芯片是電路的基本組成部分，有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的人工檢測存在很多不足，視覺檢測尺寸測 量技術(shù)由此應(yīng)運(yùn)而生，視覺檢測由于自身具備高靈敏度、高精度及高耐用性的特性，對于提高工業(yè)自動 化水平和工業(yè)生產(chǎn)效率有極大助力。根據(jù)課題要求，以單片機(jī)芯片為研究對象，以檢測單片機(jī)芯片二維 平面上的尺寸，外觀，缺陷，質(zhì)量，長寬，直徑，高度，精度，缺料，字符，劃傷，針腳，真圓度，毛刺為研究目標(biāo)，設(shè)計(jì)了基于視覺檢測的單片機(jī)芯片檢測系統(tǒng)的硬件方案，硬件組成包 括光源與照明方式的選擇，以及相機(jī)與鏡頭的選擇。完成硬件平臺搭建后，同時(shí)制作了應(yīng)用于相機(jī)標(biāo)定 的標(biāo)定板并在調(diào)試完成的硬件平臺上拍攝了三十張左右的標(biāo)定圖片。

       利用MATLABR2016A作為系統(tǒng)的 軟件處理平臺，一方面應(yīng)用MATLAB標(biāo)定箱對標(biāo)定圖做相機(jī)標(biāo)定，另一方面編寫用于單片機(jī)芯片尺寸測 量的圖像處理代碼及測量代碼。其中，在圖像處理環(huán)節(jié)主要包括圖像濾波、二值化處理和邊緣提取等步 驟。單片機(jī)芯片的尺寸測量實(shí)驗(yàn)完成后將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與真實(shí)尺寸的對比，可以看出構(gòu)建的基于視覺檢測的 電子元器件外形尺寸測量系統(tǒng)滿足了課題設(shè)定目標(biāo)。 

關(guān)鍵詞 

芯片尺寸，外觀，缺陷，質(zhì)量，長寬，直徑，高度，精度，缺料，字符，劃傷，針腳，真圓度，毛刺檢測

1. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)中的硬件設(shè)計(jì)所需要的設(shè)備有光源、相機(jī)、鏡頭和計(jì)算機(jī)，軟件設(shè)計(jì)所需要的平臺是 MATLAB R2016A，電子元件選用的是單片機(jī)芯片。系統(tǒng)硬件應(yīng)用順序如圖 1 所示。

       系統(tǒng)總體方案的實(shí)施步驟是：首先選取適合電子元件尺寸測量的光源類型以及其對應(yīng)的光照方式， 在完成照明方案設(shè)計(jì)后選擇合適的工業(yè)相機(jī)和鏡頭，將照明光源和相機(jī)、鏡頭固定在支架后，通過調(diào)節(jié) 相機(jī)與被測物體的距離、相機(jī)鏡頭的放大倍數(shù)和光圈大小，確保待測單片機(jī)芯片可以完整清晰地呈現(xiàn)在 計(jì)算機(jī)成像畫面中，至此系統(tǒng)硬件平臺的搭建工作完成。隨后在成像畫面中獲取對比度高的單片機(jī)芯片 灰度圖作為尺寸測量系統(tǒng)軟件部分的待處理圖片[5]。待處理的單片機(jī)芯片灰度圖在 MATLAB 軟件平臺 上經(jīng)過圖像增強(qiáng)、圖像濾波、二值化、邊緣檢測等一系列圖像處理方法后通過像素點(diǎn)計(jì)算獲取芯片長寬 尺寸。

2. 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 照明方案設(shè)計(jì)對于視覺系統(tǒng)尤其重要，一方面可以提高采集到的圖像的清晰度，另一方面減少環(huán)境 光對測量系統(tǒng)的干擾。通過查閱資料和對比本課題實(shí)際測量的元器件尺寸，LED 燈的綜合性能最為優(yōu)越； 同時(shí)，經(jīng)過在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對各種光照方式實(shí)際對比，綜合考慮到照明效果與可操作性，本文最終在前 向照明、背向照明和環(huán)形照明這種光照方式；與 CMOS 相機(jī)相比，CCD 相機(jī)有著更高的分辨率和靈敏度， 本系統(tǒng)最終采用大恒圖像 MER-132-30GM 面陣 CCD 相機(jī)，它支持水平鏡像和垂直鏡像，可直接連接 HALCON、MERLIC、LabVIEW 等第三方軟件；鏡頭采用 COMPUTAR 公司生產(chǎn)的 M0824-MPW2 型號 鏡頭[6]?，F(xiàn)在主流的視覺處理軟件有：OpenCV、LabVIEW、HALCON、eVision、HexSight、RVB 以及 MATLAB。本課題選擇了 MATLAB 的 R2016a 版本作為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)平臺，MATLAB 相比于其他圖像 處理軟件學(xué)習(xí)成本低同時(shí)集成了許多圖像處理函數(shù)，適合本科生選用作為畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的開發(fā)軟件。選 擇好硬件后，將硬件湊齊簡單搭建平臺即可開始軟硬件調(diào)試以及后續(xù)工作。

