣的部分[7]。

閾值是把目標(biāo)和背景區(qū)分開(kāi)的標(biāo)尺，選取合適的閾值就是既要盡可能保存圖像信息，又要盡可能減少背景和噪聲的干擾，這是選擇閾值的原則。對(duì)于所用到的圖片，閾值的灰度肯定是要大于背景，但是要小于晶片的灰度，這樣才可以把背景和晶片分開(kāi)。但是像圖1用的這張圖片，光照不均勻，而且光照干擾產(chǎn)生的灰度非常接近甚至比晶片的還要大。因此在對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理的時(shí)候，很容易就被當(dāng)成前景，對(duì)石英晶片的定位造成干擾。大津法、最大熵方法是目前常見(jiàn)的圖像二值化方法，這兩種方法都屬于全局閾值法，這類(lèi)二值化算法相對(duì)比較簡(jiǎn)單，能夠?qū)D像中的目標(biāo)元素和背景元素較大程度地分離，且限于直方圖特征比較明顯的圖像[8]。

2.2.1 Otsu法

對(duì)大津法可作如下理解：該式實(shí)際上就是類(lèi)間方差值，閾值[t]分割出的目標(biāo)和背景兩部分構(gòu)成了整幅圖像，而目標(biāo)取值[μ0，]概率為[ω0，]背景取值[μ1，]概率為[ω1，]總均值為[μ，]根據(jù)方差的定義即得該式。因方差是灰度分布均勻性的一種度量，方差值越大說(shuō)明構(gòu)成圖像的兩部分差別越大，當(dāng)部分目標(biāo)點(diǎn)錯(cuò)分為背景或部分背景點(diǎn)錯(cuò)分為目標(biāo)點(diǎn)都會(huì)導(dǎo)致兩部分差別變小，因此使類(lèi)間方差最大的分割意味著錯(cuò)分概率最小。

Otsu方法流程圖如圖2所示。

2.2.2 雙閾值法

在確定基準(zhǔn)的時(shí)候，已經(jīng)得到了圖像中石英晶片中心點(diǎn)O的灰度值，可以大致認(rèn)為圖像中石英晶片的灰度就在此灰度附近。所以可以只把此灰度附近的點(diǎn)提取出來(lái)。具體操作就是根據(jù)[O]點(diǎn)的灰度值設(shè)定兩個(gè)閾值，一個(gè)上閾值和一個(gè)下閾值。當(dāng)某點(diǎn)的灰度處于兩個(gè)閾值之間時(shí)，把灰度變?yōu)?，否則灰度設(shè)為255。這樣就可以有效地對(duì)于晶片灰度的干擾進(jìn)行去除。

圖3所示是用Otsu法進(jìn)行的圖像二值化處理結(jié)果，圖4則是用雙閾值進(jìn)行的圖像二值化處理的結(jié)果，上下閾值分別為O點(diǎn)灰度值±15灰度值。

2.3 輪廓檢測(cè)

石英晶片圖像的輪廓不同于其邊緣，石英晶片的邊緣信息包含其所有的輪廓信息，輪廓包含著比位置更多的信息，對(duì)于圖像而言，其輪廓是其基本特征，從數(shù)學(xué)意義上而言，它是灰度函數(shù)的不連續(xù)性質(zhì)的集中體現(xiàn)[10]，從圖像的輪廓，人們即可識(shí)別大量的物體。在前面確定基準(zhǔn)部分時(shí)，已經(jīng)得到了晶片大概的周長(zhǎng)和其外接圓的半徑，然后將此周長(zhǎng)和外接圓半徑作為參考與圖像中所有檢測(cè)到的輪廓的周長(zhǎng)和外接圓半徑進(jìn)行匹配，將周長(zhǎng)和半徑相差不大的輪廓匹配出來(lái)。圖5為石英晶片的輪廓檢測(cè)。圖6是把圖像中所有輪廓周長(zhǎng)相差上下20%，半徑相差上下20%的輪廓提取結(jié)果。

之所以既要用基準(zhǔn)石英晶片的周長(zhǎng)又要用其外接圓的半徑作為參考，是因?yàn)槿绻皇桥c輪廓的周長(zhǎng)相同的話，可能會(huì)產(chǎn)生誤判，因?yàn)楹苡锌赡苁怯捎诠庹詹痪鶆?，而產(chǎn)生了一個(gè)和石英晶片周長(zhǎng)差不多的不規(guī)則光斑，這樣就可能會(huì)把這個(gè)光斑也誤判成是一個(gè)石英晶片了。因此，用基準(zhǔn)石英晶片周長(zhǎng)和其外接圓的半徑同時(shí)判斷可以有效降低誤判的情況，提高圖像中石英晶片識(shí)別的準(zhǔn)確度。

2.4 石英晶片定位

在輪廓檢測(cè)中通過(guò)與基準(zhǔn)石英晶片的周長(zhǎng)和其外接圓的半徑匹配，現(xiàn)在已經(jīng)可以得到石英晶片的個(gè)數(shù)了。對(duì)于石英晶片的定位，因?yàn)榇ㄎ坏氖⒕庑问情L(zhǎng)方形，所以可以認(rèn)為各個(gè)輪廓的外接圓的圓心就是各個(gè)石英晶片的中心。因此通過(guò)計(jì)算提取到的各個(gè)輪廓的外接圓及其圓心，圖像中各個(gè)石英晶片的中心位置也就得到了。圖7為提取到輪廓的外接圓和圓心。

3 結(jié)果分析

原圖像中有5個(gè)輪廓完整的石英晶片，通過(guò)本石英晶片定位方法的試驗(yàn)可以準(zhǔn)確對(duì)所有石英晶片進(jìn)行識(shí)別并對(duì)各個(gè)石英晶片定位，各石英晶片像素坐標(biāo)依次為（223，276），（348，244），（465，112），（512，247），（531，365）。經(jīng)對(duì)結(jié)果分析其誤差范圍在5個(gè)像素范圍以內(nèi)，經(jīng)試驗(yàn)證明該精度足以滿足系統(tǒng)對(duì)石英晶片的定位拾取的要求，能夠保證系統(tǒng)順利對(duì)石英晶片的后續(xù)檢測(cè)工作。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種精確且快速的石英晶片的識(shí)別定位方法，對(duì)該石英晶片識(shí)別定位方法進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，利用本石英晶片識(shí)別定位系統(tǒng)能夠?qū)κ⒕M(jìn)行快速識(shí)別，并且準(zhǔn)確地得到石英晶片的中心坐標(biāo)，足以能夠滿足后續(xù)系統(tǒng)對(duì)石英晶片進(jìn)行拾取和頻率檢測(cè)等工作。本石英晶片的識(shí)別與定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)解決了研究石英晶片自動(dòng)分選系統(tǒng)的一項(xiàng)重要技術(shù)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)石英晶片的自動(dòng)分選具有重要意義。

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