CN114549530A - 一种基于图像处理的pcb板焊接质量评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及图像传输领域，提供一种基于图像处理的PCB板焊接质量评估方法，包括：采集PCB板图像，得到焊点连通域；获取距离集合；判断是否有焊点连通域是桥接；计算均匀分布下的焊点高度；计算真实情况下焊点的高度；计算差异性；得到所有焊点的质量评估值；判断PCB板的质量是否合格。本发明提高了PCB板质量检测的效率，且方法简单。
Description
技术领域
本发明涉及图像传输领域，具体涉及一种基于图像处理的PCB板焊接质量评估方法。
背景技术
PCB是电子产品中众多电子元器件的承载体，它已成为现代电子产品的核心部分。随着现代电子工业迅猛发展，PCB密集度不断增大，层级越来越多，生产中因焊接缺陷导致电路板的不合格，影响整机质量的事故屡见不鲜。PCB板的缺陷检测已成为整个电子行业中重要的检测内容，特别是在焊点密集区域，检测难度较大。
人工目测法主观判断因素强且准确率低；仪器线上检测法需要测试夹具，夹具制造成本高、使用难度大，且需要大量时间编程与调试；功能测试法无法提供用于过程改进的元件级和脚级诊断等深层数据，而且需用特种设计的测试流程和专门的测试设备，推广使用局限性大。
本发明实现一种基于图像处理的PCB板焊点密集区域的灰度图的分布形态，评估PCB板焊接质量的方法。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供一种基于图像处理的PCB板焊接质量评估方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案，一种基于图像处理的PCB板焊接质量评估方法，包括以下步骤：
采集PCB板图像，对PCB板图像进行预处理得到焊点的灰度图，对焊点的灰度图进行连通化处理得到所有的焊点连通域。
获取每个焊点连通域所有边缘像素点与中心点的距离组成的距离集合。
利用距离集合的距离值、距离方差、最小距离判断每个焊点连通域是否为桥接焊点，当有一个焊点连通域为桥接焊点时，该PCB板图像对应的PCB板质量不合格。
当所有焊点连通域都不是桥接焊点时，利用二维高斯分布的概率密度函数公式计算均匀分布下每个焊点的高度。
利用每一个焊点连通域的像素灰度值和均匀分布下每个焊点的边缘高度计算真实情况下每个焊点的高度。
通过真实情况下每一个焊点的高度和均匀分布下每一个焊点的高度计算每个焊点的差异性。
利用每个焊点的差异性和对应的距离集合计算每个焊点的质量评估值。
通过所有焊点的质量评估值判断该PCB板质量是否合格。
进一步的，所述的一种基于图像处理的PCB板焊接质量评估方法，获取所述均匀分布下每个焊点的高度方法为：
均匀分布下每个焊点的曲面为二维高斯曲面，通过曲面中心高度与半径的关系结合概率密度函数公式以及中心点坐标得到二维高斯曲面的表达式；
利用距离集合的均值和二维高斯曲面的表达式得到均匀分布下每个焊点的高度。
进一步的，所述的一种基于图像处理的PCB板焊接质量评估方法，获取所述真实情况下每个焊点的高度方法为：
通过均匀分布下每个焊点的边缘高度以及均匀分布下焊点边缘高度与真实情况下焊点边缘高度的关系得到真实情况下的焊点边缘高度；
利用真实情况下的焊点边缘高度和焊点连通域边缘像素点平均灰度值得到真实情况下焊点高度与灰度的比值参数；
通过该比值参数和每个像素点的灰度值得到真实情况下每个焊点的高度。
进一步的，所述的一种基于图像处理的PCB板焊接质量评估方法，所述焊点的质量评估值表达式为：
式中：
表示质量评估值，
表示像素点坐标，
表示差异性，
表示距离方差，
表示距离方差阈值，
表示距离集合中的元素个数，
表示第
个距离，
表示最小距离值。
进一步的，所述的一种基于图像处理的PCB板焊接质量评估方法，所述差异性的表达式为：
式中：
表示真实情况下焊点的高度，
表示均匀分布下焊点高度的最小值，
表示均匀分布下焊点高度的最大值，
。
进一步的，所述的一种基于图像处理的PCB板焊接质量评估方法，通过所有焊点的质量评估值判断该PCB板质量是否合格的方法是：当所有焊点质量评估值的均值大于等于均值阈值，且方差小于等于方差阈值时，判断对应的PCB板的质量合格。
