CN116734771B - 基于主动式Gamma校正的电路板元器件几何检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于主动式Gamma校正的电路板元器件几何检测方法，包括：确定相机的响应取值范围；确定第一预编码值和第二预编码值；在相机的响应取值范围内生成四步相移光栅图，并利用第一和第二预编码值分别对其进行预编码调制，得到两组经过预编码调制的光栅图；确定理想的相位；获取两组经过预编码调制的光栅图所对应的Gamma值；计算理论预编码值，向电路板上投影经过理论预编码值调制的光栅图，采集电路板的四步相移光栅图像，最终生成电路板的三维点云。采用本发明方法求得的理论预编码值，对相移算法的投影正弦光栅进行预编码调制，调制后的相移算法精度得到了极大的提高，显著消除了光栅非正弦对电路板三维检测的影响。
Description
技术领域
本发明属于光栅投影三维检测技术领域，具体涉及一种基于主动式Gamma校正的电路板元器件几何检测方法。
背景技术
随着现代电子工业的迅速发展，电路板的集成度、复杂度不断提高，会导致生产过程中焊接缺陷，例如出现元器件错位、脱焊等现象，不能适应现代工业生产水平的要求。因此对高密度电路板自动化几何检测技术的研究是一个急需解决的问题。
光栅投影三维测量技术（Fringe Projection Profilometry，FPP）是一种主动式非接触三维测量技术，使用投影仪将光栅条纹投射到被测物体上，由工业相机采集到光栅条纹图像，通过图像处理和三维转换模型得到被测物体的三维信息，因具有测量精度高、速度快等优势，成为精密产品几何检验的新手段。
在光栅投影三维测量中，由于投影仪和工业相机的亮度传递函数并不是线性的，在获取数字化投影-采集信号的过程中存在输入和输出之间的非线性强度响应问题，会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。以往普遍采用查找表方法解决这一问题，但是这一方法需对补偿的相位一一标定，非常耗时。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于主动式Gamma校正的电路板元器件几何检测方法，解决电路板点云存在的“水波纹”问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于主动式Gamma校正的电路板元器件几何检测方法，该方法包括以下步骤：
确定相机的响应取值范围；
确定第一预编码值和第二预编码值/>；其中，第一预编码值/>小于相位误差最小预编码值小于第二预编码值/>；
在相机的响应取值范围内生成四步相移光栅图，并利用第一预编码值和第二预编码值分别对其进行预编码调制，得到两组经过预编码调制的光栅图；其中，每组经过预编码调制的光栅图均包括四幅相移值为的光栅条纹；
确定理想的相位；
由下式获取两组经过预编码调制的光栅图所对应的Gamma值，分别记为和/>：
式中，表示第/>组光栅图的Gamma值，/>为第n步相移光栅图受到第i组光栅图所对应的Gamma值调制的光栅条纹灰度值；
计算理论预编码值，向电路板上投影经过理论预编码值调制的光栅图，采集电路板的四步相移光栅图像，最终生成电路板的三维点云；其中，理论预编码值计算公式如下：
式中，为理论预编码值。
进一步的，确定相机的响应取值范围的具体方法为：
生成不同灰度值的灰度图像；
利用投影仪将灰度图像投射至反射率较低的白板平面且白板平面正对投影仪；
利用相机采集白板平面上的灰度图像，求取均值作为相机的输出响应。
进一步的，在整个灰度范围内，每隔固定灰度间隔生成一张灰度图像。
进一步的，选取所采集的灰度图像的中心区域求取均值。
进一步的，相机为CCD相机。
进一步的，相位误差最小预编码值的确定方法为：
设置不同的预编码值；
将经过不同预编码值调制的投影光栅投射到反射率较低的白板平面且白板平面正对投影仪；
获取白板平面上光栅条纹的相位信息，并与理想相位相减得到相位误差，相位误差最小的预编码值即为相位误差最小预编码值。
进一步的，采用20步相移算法获得光栅条纹的理想相位。
进一步的，理想相位的计算公式为：
式中，为第/>幅光栅条纹的灰度值。
进一步的，在相机的响应取值范围内根据公式生成四步相移光栅图，公式如下：
式中，为第/>幅光栅条纹的灰度值，n取1至N，N为相移步数4；/>为背景光强，即为相机的响应取值范围的最小值；/>为被测物体的表面的反射率，即为相机的响应取值范围的最大值；/>为相机捕获的变形光栅的相位；/>为第n幅光栅条纹的相移量。
