一种快速精确获得元件中心和偏转角度的检测及纠偏方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电子元器件表面贴装工艺中贴片机视觉系统使用的图像处理技术领 域，本发明具体涉及一种快速精确获得元件中心和偏转角度的检测及纠偏方法。
【背景技术】
[0002] 贴片机的多个吸嘴在吸取贴片元件时，由于元件运输、上料，吸嘴的机械定位、气 动吸取等动作，可能会引起两个问题：一是吸取的元件中心与吸嘴的中心不重合；二是元 件的吸取位置与目标贴装位置存在角度偏差。这些问题会对于元件的准确贴装产生严重影 响，因此必须在贴装前进行位置偏差补偿和角度纠偏。本发明的目的是为了快速精确获得 贴片元件的中心位置和偏转角度。
[0003] 现有对元件的检测，需要检测多幅单个元件图像，图像处理算法上多是采用模板 匹配法、最小外接矩形法、最小二乘直线拟合法等。模板匹配法原理简单，但是对于不同型 号的元件需要建立不同的标准元件模板，而元件型号繁多，建模需要花费大量时间和存储 空间，算法的通用性和灵活性较差。最小外接矩形法通过求取元件的最小外接矩形来获得 元件中心位置和偏转角度，算法简单，易于实现，但由于最小外接矩形需要包含整个元件， 对于元件边缘不平整、有异物、有污损、灰度不均等情况，计算出的矩形并非元件最理想的 最小外接矩形，从而影响的检测精度。最小二乘直线拟合法通过对元件四条边或长边边缘 直接进行最小二乘直线拟合，获得元件的偏转角度，这种方法简单高效，但直接拟合的方法 没有考虑边缘离群值等粗大误差的影响，对于不平整、有异物、有污损、灰度不均等情况，拟 合精度较差。
[0004]目前，表面贴片元件的封装形式有过百种，为每一种元件研宄独立的检测算法是 低效率和不现实的。根据常见元件的封装形式和引脚的空间排布，对贴片元件进行合理 分类有利于提高检测算法的灵活性和通用性。将元件两端与PCB焊盘直接连接，没有专门 伸出引脚的元件称为无引脚元件，如片状元件（Chip)、贴片LED、金属电极无端子面元件 (MELF);将元件底部以面阵列形式排列的焊球作为连接端的元件称为球形引脚元件，如球 栅阵列元件（BGA)、芯片尺寸封装元件（CSP)、倒装芯片（FlipChip);将元件周围有向外伸 出规则排列的引脚的元件称为伸出引脚元件，如四侧引脚扁平封装元件（QFP)、小外形晶体 管（S0T)、小型封装元件（S0P)。本发明主要针对的是无引脚类元件，此类元件二维成像多 为矩形或类矩形。而通过外形分析可知，球形引脚元件和伸出引脚元件的本体部分也多为 矩形或类矩形，因此所发明的无引脚元件检测算法对其他类型元件的检测也具有一定的启 发作用和指导意义。现有对无引脚类元件位置和角度的检测，主要有模板匹配法、最小外接 矩形法、最小二乘直线拟合法等，其中与本发明创造最相近似的实现方案有最小外接矩形 法和最小二乘直线拟合法。
[0005] 最小外接矩形法通过求取元件的最小外接矩形来获得元件中心位置和偏转角度， 算法简单，易于实现，但由于最小外接矩形需要包含整个元件，对于元件边缘不平整、有异 物、有污损、灰度不均等情况，计算出的矩形并非元件最理想的最小外接矩形，从而影响的 检测精度。
[0006] 最小二乘直线拟合法通过对元件四条边或长边边缘直接进行最小二乘直线拟合， 获得元件的偏转角度，这种方法简单高效，但由于最小二乘法拟合直线必须满足所有边缘 点到该直线的距离的平方和最小，直接拟合的方法没有考虑矩形元件对边相互平行，领边 相互垂直的约束条件和边缘离群值等粗大误差的影响，对于元件边缘不平整、有异物、有污 损、灰度不均等情况，边缘离群值在直线拟合中占据的比例很大，会引起拟合直线的不准 确，偏离正确的元件边缘，影响最终元件中心定位和角度检测的精度。而且加上现有的直线 拟合方法中，直线方程均采用f(x) =kx+b的表示法，这种方法默认直线必须有斜率，这对 于垂直于x轴，没有斜率（k无穷大）的情况并不适用。而在图像中，直线可能出现在任何 位置，使用上述的直线方程表示法必然会导致算法处理的漏洞，这会对精确获取目标位置 产生严重影响。
[0007] 现有方法中的最小二乘直线拟合法，采用的直线方程都是f(x) =kx+b的表示法， 而且拟合过程没有考虑边缘离群值就直接拟合，大大影响了拟合的精度。可参考下列文 献：
[0008] [1]王力.基于机器视觉的贴片元件定位系统的研宄与开发[D].苏州大学， 2009:49-51.
[0009] [2]李小伟.贴片元件几何尺寸精密测量系统的关键技术[D].重庆大学， 2014:48-50.
