計算機視覺新技術及其在ＩＣ標記質量檢驗中的應用

摘要：介紹了電子和計算機技術對計算機視覺技術發(fā)展的影響，以及與計算機視覺系統(tǒng)開發(fā)相關的虛擬儀器開發(fā)平臺ＬａｂＶＩＥＷ和圖像處理軟件ＩＭＡＱ Ｖｉｓｉｏｎ的特點，重點說明了模型匹配新技術的原理和特性，并給出這些新技術在ＩＣ標記檢驗中的應用實例。

關鍵詞：計算機視覺技術 虛擬儀器 圖形編程語言 圖像處理

計算機視覺技術在農業(yè)、通信、交通、生物醫(yī)學等領域有著廣泛用途。在以往的計算機視覺系統(tǒng)中，圖像采集卡和ＰＣ機之間基本上都需要有專門的圖像處理裝置。這些圖像處理裝置通常以專門的ＣＰＵ或高速ＤＳＰ芯片為核心，需要設計專門的電路，用匯編或Ｃ等語言編程。因此，使得整個系統(tǒng)的開發(fā)工作量大，周期長，成本高。近幾年來，日新月異的計算機技術促進了基于ＰＣ機的測控儀器（也稱為虛擬儀器，其中包括計算機視覺系統(tǒng)）技術的發(fā)展。計算機和電子測量領域不斷有新的技術推出，例如為增強多媒體功能而開發(fā)的ＭＭＸ技術、數據傳輸率達１３２ＭＢ／ｓ的ＰＣＩ局部總線和速度越來越快的ＣＰＵ，以及功能越來越強大的操作系統(tǒng)和圖像處理軟件，還有性能優(yōu)異的圖像采集卡等；使得ＰＣ機的圖像處理能力大大增強。在新型的計算機視覺系統(tǒng)中，ＰＣ機可直接對圖像采集卡采集到信號進行快速的處理，在功能和速度等方面能滿足大多數工程應用的要求。

目前，在ＩＣ生計算機視覺技術在工業(yè)、產過程中的大部分工序中都利用計算機視覺系統(tǒng)進行在線的過程監(jiān)控。其中的一個工序是ＩＣ標記質量的在線檢驗。標記質量檢驗包括對ＩＣ表面的標記（商標圖案和字符）的位置、角度、清晰程度、是否缺損和錯漏等情況的檢驗。ＩＣ上的標記通常用激光刻繪或印刷的方法加工而成。據了解，國內的半導體器件制造業(yè)所配置的計算機視覺系統(tǒng)均為外國產品，ＩＣ標記質量檢驗計算機視覺系統(tǒng)的主要生產商是ＩＣＯＳ公司和ＨＰ公司，國內現在使用的系統(tǒng)基本上是需要專門圖像處理裝置的舊式結構的系統(tǒng)。

根據一家ＩＣ生產廠家所提出的技術要求，我們采用計算機視覺新技術設計了一套ＩＣ標記質量檢驗系統(tǒng)（以下簡稱為ＩＣ檢驗系統(tǒng)）。該系統(tǒng)具有結構簡單靈活、功能強和性能價格比高等特點。

１ ＩＣ檢驗系統(tǒng)的結構和配置

１．１ 系統(tǒng)的結構

ＩＣ檢驗系統(tǒng)由光源、鏡頭、ＣＣＤ攝像機、圖像采集卡、ＰＣ機和專門的應用軟件組成。ＩＣ檢驗系統(tǒng)結構示意圖如圖１所示。

在工廠中，ＩＣ檢驗系統(tǒng)需與專門的傳送包裝系統(tǒng)相互配合才能完成ＩＣ標記質量的檢驗和包裝工作。ＩＣ標記質量檢驗工序主要有以下幾個步驟：首先由傳送包裝系統(tǒng)先將ＩＣ逐個裝入條狀塑料包裝帶的空格內，包裝帶在ＩＣ檢驗系統(tǒng)的鏡頭下方一格一格地快速移動。包裝帶每移動一次，傳送包裝系統(tǒng)就會通過接口電路查詢ＩＣ檢驗系統(tǒng)是否處于準備就緒的狀態(tài)；是則發(fā)出信號通知ＩＣ檢驗系統(tǒng)對ＩＣ進行測試。若檢驗合格，包裝帶前移一格，再重復前面的步驟。若ＩＣ不合格，ＩＣ檢驗系統(tǒng)發(fā)出信號通知傳送包裝系統(tǒng)更換ＩＣ，待ＩＣ更換后，再進行檢驗。

