CN114199160B - 基于二值编码光栅散焦投影的电路板元器件几何检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于二值编码光栅散焦投影的电路板元器件几何检测方法，包括以下步骤：根据公式使用计算机生成二值编码光栅；将二值编码光栅烧入投影仪，调节投影仪焦距以及相机焦距，使得投射出的光栅条纹以及拍摄的标定板清晰可见，再次调节投影仪焦距对二值编码光栅进行散焦处理以得到二值编码正弦光栅；通过四步相移法求解光栅条纹的相位值θ；进一步建立相位、像点坐标与三维坐标的对应关系，通过系统标定求解出标定参数；对四步相移获取的电路板图像进行处理，最终生成具有准确三维坐标的点云数据，准确定位元器件几何位置和三维形态，通过对照检测标准即可检测出电路板是否存在错位、脱焊等缺陷问题。

Description

基于二值编码光栅散焦投影的电路板元器件几何检测方法

技术领域

本发明属于光栅投影三维检测技术领域，更具体地，涉及一种基于二值编码光栅散焦投影的电路板元器件几何检测方法。

背景技术

随着电路板的集成度、复杂度不断提高，焊接的元器件数量越来越多，导致生产中因焊接缺陷出现元器件错位、脱焊等现象，降低电路板的合格率。传统人工检测方法极易发生漏检、错检，且缺陷检测不连续、数据集合困难度大、检测效率低，不能适应现代工业生产水平的要求。因此，急需开展对高密度电路板自动化几何检测技术的研究。

光栅投影三维测量技术是一种主动式非接触三维检测技术，使用投影仪等设备将光栅条纹投射到被测物体上，由工业相机采集到条纹图像，通过图像处理和三维转换模型得到被测物体的三维信息，具有测量精度高、速度快等优势，成为精密产品几何检验的新手段。

对于光栅投影系统，受到投影仪和相机灰度非线性失真性质的影响，投影光栅条纹的非正弦性是一个普遍存在的问题，直接导致计算的相位存在周期性误差，进而使得三维点云数据存在周期性的“水波纹”现象，严重降低了三维测量精度。以往普遍采用Gamma校正方法解决这一问题，但是这一方法易受外部环境的影响，适用性不足；二值光栅散焦投影方法通过对二值编码光栅进行散焦处理，能够有效消除因为非正弦性问题所带来的误差，得到高质量的正弦光栅，且不会受测量环境的影响，适用性较强。但在电路板等微型元器件的三维精密测量中还未见有相关应用，为此针对三维精密测量应用需求，本发明主要研究如何基于二值编码光栅散焦投影的电路板元器件几何检测。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于二值编码光栅散焦投影的电路板元器件几何检测方法，其目的在于消除光栅非正弦对微型元器件三维检测的影响。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于二值编码光栅散焦投影的电路板元器件几何检测方法，包括：

S1：生成二值编码光栅，移动投影光栅得到所需的四步相移图像；

S2：将二值编码光栅烧入投影仪，待测电路板放置于参考面上，调节投影仪以及相机焦距，使得投射出的光栅条纹以及拍摄的标定板清晰可见，在工业相机焦距不变的条件下，再次调节投影仪焦距对二值编码光栅进行散焦处理以得到二值编码正弦光栅；

S3：通过四步相移法获得光栅条纹的相位主值，解相位得到绝对相位值；

S4：使用二值编码正弦光栅完成系统标定，计算出系统标定参数；

S5：将待测电路板放置于参考面上，向电路板上投影二值编码正弦光栅，拍摄电路板的四步相移图像，最终生成电路板的三维点云。

在一些可选的实施方案中，步骤S1中生成二值编码光栅的具体方法为：

将4×2像素作为一个区域，给区域中每个像素点赋值0或1，并使用区域中像素点的平均像素值作为整个区域的像素值，得到除了0或者1以外的值；

每16×4像素图像作为一个周期，将该16×4像素图像划分为8个4×2像素的区域，给每4×2像素区域赋值，使得在这一个周期内，沿图像宽度方向的值呈周期性变化，分别为0，0.25，0.5，0.75，1，0.75，0.5，0.25；

