CN104021565B - 一种基于直线检测的pcb层数及导线厚度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于直线检测的印刷电路板层数及导线厚度测量方法，该方法首先对PCB二值图像进行二值图像的导线边界提取与边界细化；然后对包含导线边界信息的图像进行基于Hough变换的直线检测，得到孔壁垂直方向上的导线直线边界；接着对这些孔壁垂直方向上的导线直线边界进行归类鉴别，得到若干组直线边界；最后根据每类直线边界函数计算得到整个孔的PCB层数、外层导线厚度、每条内层导线的厚度的测量结果。本专利应用于PCB内部质量检测，并能明显提高测量精度和效率。

Description

一种基于直线检测的PCB层数及导线厚度测量方法

技术领域

本发明属于印刷电路板质量检测技术，具体涉及一种基于直线检测的PCB(Printed Circuit Board，PCB)层数及导线厚度测量方法，用于检测印刷电路板内部质量。

背景技术

基于图像处理技术的PCB产品质量检测方法受到越来越多的关注。现有的基于图像处理技术的PCB质量检测主要集中在PCB表面元器件检测与识别(宿鸣明.电路板元器件的检测与识别[D].大连理工大学,2005；朱岩.基于机器视觉技术的电路检测与实现[D].西北工业大学,2007)和PCB表面缺陷的检测方面(郑伟.图像法检测印刷电路板缺陷[D].西安理工大学,2002)。基于金相切片图像的PCB内部质量检测目前主要采用人工观测方法，相关专利和研究报道很少。人工观测方法效率低，观测结果稳定性差、精度得不到保证。

PCB层数及导线厚度是衡量PCB内部质量的重要参数。针对如图1所示的输入印刷电路板中某个孔的金相切片的二值图像的位图图像，即PCB图像，孔把PCB图像的白色区域分成上下两个单连通区域、内外层导线图像不分离的特征，提出一种基于金相切片二值图像的印刷电路板层数及导线厚度测量方法(蔡延光，谢登洋，蔡颢，邢延.一种基于金相切片二值图像的印刷电路板的测量方法：中国，201310461359.4[p].2013-10-08)，但是随后我们发现存在着另一类与图1所示这一类PCB存在较大差异的新的一类PCB。这一类PCB图像如图2所示，存在有别于图1所示例的特征：孔把PCB图像的白色区域分成上下两个区域，但上下两个区域由于内层导线不直接与孔壁直接相连，导致上下两个区域均不是单连通域、内外层导线图像存在分离现象。

本专利是针对图2所示例的一类PCB提出的一种提出基于直线检测的层数及导线厚度测量方法。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种效率高，观测结果稳定性高、并能保证测量精度的基于直线检测的PCB层数及导线厚度测量方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于直线检测的印刷电路板层数及导线厚度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：输入印刷电路板中某个孔的金相切片的二值图像的位图图像X₀，即PCB图像，孔把PCB图像的白色区域分成上下两个非单连通区域，其中，水平方向为孔壁方向，白色代表导线、黑色代表非导线；

步骤2：导线边界提取：提取PCB图像X₀内的导线边界，得到包含导线边界信息的PCB图像X₁；

步骤3：对步骤2获取的包含导线边界信息的PCB图像X₁进行边界的细化操作，得到一个像素线宽的包含导线边界信息的PCB图像X₄，具体步骤如下：

步骤3.1：设定参与导线边界细化运算的结构元素S，S为由0和1构成的3×3结构元素；

步骤3.2：定义8方向的击中击不中变换结构元素对，即结构元素S的上、右上，右、右下、下、左下、左和左上八个方向上的子集和相应的对称集，

步骤3.3：用8个方向的结构元素对都对图像作一次击中击不中变换，若击中则表示该像素可被细化，设置为黑色背景，否则，保留作为细化结果输出，得到一个像素线宽的包含导线边界信息的PCB图像X₄；

步骤4：对PCB图像X₄进行竖直方向上的Hough变换直线检测，得到孔壁垂直方向上的疑似导线直线边界(ρ_i,θ_i)，此处采用直线的极坐标表示，i表示第i条直线边界，但并不一定是第i条导线的边界；