3. 圖像處理總體方案 本章將重點(diǎn)介紹圖像預(yù)處理和邊緣提取的流程，流程圖如圖 2 所示，

包括圖像濾波、圖像二值化和 邊緣檢測以及邊緣檢測的替代處理方法，同時(shí)在這幾道流程中對比不同的算法帶來的效果差別，并挑選 出最適合單片機(jī)芯片尺寸測量的方法。 對比中值濾波、均值濾波和高斯濾波可以比較得出，高斯濾波的對于鄰域內(nèi)各點(diǎn)的權(quán)重分配類似于 正態(tài)分布，所以高斯濾波對于服從正態(tài)分布的噪聲的抑制效果非常好。由于采集的單片機(jī)芯片圖像質(zhì)量 較好，故三種濾波效果均非太明顯，最終采用高斯濾波。濾波效果如圖 3 所示，

并將其灰度反轉(zhuǎn)為圖像 二值化作準(zhǔn)備，灰度反轉(zhuǎn)效果如圖 4 所示。

本課題對于單片機(jī)芯片的二值化處理，在使用最大類間方差 法、平均值法和直方圖閾值法后均未得出較理想的二值圖像結(jié)果，由于待測圖像樣本量比較少，根據(jù)人 工經(jīng)驗(yàn)選擇法的準(zhǔn)則最終確定了閾值[7] [8]。確定閾值為 200，效果如圖 5 所示。 

在完成了上述一系列連通域處理步驟后，可以運(yùn)用 MATLAB 軟件中最小外接矩形函數(shù)計(jì)算待測單 片機(jī)芯片的外接矩形，獲取單片機(jī)四個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)為最終尺寸測量作鋪墊。單片機(jī)芯片最小外接矩形如圖 6

4. 電子元件尺寸測量實(shí)驗(yàn)及分析 用棋盤格標(biāo)定法將單片機(jī)芯片圖像中的尺寸轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的尺寸。棋盤格標(biāo)定法的操作介于相機(jī)自標(biāo) 定法和傳統(tǒng)相機(jī)標(biāo)定法之間，沒有傳統(tǒng)相機(jī)標(biāo)定繁瑣的步驟。 本系統(tǒng)采用 MATLAB 標(biāo)定工具箱對相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，相機(jī)標(biāo)定流程如圖 7 所示。

       利用相機(jī)內(nèi)外參數(shù)將像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為物理坐標(biāo)，分別對單片機(jī)芯片兩條長寬進(jìn)行尺寸測算求平均值。 本實(shí)驗(yàn)測量了四個(gè)不同型號單片機(jī)芯片的長度與寬度，并分別對四組長寬測量結(jié)果做誤差計(jì)算[9] [10]。 利用尺寸計(jì)算的雙邊求平均值的做法降低誤差，但通過對單片機(jī)芯片實(shí)際測量值與系統(tǒng)測量值的對比發(fā) 現(xiàn)仍然存在細(xì)微的誤差。對于單片機(jī)長度及寬度的終值計(jì)算僅依賴簡單的雙邊求平均方法，僅能有限的 降低誤差無法做到徹底消除誤差。

結(jié)論 

       尺寸檢測在工業(yè)中應(yīng)用極其廣泛，而電子元器件是工業(yè)待檢測物體中占比重很大的門類。應(yīng)用機(jī)器 視覺技術(shù)的尺寸檢測系統(tǒng)取代了以往的人工測量，節(jié)省了大量的人力與物力，為工業(yè)檢測技術(shù)的發(fā)展增 添了動力?；谝曈X檢測的電子元器件尺寸測量系統(tǒng)的測量對象是單片機(jī)芯片，系統(tǒng)主要包括相機(jī)標(biāo)定、 圖像采集、圖像預(yù)處理與邊緣提取和芯片長寬尺寸測量等步驟，其重點(diǎn)在于圖像處理與尺寸測量兩個(gè)部 分。選型之后重點(diǎn)工作在對圖像處理方法的對比研究，包括圖像濾波、圖像二值化以及邊緣提取等步驟。 其中圖像濾波進(jìn)行了對高斯濾波、均值濾波及中值濾波的對比分析，圖像二值化進(jìn)行了對直方圖閾值法、 最大類間方差法及平均值法的對比分析并最終結(jié)合三種方法使用了人工經(jīng)驗(yàn)選擇法確定了圖像分割的閾 值。采用連通域處理的方法對圖像進(jìn)行孔洞填充、邊界平滑以及面積過濾最終確定了單片機(jī)芯片的最小 外接矩形。最后完成對單片機(jī)芯片的尺寸測量并進(jìn)行了誤差計(jì)算與分析。