摘要：利用Matrox圖像采集卡" title="采集卡">采集卡,，采用異步雙緩存方法滿足了PCB外觀檢查機圖像采集和實時處理的需要。并針對PCB外觀檢查機采集的圖像數(shù)據(jù)大精度高,，需要實時拼接的特點,，提出了將GDI+圖形設(shè)備接口庫與ActiveMil庫采用結(jié)合應(yīng)用的圖像拼接方法,。測試實例表明,，圖像采集速度提高了30％，非常適合應(yīng)用在PCB外觀檢查機上,，并且由于利用ActiveX組件縮短了開發(fā)周期,。
關(guān)鍵詞：PCB檢測；雙緩存異步采集系統(tǒng)" title="采集系統(tǒng)">采集系統(tǒng),；ActiveMil組件,；圖像拼接
印制電路板外觀檢查機是PCB產(chǎn)品生產(chǎn)線上的重要質(zhì)檢設(shè)備，它基于光學(xué)圖像處理" title="圖像處理">圖像處理和計算機視覺識別技術(shù)原理,，主要功能是對PCB組件生產(chǎn)過程中遇到的外觀缺陷進行檢測,。中國是世界PCB生產(chǎn)大國，但不是強國,，PCB生產(chǎn)鏈中的重要環(huán)節(jié)——PCB設(shè)備儀器不強是形成這種狀況的重要原因之一,，為推進中國PCB產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與進步，研制了較自動外觀檢查機操作簡單,、系統(tǒng)更加緊湊以及更高的性能價格比的手動PCB外觀檢查機,。手動PCB外觀檢查機通過手動放板后傳送裝置自動傳送PCB，線陣CCD相機均勻掃描PCB板,，獲得準(zhǔn)確圖像,，再通過計算機對比處理已掃描的線路板并進行判斷，然后分裝置根據(jù)計算機反饋的控制信號自動分檢PCB(OK／NG),?？蓪Ξ愇铮躲~,，補油,，劃傷，鍍金不良,，字符錯誤,，綠油不均，焊盤不均勻，殘銅,，漏印,，顯影等外觀方面的瑕疵進行精確檢測。由于圖像采集和處理的速度和效果將直接影響到PCB板檢測的準(zhǔn)確性和有效性,，為此針對手動外觀檢查機的特點詳細(xì)研究了圖像采集系統(tǒng)" title="圖像采集系統(tǒng)">圖像采集系統(tǒng),，采用C#在．net框架下對ActiveMil進行二次開發(fā)并用GDI+圖形接口庫實現(xiàn)了圖像采集軟件系統(tǒng)的開發(fā)。
1 PCB外觀檢查機系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
PCB在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，其傳動控制設(shè)備,、電氣控制系統(tǒng)和攝像機必須在計算機的精確控制下，才能協(xié)調(diào)處理工作,，完成復(fù)雜的檢測和分揀任務(wù),。基于機器視覺的PCB在線檢測設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
系統(tǒng)主要分為運動控制,、圖像采集和圖像處理部分。圖像采集部分是整個系統(tǒng)的重要組成部分,。攝像機和鏡頭在機器視覺中相當(dāng)于人的眼睛,，負(fù)責(zé)拍攝對象的圖像。圖像采集部分是PCB檢測系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié),，也是檢測處理的基礎(chǔ),。PCB檢測系統(tǒng)強調(diào)檢測的速度和精度，所以需要圖像采集部分及時,、準(zhǔn)確地提供清晰的圖像,。
2 圖像采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
1)圖像采集系統(tǒng)工作原理
當(dāng)系統(tǒng)上電后，MCU自動檢測PCB載物臺是否復(fù)位到起點,。此過程主要有兩個光纖傳感器和伺服電機完成,。兩個傳感器分別安裝在四顧電機軌道的起點，即復(fù)位點和軌道端點,。起復(fù)位,，停止和電機反轉(zhuǎn)的功能。上電后MCU檢測到sesorl(復(fù)位點或起點處)無效,，則調(diào)用電機反轉(zhuǎn)程序,，使PCB載物臺回到起點位置，同時串口" title="串口">串口向PC機發(fā)送彩圖無效信號,。然后MCU繼續(xù)判斷是否有按鍵按下,，如果有按鍵按下，電機開始正轉(zhuǎn),，同時串口向PC機發(fā)送彩圖有效信號,。此過程也就是PCB線掃描過程,，完成圖像的采集。此過程電機經(jīng)歷三個階段：加速階段,，勻速彩圖階段和減速停止階段,。在電機正轉(zhuǎn)過程中，從七點開始,，MCU通過特有的捕獲比較單元(CCU6)來對伺服電機編碼器反饋回來的脈沖計數(shù),，但計數(shù)值達到采圖有效數(shù)值時，串口向PC發(fā)送采圖開始信號,，此時線陣CCD開始對PCB進行圖像采集,。在電機減速正轉(zhuǎn)到軌道端點的傳感器senor2處時，電機停止并馬上反轉(zhuǎn)回到起點處,，此過程串口向PC機發(fā)送采圖無效信號,。至此一個完整的檢測過程完整。MCU繼續(xù)檢測是否有按鍵按下來進行下一次檢測,。其中串口發(fā)送的采集有效和開始信號可以有效地避免誤觸發(fā),。CCD采集到的圖像信號由Camrelink接口送至圖像采集卡再由PC做進一步的圖像處理,。