步骤4.1：以像素为单位读取图像的高度与宽度，分别记为高度H及宽度W,从像素(0,0)开始，对PCB图像X₄自左向右、从上到下进行Hough变换直线检测；用向量(ρ_i,θ_i)描述图像上的任意一条直线区域，设定ρ_i的取值范围为设定θ_i的取值范围为[-15°,15°]，定义对于任意(ρ_i,θ_i)决定的直线区域，H_ρθ作为参数空间对应直线区域的计数器；

步骤4.2：依次遍历图像所有的像素，对于每个像素判断是否为导线边界，若是导线边界，则对经过该像素的所有直线区域(ρ,θ)的计数器H_ρθ加1，否则继续判断下一像素，具体步骤如下：

步骤4.2.1：获取像素坐标(i,j)，i表示自左向右的第i个像素，j表示自上而下第j行像素；

步骤4.2.2：计算该像素的极坐标ρ值，令H_ρθ＝0，θ＝-15°,-14°,-13°,…,0°,…,14°,15°；若该像素为白色，则H_ρθ＝H_ρθ+1，θ＝-15°,-14°,-13°,…,0°,…,14°,15°，否则读下一像素，执行步骤4.2.1，直至i＝W，j＝H；

步骤4.3：根据图像大小设定计数器的阈值K；

步骤4.4:判断疑似导线直线边界(ρ_i,θ_i)的可信度，判断θ_i的可信度：如果i＞1000，那么认为此次检测失败，需要重新设定相关参数，否则计算θ_i的期望E_θ和方差如果没有超出设定的最大值预设疑似导线直线边界(ρ_i,θ_i)为有效记录，否则也提示直线边界检测失败，需要重新设定参数进行检测；

步骤5：疑似导线直线边界(ρ_i,θ_i)筛选：将(ρ_i,θ_i)中θ_i≠0°的疑似导线边界筛选掉，得到新的导线边界(ρ_i,0°)；根据极坐标和直角坐标的转换关系可知当θ_i＝0°时导线边界(ρ_i,θ_i)可转化为x_i＝ρ_i cosθ_i＝ρ_i,x_i为第i条垂直于X轴的导线边界，i为自然数；

步骤6：导线直线边界x_i＝ρ_i聚类分析，具体步骤如下：

步骤6.1：对x_i进行排序，得到有序的垂直于X轴的导线直线边界簇；

步骤6.2：以x₁划为第一类，对于余下的x_i，如果满足x_i-x₁≤5，则x_i继续划入第一类，否则判断是否满足x_i-x₁≥20，如果不满足，x_i不做任何归类，如果满足x_i-x₁≥20，则将当前的x_i作为第二类的起始，且令作为第一类的导线边界参与之后的运算，以此类推，如果x_i满足则此x_i划入第j类，否则判断是否满足如果不满足，x_i不做任何归类，如果满足 则将当前的x_i作为第j+1类的起始，且令作为第j类的导线边界参与之后的运算；

步骤6.3：如果至少存在一个x_i不属于任何一类或者j不为偶数，则输出“PCB可能存在质量问题，或者图像异常，请重新设定相关参数，再进行检测”，结束；

步骤7：计算PCB层数为计算左侧外层厚度为右侧外层厚度为第k层的内层导线厚度为

进一步地，所述步骤2的具体步骤如下：

步骤2.1：设定参与导线边界提取运算的结构元素S，S为由0和1构成的3×3结构元素；

步骤2.2：对PCB图像X₀用结构元素S进行膨胀运算，得到缓存图像X₂；

步骤2.3：对PCB图像X₀用结构元素S进行腐蚀运算，得到缓存图像X₃；

步骤2.4：对X₂、X₃进行图像差运算，得到缓存图像X₁＝X₂-X₃。

进一步地，所述步骤4.3中，

本发明的有益效果：本专利应用于PCB内部质量检测，并能明显提高测量精度和效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1内外层导线图像不分离的PCB示例；

图2内外层导线图像有分离的PCB示例；

图3为本发明的流程图。

具体实施方式

如图3所示，一种基于直线检测的PCB层数及导线厚度测量方法的具体实施方式如下：

输入：PCB中某个孔的金相切片的二值图像的位图图像(简称PCB图像)，孔把PCB图像的白色区域分成上下两个非单连通区域、内外层导线图像存在分离，其中，水平方向为孔壁方向，白色代表导线、黑色代表非导线。如图2所示。