[0010][3]余大伟.视觉系统在贴片机贴片头定位与片状元件检测纠偏中的应用研宄 [D].苏州大学，2010:43-44.
[0011] [4]杨洪天.贴片机飞行对中图像处理和识别技术研宄[D].广东工业大学， 2012:37-40.
[0012] [5]叶昕.贴片机吸片状态视觉检测与纠偏系统的研制[D].苏州大学， 2010:35-42.
【发明内容】
[0013] 本发明的目的在于提出一种快速精确获得元件中心和偏转角度的检测及纠偏方 法，利用片状元件对边相互平行、邻边相互垂直的约束条件并引入直线海森范式及权重函 数Tukey对边缘进行加权的最小二乘矩形拟合，得到能代表贴片元件最理想的矩形，从而 快速精确的获取元件中心和偏转角度，对元件贴装的偏差进行纠正。
[0014] 为达此目的，本发明采用以下技术方案：
[0015] 一种快速精确获得元件中心和偏转角度的检测及纠偏方法，通过获取元件中心和 偏转角度来纠正元件贴装的偏差，包括以下步骤：
[0016] 步骤一、贴片元件的图像分割和区域特征的提取：对多元件图像进行图像分割，获 得二值图像，再以面积和矩形度作为区域特征对目标的二值图像进行区域特征提取，剔除 背景和噪声；
[0017] 步骤二、二值形态学和图像约化相结合的边缘区域自动提取：通过二值形态学的 腐蚀方法获得多个元件的内边界，再对内边界进行膨胀，获得元件边缘区域的二值图像，再 从元件原灰度图像中选取出特定的区域，对图像进行约化；
[0018] 步骤三：元件亚像素级边缘快速提取：用Canny算子获取元件像素级边缘，再基于 像素级边缘的方向，利用高斯曲线拟合法或一维的三次多项式最小二乘曲线拟合法，获取 亚像素边缘；
[0019] 步骤四、元件亚像素边缘拟合与元件贴装的纠偏：利用片状元件对边相互平行、邻 边相互垂直的约束条件，基于直线海森范式和Tukey权重函数的最小二乘矩形拟合法对提 取的元件亚像素边缘进行拟合，获得元件的拟合矩形，最后通过矩形四个角的坐标计算获 得元件中心坐标和偏转角度，判断元件是否发生偏转，并通过电机控制吸嘴向顺时针方向 或逆时针方向补偿，纠正元件贴装的偏差。
[0020] 更进一步说明，步骤二中图像约化包括以下步骤：
[0021] (1)通过二值形态学的膨胀处理后，记录膨胀区域像素点坐标；
[0022] (2)在原灰度图像中选取相应的坐标点，摒弃其他无用的区域，获得我们感兴趣的 元件边缘所在的细小区域。
[0023] 更进一步说明，步骤三中利用一维的三次多项式最小二乘曲线拟合法，获取亚像 素边缘，具体方法为：
[0024] 假设在边缘点梯度方向上建立坐标系GCS，像素级边缘点坐标为（Xi，yi)(i= 1， 2，…，N)，三次多项式形式为：
[0025]
[0026] 要令目标函数I的值最小，根据多元函数极值的必要条件有：
[0027]
uuj；'=1y=〇
[0028] 上式写成关于参数a的正规方程组，令 * - iV - ? iV
*' iV _ a2,a3)T，Y= (yl，y2，…，yN)，贝 1J用矩阵形 -J Z-L
式表示如下：ATAa=AtY
[0029] 得出参数向量a的最小二乘解为：a= (ATaFaTY
[0030] 令= 0即可求得其在GCS坐标系的坐标^
该坐标加上像素 级边缘点的坐标，即为亚像素点在图像坐标系的坐标，通过坐标获取亚像素边缘。
[0031] 更进一步说明，步骤四对元件亚像素边缘进行拟合，通过计算每个轮廓 点到矩形四条边的距离S，距离最小的则判定该点属于该条边，计算出的距离用 于定义后续的权重函数，并得到四组轮廓点集即N2,N3,N4，每组点集所对应的边 缘像素点数目分别为rvn2,n3,n4，设轮廓四个顶点分别为PpP2,P3,P4。PR边 对应点集{(xn，凡)，〇:12，灭12)，...，（xlm，乃")}，P2P3边对应点集 馬：{(办，少21)，（尤22，722)，…，（尤2"2，JV)}，P3P4边对应点集 7V3: {(JC31， 少31)，（尤32，少32)，…，（尤3"3，边对应点集JV4: {(X41，/41)，（知2，742)，…， (Y4"4,为"4)}，鉴于矩形的对边相互平行，邻边相互垂直，建立如下的方程组：
[0032]
[0033] 根据基于直线海森范式的最小二乘拟合算法，设置目标函数为：
[0034]
[0035] 式中，F=卜，13，(31，(32，(33，(3 4]，要使目标函数最小化，根据多元函数极值原理，有
，获得参数矩阵F后，代入上述方程组中得到矩形四条边所在直线的方程组， 再求