2)傳感器與按鈕的接收與檢測
采用光耦隔離技術(shù),，可以實現(xiàn)電路間的光電隔離，即使輸入信號能無阻通過,，且防止輸出信號反饋到輸入端,，有利地抑制尖峰脈沖和各種噪聲的干擾，工作穩(wěn)定,，無觸點,，使用壽命長，傳輸效率高,。為實時檢測到反饋的轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)速信號,，本設(shè)計中采用了高速光耦A(yù)CPL-072L，傳輸速率可高達25 MBd,，并且外圍電路簡單,，如圖3所示。
本設(shè)計利用XC164CS外設(shè)中含有捕獲／比較單元CC25端口,，將光耦傳輸信號作為外部中斷信號來觸發(fā)XC164,，實現(xiàn)高速精確地傳感定位與按鈕檢測。
3)CCD攝像機系統(tǒng)
該手動PCB外觀檢查機圖像采集系統(tǒng)采用NED彩虹系列的3CCD彩色線掃描相機NUCLi7300,。該相機應(yīng)用廣泛,，可以進行以前黑白相機無法進行的顏色差異檢測。外部接口為高速串行接口(Camera Link),，可以很方便的與采集卡連接,，也可以很方便的設(shè)置增益和偏移量,，并具有修正RGB線延遲的功能。像素數(shù)為7 300x3 Line,，像素大小為10x10 μm,，數(shù)據(jù)速率60MHz，最短掃描速率7．6kHz,。圖4為本系統(tǒng)所用的連續(xù)線掃描速率模型時序圖,。
系統(tǒng)中的圖像采集卡采用的是Matrox公司的SoliosXCL-SU74，該卡自帶處理器處理兩個獨立基模式或一個中模式Camera Link配置,、66 MHz采集速率,、64 MB緩沖器、可以采集面陣和線陣攝像頭,，并具有多種采集模式,。
目前市面上的影像檢測系統(tǒng)大多采用面掃描(Areascan)的攝影機進行影像的采集及分析，但是由于該PCB外觀檢查機檢查的PCB產(chǎn)品尺寸范圍較大——50 mmx50mm～330mmx250 mm,，精度的要求達亞像素級,，面掃描攝影機的分辨率及取像速度無法滿足這些要求，所以系統(tǒng)選取的是線掃描CCD,。但是線掃描的檢測系統(tǒng)必須利用運動速度才能取得面積影相,，即被測PCB運動到相機視場時同過硬件發(fā)送觸發(fā)信號給相機開始采集，故將采集卡的采集模式設(shè)置為硬件觸發(fā)同步采集,，并分配最大內(nèi)存64 M,。CCD與采集卡連接示意圖如圖5所示。
3 軟件系統(tǒng)組成
該圖像采集系統(tǒng)的軟件采用的開發(fā)語言是C#,，軟件開發(fā)包是AetiveMil9．0組件,。
Matrox有著豐富的程序包-圖像處理和模式識別庫(MIL)和MIL的子庫MIL-LITE(基本圖像處理)。MIL是一個硬件獨立的32位圖像處理庫,，利用了Intel的MMX的多媒體圖形加速功能對圖像處理程序庫進行了優(yōu)化,，可以處理二進制、灰度或彩色圖像,，它是獨立于硬件平臺的,。并且對于快速Windows應(yīng)用程序開發(fā)，MIL捆綁了ActiveMIL,。AetiveMIL是一個管理圖像采集,，處理，分析,，顯示和存檔的動態(tài)控件的集合,。Aeti-veMIL完全集成到Microsoft Visual Basic、Visual C++和．net快速應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境中,。該圖像采集系統(tǒng)選用的是AetiveMil控件庫,，本控件庫可以實現(xiàn)所有MIL的所有功能,，而且由于使用了ActiveX控件，所以很大程度上降低了程序設(shè)計的難度,，縮短了軟件開發(fā)周期,，提高了應(yīng)用系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
3．1 基于AclivrMil的圖像采集程序
對Matrox圖像采集進行圖像采集二次開發(fā)的通用軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示,。
圖像采集程序的基本思路是：
1)打開通信通道,，即確定一個應(yīng)用對象(Application)，并對每個應(yīng)用對象創(chuàng)建一個或多個系統(tǒng)對象(System),。
