計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、通信、交通、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛用途。在以往的計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)中，圖像采集卡和PC機(jī)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(shè)計(jì)專門的電路，用匯編或C等語言編程。因此，使得整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)工作量大，周期長(zhǎng)，成本高。近幾年來，日新月異的計(jì)算機(jī)技術(shù)促進(jìn)了基于PC機(jī)的測(cè)控儀器(也稱為虛擬儀器，其中包括計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng))技術(shù)的發(fā)展。計(jì)算機(jī)和電子測(cè)量領(lǐng)域不斷有新的技術(shù)推出，例如為增強(qiáng)多媒體功能而開發(fā)的MMX技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)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(qiáng)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(jī)的圖像處理能力大大增強(qiáng)。在新型的計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)中，PC機(jī)可直接對(duì)圖像采集卡采集到信號(hào)進(jìn)行快速的處理，在功能和速度等方面能滿足大多數(shù)工程應(yīng)用的要求。
　　目前，在IC生產(chǎn)過程中的大部分工序中都利用計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)進(jìn)行在線的過程監(jiān)控。其中的一個(gè)工序是IC標(biāo)記質(zhì)量的在線檢驗(yàn)。標(biāo)記質(zhì)量檢驗(yàn)包括對(duì)IC表面的標(biāo)記(商標(biāo)圖案和字符)的位置、角度、清晰程度、是否缺損和錯(cuò)漏等情況的檢驗(yàn)。IC上的標(biāo)記通常用激光刻繪或印刷的方法加工而成。據(jù)了解，國(guó)內(nèi)的半導(dǎo)體器件制造業(yè)所配置的計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)均為外國(guó)產(chǎn)品，IC標(biāo)記質(zhì)量檢驗(yàn)計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的主要生產(chǎn)商是ICOS公司和HP公司，國(guó)內(nèi)現(xiàn)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(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。
　　根據(jù)一家IC生產(chǎn)廠家所提出的技術(shù)要求，我們采用計(jì)算機(jī)視覺新技術(shù)設(shè)計(jì)了一套IC標(biāo)記質(zhì)量檢驗(yàn)系統(tǒng) (以下簡(jiǎn)稱為IC檢驗(yàn)系統(tǒng))。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活、功能強(qiáng)和性能價(jià)格比高等特點(diǎn)。
1 IC檢驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和配置
1.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
　　IC檢驗(yàn)系統(tǒng)由光源、鏡頭、CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、PC機(jī)和專門的應(yīng)用軟件組成。IC檢驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