１．２ 系統(tǒng)的配置

ＣＣＤ攝像機：敏通公司的ＭＴＶ－１８８１ＥＸ型１／２″黑白攝像機，７９５（Ｈ）×５９６（Ｖ）圖像像素，６００ＴＶ線水平分辨率，最低照度０．０２１ｘ，信噪比優(yōu)于４８ｄＢ。

圖像采集卡：美國國家儀器 ＮＩ）公司的ＰＣＩ－１４０８型單色圖像采集卡，采用ＰＣＩ總線，具有８位分辨率，更新速率為２５幀／ｓ（ＰＡＬ）。該卡有４根觸發(fā)信號和８根同步信號線，可用于與其它ＤＡＱ卡或外部設備通信聯(lián)絡。

ＰＣ機：聯(lián)想ＰＩＩＩ／４５０，６４Ｍ內存，８．４Ｇ硬盤。

操作系統(tǒng)：Ｗｉｎｄｏｗｓ ９８。

應用軟件：自行開發(fā)的ＩＣ標記質量檢驗程序。

２ 開發(fā)工具軟件

以軟件為中心是虛擬儀器的一大特點，虛擬儀器的開發(fā)往往以軟件為主。因此，選擇好的開發(fā)工具軟件十分重要。我們采用了ＮＩ公司的虛擬儀器開發(fā)平臺ＬａｂＶＩＥＷ ５．１和圖像處理軟件包ＩＭＡＱ Ｖｉｓｉｏｎ ５．０作為開發(fā)工具。

２．１ ＬａｂＶＩＥＷ

ＬａｂＶＩＥＷ是一種基于圖形編程語言的虛擬儀器應用軟件開發(fā)平臺，特別適用于測試、測量、儀器控制、過程監(jiān)控和工業(yè)自動化等方面的工程應用軟件的開發(fā)。它采取編譯方式生成的應用程序可脫離開發(fā)平臺而獨立運行，運行速度與Ｃ語言相當。它在數據采集、信號處理和數據表達等方面有很強的能力，并且具有直觀易學和編程效率高等特點。與通用編程語言（例如ＶＣ和ＶＢ）相比，可節(jié)省一半以上的軟件開發(fā)時間。它可通過ＤＬＬ等多種方式與其它語言的應用程序連接。ＬａｂＶＩＥＷ ５．１版在很多方面作了改進，例如加強了信號處理和分析、３Ｄ圖形顯示和報告生成的功能，以及ＡｃｔｉｖｅＸ和網上數據交換等方面的功能。

２．２ ＩＭＡＱ Ｖｉｓｉｏｎ ｆｏｒ ＬａｂＶＩＥＷ

ＩＭＡＱ Ｖｉｓｉｏｎ包含一系列ＭＭＸ優(yōu)化函數。它使ＬａｂＶＩＥＷ具有科研和工程中常用的圖像處理功能，例如各種類型的濾波、統(tǒng)計、幾何變換和圖像顯示的功能，還有模型匹配、邊緣檢測、斑點分析和測量等功能。ＩＭＡＱ Ｖｉｓｉｏｎ ５．０在模型匹配和感興趣區(qū)域ＲＯＩ的控制等方面作了進一步的改進，總體性能有了明顯的提高。

３ 模型匹配的新技術

ＩＣ檢驗系統(tǒng)采用了ＩＭＡＱ Ｖｉｓｉｏｎ中的圖像處理新技術，其中最有特色的是模型匹配技術。模型匹配是最常用的圖像處理方法之一。傳統(tǒng)的模型匹配常采用相關算法。該方法處理速度較慢，而且對匹配對象的大小比例和角度的變化有很大的限制。

ＩＭＡＱ Ｖｉｓｉｏｎ ５．０的模型匹配技術采用了三種新方法：高效率的非均勻圖像采集、與旋轉和大小比例無關的樣板信息提取，以及圖像的幾何建模。這些新方法大大提高了模型匹配的速度。