将初始图像划分为多个周期，得到二值编码光栅。

在一些可选的实施方案中，生成二值编码光栅依据的公式为：

其中，F(i,j)表示第i行第j列像点的值，％表示取余。

在一些可选的实施方案中，步骤S1中生成二值编码光栅的四步相移图像的具体方法为：

由I_k(i,j)＝F(i+k-1,j)得到四幅二值编码图像，其中，I_k(i,j)为第k幅图像的第i行第j列的灰度值(k＝1,2,3,4)。

在一些可选的实施方案中，步骤S2包括：

将二值编码光栅烧入投影仪，待测电路板放置于参考面上；

调节投影仪以及相机焦距，使得投射出的光栅条纹以及拍摄到的标定板清晰可见；调整参考面与投影仪之间的距离，使其减少r₁，调整投影仪焦距使得投影的光栅变清晰，焦距变化范围为8％～12％，得到三角波光栅，再次调整参考面到投影仪的距离，使其减少r₂，调整投影仪焦距使得投影的光栅变清晰，焦距变化范围仍为8％～12％；调整参考面到投影仪的距离使其还原为初始距离。

在一些可选的实施方案中，步骤S3包括：

由计算出光栅的相位主值，解相位得到最终的绝对相位值/>k(m,n)表示(m,n)点所处的光栅条纹的周期次数。

在一些可选的实施方案中，步骤S4包括：

确定图像上所有点的绝对相位值与对应的物点三维坐标之间的关系，计算出系统标定参数。

在一些可选的实施方案中，步骤S5包括：

将电路板放置于参考面上，向电路板上投影二值编码正弦光栅，利用同步触发拍取电路板的光栅图像；

由电路板图像上所有点的像点坐标(m,n)和在工业相机坐标系中的坐标(X_c,Y_c,Z_c)之间的关系以及相位和电路板图像上所有点在工业相机坐标系(X_c,Y_c,Z_c)之间的关系，得到其中，K₁，K₂为/>a_ij(i＝1,2,3；j＝1,2,3)代表工业相机内部参量参矩阵中第i行第j列的元素，a_1～a₈表示系统标定参数。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明的基于二值编码光栅散焦投影的电路板元器件几何检测方法，通过两次散焦得到的二值编码正弦光栅，提高了相位解算精度，显著消除了光栅非正弦对微型元器件三维检测的影响。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种方法流程图；

图2是本发明实施例提供的一种光栅三维测量系统图；

图3是本发明实施例提供的一种根据公式生成的二值编码光栅图；

图4是本发明实施例提供的一种图3的灰度曲线图；

图5是本发明实施例提供的一种二值编码光栅生成的三角波光栅图；

图6是本发明实施例提供的一种图5的灰度曲线图；

图7是本发明实施例提供的一种二值编码光栅生成的二值编码正弦光栅图；

图8是本发明实施例提供的一种图7的灰度曲线图；

图9是本发明实施例提供的一种图7的相对相位曲线图；

图10是本发明实施例提供的一种方波条纹经过同样散焦处理生成的方波正弦光栅图；

图11是本发明实施例提供的一种图10的灰度曲线图；

图12是本发明实施例提供的一种图10的相对相位曲线图；

图13是本发明实施例提供的一种图7和图10相对相位误差图；

图14是本发明实施例提供的一种所拍摄电路板实物图；

图15是本发明实施例提供的一种经过渲染处理的电路板三维点云图；

图16是本发明实施例提供的一种电路板中局部放大的静态存储器(SRAM)三维点云图；

图17是本发明实施例提供的一种电路板中局部放大的高速CMAS三维点云图；

图18是本发明实施例提供的一种电路板中局部放大的八同相三态总线收发器三维点云图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例的一种基于二值编码光栅散焦投影的电路板元器件几何检测方法，本发明中光栅三维检测系统，如图2所示，是由工业相机和投影仪构成的。发明流程如图1所示，包括以下步骤：

S1：生成二值编码光栅，移动投影光栅得到所需的四步相移图像；

其中，步骤S1生成二值编码光栅的具体方法为：

将4×2像素作为一个区域，给区域中每个像素点赋值0或1，使用区域中像素点的平均像素值作为这整个区域的像素值，得到除了0或者1以外的值；

例如区域中2个像素点值为0，其余均为1，则该区域的区域值为0.75(区域值可以取得0，0.25，0.5，0.75，1)。

每16×4像素图像作为一个周期，将这16×4像素图像划分为8个4×2像素的区域。给每4×2像素区域赋值，使得在一个周期内，沿图像宽度方向的值呈周期性变化，分别为0，0.25，0.5，0.75，1，0.75，0.5，0.25。再将初始图像划分为多个周期，即可得到二值编码光栅，如图3所示，图3的灰度曲线图如图4所示，生成图像依据的公式如下：