　　在工廠中，IC檢驗(yàn)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(biāo)記質(zhì)量的檢驗(yàn)和包裝工作。IC標(biāo)記質(zhì)量檢驗(yàn)工序主要有以下幾個(gè)步驟：首先由傳送包裝系統(tǒng)先將IC逐個(gè)裝入條狀塑料包裝帶的空格內(nèi)，包裝帶在IC檢驗(yàn)系統(tǒng)的鏡頭下方一格一格地快速移動(dòng)。包裝帶每移動(dòng)一次，傳送包裝系統(tǒng)就會(huì)通過接口電路查詢IC檢驗(yàn)系統(tǒng)是否處于準(zhǔn)備就緒的狀態(tài)；是則發(fā)出信號(hào)通知IC檢驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)IC進(jìn)行測(cè)試。若檢驗(yàn)合格，包裝帶前移一格，再重復(fù)前面的步驟。若IC不合格，IC檢驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)通知傳送包裝系統(tǒng)更換IC，待IC更換后，再進(jìn)行檢驗(yàn)。
1.2 系統(tǒng)的配置
　　CCD攝像機(jī)：敏通公司的MTV－1881EX型1/2″黑白攝像機(jī)，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(guó)國(guó)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(hào)和8根同步信號(hào)線，可用于與其它DAQ卡或外部設(shè)備通信聯(lián)絡(luò)。
　　PC機(jī)：聯(lián)想PIII/450，64M內(nèi)存，8.4G硬盤。
　　操作系統(tǒng)：Windows 98。
　　應(yīng)用軟件：自行開發(fā)的IC標(biāo)記質(zhì)量檢驗(yàn)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(diǎn)，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(tái)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(yīng)用軟件開發(fā)平臺(tái)，特別適用于測(cè)試、測(cè)量、儀器控制、過程監(jiān)控和工業(yè)自動(dòng)化等方面的工程應(yīng)用軟件的開發(fā)。它采取編譯方式生成的應(yīng)用程序可脫離開發(fā)平臺(tái)而獨(dú)立運(yùn)行，運(yùn)行速度與C語言相當(dāng)。它在數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)表達(dá)等方面有很強(qiáng)的能力，并且具有直觀易學(xué)和編程效率高等特點(diǎn)。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(shí)間。它可通過DLL等多種方式與其它語言的應(yīng)用程序連接。LabVIEW 5.1版在很多方面作了改進(jìn)，例如加強(qiáng)了信號(hào)處理和分析、3D圖形顯示和報(bào)告生成的功能，以及ActiveX和網(wǎng)上數(shù)據(jù)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(shù)。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(jì)、幾何變換和圖像顯示的功能，還有模型匹配、邊緣檢測(cè)、斑點(diǎn)分析和測(cè)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(jìn)一步的改進(jìn)，總體性能有了明顯的提高。
3 模型匹配的新技術(shù)
　　IC檢驗(yàn)系統(tǒng)采用了IMAQ Vision中的圖像處理新技術(shù)，其中最有特色的是模型匹配技術(shù)。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(guān)算法。該方法處理速度較慢，而且對(duì)匹配對(duì)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(shù)采用了三種新方法：高效率的非均勻圖像采集、與旋轉(zhuǎn)和大小比例無關(guān)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(zhuǎn)換成數(shù)字信息時(shí)，往往包含大量冗余信息。如果對(duì)一幅圖像的所有信息進(jìn)行模型匹配處理，將會(huì)很費(fèi)時(shí)。但是，如果只對(duì)圖像中有代表意義的部分進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)較少，灰度變化大的區(qū)域采樣較多，采樣的密度隨圖像內(nèi)的情況自動(dòng)調(diào)整。