输出：对应孔的PCB层数、外层导线厚度、每条内层导线的厚度。

步骤1：输入印刷电路板中某个孔的金相切片的二值图像的位图图像X₀，即PCB图像，如图2所示，孔把PCB图像的白色区域分成上下两个非单连通区域，其中，水平方向为孔壁方向，白色代表导线、黑色代表非导线。

步骤2：导线边界提取。提取PCB图像X₀内的导线边界，得到包含导线边界信息的PCB图像X₁。具体步骤如下：

步骤2.1：设定参与导线边界提取运算的结构元素S。令S为3×3结构元素

步骤2.2：对PCB图像X₀用结构元素S进行膨胀运算，得到缓存图像X₂。

步骤2.3：对PCB图像X₀用结构元素S进行腐蚀运算，得到缓存图像X₃。

步骤2.4：对X₂、X₃进行图像差运算，得到缓存图像X₁＝X₂-X₃。

步骤3：对步骤2获取的包含导线边界信息的PCB图像X₁进行边界的细化操作，得到一个像素线宽的包含导线边界信息的PCB图像X₄。具体步骤如下：

步骤3.1：设定参与导线边界细化运算的结构元素S。令S为3×3结构元素

步骤3.2：定义8方向的击中击不中变换结构元素对，即结构元素S的上、右上，右、右下、下、左下、左和左上八个方向上的子集和相应的对称集。

步骤3.3：用8个方向的结构元素对都对图像作一次击中击不中变换，若击中则表示该像素可被细化，设置为黑色背景，否则，保留作为细化结果输出。从而得到一个像素线宽的包含导线边界信息的PCB图像X₄。

步骤4：对PCB图像X₄进行竖直方向上的Hough变换直线检测，得到孔壁垂直方向上的疑似导线直线边界(ρ_i,θ_i)，此处采用直线的极坐标表示，i表示第i条直线边界，但并不一定是第i条导线的边界。具体操作步骤如下：

步骤4.1：以像素为单位读取图像的高度与宽度，分别记为高度H及宽度W,从像素(0,0)开始，对PCB图像X₄自左向右、从上到下进行Hough变换直线检测。用向量(ρ_i,θ_i)描述图像上的任意一条直线区域，设定ρ_i的取值范围为设定θ_i的取值范围为[-15°,15°]。定义对于任意(ρ_i,θ_i)决定的直线区域，H_ρθ作为参数空间对应直线区域的计数器。

步骤4.2：依次遍历图像所有的像素，对于每个像素判断是否为导线边界，若是导线边界，则对经过该像素的所有直线区域(ρ,θ)的计数器H_ρθ加1，否则继续判断下一像素。具体步骤如下：

步骤4.2.1：获取像素坐标(i,j)，i表示自左向右的第i个像素，j表示自上而下第j行像素。

步骤4.2.2：计算该像素的极坐标ρ值，令H_ρθ＝0，θ＝-15°,-14°,-13°,…,0°,…,14°,15°。若该像素为白色，则H_ρθ＝H_ρθ+1，θ＝-15°,-14°,-13°,…,0°,…,14°,15°，否则读下一像素，执行步骤4.2.1，直至i＝W，j＝H。

步骤4.3：根据图像大小设定计数器的阈值K，本文设定如果H_ρθ≥K，那么认为此直线区域所对应的直线(ρ,θ)存在。于是得到一组极坐标表示的直线边界(ρ_i,θ_i)，i为一个自然数，表示检测到的满足Hough直线检测条件的直线条数。

步骤4.4:判断疑似导线直线边界(ρ_i,θ_i)的可信度。判断θ_i的可信度。如果i＞1000，那么认为此次检测失败，需要重新设定相关参数，否则计算θ_i的期望E_θ和方差如果没有超出设定的最大值预设疑似导线直线边界(ρ_i,θ_i)为有效记录，则否则也提示疑似直线边界检测失败，需要重新设定参数进行检测。

步骤5：疑似导线直线边界(ρ_i,θ_i)筛选。因为参与后续测量工作的直线边界必须是竖直方向的导线边界才有参与计算的意义，所以此处应将(ρ_i,θ_i)中θ_i≠0°的导线边界筛选掉，得到新的导线边界(ρ_i,0°)。根据极坐标和直角坐标的转换关系可知当θ_i＝0°时导线边界(ρ_i,θ_i)可转化为x_i＝ρ_i cosθ_i＝ρ_i,x_i为第i条垂直于X轴的导线边界，i为自然数。