將一幅圖像轉換成數字信息時，往往包含大量冗余信息。如果對一幅圖像的所有信息進行模型匹配處理，將會很費時。但是，如果只對圖像中有代表意義的部分進行采樣，就可以大大減小要處理的信息量，從而加快了處理速度。圖２是非均勻采樣法原理示意圖。圖２（ａ）是樣板（Ｔｅｍｐｌａｔｅ）的原始圖像，圖２（ｂ）中的黑點用來表示那些代表樣板圖像的信息。顯然，在圖像中灰度均勻的區(qū)域采樣點較少，灰度變化大的區(qū)域采樣較多，采樣的密度隨圖像內的情況自動調整。
邊緣檢測的方法能提供有關圖像結構的信息，一個圖像中圖形邊緣的信息遠遠少于整個圖像的信息。邊緣信息還可以作進一步處理，以提取圖像中幾何形狀圖形有關的數據，例如被測圖像中直線和園形的數量等。模型匹配中匹配對象的計數可簡化為幾何圖形的匹配處理。圖３是邊緣檢測和幾何建模技術示意圖。圖３（ａ）是樣板圖像，圖３（ｂ）是圖形邊緣強化后的圖像，圖３（ｃ）是以幾何形狀表示圖形邊緣的圖像。 ＩＭＡＱ Ｖｉｓｉｏｎ中與模型匹配相關的函數綜合運用了非均勻采樣、邊緣檢測和幾何建模等方法，令模型匹配快速而準確，并允許匹配對象可以有０～３６０度的旋轉和一定范圍的大小比例變化。即使是在照明狀況有變化（指均勻變化）、鏡頭聚焦不太好和部分圖形被隱藏的情況下，也能取得相當準確的結果。

４ 軟件設計

４．１ ＬａｂＶＩＥＷ編程的基本方法

用ＬａｂＶＩＥＷ開發(fā)的應用程序主要由面板和流程圖組成。面板的設計相當簡便快捷，因為ＬａｂＶＩＥＷ有很豐富的控件庫，其中包含工程上常用的各種各樣的開關、旋鈕，表頭、數值指示器和波形顯示器等儀表面板部件。設計面板的基本工作就是從控件庫中選取所需的控件，并以很簡便方法為它們設置合適的屬性（例如尺寸、顏色、量程等）和位置。如有需要，這些屬性可通過程序進行調整。面板上的所有控件都會在流程圖中自動生成對應的圖標。ＬａｂＶＩＥＷ的函數庫內有上千種函數和子程序，它們也是以圖標形式出現。流程圖主要由面板上控件的圖標、函數圖標和連線組成。通常情況下，在圖標左側連接輸入參數，而輸出參數從圖標右側引出。設計流程圖的基本方法是：從函數庫中選取所需的函數圖標，并按照數據在程序中傳送的順序把它們和控件圖標的位置統(tǒng)一編排好，再用連線工具將圖標都連接起來。

４．２ 模型匹配函數的編程

ＩＭＡＱ Ｖｉｓｉｏｎ中的模型匹配函數ＩＭＡＱ Ｍａｔｃｈ Ｐａｔｔｅｒｎ可提供所有查找到的匹配對象的檢測結果，其中包括匹配對象的數目、位置坐標、旋轉角度、大小比例和相似程度計分（以１０００分為滿分）。模型匹配函數需要以下幾個相關函數的配合才能得到正確的結果。