其中，F(i,j)表示第i行第j列像点的值，％表示取余。

根据以下公式得到四幅二值编码图像：

I_k(i,j)＝F(i+k-1,j) (2)

其中，设I_k(i,j)为第k幅图像的第i行第j列的灰度值(k＝1,2,3,4)。

S2：将二值编码光栅烧入投影仪，并将待测电路板放置于参考面上；

为了获取高质量的正弦光栅图像，需要完成以下操作：调节投影仪以及相机焦距，使得投射出的光栅条纹以及拍摄到的标定板清晰可见；调整参考面与投影仪之间的距离，使其减少r₁，调整投影仪焦距使得投影的光栅变清晰，焦距变化范围为8％～12％，得到三角波光栅，如图5所示，由三角波光栅灰度值与像素位置之间的关系得到它的灰度曲线图，如图6所示。再次调整参考面到投影仪的距离，使其减少r₂，调整投影仪焦距使得投影的光栅变清晰，焦距变化范围仍为8％～12％；调整参考面到投影仪的距离使其还原为初始距离。得到的二值编码光栅生成的二值编码正弦光栅图如图7所示。由二值编码正弦光栅灰度值与像素位置关系得到它的灰度曲线图，如图8所示，再由二值编码正弦光栅相对相位与像素位置之间的关系得到它的相对相位图，如图9所示。

S3：通过四步相移法获得光栅条纹的相位主值，解相位得到绝对相位值；

由式(3)，得到相位主值

为了方便实验后续的计算，统一取在(-π，π]之间。接下来进行解(包裹)相位操作，即由求出的相位主值/>求取绝对相位值，也即求：

解相位的过程实际便是求出k(m,n)的过程，其中，k(m,n)表示(m,n)点所处的光栅条纹的周期次数。

S4：使用二值编码正弦光栅完成系统标定，计算出系统标定参数；

系统标定的目的是确定图像上所有点像点坐标、绝对相位值与对应物点的三维坐标之间的映射关系。

在光栅三维测量系统中，Ω_ω(OXYZ)为参考坐标系，Ω_c(O_cX_cY_cZ_c)为工业相机坐标系。设一点P在Ω_ω上的坐标为(X,Y,Z)，在Ω_c中的坐标为(X_c,Y_c,Z_c)。

以标定板中心为原点建立标定板二维坐标系，标定板上点的坐标为Q(a,b)，由图像得到标定点的像点坐标(m,n)。由(m,n)和(X_c,Y_c,Z_c)之间关系以及Q(a,b)和(X_c,Y_c,Z_c)之间关系可得：

其中，ρ'为比例因子，并且有：

由式(6)得到4组像点坐标(m,n)以及标定板上点的坐标Q(a,b)，求出G矩阵。

由相位θ和(X,Y,Z)之间关系以及(X,Y,Z)和(X_c,Y_c,Z_c)之间关系可得：

其中a₁～a₈为待求解的系统标定参数。

对于图像上第i点(m_i,n_i)，得到其相位值θ_i以及对应的物点三维坐标(X_ci,Y_ci,Z_ci)，由此可得样本点(X_ci,Y_ci,Z_ci,θ_i)(i＝1,2,…,l)。在测量范围内，将标定板换个位置(板面不与原位置共面)，重复采集s组(s≥2)样本集(X_cij,Y_cij,Z_cij,θ_ij)(i＝1,2,…,l,j＝1,2,…,s)，j表示标定板在第j个位置时的样本。将样本集代入式(7)，求得系统标定参数a₁～a₈，其中l表示图2中O_p到参考面之间的距离。

S5：将电路板放置于参考面上，向电路板上投影二值编码正弦光栅，利用同步触发拍取电路板的光栅图像。

由(m,n)和(X_c,Y_c,Z_c)之间关系以及式(7)可得：

其中，K₁，K₂如下：

式(9)中a_ij(i＝1,2,3；j＝1,2,3)代表工业相机内部参量参矩阵中第i行第j列的元素。

为了进行对比，本发明还采用了方波生成正弦光栅的方法，对方波图像进行同样的散焦处理，得到方波正弦光栅，如图10所示，由方波正弦光栅的灰度值和像素位置之间的关系，得到它的灰度曲线图，如图11所示，再由方波正弦光栅的相对相位和像素位置之间的关系，得到它的相对相位曲线图，如图12所示。由二值编码正弦光栅以及方波正弦光栅的相位误差与像素位置之间的关系，得到二者的相对相位误差图，如图13所示。由图13，由方波正弦光栅计算得到相位存在±0.3rad的周期性误差，而由二值编码正弦光栅计算得到的相位误差范围为±0.05rad，且无明显的周期性规律，将相位确定精度提高了一个数量级，再次证明本发明可有效提高相位计算以及点云生成精度。

