基于模板匹配技术的电路板元件检测【字数：12762】
摘 要近年来，由于全球经济一体化进程的加速，用户们对产品质量的期待越来越高，机器视觉技术在中国迅速发展起来。在这个时代的大背景下，随着人力成本优势逐渐变弱，用户对质量控制方面有着越来越高的要求，众所周知的是，人眼视觉检测带来的误差难以避免，为了提高检测的质量与效率，改善生产效率，人们在教育、农业、工业等领域开始进行对机器视觉技术的应用。工业领域中，随着电路元件体积的日益减小、密度的不断提高，传统的人工检测技术已经不太现实，工艺生产过程中所导致的元件缺失、偏移甚至错件的问题也正在寻找更加高效的解决方案。本文基于模板匹配技术的电路板元件检测，将机器视觉技术与工业检测结合，通过软硬件的设计，运用模板匹配算法和图像处理技术，来实现让机器自动识别出电路板上电容、电阻、开关等元件并且进行定位，从而判断生产产品是否合格，本课题将在电子工艺自动化生产和电路板质量检测方面具有很广阔的发展空间。
目录
第一章 绪论 1
1.1项目的研究背景和意义 1
1.2 电路板制造工艺的现状和发展 2
1.3课题的主要内容以及内容的结构安排 3
第二章 系统设计 5
2.1系统基本思想 5
2.2相机标定 6
2.3模板匹配算法 7
2.3.1模板匹配算法思想 7
2.3.2模板匹配算法的选择 8
2.4坐标转换 9
2.4.2世界坐标系转换到相机坐标系 10
2.4.3相机坐标系转换到平面坐标系 12
2.4.4 平面坐标系转换到像素坐标系 12
2.5本章小结 14
第三章 硬件平台的建立 15
3.1硬件系统架构 15
3.2 硬件选型 15
3.2.1相机 15
3.2.2镜头 16
3.2.3光源 17
3.3图像采集平台的建立 18
3.4本章小结 18
第四章 系统软件设计 19
4.1软件设计思想 19
4.2系统开发平台 19
4.3主要算子及算法流程 19
4.4本章小结 21 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
第五章 系统调试与结果分析 22
5.1系统调试 22
5.2结果分析 24
5.3本章小结 27
第六章 总结与展望 28
6.1课题总结 28
6.2未来展望 28
参考文献 30
致谢 31
第一章 绪论
时代发展的速度之快难以想象，科学技术的腾飞势不可挡，越来越多的电子产品已经融入我们生活的方方面面，方便了我们的衣、食、住、行，可以毫不夸张的说，如今的我们已经难以离开电子产品。然而，各种各样高性能的电子产品的背后是日益复杂的途径，随着电路元件体积的日益减小、密度不断提高，传统的仅仅依靠人眼检测电路板元件的方法已经不太现实，工艺生产过程中所导致的一些印刷缺陷，比如元件缺失、偏移甚至错件的问题难以避免[1],将机器视觉的模板匹配技术应用到工业生产的中，实现生产过程自动化，不仅产品的质量会得到大幅提升，生产效率还得以进一步提高，还有效地解放了劳动力，降低了生产成本。本文采用基于模板匹配[2]的算法，对电路板元件进行检测，通过实验证明该算法的有效性。
1.1项目的研究背景和意义
机器视觉技术[3]是研究如何使用机器来“看”的技术，让工业相机来代替人类的眼睛,借助机器视觉的工业相机，我们能让机器代替人进行测量、识别、分析、理解，并能进行决策。目前界上许多国家都十分重视机器视觉这一技术，上个世纪五十年代开始，由于半导体技术的不断进步，微处理器技术的飞速发展以及工业对劳动力要求的不断上升，更多高质量产品急需出现在市场，于是，上个世纪九十年代，机器视觉技术进入了飞速腾起的时期，开始融入工业生产控制领域，打开了新世纪的大门。
