基于图像的元器件焊接垂直度识别方法与应用研究

摘要

随着“工业4.0”概念的提出，工业产品质量的检测和保障已经进入全面提升的时代，传统依赖人工运用相关仪器测量垂直度的方法已经不能满足检测的要求。基于机器视觉的工业测量系统具有非接触性、自动化程度高、灵活性好、成本低等突出的检测优点，是检测技术未来发展的趋势之一。
　　目前基于图像的垂直度检测大都是以单个物品为对象，逐一检测。针对元器件密度大的PCB板，传统依靠图像检测垂直度的方法一是采集图像困难，二是检测效率低，并且难以满足精度的要求。本文以PCB板上的元器件为研究对象，分别研究了元器件目标图像的提取，编号及亚像素边缘定位，最后对元器件的垂直度进行高精度识别检测，并在DSP+FPGA的图像处理系统上进行了算法移植。
　　本文主要介绍了图像检测系统中的关键技术，包括元器件目标图像的提取，基于改进Canny-Zernike矩的亚像素边缘定位，基于形心配准的垂直度识别算法以及DSP+FPGA架构的硬件系统及软件系统。
　　本文利用Otsu阈值分割来对元器件目标图像进行提取。在比较灰度矩，空间矩及Zernike矩方法后，选用Zernike矩来进行亚像素的边缘定位。本文采用“先粗后精”的边缘提取策略，首先利用改进Canny算法提取像素级边缘，为减小干扰及对元器件统一管理，去除噪点及干扰边缘后对元器件进行编号。然后在粗提取的像素级边缘上利用改进的Zernike矩进行边缘的亚像素定位。对于形心配准的垂直度识别技术，本文首先对镜头进行畸变校正和摄像机标定，来消除畸变带来的误差，再利用最小外接矩形来修正边缘并提取元器件的形心坐标，最后根据形心的偏移距离来完成垂直度识别的检测。
　　通过MATLAB仿真实验表明，本文改进的算法具有良好的性能和较强的鲁棒性，元器件垂直度识别的精度达到设计要求，并且兼顾了图像检测系统的实时性需求。在基于DSP+FPGA的硬件平台上，并完成了相应模块的DSP程序移植、编写和优化。最后通过对实际采集的元器件图像的实验结果表明，本文设计方法可以得到满意的效果。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．1．1 课题研究的背景

1．1．2 课题研究的意义

1．2 垂直度检测方法

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 本文主要研究内容

第二章 PCB焊接元器件目标提取算法研究

2．1 PCB焊接元器件图像的采集

2．2 PCB焊接元器件图像的滤波处理

2．2．1 均值滤波算法

2．2．2 快速中值滤波算法

2．2．3 PCB焊接元器件图像的滤波处理实验

2．3 PCB焊接元器件图像的对比度增强处理

2．3．1 分段线性变换增强

2．3．2 直方图均衡化增强

2．3．3 PCB焊接元器件图像的图像增强实验

2．4 PCB焊接元器件图像的阈值分割

2．4．1 Otsu阈值分割

2．4．2 迭代阈值分割

2．4．3 PCB焊接元器件图像的阈值分割及孔洞填充实验

2．5 PCB焊接元器件图像的边缘检测算法

2．5．1 边缘的特征

2．5．2 经典Canny边缘检测算法

2．5．3 改进的Canny边缘粗提取算法

2．5．4 PCB焊接元器件的边缘检测比较图

2．6 本章小结

第三章 PCB焊接元器件编号及高精度边缘定位算法研究

3．1 焊接元器件图像噪点和干扰边缘的去除及标号

3．1．1 焊接元器件图像的噪点去除

3．1．2 基于边界跟踪的焊接元器件的标号算法

3．1．3 焊接元器件图像的干扰边缘去除

3．2 亚像素边缘检测算法

3．2．1 基于空间矩的亚像素边缘检测算法

3．2．2 基于灰度矩的亚像素边缘检测方法

3．2．3 基于Zernike矩的亚像素边缘检测方法

3．2．4 经典亚像素边缘算法比较

3．3 基于改进的Canny-Zernike矩边缘检测算法

3．3．1 改进的Zernike矩的元器件亚像素边缘检测算法

3．3．2 改进算法实验结果及分析

3．4 本章小结

第四章 PCB焊接元器件垂直度识别算法研究

4．1 镜头畸变校正和摄像机标定

4．1．1 图像坐标系和摄像机坐标系及世界坐标系

4．1．2 基于RAC的两步标定算法

4．1．3 边缘畸变校正

4．2 提取元器件边缘图像最小外接矩形

4．2．1 图像链码抽取及凸集算法

4．2．2 结合离散格林和顶点算法

4．2．3 最小外接矩形的求取

4．3 焊接元器件垂直度识别

4．3．1 元器件焊接垂直度的识别算法

4．3．2 实验结果分析

4．4 本章小结

第五章 PCB元器件的焊接垂直度识别系统

5．1 图像处理系统概述

5．2 系统软件设计

5．2．1 图像采集程序设计

5．2．2 图像显示程序设计

5．2．3 元器件焊接垂直度算法程序设计

5．3 功能测试与验证

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况