基于機(jī)器視覺的電路板故障檢測方法

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方法在實(shí)際使用過程中，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)方法存在的問題不僅會提高電路板故障檢測成本，更重要的是無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)器視覺的電路板故障檢測方法研究，為電路板故障檢測提供理論依據(jù)。

1 電路板故障檢測現(xiàn)狀

目前現(xiàn)有的電路板故障檢測主要是通過建立測試電路實(shí)現(xiàn)的，通過測試對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方法的檢測原理是黑盒測試，即被測的電路板是一個(gè)故障未知的“黑盒”，通過對被測設(shè)備施加規(guī)定的輸入信號，獲取到被測電路板上的輸出相應(yīng)信號，并將其與正常技術(shù)參數(shù)對比分析了解被測電路板的狀況[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，對電路板所有部件的全面測試很難實(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)行全面測試需要針對電路板實(shí)際情況重新設(shè)計(jì)測試模型，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過程中均采用同一測試模型，導(dǎo)致電路板部分元器件運(yùn)行狀況無法檢測到，測試模型部分測試參數(shù)與被測電路板不相符，導(dǎo)致檢測精度較低，常常出現(xiàn)錯(cuò)檢問題，這也是目前電路板故障檢測方法誤檢率較高的主要原因。

2 電路板故障檢測方法

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

針對電路板運(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，信號采集頻率設(shè)置為7.46Hz，信號采集周期設(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)器視覺技術(shù)對電路板運(yùn)行數(shù)據(jù)采集過程中的補(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)信號通過編碼器編碼轉(zhuǎn)化為格式統(tǒng)一的可傳輸和存儲的圖像數(shù)據(jù)，為了配合CCD光譜探頭的拍攝過程，編碼器需要周期性對圖像數(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，用于后續(xù)對電路板故障診斷、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，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，則表示該圖像信號為非故障信號，如果計(jì)算的歐拉數(shù)圖像物流結(jié)構(gòu)參數(shù)不為零，則表示該圖像信號為電路板故障信號，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對電路板故障信號提取。

第二部分：利用歐拉數(shù)提取到的電路板故障信號不夠精準(zhǔn)，提取到的部分?jǐn)?shù)據(jù)可能為無用數(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，對一次提取的故障信號進(jìn)行二次篩查，以提高電路板故障信號提取的精準(zhǔn)度。電路板故障的形狀特征包括周長、寬度以及面積等參數(shù)，通過搜索圖像區(qū)域的主軸方向來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度和寬度，并通過計(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)相對比，提取到不相符的圖像為電路板故障信號，以此完成電路板故障信號提取。

2.3 電路板故障識別

首先需要對圖像數(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)。然后對電路板圖像進(jìn)行分割出來，在對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)行對比，并分析和識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別，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了電路板故障檢測。

3 實(shí)驗(yàn)論證分析

實(shí)驗(yàn)以某電路板為實(shí)驗(yàn)對象，該電路板使用時(shí)間較長，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)方法對該電路板進(jìn)行故障檢測。實(shí)驗(yàn)中在該電路板中布置5個(gè)故障檢測點(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)信號采集周期拍攝50個(gè)圖像信號，利用公式（1）提取到電路板故障信號2000bit，并先后檢測到電路板24個(gè)故障。實(shí)驗(yàn)記錄兩種方法的電路板故障檢測結(jié)果，并將其與實(shí)際值進(jìn)行對比計(jì)算出兩種方法的錯(cuò)檢率，將其作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對兩種電路板故障檢測方法進(jìn)行對比分析，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)器視覺的電路板故障檢測方法具有較低的誤檢率，檢測精度較高，具有較高的可靠性。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)，針對傳統(tǒng)電路板故障檢測方法存在的問題，提出一種新的電路板故障檢測理論，即基于機(jī)器視覺的電路板故障檢測方法，具體分析了該方法在電路板信號采集、故障信號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技術(shù)水平，豐富了電路板故障檢測理論內(nèi)容，促進(jìn)了機(jī)器視覺技術(shù)在電路板故障檢測中的廣泛應(yīng)用，能夠有效保證電路板運(yùn)行穩(wěn)定。