2)初始化硬件資源,，即為每個系統(tǒng)對象分配數(shù)據(jù)緩存(Data Buffer)、數(shù)據(jù)采集器(Digitizer)和數(shù)據(jù)顯示(Display)對象,。
3)啟動采集過程,，即將圖像讀入數(shù)據(jù)緩存，并將緩存賦值給數(shù)組,，通過對數(shù)組的處理實現(xiàn)對圖像的處理,，圖像數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)顯示相關(guān)聯(lián)后就可以通過顯示控件或窗體顯示預(yù)處理后的結(jié)果。
AetiveMIL可以讓開發(fā)者快速簡單地將一個圖像應(yīng)用程序和Windows用戶界面結(jié)合起來,。應(yīng)用程序開發(fā)包含拖動和滾動工具放置以及加標(biāo)點和單擊配置,，充分地減少代碼量。在．net framework3．0卡發(fā)環(huán)境下,，安裝MIL開發(fā)包并正確配置后,，Application、System,、Image、ImageProcess,、Display等組件將自動添加到工具欄,。
開發(fā)者將所需用的控件拖拽到圖像采集窗體上，一個Application,，對應(yīng)于單鏡頭手動外觀機,，一個System，單窗體顯示——一個Disp-laly,，為了提高CPU使用率應(yīng)啟用雙緩存異步采集——兩個ImageBuffer,，及一個ImageProcess。
3．2 雙緩存異步采集思想
Matrox MeteorII圖像采集卡支持同步和異步兩種采集方式,。
同步采集方式適用于連續(xù)采集顯示圖像而不做運算處理的情況,，這是因為同步采集方式下，在每次采集圖像之前,，CPU都向采集卡發(fā)送采集同步信號,，然后等待采集結(jié)束,，所以在采集過程中CPU由于得不到圖像數(shù)據(jù)而只能處于等待狀態(tài)。由于CCD僅采集一幀圖像就需要40 ms左右,，這與人的視覺滯留大致相當(dāng),，所以在同步方式下無法保證采集和處理在40 ms內(nèi)完成，也就無法達到實時處理的要求,。
異步采集方式下,，采集工作和計算機對圖像的處理工作可以同時進行，即當(dāng)CPU處理當(dāng)前幀的圖像時,，CCD攝像機可以進行下一幀的圖像采集,。因此，在程序編制時,，需要一個緩存機制用來緩存當(dāng)前已采集完成的圖像和緩存CCD攝像機將要采集或正在采集的圖像,，從而實現(xiàn)圖像采集與處理的并行工作。顯然,，利用這種雙緩存采集方法既可以降低對硬件系統(tǒng)的要求,，還可以大大提高系統(tǒng)的處理速度，滿足實時處理的要求,。
3．3 圖像采集代碼實現(xiàn)
3．4用GDI+實現(xiàn)圖像拼接
4 圖像采集實例
圖7是同步采集系統(tǒng)采集的PCB圖像,，圖像寬為7 300，高為1 000,，用時1．3 s,，并且存在掉幀現(xiàn)象。圖8是雙緩存異步采集系統(tǒng)采集的PCB圖像,，用時1．0 s,，采集的圖像效果良好。
結(jié)果表明,，雙緩存異步采集系統(tǒng)的圖像采集速度顯著提高,，并且由于利用ActiveX組件縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)的人力成本,。且提高了圖像采集的質(zhì)量,。采集一幅7300x10000的圖像并實時拼接僅需1．3 s，不存在掉幀現(xiàn)象,，無損拼接拼接,。計算圖像緩存區(qū)大小的公式為MemSize=ImageWidthxlmageHeightxFrames，實驗還表明,，采用同步采集方式采集7 300x1 000,，每像素8 bits的1幀圖像大致需要6Gb的緩存空間；采用異步雙緩存采集方式采集相同分辨率的圖像只需要不到32 mb的緩存就可以連續(xù)不問斷地保存圖像,。由此可見,，使用異步雙緩存采集方式不僅可以節(jié)約系統(tǒng)資源,，而且可以獲得更高效更好的采集效果。
5 結(jié)論
雙緩存技術(shù)近年在圖像顯示領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,，該設(shè)計首次將雙緩存技術(shù)與異步采集結(jié)合應(yīng)用在PCB手動外觀檢查機的圖像采集系統(tǒng)中,。利用Matrox公司的SoliosXCL-SU74，使用異步雙緩存采集方法可以實現(xiàn)PCB外觀機的實時連續(xù)采集(本實驗設(shè)為每秒采集10幀圖像,，每幀圖像寬為7 300,，高為1 000)的要求，并利用GDI+庫實現(xiàn)圖像實時無損拼接,，該方案較傳統(tǒng)的圖像采集效率更高,，對硬件的要求更低，更適合PCB外觀機等大數(shù)據(jù)的圖像采集系統(tǒng),。