（１）學習模式設置函數（ＩＭＡＱ）用于設定建立樣板模型時的學習模式。學習模式有三種：僅允許樣板位移的模式，僅允許樣板旋轉的模式，以及允許樣板位移和旋轉的模式。

（２）學習建模函數（ＩＭＡＱ）運用模型匹配新方法將樣板的原始圖像轉換成描述數據形式的樣板模型。

（３）模型匹配參數設置函數ＩＭＡＱ Ｓｅｔｕｐ Ｍａｔｃｈ Ｐａｔｔｅｒｎ用于集合最小對比度和匹配模式等多種參數。

圖４是一個模型匹配程序（流程圖）實例，用來說明模型匹配的基本編程方法。

我們用自編的測試程序對模型匹配函數的幾項主要技術指標進行了測試，測試是在ＩＣ檢驗系統(tǒng)的軟硬件配置條件下進行的，測試結果如表１所示。

４．３ ＩＣ 標記檢驗系統(tǒng)應用程序的設計

ＩＣ檢驗系統(tǒng)應用程序的面板如圖５所示。圖５中的１、２、３等數字表明有關控件（按鍵和數值輸入等）操作的主要步驟和程序運行的基本順序。

表1 模型苑配函數主要技術指標測試

（１）“制作標準圖像”按鈕用于為一個完全符合要求的ＩＣ拍攝一幅標準圖像，作為模型匹配樣板圖像的基準。

（２）“設定搜索區(qū)域”按鈕用作在標準圖像的中間位置上自動生成一個搜索矩形框，該框用來限定標記檢驗搜索區(qū)域。搜索區(qū)域應選擇ＩＣ的主體為宜。因為，搜索區(qū)域不僅是作為符號匹配檢驗的搜索區(qū)域，而且是作為ＩＣ主體的樣板圖像，它作為基準被轉換為ＩＣ主體的樣板模型。在每個ＩＣ檢驗的開始階段，該樣板模型與被檢驗ＩＣ的圖像進行模型匹配，找到ＩＣ主體并校正其坐標位置和角度。

（３）“調整搜索區(qū)域位置”數字式和滑動式數值控件可上下左右地移動搜索矩形框，而“調整搜索區(qū)域大小”的數值控件則用來改變搜索矩形框的邊長；這兩種操作交替地進行即可精確地選擇搜索區(qū)域。

（４）“增加檢驗符號”按鈕用于選擇待檢驗的字符。先用鼠標框選要檢驗符號，再用“增加檢驗符號”按鈕確認這一選擇。框選的位置沒有限制，但字符選擇框的邊長不能小于８個像素，也不能超出搜索區(qū)域?？蜻x字符的數目最多可達２００個。框選字符的目的是縮小匹配處理的范圍，提高檢測準確性。

（５）“學習建模”按鈕啟動為所有被選符號建立樣板模型的工作。這些樣板模型被用來作為符號檢驗的基準。

（６）在檢驗參數和檢驗方式設置欄目中，“對比度”控件用于設定被檢驗ＩＣ圖像的最小對比度?！昂细穹謹怠?、“位移上限”和“旋轉上限”控件的設定值是判斷ＩＣ標記質量是否合格的門限值，它們均可由用戶根據實際要求來設定。例如，按照圖５中這幾項的設定值，被檢驗的符號匹配計分達７００分，而且位移未超過２５μｍ，旋轉角度未超過０．３度時，為合格符號。所有被測符號均合格時，ＩＣ標記質量才算合格。

（７）“開始ＩＣ檢驗”按鈕用于發(fā)出ＩＣ檢驗系統(tǒng)已做好準備的信號。若傳送包裝系統(tǒng)亦已準備好，它會發(fā)出信號讓ＩＣ檢驗系統(tǒng)開始檢驗工作。

此外，統(tǒng)計數據欄中的“存盤”和“打印”按鈕用于存儲或打?。桑脴擞涃|量檢驗的統(tǒng)計數據。

圖５中名為搜索區(qū)域的圖像是待測ＩＣ主體部分的圖像，而名為角度校正的圖像是以標準ＩＣ圖像為基準的經角度校正后的圖像，校正的目的是準確地計算出被檢驗符號的位置偏移和角度變化。字符質量檢驗的其它項目由相似程度計分來統(tǒng)一判斷。

總之，借助于電子和計算機等領域的最新技術，新型計算機視覺系統(tǒng)在結構和性能等方面有了突破性的進展。功能強大和高效率的虛擬儀器和圖像處理工具軟件為計算機視覺系統(tǒng)的開發(fā)和推廣應用提供了更加有利的條件。在ＩＣ標記質量檢驗系統(tǒng)中所采用的光學符號檢驗新技術除了可用于各類型印刷符號的檢驗外，也適用于各種產品的元器件安裝方位和缺漏等檢測項目。而且，基于ＰＣ機的計算機視覺系統(tǒng)還可以利用網絡技術與其它虛擬儀器或測控設備組成網絡化的產品質量監(jiān)控系統(tǒng)。