进一步的，所述的一种基于图像处理的PCB板焊接质量评估方法，所述预处理包含：对PCB板图像进行语义分割得到焊点的二值遮罩，将焊点的二值遮罩与PCB板图像进行相乘得到焊点的RGB图像，对焊点的RGB图像进行灰度化处理得到焊点的灰度图。
进一步的，所述的一种基于图像处理的PCB板焊接质量评估方法，所述中心点是每一个焊点连通域中灰度值最大的像素点。
本发明的有益效果是：本发明通过焊点连通域的形状进行初步筛选不合格的PCB板，接着评估焊点焊接质量，对PCB板上所有焊点的质量评估值进行分析判断PCB板的质量是否符合要求，相对于现有技术，提高了PCB板质量检测的效率，且检测方法简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明流程示意图；
图2为正常焊点、拉尖焊点、桥接焊点示意图；
图3为焊点焊接缺陷的横切面示意图；
图4为均匀分布下焊点的图像示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例所针对的具体场景为：随着印刷电路板向着更高密度、更复杂排版的方向发展，PCB板高密度区域焊接质量检测的难度随着焊点密集程度的增加而增大，检测效率也随之降低。
本发明实施例提供一种基于图像处理的PCB板焊接质量评估方法，如图1所示，包括：
采集PCB板图像，对PCB板图像进行预处理得到焊点的灰度图，对焊点的灰度图进行连通化处理得到所有的焊点连通域；
通过放置在PCB板上方的照相机采集PCB板图像，使用语义分割的方式来识别PCB板图像中的目标。
DNN网络的具体内容如下：
DNN网络使用的数据集为采集的PCB板图像数据集。
DNN网络的标签为两类：焊点区域和背景区域。该方式为像素级分类，对图像所有像素点进行人工标注。焊点区域像素点值标注为1，背景区域像素点值标注为0。
DNN网络的任务是分类，因此网络所用loss函数为交叉熵损失函数。
通过DNN网络进行语义分割，得到焊点的二值遮罩，与原图（即PCB板图像）进行相乘操作，实现焊点的图像的扣取。得到焊点的RGB图像后，对其进行灰度化处理，得到焊点的灰度图像，对焊点的灰度图像进行连通化处理得到焊点连通域。
该步骤的目的是为了采集PCB板图像，通过语义分割识别图像中的焊点。
获取每个焊点连通域所有边缘像素点与中心点的距离组成的距离集合；
PCB板焊接工艺使用的焊料是焊锡，因此，图像的明暗分布情况可以反映焊点的形状特征和光滑程度，进而评估焊点的焊接质量。
焊点出现桥接缺陷会导致PCB板出现短路，属于极为严重的焊接缺陷，出现桥接缺陷的PCB板不可以使用。对应的焊接缺陷有：
1.拉尖。外观特点为：出现尖端，如图2所示。危害：容易造成桥接现象。
2.桥接。外观特点为：相邻导线连接，如图2所示。危害：PCB板短路。
正常的焊点形状近似圆形，如图2所示。拉尖缺陷和桥接缺陷通过形状能够识别出来。
检测焊点连通域形状的具体过程为：
利用距离集合的距离值、距离方差、最小距离判断每个焊点连通域是否为桥接焊点，当有一个焊点连通域为桥接焊点时，该PCB板图像对应的PCB板质量不合格；
焊点连通域的所有像素点组成集合
，该集合中元素为
，
表示像素点坐标，共有
个像素点。通过灰度值找到焊点连通域中最亮的像素点，即灰度值最大的像素点，该像素点为连通域的中心点，记为
，该点的灰度值记为
。
连通域边缘像素点组成集合
，该集合中元素为
，共有
个像素点，计算该集合中所有像素点距离中心点的距离，得到距离集合
, 该距离集合中元素为
计算该距离集合的均值
、方差
和最小值
，其中
表示距离集合中的元素个数。
若
，则说明该连通域中只有一个焊点，且该焊点形状较规则，
表示距离方差阈值。
若
且距离集合
满足所有的
都有
，则说明该连通域中只有一个焊点，但焊点出现拉尖。
若
，且距离集合
满足存在
，则说明该连通域中焊点不只一个。当出现一个连通域中有多个焊点，则说明焊点间出现桥接，PCB板短路，无法工作。
综上，根据焊点连通域边缘像素点的距离特征，初步判断焊点存在的缺陷。当焊点出现桥接缺陷时，PCB板短路，无法工作，判断该PCB板不合格，直接废弃；但当焊点形状较规则或出现拉尖缺陷，则需要结合形状特征和分布情况进一步判断焊点的质量。
至此，得到焊点焊接质量的初步判断。
当所有焊点连通域都不是桥接焊点时，利用二维高斯分布的概率密度函数公式计算均匀分布下每个焊点的高度；
