基于工业视觉的产品瑕疵检测文献综述

 2022-11-09 11:11

文 献 综 述

1.1 课题研究背景和意义

近年来,人工智能发展迅速,工业视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。工业视觉系统最基本的特点就是提高生产的灵活性和自动化程度[1]。在一些不适于人工作业的危险工作环境或者人工视觉难以满足要求的常用,常用工业视觉或是机器视觉来替代人工视觉。工业视觉检测已成为一种热门的技术并应用于各个领域。为了降低成本、提高生产效率,自动化生产线上亟需开发合适的工业视觉检测技术。工业生产线上,产品的表面瑕疵检测是一个重要环节。随着电子产业的快速发展,元器件产量不断增加,传统的人工检测效率低、成本高,不能满足生产商逐渐扩大的生产能力[2]。本课题研究的瑕疵检测算法能够代替人眼,加快检测效率与准确度,并且降低了人工检测带来的成本。

本课题研究基于图像梯度与区域一致性的PCB板瑕疵检测是工业视觉检测技术中重要的一个内容。近年,随着国内IT行业不断兴起,印刷电路板(Printed circuit board PCB)制造蓬勃发展,小到优盘、收音机、大到火箭、卫星、导弹系统等,这里面都包含各式各样大小各异的PCB板,这同时也导致了对PCB检测系统的需求不断增加[3]。当今世界,科学技术正在不断发展,生产工艺也在不断提高,电子设备也越来越复杂,其技术更新之快,其产品淘汰之快,和90年代相比,有天壤之别,正因为如此,PCB的发展方向也口渐倾向于超薄型、小元件、高密度、细间距。这种趋势必然给PCB质量检测工作带来更多挑战和困难。因此,PCB故障的检测已经成为PCB制造过程中的一个核心问题,也是电子产品制造厂商非常关注的问题[4]。然而,国外PCB检测产品价格较高,而国内的产品技术不够成熟,如果能够开发出经济高效的产品,这将有相当广泛的市场。

1.2 国内外研究现状

当今国内有较多学者在研究机器视觉技术,如有杭州电子科技大学的许丽君研究了CBB电容表面的露白瑕疵与气泡瑕疵[5]。许丽君设计了表面瑕疵检测的图像处理算法,主要包括预处理和特征分析。预处理阶段采用阈值分割和垂直水平投影进行前景提取(音盆图像无需提取前景)和目标分割。特征分析阶段,针对不同瑕疵设计了相应算法:电容气泡瑕疵检测通过比较 R 通道阴影像素总数和阈值进行判别;对于露白瑕疵设计了区域一致性检测算法和基于梯度的检测算法(后者效率较高,选用)。音盆水印瑕疵检测采用自适应区域一致性检测算法;对于斑点瑕疵提出了基于小波变换的检测算法和基于梯度的检测算法(后者效率较高,选用)。经过实验仿真,设计的算法可以完成目标表面瑕疵检测,效率较高,满足检测系统需求。

华中科技大学的王南杰提出了分块概率识别模式来进行瑕疵检测[6],同时他们也运用了多个领域的知识,主要包括机械,光学,自动控制和图像处理领域。在这种模式下,识别不是一次性的,而是持续性的、多次性的、概率性的,每次的识别只增加某块区域的确定性概率,之后重新随机分块,进行下一次识别。对于每个像素点,当该点的确定性概率大于某个阀值时,该像素点即被划入瑕疵区域。

现在国内的瑕疵检测算法基本上都用到了图像处理相关算法,包括分割,滤波 等等[7]。也有学者采用了卷积神经网络或机器学习进行目标瑕疵检测的算法研究[8]。国内已经有了一部分厂家开始生产瑕疵检测设备,但是尚不成熟[9]。因此产品的自动瑕疵检测是近年来国内学者研究的热门课题之一。

从上个世纪80年代开始,国外PCB板缺陷瑕疵自动检测系统的研究就进入了火热状态。拿Optrotech公司的Vision105型机和以色列的CAMTEK公司的2V30, 2V50型来说[10],这两种PCB瑕疵识别仪器均是采用设计保准法和CAHP(设计工作自动化系统)参数比较法相结合的系统原理,功能非常强大,能分别查出大缺陷和小缺陷,包括狭小的缺口和毛刺,其技术非常成熟。 另外安捷伦公司最新推出的SJ50系列II型AOI设备技术也非常成熟[11],其中应用了三维立体形状模型(SSM)技术,同时运用多角度成像,生成逼真三维影像,在缺陷报警准确率方面有了很大的提高,在图像采集上采用了高分辨率的数码相机和高速的精密支架,其分辨率始终保持在20-25微米/像素,可以同时兼顾速度和分辨率性能。其中SJ5000是SJ50系列中最灵活的AOI系统,可以简便地部署到各种SMT生产线配置中[12]

目前发展的PCB检测手段通常不能同时兼顾效率、质量、成本等各方面因素,或多或少存在一定的缺陷。比如人工目测检测成本低,但耗时、可信度低[13];电检检测成本适中,但对PCB表面有损伤,同时对于复杂PCB的检测工装将变得复杂,可信度降低,检测并不经济;AOI等的大型专用检测设备检测效率高[14],可信度强,但设备系统昂贵,且必须配合昂贵的专门夹具,很多制造厂商无力负担这类设备的初置费用和运行费用。因此在竞争日益激烈的印制电路板制造业,研究开发检测自动化程度高,可信度强,且初置费用和运行费用相对低廉的PCB瑕疵检测系统,显得十分必要而且迫切[15]

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