步骤6：导线直线边界x_i＝ρ_i聚类分析。具体步骤如下：

步骤6.1：对x_i进行排序，得到有序的垂直于X轴的导线边界簇x_i。

步骤6.2：以x₁划为第一类，对于余下的x_i，如果满足x_i-x₁≤5，则x_i继续划入第一类，否则判断是否满足x_i-x₁≥20，如果不满足，x_i不做任何归类，如果满足x_i-x₁≥20，则将当前的x_i作为第二类的起始，且令作为第一类的导线边界参与之后的运算，以此类推，如果x_i满足则此x_i划入第j类，否则判断是否满足如果不满足，x_i不做任何归类，如果满足则将当前的x_i作为第j+1类的起始，且令作为第j类的导线边界参与之后的运算。

步骤6.3：如果至少存在一个x_i不属于任何一类或者j不为偶数，则输出“PCB可能存在质量问题，或者图像异常，请重新设定相关参数，再进行检测”，结束。

步骤7：计算PCB层数为计算左侧外层厚度为右侧外层厚度为第k层的内层导线厚度为

应用本专利方法，图2所示PCB图像上半区域的测量结果如下：PCB层数为5；左侧外层导线厚度：72像素；右侧外层导线厚度为：71像素自左向右内层导线厚度为：21像素，20像素，21像素。该测量结果与人工测量结果误差在±2像素以内，在误差允许范围之内。根据本专利方法，应用Visual Studio 2010所开发的软件系统能在较短的时间内、以较高的精度实现PCB层数及导线厚度测量。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于直线检测的印刷电路板层数及导线厚度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：输入印刷电路板中某个孔的金相切片的二值图像的位图图像X₀，即PCB图像，孔把PCB图像的白色区域分成上下两个非单连通区域，其中，水平方向为孔壁方向，白色代表导线、黑色代表非导线；

步骤2：导线边界提取：提取PCB图像X₀内的导线边界，得到包含导线边界信息的PCB图像X₁；

步骤3：对步骤2获取的包含导线边界信息的PCB图像X₁进行边界的细化操作，得到一个像素线宽的包含导线边界信息的PCB图像X₄，具体步骤如下：

步骤3.1：设定参与导线边界细化运算的结构元素S，S为由0和1构成的3×3结构元素；

步骤3.2：定义8方向的击中击不中变换结构元素对，即结构元素S的上、右上，右、右下、下、左下、左和左上八个方向上的子集和相应的对称集，

$\left(\begin{array}{ccc}1& 1& 0\\ 1& 1& 0\\ 0& 0& 0\end{array},\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ 0& 1& 1\\ 0& 1& 1\end{array}\right),\left(\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 0\end{array},\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 1& 1& 1\end{array}\right),\left(\begin{array}{ccc}0& 1& 1\\ 0& 1& 1\\ 0& 0& 0\end{array},\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ 1& 1& 0\\ 1& 1& 0\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 1& 1& 0\\ 1& 0& 0\end{array},\begin{array}{ccc}0& 0& 1\\ 0& 1& 1\\ 0& 0& 1\end{array}\right),\left(\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 0\end{array},\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 1& 1& 1\end{array}\right),\left(\begin{array}{ccc}0& 0& 1\\ 0& 1& 1\\ 0& 0& 1\end{array},\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 1& 1& 0\\ 1& 0& 0\end{array}\right)$

$\left(\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ 1& 1& 0\\ 1& 1& 0\end{array},\begin{array}{ccc}0& 1& 1\\ 0& 1& 1\\ 0& 0& 0\end{array}\right),\left(\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 1& 1& 1\end{array},\begin{array}{ccc}1& 1& 1\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right),\left(\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ 0& 1& 1\\ 0& 1& 1\end{array},\begin{array}{ccc}1& 1& 0\\ 1& 1& 0\\ 0& 0& 0\end{array}\right)$

步骤3.3：用8个方向的结构元素对都对图像作一次击中击不中变换，若击中则表示该像素可被细化，设置为黑色背景，否则，保留作为细化结果输出，得到一个像素线宽的包含导线边界信息的PCB图像X₄；