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　　邊緣檢測(cè)的方法能提供有關(guān)圖像結(jié)構(gòu)的信息，一個(gè)圖像中圖形邊緣的信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于整個(gè)圖像的信息。邊緣信息還可以作進(jìn)一步處理，以提取圖像中幾何形狀圖形有關(guān)的數(shù)據(jù)，例如被測(cè)圖像中直線和園形的數(shù)量等。模型匹配中匹配對(duì)象的計(jì)數(shù)可簡(jiǎn)化為幾何圖形的匹配處理。圖3是邊緣檢測(cè)和幾何建模技術(shù)示意圖。圖3(a)是樣板圖像，圖3(b)是圖形邊緣強(qiáng)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(guān)的函數(shù)綜合運(yùn)用了非均勻采樣、邊緣檢測(cè)和幾何建模等方法，令模型匹配快速而準(zhǔn)確，并允許匹配對(duì)象可以有0～360度的旋轉(zhuǎn)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(dāng)準(zhǔn)確的結(jié)果。
4 軟件設(shè)計(jì)
4.1 LabVIEW編程的基本方法
　　用LabVIEW開發(fā)的應(yīng)用程序主要由面板和流程圖組成。面板的設(shè)計(jì)相當(dāng)簡(jiǎn)便快捷，因?yàn)長(zhǎng)abVIEW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(guān)、旋鈕，表頭、數(shù)值指示器和波形顯示器等儀表面板部件。設(shè)計(jì)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(jiǎn)便方法為它們?cè)O(shè)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(jìn)行調(diào)整。面板上的所有控件都會(huì)在流程圖中自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的圖標(biāo)。LabVIEW的函數(shù)庫內(nèi)有上千種函數(shù)和子程序，它們也是以圖標(biāo)形式出現(xiàn)。流程圖主要由面板上控件的圖標(biāo)、函數(shù)圖標(biāo)和連線組成。通常情況下，在圖標(biāo)左側(cè)連接輸入?yún)?shù)，而輸出參數(shù)從圖標(biāo)右側(cè)引出。設(shè)計(jì)流程圖的基本方法是：從函數(shù)庫中選取所需的函數(shù)圖標(biāo)，并按照數(shù)據(jù)在程序中傳送的順序把它們和控件圖標(biāo)的位置統(tǒng)一編排好，再用連線工具將圖標(biāo)都連接起來。
4.2 模型匹配函數(shù)的編程
　　IMAQ Vision中的模型匹配函數(shù)IMAQ Match Pattern可提供所有查找到的匹配對(duì)象的檢測(cè)結(jié)果，其中包括匹配對(duì)象的數(shù)目、位置坐標(biāo)、旋轉(zhuǎn)角度、大小比例和相似程度計(jì)分(以1000分為滿分)。模型匹配函數(shù)需要以下幾個(gè)相關(guān)函數(shù)的配合才能得到正確的結(jié)果。
　　(1)學(xué)習(xí)模式設(shè)置函數(shù)(IMAQ)用于設(shè)定建立樣板模型時(shí)的學(xué)習(xí)模式。學(xué)習(xí)模式有三種：僅允許樣板位移的模式，僅允許樣板旋轉(zhuǎn)的模式，以及允許樣板位移和旋轉(zhuǎn)的模式。
　　(2)學(xué)習(xí)建模函數(shù)(IMAQ)運(yùn)用模型匹配新方法將樣板的原始圖像轉(zhuǎn)換成描述數(shù)據(jù)形式的樣板模型。
　　(3)模型匹配參數(shù)設(shè)置函數(shù)IMAQ Setup Match Pattern用于集合最小對(duì)比度和匹配模式等多種參數(shù)。
　　圖4是一個(gè)模型匹配程序(流程圖)實(shí)例，用來說明模型匹配的基本編程方法。
　　我們用自編的測(cè)試程序?qū)δＰ推ヅ浜瘮?shù)的幾項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試是在IC檢驗(yàn)系統(tǒng)的軟硬件配置條件下進(jìn)行的，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

4.3 IC 標(biāo)記檢驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)
　　IC檢驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用程序的面板如圖5所示。圖5中的1、2、3等數(shù)字表明有關(guān)控件(按鍵和數(shù)值輸入等)操作的主要步驟和程序運(yùn)行的基本順序。

　　(1) “制作標(biāo)準(zhǔn)圖像”按鈕用于為一個(gè)完全符合要求的IC拍攝一幅標(biāo)準(zhǔn)圖像，作為模型匹配樣板圖像的基準(zhǔn)。