进一步的，采用遗传算法获取两组经过预编码调制的光栅图所对应的Gamma值。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
本发明提供一种基于主动式Gamma校正的电路板元器件几何检测方法，采用该方法求得的理论预编码值，对相移算法的投影正弦光栅进行预编码调制，调制后的相移算法精度得到了极大的提高，显著消除了光栅非正弦对电路板三维检测的影响。
附图说明
图1是本发明的基于主动式Gamma校正的电路板元器件几何检测方法流程图；
图2是本发明选取拍摄52张图像的中心部分(50*50)像素区域图；
图3是本发明CCD相机输入与输出的灰度响应曲线图；
图4是本发明预编码值分别取1.5，2.5，3和3.5的误差对比分析；
图5是本发明不同预编码值的四步相移所对应的相位误差；
图6是本发明预编码值；
图7是本发明预编码值；
图8是本发明无Gamma预编码的多步相移误差图；
图9是本发明相移步数为20步的相对相位图；
图10是本发明相移步数为20步的绝对相位图；
图11是本发明未进行Gamma校正的光栅条纹图；
图12是本发明进行Gamma校正的光栅条纹图；
图13是本发明图12和图13条纹正弦性对比图；
图14是本发明图12的相对相位图；
图15是本发明图13的相对相位图；
图16是本发明图12和图13的相位误差图；
图17是本发明所拍摄电路板实物图；
图18是本发明未经过Gamma校正电路板三维点云图；
图19是本发明经过Gamma校正电路板三维点云图。
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。
本发明提出一种基于主动式Gamma校正的电路板元器件几何检测方法，Gamma校正方法通过修改投影仪的输出条纹直接校正投影仪，能够有效的消除因非正弦性问题所带来的误差，得到高质量的正弦光栅，从而消除电路板点云存在“水波纹”的问题。
在本发明中，首先确定CCD相机正常的响应取值范围；验证预编码算法的有效性；通过进行误差实验对比分析，验证预编码算法的有效性；在CCD相机正常的响应取值范围内根据公式生成在经过预编码调制的光栅；确定理想的相位分布；分别利用遗传算法获取两组经过预编码调制的光栅所对应的Gamma值/>和/>；根据公式计算出光栅系统所需要的预编码值/>，相机拍摄经过预编码调制电路板的四步相移图像，生成电路板具有准确三维坐标的点云数据，通过对照检测标准即可检测出电路板点云是否存在“水波纹”问题。
本发明实施例的基于主动式Gamma校正的电路板元器件几何检测方法，如图1所示，包括以下步骤：
、确定CCD相机正常的响应取值范围；
S2、在合理的预编码值两侧各取一个预编码值；
、在CCD相机的正常的响应取值范围内根据公式生成光栅图，对其进行预编码调制；
S4、确定理想的相位分布；
S5、通过遗传算法分别获取两组经过预编码调制的光栅图所对应Gamma值和/>；
S6、通过公式计算出光栅系统所需的预编码值，向电路板上投影经过预编码调制的光栅图，拍摄电路板的四步相移图像，最终生成电路板的三维点云。
本发明中光栅三维检测系统是由工业相机和投影仪构成的。
其中，步骤确定CCD相机正常的响应取值范围具体方法为：
S1、使用计算机程序生成灰度值从0~255且每幅间隔为5灰度值的图像共52张，实验选取反射率较低的白板平面且白板平面尽量正对投影仪，后将这52张图像按照先后顺序依次投射在白板平面上，并用相机连续同步采集图像，最后选取每一张拍摄图像的中心部分(50*50)像素区域进行计算，如图2所示，取其平均灰度值作为相机的输出响应，由此得到测量系统实际输出对应输入响应的曲线，如图3所示。
步骤S2中在合理的预编码值两侧各取一个预编码值的具体方法为：
S2、已知预编码取为接近于3的实数时，相位误差最小。故预编码/>分别取1.5，2.5，3和3.5时，对其进行误差对比分析，如图4所示。将上述经过预编码调制的投影光栅投射到平面上，进而获取相位信息。取相位信息中的第300行，与采用20步相移算法获得的理想相位相减得到相位误差，根据获得的相位误差来验证预编码算法是否有效。很明显可以看出，随着/>从1.5到3.5，相位误差呈现先降后升的趋势，这与得出的结论相符，因此验证了预编码方法能够明显降低相位误差，提高测量精度。
在确定了相位误差最小的预编码值后，于其两旁各取一个预编码值。
步骤S3中在CCD相机正常的响应取值范围内获取经过预编码调制的光栅图的具体方法为：
、考虑到CCD相机的正常的响应取值范围，以及考虑到合理的预编码值/>接近于3时，即当/>时，所对应的相位误差值很小，且/>，如图5所示，而/>为整个光栅投影系统所对应的Gamma失真值，不同的FPP系统对应不同的Gamma失真值，通常/>在范围内。如果在计算机产生理想光栅图像前引入预编码值/>后，则会使/>，则：