步骤4：对PCB图像X₄进行竖直方向上的Hough变换直线检测，得到孔壁垂直方向上的疑似导线直线边界(ρ_i,θ_i)，此处采用直线的极坐标表示，i表示第i条直线边界，但并不一定是第i条导线的边界；

步骤4.1：以像素为单位读取图像的高度与宽度，分别记为高度H及宽度W,从像素(0,0)开始，对PCB图像X₄自左向右、从上到下进行Hough变换直线检测；用向量(ρ_i,θ_i)描述图像上的任意一条直线区域，设定ρ_i的取值范围为设定θ_i的取值范围为[-15°,15°]，定义对于任意(ρ_i,θ_i)决定的直线区域，H_ρθ作为参数空间对应直线区域的计数器；

步骤4.2：依次遍历图像所有的像素，对于每个像素判断是否为导线边界，若是导线边界，则对经过该像素的所有直线区域(ρ,θ)的计数器H_ρθ加1，否则继续判断下一像素，具体步骤如下：

步骤4.2.1：获取像素坐标(i,j)，i表示自左向右的第i个像素，j表示自上而下第j行像素；

步骤4.2.2：计算该像素的极坐标ρ值，令H_ρθ＝0，θ＝-15°,-14°,-13°,…,0°,…,14°,15°；若该像素为白色，则H_ρθ＝H_ρθ+1，θ＝-15°,-14°,-13°,…,0°,…,14°,15°，否则读下一像素，执行步骤4.2.1，直至i＝W，j＝H；

步骤4.3：根据图像大小设定计数器的阈值K；

步骤4.4:判断疑似导线直线边界(ρ_i,θ_i)的可信度，判断θ_i的可信度：如果i＞1000，那么认为此次检测失败，需要重新设定相关参数，否则计算θ_i的期望E_θ和方差如果没有超出设定的最大值预设疑似导线直线边界(ρ_i,θ_i)为有效记录，否则也提示直线边界检测失败，需要重新设定参数进行检测；

步骤5：疑似导线直线边界(ρ_i,θ_i)筛选：将(ρ_i,θ_i)中θ_i≠0°的疑似导线边界筛选掉，得到新的导线边界(ρ_i,0°)；根据极坐标和直角坐标的转换关系可知当θ_i＝0°时导线边界(ρ_i,θ_i)可转化为x_i＝ρ_icosθ_i＝ρ_i,x_i为第i条垂直于X轴的导线边界，i为自然数；

步骤6：导线直线边界x_i＝ρ_i聚类分析，具体步骤如下：

步骤6.1：对x_i进行排序，得到有序的垂直于X轴的导线直线边界簇；

步骤6.2：以x₁划为第一类，对于余下的x_i，如果满足x_i-x₁≤5，则x_i继续划入第一类，否则判断是否满足x_i-x₁≥20，如果不满足，x_i不做任何归类，如果满足x_i-x₁≥20，则将当前的x_i作为第二类的起始，且令作为第一类的导线边界参与之后的运算，以此类推，如果x_i满足则此x_i划入第j类，否则判断是否满足如果不满足，x_i不做任何归类，如果满足 则将当前的x_i作为第j+1类的起始，且令作为第j类的导线边界参与之后的运算；

步骤6.3：如果至少存在一个x_i不属于任何一类或者j不为偶数，则输出“PCB可能存在质量问题，或者图像异常，请重新设定相关参数，再进行检测”，结束；

步骤7：计算PCB层数为计算左侧外层厚度为右侧外层厚度为第k层的内层导线厚度为

2.根据权利要求1所述的一种基于直线检测的印刷电路板层数及导线厚度测量方法，其特征在于，所述步骤2的具体步骤如下：

步骤2.1：设定参与导线边界提取运算的结构元素S，S为由0和1构成的3×3结构元素；

步骤2.2：对PCB图像X₀用结构元素S进行膨胀运算，得到缓存图像X₂；

步骤2.3：对PCB图像X₀用结构元素S进行腐蚀运算，得到缓存图像X₃；

步骤2.4：对X₂、X₃进行图像差运算，得到缓存图像X₁＝X₂-X₃。

3.根据权利要求1所述的一种基于直线检测的印刷电路板层数及导线厚度测量方法，其特征在于，所述步骤4.3中，