焊接质量好的焊点为“裙”状，中心亮，向边缘均匀过渡，逐渐变暗，如图2所示。如果焊接过程中存在操作问题，会导致缺陷，出现表面不均匀的情况，则焊点的亮度过渡也不均匀。
缺陷的具体情况如下：
1.不对称。外观特点：焊锡未流满焊盘。危害：强度不足。
2.松动。外观特点：导线或元器件引线可移动。危害：导通不良或不导通。
3.焊料过多。外观特点：焊料面呈凸形。危害：浪费焊料，且可能包藏缺陷。
4.焊料过少。外观特点：焊接面积小于焊盘的80%，焊料未形成平滑的过渡面。危害：机械强度不足。
5.松香焊。外观特点：焊缝中夹有松香渣。危害：强度不足，导通不良，有可能时通时断。
6.过热。外观特点：焊点发白，无金属光泽，表面较粗糙。危害：焊盘容易剥落，强度降低。
7.冷焊。外观特点：表面成豆腐渣状颗粒，有时可能有裂纹。危害：强度低，导电性能不好。
8.浸润不良。外观特点：焊料与焊件交界面接触过大，不平滑。危害：强度低，不通或时通时断。
各焊点缺陷对应的横切面如图3所示。实际拍摄的图像并不能得到焊点的横切面，只能根据焊点表面反射光线导致的焊点亮暗变化来判断焊点存在的缺陷。
均匀分布的焊点为“裙”状，且“裙”状的曲面特征为：服从中心高度是半径的
倍且
的曲面，该曲面为二维高斯曲面，如图4所示。
通过上述，二维高斯曲面的中心高度是半径的
倍，结合概率密度函数公式得到方差
的关系式：
公式解释：通过概率密度函数公式得到中心点的高度即曲面上坐标
处的高度为
。由于焊点的“裙”状边缘仍有一定高度，二维高斯分布中，位于
范围内的值占
，则半径为
。
根据该关系式得到方差
的取值范围为：
式中：
=
，
。
则该二维高斯曲面的参数为
。
在实际中，均匀分布的焊点“裙”状曲面与上述二维高斯曲面之间呈倍数关系，根据焊点连通域中边缘像素点距离中心点的距离集合
的均值
，得到倍数
为：
且“裙”状曲面的中心点即为二维高斯曲面的中心点，则
。
综上，均匀分布下焊点的“裙”状曲面高度计算公式为：
公式解释：
表示均匀分布的焊点的“裙”状曲面在坐标为
的像素点的高度，其中
为超参数，
，
取值范围为
，在
的范围内，
表示均匀分布下焊点高度的最大值，
表示均匀分布下焊点高度的最小值,对于像素点
，其高度在
范围内。
利用每一个焊点连通域的像素灰度值和均匀分布下每个焊点的边缘高度计算真实情况下每个焊点的高度；
通过对比真实情况下焊点的“裙”状曲面与均匀分布的焊点的“裙”状曲面的相似程度来判断焊点是否存在缺陷。
真实情况下焊点的“裙”状曲面的高度通过灰度值来体现。
将焊点连通域中像素点的坐标带入，得到均匀分布状态下焊点在该像素点的高度
，与真实焊点的高度
进行比较。其中真实焊点的高度
在灰度图上是通过灰度值来体现的，即：
式中：
表示焊点的灰度值，
表示真实情况下焊点高度与灰度的比值参数。
焊点在任何情况下，其“裙”状边缘的高度和均匀分布时相等，因此通过均匀分布下焊点边缘的高度等于真实情况下焊点边缘的高度得到真实情况下焊点边缘的高度，即：
通过真实情况下焊点边缘的高度与边缘像素灰度平均值的比值来确定
的值，即
公式解释：真实情况下焊点边缘的高度等于均匀分布下焊点边缘的高度，为
，焊点连通域边缘像素点集合
中共有
个像素点，用这些像素点的平均灰度值来计算系数
。
则可以得到真实情况下焊点的高度
。
若真实焊点的高度
在
范围内，对应坐标为
的像素点属于均匀分布。
通过真实情况下每一个焊点的高度和均匀分布下每一个焊点的高度计算每个焊点的差异性；
真实焊点的高度
在
范围内，则认为差异性为0，否则越偏离
，差异性越大。差异性越大，焊点分布的越不均匀。
利用每个焊点的差异性和对应的距离集合计算每个焊点的质量评估值；
根据焊点的形状特征和分布特征，计算焊点的质量评估值的公式如下：
式中：
表示质量评估值。当
时，
越大，焊点的形状越不规则；
值越大，焊点的分布越不均匀；当
且
时，焊点出现拉尖缺陷，
越大，焊点的拉尖程度越大；
值越大，焊点的分布越不均匀。焊点形状特征和分布特征共同决定了焊点的焊接质量，形状越不规则且分布越不均匀的焊点，焊接质量越差。
至此，得到焊点的焊接质量。
通过所有焊点的质量评估值判断该PCB板质量是否合格。
通过上述过程计算得到PCB电路板上焊点的质量评估值集合
，计算集合的均值
和方差
，该均值和方差表征PCB电路板上焊点质量的平均水平和差异性，根据经验，当