国内目前部分工业还存在采用传统的电路板焊接作业的现象,即依靠人工,人工作业不仅存在主观标准不一致,而且长时间视力疲劳存在一定风险,这些缺点无法达到电子工艺的要求,而且关于产品的检验大多依靠人工的方式来完成,众所周知,人工速度与机器的速度不可同日而语,成本问题也是我们不得不要正视的问题。故而，具体的问题有：
1）漏检；
2）没有统一质量标准；
3）效率低，成本高。
本课题即是通过软件系统和硬件平台，完成一个机器视觉系统的搭建工作，运用机器视觉这一技术，让机器自动识别出的电路板上电容、电阻、开关等元件并进行精确定位，根据模板匹配的得分以及元件的位置信息来判断生产的电路板是否合格，该方法保证了检测工作能够智能客观、有效规范的进行，降低了相对于人工检验产品的风险，提高生产的柔性。本课题设计在工业自动化生产和电路板质量自动检测方面具有很好的应用前景，机器视觉技术作为我国目前的新兴产业，吸引着一大批年轻人投身这项研究，这也必将成为未来发展的趋势。
1.2 电路板制造工艺的现状和发展
封装方式的改良在很大程度上决定了技术架构的进步，我们可以生产出体积越来越小的元件，并且把越来越多的元件集成在一块电路板上，而与此同时，大大减小芯片生产成本。
电路板制作工艺在技术上的不断改进，是近年来电子工艺发展过程中一个很明显的趋势，这一点从我们越来越普及的手机、电视、电脑等电子产品的批量生产中就可以感受到。这种进步使得所有焊点可以在同一时间完成焊接工作，同时还可以保证生产成本被降到最低，这也是这一技术的优点所在，也就是我们通常所说的回流焊技术[4] ，焊接过程如图11电路板生产过程所示。焊接的过程中，锡球回流可以分为三个步骤：焊接预热，焊接回流，焊接冷却。
图11 电路板生产过程
贴片元件的放置过程中，选择合适的热风喷嘴，比贴片元件大小略大，选择对应的温区，启动焊接，温度曲线完毕，此时冷却完成，元件焊接结束。需要我们注意的是，元件的“取放”是一个自动的过程[5]，元件需要依靠一个真空管从喂料带上被吸取，然后通过真空吹气放置到电路板上。所以，吹气强度显得尤为重要，一方面：如果吹气过弱，此时元件可能无法脱离真空管；另一方面：如果吹气过强，元件可能被吹离焊盘或者造成偏差。当然，位置偏移的问题在XY机械平台不好的状况下也可能会发生。所以，电路板生产过程中导致的问题大致分为以下：
目录
第一章 绪论 1
1.1项目的研究背景和意义 1
1.2 电路板制造工艺的现状和发展 2
1.3课题的主要内容以及内容的结构安排 3
第二章 系统设计 5
2.1系统基本思想 5
2.2相机标定 6
2.3模板匹配算法 7
2.3.1模板匹配算法思想 7
2.3.2模板匹配算法的选择 8
2.4坐标转换 9
2.4.2世界坐标系转换到相机坐标系 10
2.4.3相机坐标系转换到平面坐标系 12
2.4.4 平面坐标系转换到像素坐标系 12
2.5本章小结 14
第三章 硬件平台的建立 15
3.1硬件系统架构 15
3.2 硬件选型 15
3.2.1相机 15
3.2.2镜头 16
3.2.3光源 17
3.3图像采集平台的建立 18
3.4本章小结 18
第四章 系统软件设计 19
4.1软件设计思想 19
4.2系统开发平台 19
4.3主要算子及算法流程 19
4.4本章小结 21 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
第五章 系统调试与结果分析 22
5.1系统调试 22
5.2结果分析 24
5.3本章小结 27
第六章 总结与展望 28
6.1课题总结 28
6.2未来展望 28
参考文献 30
致谢 31
第一章 绪论