本发明所拍摄电路板实物图，如图14所示，对得到的电路板点云数据进行渲染，得到电路板三维点云，如图15所示，放大电路板中静态存储器(SRAM)三维点云图，如图16所示、电路板中高速CMAS三维点云图，如图17所示和八同相三态总线收发器三维点云图，如图18所示，可见电路板三维点云无明显的光栅非正弦误差引起的“水波纹”现象，证明了本发明的有效性。

在本发明中，根据公式生成二值编码光栅，调节投影仪焦距对二值编码光栅进行散焦处理以得到二值编码正弦光栅；通过四步相移法求解光栅条纹的相位值，进行系统标定求出需要标定的参数；对电路板的四步相移图像进行处理，最终生成具有准确三维坐标的电路板点云数据，准确定位元器件几何位置和三维形态，通过对照检测标准即可检测出电路板元器件是否存在错位、脱焊等缺陷问题。

需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于二值编码光栅散焦投影的电路板元器件几何检测方法，其特征在于，包括：

S1：生成二值编码光栅，移动投影光栅得到所需的四步相移图像；

S2：将二值编码光栅烧入投影仪，待测电路板放置于参考面上，调节投影仪以及相机焦距，使得投射出的光栅条纹以及拍摄的标定板清晰可见，在工业相机焦距不变的条件下，再次调节投影仪焦距对二值编码光栅进行散焦处理以得到二值编码正弦光栅；

S3：通过四步相移法获得光栅条纹的相位主值，解相位得到绝对相位值；

S4：使用二值编码正弦光栅完成系统标定，计算出系统标定参数；

S5：将待测电路板放置于参考面上，向电路板上投影二值编码正弦光栅，拍摄电路板的四步相移图像，最终生成电路板的三维点云；

步骤S3包括：

由计算出光栅的相位主值，解相位得到最终的绝对相位值/>k(m,n)表示(m,n)点所处的光栅条纹的周期次数；

步骤S5包括：

将电路板放置于参考面上，向电路板上投影二值编码正弦光栅，利用同步触发拍取电路板的光栅图像；

由电路板图像上所有点的像点坐标(m,n)和在工业相机坐标系中的坐标(X_c,Y_c,Z_c)之间的关系以及相位和电路板图像上所有点在工业相机坐标系(X_c,Y_c,Z_c)之间的关系，得到其中，K₁，K₂为/>a_ij，i＝1,2,3；j＝1,2,3代表工业相机内部参量参矩阵中第i行第j列的元素，a₁～a₈表示系统标定参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中生成二值编码光栅的具体方法为：

将4×2像素作为一个区域，给区域中每个像素点赋值0或1，并使用区域中像素点的平均像素值作为整个区域的像素值，得到除了0或者1以外的值；

每16×4像素图像作为一个周期，将该16×4像素图像划分为8个4×2像素的区域，给每4×2像素区域赋值，使得在这一个周期内，沿图像宽度方向的值呈周期性变化，分别为0，0.25，0.5，0.75，1，0.75，0.5，0.25；

将初始图像划分为多个周期，得到二值编码光栅。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，生成二值编码光栅依据的公式为：

其中，F(i,j)表示第i行第j列像点的值，％表示取余。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S1中生成二值编码光栅的四步相移图像的具体方法为：

由I_k(i,j)＝F(i+k-1,j)得到四幅二值编码图像，其中，I_k(i,j)为第k幅图像的第i行第j列的灰度值，k＝1,2,3,4。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S2包括：

将二值编码光栅烧入投影仪，待测电路板放置于参考面上；

调节投影仪以及相机焦距，使得投射出的光栅条纹以及拍摄到的标定板清晰可见；调整参考面与投影仪之间的距离，使其减少r₁，调整投影仪焦距使得投影的光栅变清晰，焦距变化范围为8％～12％，得到三角波光栅，再次调整参考面到投影仪的距离，使其减少r₂，调整投影仪焦距使得投影的光栅变清晰，焦距变化范围仍为8％～12％；调整参考面到投影仪的距离使其还原为初始距离。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S4包括：

确定图像上所有点的绝对相位值与对应的物点三维坐标之间的关系，计算出系统标定参数。