且方差
时，PCB板的质量符合要求。
至此，完成对PCB板焊接质量的评估以及筛选工作。
本发明的有益效果是：本发明通过焊点连通域的形状进行初步筛选不合格的PCB板，接着评估焊点焊接质量，对PCB板上所有焊点的质量评估值进行分析判断PCB板的质量是否符合要求，相对于现有技术，提高了PCB板质量检测的效率，且检测方法简单。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于图像处理的PCB板焊接质量评估方法，其特征在于，包括：
采集PCB板图像，对PCB板图像进行预处理得到焊点的灰度图，对焊点的灰度图进行连通化处理得到所有的焊点连通域；
获取每个焊点连通域所有边缘像素点与中心点的距离组成的距离集合；
利用距离集合的距离值、距离方差、最小距离判断每个焊点连通域是否为桥接焊点，当有一个焊点连通域为桥接焊点时，该PCB板图像对应的PCB板质量不合格；
当所有焊点连通域都不是桥接焊点时，利用二维高斯分布的概率密度函数公式计算均匀分布下每个焊点的高度；
利用每一个焊点连通域的像素灰度值和均匀分布下每个焊点的边缘高度计算真实情况下每个焊点的高度；
通过真实情况下每一个焊点的高度和均匀分布下每一个焊点的高度计算每个焊点的差异性；
利用每个焊点的差异性和对应的距离集合计算每个焊点的质量评估值；
通过所有焊点的质量评估值判断该PCB板质量是否合格。
2.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的PCB板焊接质量评估方法，其特征在于，获取所述均匀分布下每个焊点的高度方法为：
均匀分布下每个焊点的曲面为二维高斯曲面，通过曲面中心高度与半径的关系结合概率密度函数公式以及中心点坐标得到二维高斯曲面的表达式；
利用距离集合的均值和二维高斯曲面的表达式得到均匀分布下每个焊点的高度。
3.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的PCB板焊接质量评估方法，其特征在于，获取所述真实情况下每个焊点的高度方法为：
通过均匀分布下每个焊点的边缘高度以及均匀分布下焊点边缘高度与真实情况下焊点边缘高度的关系得到真实情况下的焊点边缘高度；
利用真实情况下的焊点边缘高度和焊点连通域边缘像素点平均灰度值得到真实情况下焊点高度与灰度的比值参数；
通过该比值参数和每个像素点的灰度值得到真实情况下每个焊点的高度。
4.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的PCB板焊接质量评估方法，其特征在于，所述焊点的质量评估值表达式为：
式中：
表示质量评估值，
表示像素点坐标，
表示差异性，
表示距离方差，
表示距离方差阈值，
表示距离集合中的元素个数，
表示第
个距离，
表示最小距离值。
5.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的PCB板焊接质量评估方法，其特征在于，所述差异性的表达式为：
式中：
表示真实情况下焊点的高度，
表示均匀分布下焊点高度的最小值，
表示均匀分布下焊点高度的最大值，
。
6.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的PCB板焊接质量评估方法，其特征在于，通过所有焊点的质量评估值判断该PCB板质量是否合格的方法是：当所有焊点质量评估值的均值大于等于均值阈值，且方差小于等于方差阈值时，判断对应的PCB板的质量合格。
7.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的PCB板焊接质量评估方法，其特征在于，所述预处理包含：对PCB板图像进行语义分割得到焊点的二值遮罩，将焊点的二值遮罩与PCB板图像进行相乘得到焊点的RGB图像，对焊点的RGB图像进行灰度化处理得到焊点的灰度图。
8.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的PCB板焊接质量评估方法，其特征在于，所述中心点是每一个焊点连通域中灰度值最大的像素点。
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