时代发展的速度之快难以想象，科学技术的腾飞势不可挡，越来越多的电子产品已经融入我们生活的方方面面，方便了我们的衣、食、住、行，可以毫不夸张的说，如今的我们已经难以离开电子产品。然而，各种各样高性能的电子产品的背后是日益复杂的途径，随着电路元件体积的日益减小、密度不断提高，传统的仅仅依靠人眼检测电路板元件的方法已经不太现实，工艺生产过程中所导致的一些印刷缺陷，比如元件缺失、偏移甚至错件的问题难以避免[1],将机器视觉的模板匹配技术应用到工业生产的中，实现生产过程自动化，不仅产品的质量会得到大幅提升，生产效率还得以进一步提高，还有效地解放了劳动力，降低了生产成本。本文采用基于模板匹配[2]的算法，对电路板元件进行检测，通过实验证明该算法的有效性。
1.1项目的研究背景和意义
机器视觉技术[3]是研究如何使用机器来“看”的技术，让工业相机来代替人类的眼睛,借助机器视觉的工业相机，我们能让机器代替人进行测量、识别、分析、理解，并能进行决策。目前界上许多国家都十分重视机器视觉这一技术，上个世纪五十年代开始，由于半导体技术的不断进步，微处理器技术的飞速发展以及工业对劳动力要求的不断上升，更多高质量产品急需出现在市场，于是，上个世纪九十年代，机器视觉技术进入了飞速腾起的时期，开始融入工业生产控制领域，打开了新世纪的大门。
国内目前部分工业还存在采用传统的电路板焊接作业的现象,即依靠人工,人工作业不仅存在主观标准不一致,而且长时间视力疲劳存在一定风险,这些缺点无法达到电子工艺的要求,而且关于产品的检验大多依靠人工的方式来完成,众所周知,人工速度与机器的速度不可同日而语,成本问题也是我们不得不要正视的问题。故而，具体的问题有：
1）漏检；
2）没有统一质量标准；
3）效率低，成本高。
本课题即是通过软件系统和硬件平台，完成一个机器视觉系统的搭建工作，运用机器视觉这一技术，让机器自动识别出的电路板上电容、电阻、开关等元件并进行精确定位，根据模板匹配的得分以及元件的位置信息来判断生产的电路板是否合格，该方法保证了检测工作能够智能客观、有效规范的进行，降低了相对于人工检验产品的风险，提高生产的柔性。本课题设计在工业自动化生产和电路板质量自动检测方面具有很好的应用前景，机器视觉技术作为我国目前的新兴产业，吸引着一大批年轻人投身这项研究，这也必将成为未来发展的趋势。
1.2 电路板制造工艺的现状和发展
封装方式的改良在很大程度上决定了技术架构的进步，我们可以生产出体积越来越小的元件，并且把越来越多的元件集成在一块电路板上，而与此同时，大大减小芯片生产成本。
电路板制作工艺在技术上的不断改进，是近年来电子工艺发展过程中一个很明显的趋势，这一点从我们越来越普及的手机、电视、电脑等电子产品的批量生产中就可以感受到。这种进步使得所有焊点可以在同一时间完成焊接工作，同时还可以保证生产成本被降到最低，这也是这一技术的优点所在，也就是我们通常所说的回流焊技术[4] ，焊接过程如图11电路板生产过程所示。焊接的过程中，锡球回流可以分为三个步骤：焊接预热，焊接回流，焊接冷却。
图11 电路板生产过程
贴片元件的放置过程中，选择合适的热风喷嘴，比贴片元件大小略大，选择对应的温区，启动焊接，温度曲线完毕，此时冷却完成，元件焊接结束。需要我们注意的是，元件的“取放”是一个自动的过程[5]，元件需要依靠一个真空管从喂料带上被吸取，然后通过真空吹气放置到电路板上。所以，吹气强度显得尤为重要，一方面：如果吹气过弱，此时元件可能无法脱离真空管；另一方面：如果吹气过强，元件可能被吹离焊盘或者造成偏差。当然，位置偏移的问题在XY机械平台不好的状况下也可能会发生。所以，电路板生产过程中导致的问题大致分为以下：
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