(1)
式中，为输出光栅图，/>为输入光栅图。
这样可以削弱系统的Gamma失真对测量的影响。故本实施例生成经过预编码为和/>调制的光栅条纹，分别如图6和图7所示，每组条纹由四幅相移值为的条纹组成。
假设投射幅光栅图像，相机捕捉的条纹图案可以表示为：
(2)
(3)
式中，为第/>幅灰度图的条纹灰度值，/>为背景光强，即为CCD相机正常的响应取值范围最小值，/>为被测物体的表面的反射率，即为最大值，/>为第n幅投影光栅的相移量，/>为相机捕获的变形光栅的相位。
步骤中，确定理想的相位分布的具体方法为：
S4、在光强已知的情况下，为了获取，则要求/>，则对此物面上的相位分布可由下式计算获取：
(4)
由上述公式(24)可知，随着的数量不断增加，在系统Gamma非线性影响下的光栅条纹所引起的高次谐波系数不断减小，且相应步数/>得到的相位误差分布范围逐渐缩小。
为了分析这一规律，以一个简单形状的物体为目标(例如：平面)在不使用Gamma校正情况下使用不同步数所引起的平均相位误差(由背景板捕获图案中的任意线)中可以看出：当图像数量大于8时，则相位误差越接近为0，如图8所示。根据20步相移步数的相对相位图（如图9所示）以及20步相移绝对相位图（如图10所示）发现，解相位前和解相位后没有存在较为明显和均匀的相位波动，为了避免相位误差带来影响，取20步相移算法为理想的参考相位，来确定其正确的理想相位分布，可以用以下等式：
(5)
步骤中，通过遗传算法分别获取两组经过预编码调制的光栅图所对应Gamma值，具体方法为：
、将上述经过预编码调制的光栅图，经过投影仪投影相机拍摄成四步相移光栅图，对于四步相移，相位每次移动的增量为/>，则：
(6)
其中，表示为第/>组光栅图的Gamma值，/>为n步相移光栅图受到第i组光栅图所对应的Gamma值进行调制。为了消除相位误差，调制后的图像需要更接近于理想相位，则可以表示为：
(7)
遗传算法因具有良好的非线性搜索特性以及全局优化特性。因此本实施例采用遗传算法对公式(7)求出每组最优的(/>)，即可得到系统的Gamma值。
需要说明的是，也可以采用其他的优化算法，例如粒子群算法等。
步骤中，计算出光栅系统所需的预编码值，相机拍摄经过预编码调制电路板的四步相移图像，生成电路板三维点云的具体方法为：
、遗传算法因具有良好的非线性搜索特性以及全局优化特性。因此本文对四幅不同光栅图像分别引入两个预编码值/>和/>，对拍摄到的两组8幅光栅图像，针对每一组光栅图像，通过公式(7)采用遗传算法寻优，求出每一组最优的/>(/>)，则有：
(8)
(9)
对公式(8)和公式(9)联立求解，则可解出和/>。与此同时，得到：
(10)
运用公式(10)，即可获取实际所需要的预编码值，将其Gamma预编码映射到后续的投影条纹图案，即可消除Gamma失真，完成Gamma预校准。
将电路板放置于参考面上，向电路板上投影经过预编码调制的光栅，利用同步触发拍取电路板的光栅图像。
作为一种可选的实施方式，步骤S2可以通过以下方式实现：
直接确定两个预编码值：第一预编码值和第二预编码值/>，使第一预编码值小于相位误差最小预编码值小于第二预编码值/>。需要注意的是，在确定两个预编码值时，最好使两个预编码值大小合适；具体值可根据实际情况确定。
为了进行对比，本发明还采用了未经过Gamma校正的四步光栅图的方法和经过Gamma校正的四步光栅图的方法，来对电路板进行同样的处理，得到未经过Gamma校正的光栅图以及经过Gamma校正的四步光栅图，分别如图11和如图12所示。对未经过Gamma校正的四步光栅图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14所示，由经过Gamma校正的四步光栅图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15所示，得到未Gamma校正和经过Gamma校正的相移图像条纹正弦性对比图，如图13所示。由经过Gamma校正的光栅图以及未经过Gamma校正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16所示。由未经过Gamma校正计算得到相位存在的周期性误差，而由经过Gamma校正计算得到的相位误差范围为/>，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17所示，对经过Gamma校正后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19所示，对未经过Gamma校正的电路板点云数据进行渲染，得到电路板三维点云，如图18所示，可见经过Gamma校正后的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。
综上所述，本发明公开了一种基于主动式Gamma校正的电路板元器件几何检测方法，包括以下步骤：确定CCD相机正常的响应取值范围；验证预编码算法的有效性；在CCD相机正常的响应范围内根据公式生成光栅图，对其进行预编码调制；确定理想的相位分布；通过遗传算法分别获取两组经过预编码调制的光栅图所对应的Gamma值/>和/>；根据公式计算出光栅系统所需的预编码值/>，相机拍摄经过预编码调制电路板的四步相移图像，生成具有准确三维点云的点云数据，准确定位电路板几何位置和三维形态，通过对照检测标准即可检测出三维点云是否消除“水波纹”等问题。
需要说明的是，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
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 (10)
1.一种基于主动式Gamma校正的电路板元器件几何检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
确定相机的响应取值范围；
确定第一预编码值和第二预编码值/>；其中，第一预编码值/>小于相位误差最小预编码值小于第二预编码值/>；
在相机的响应取值范围内生成四步相移光栅图，并利用第一预编码值和第二预编码值分别对其进行预编码调制，得到两组经过预编码调制的光栅图；其中，每组经过预编码调制的光栅图均包括四幅相移值为的光栅条纹；
确定理想的相位；
由下式获取两组经过预编码调制的光栅图所对应的Gamma值，分别记为和/>：
式中，表示第/>组光栅图的Gamma值，/>为第n步相移光栅图受到第i组光栅图所对应的Gamma值调制的光栅条纹灰度值；
计算理论预编码值，向电路板上投影经过理论预编码值调制的光栅图，采集电路板的四步相移光栅图像，最终生成电路板的三维点云；其中，理论预编码值计算公式如下：
式中，为理论预编码值。
2.根据权利要求1所述的基于主动式Gamma校正的电路板元器件几何检测方法，其特征在于，确定相机的响应取值范围的具体方法为：
生成不同灰度值的灰度图像；
利用投影仪将灰度图像投射至反射率较低的白板平面且白板平面正对投影仪；
利用相机采集白板平面上的灰度图像，求取均值作为相机的输出响应。
3.根据权利要求2所述的基于主动式Gamma校正的电路板元器件几何检测方法，其特征在于，在整个灰度范围内，每隔固定灰度间隔生成一张灰度图像。
4.根据权利要求2所述的基于主动式Gamma校正的电路板元器件几何检测方法，其特征在于，选取所采集的灰度图像的中心区域求取均值。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的基于主动式Gamma校正的电路板元器件几何检测方法，其特征在于，相机为CCD相机。
6.根据权利要求1所述的基于主动式Gamma校正的电路板元器件几何检测方法，其特征在于，相位误差最小预编码值的确定方法为：
设置不同的预编码值；
将经过不同预编码值调制的投影光栅投射到反射率较低的白板平面且白板平面正对投影仪；
获取白板平面上光栅条纹的相位信息，并与理想相位相减得到相位误差，相位误差最小的预编码值即为相位误差最小预编码值。
7.根据权利要求6所述的基于主动式Gamma校正的电路板元器件几何检测方法，其特征在于，采用20步相移算法获得光栅条纹的理想相位。
8.根据权利要求1或7所述的基于主动式Gamma校正的电路板元器件几何检测方法，其特征在于，理想相位的计算公式为：
式中，为第/>幅光栅条纹的灰度值。
9.根据权利要求1所述的基于主动式Gamma校正的电路板元器件几何检测方法，其特征在于，在相机的响应取值范围内根据公式生成四步相移光栅图，公式如下：
式中，为第/>幅光栅条纹的灰度值，n取1至N，N为相移步数4；/>为背景光强，即为相机的响应取值范围的最小值；/>为被测物体的表面的反射率，即为相机的响应取值范围的最大值；/>为相机捕获的变形光栅的相位；/>为第n幅光栅条纹的相移量。
10.根据权利要求1所述的基于主动式Gamma校正的电路板元器件几何检测方法，其特征在于，采用遗传算法获取两组经过预编码调制的光栅图所对应的Gamma值。
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