　　(2)“設(shè)定搜索區(qū)域”按鈕用作在標(biāo)準(zhǔn)圖像的中間位置上自動(dòng)生成一個(gè)搜索矩形框，該框用來限定標(biāo)記檢驗(yàn)搜索區(qū)域。搜索區(qū)域應(yīng)選擇IC的主體為宜。因?yàn)椋阉鲄^(qū)域不僅是作為符號(hào)匹配檢驗(yàn)的搜索區(qū)域，而且是作為IC主體的樣板圖像，它作為基準(zhǔn)被轉(zhuǎn)換為IC主體的樣板模型。在每個(gè)IC檢驗(yàn)的開始階段，該樣板模型與被檢驗(yàn)IC的圖像進(jìn)行模型匹配，找到IC主體并校正其坐標(biāo)位置和角度。
　　(3)“調(diào)整搜索區(qū)域位置”數(shù)字式和滑動(dòng)式數(shù)值控件可上下左右地移動(dòng)搜索矩形框，而“調(diào)整搜索區(qū)域大小”的數(shù)值控件則用來改變搜索矩形框的邊長(zhǎng)；這兩種操作交替地進(jìn)行即可精確地選擇搜索區(qū)域。
　　(4)“增加檢驗(yàn)符號(hào)”按鈕用于選擇待檢驗(yàn)的字符。先用鼠標(biāo)框選要檢驗(yàn)符號(hào)，再用“增加檢驗(yàn)符號(hào)”按鈕確認(rèn)這一選擇?？蜻x的位置沒有限制，但字符選擇框的邊長(zhǎng)不能小于8個(gè)像素，也不能超出搜索區(qū)域?？蜻x字符的數(shù)目最多可達(dá)200個(gè)?？蜻x字符的目的是縮小匹配處理的范圍，提高檢測(cè)準(zhǔn)確性。
　　(5) “學(xué)習(xí)建?！卑粹o啟動(dòng)為所有被選符號(hào)建立樣板模型的工作。這些樣板模型被用來作為符號(hào)檢驗(yàn)的基準(zhǔn)。
　　(6)在檢驗(yàn)參數(shù)和檢驗(yàn)方式設(shè)置欄目中，“對(duì)比度”控件用于設(shè)定被檢驗(yàn)IC圖像的最小對(duì)比度?！昂细穹?jǐn)?shù)”、“位移上限”和“旋轉(zhuǎn)上限”控件的設(shè)定值是判斷IC標(biāo)記質(zhì)量是否合格的門限值，它們均可由用戶根據(jù)實(shí)際要求來設(shè)定。例如，按照?qǐng)D5中這幾項(xiàng)的設(shè)定值，被檢驗(yàn)的符號(hào)匹配計(jì)分達(dá)700分，而且位移未超過25μm，旋轉(zhuǎn)角度未超過0.3度時(shí)，為合格符號(hào)。所有被測(cè)符號(hào)均合格時(shí)，IC標(biāo)記質(zhì)量才算合格。
　　(7) “開始IC檢驗(yàn)”按鈕用于發(fā)出IC檢驗(yàn)系統(tǒng)已做好準(zhǔn)備的信號(hào)。若傳送包裝系統(tǒng)亦已準(zhǔn)備好，它會(huì)發(fā)出信號(hào)讓IC檢驗(yàn)系統(tǒng)開始檢驗(yàn)工作。
　　此外，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)欄中的“存盤”和“打印”按鈕用于存儲(chǔ)或打印IC標(biāo)記質(zhì)量檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
　　圖5中名為搜索區(qū)域的圖像是待測(cè)IC主體部分的圖像，而名為角度校正的圖像是以標(biāo)準(zhǔn)IC圖像為基準(zhǔn)的經(jīng)角度校正后的圖像，校正的目的是準(zhǔn)確地計(jì)算出被檢驗(yàn)符號(hào)的位置偏移和角度變化。字符質(zhì)量檢驗(yàn)的其它項(xiàng)目由相似程度計(jì)分來統(tǒng)一判斷。
　　總之，借助于電子和計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的最新技術(shù)，新型計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和性能等方面有了突破性的進(jìn)展。功能強(qiáng)大和高效率的虛擬儀器和圖像處理工具軟件為計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)的開發(fā)和推廣應(yīng)用提供了更加有利的條件。在IC標(biāo)記質(zhì)量檢驗(yàn)系統(tǒng)中所采用的光學(xué)符號(hào)檢驗(yàn)新技術(shù)除了可用于各類型印刷符號(hào)的檢驗(yàn)外，也適用于各種產(chǎn)品的元器件安裝方位和缺漏等檢測(cè)項(xiàng)目。而且，基于PC機(jī)的計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)還可以利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與其它虛擬儀器或測(cè)控設(shè)備組成網(wǎng)絡(luò)化的產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。
參考文獻(xiàn)
1 LabVIEW Version 5.1 Addemdum. National Instruments Corporation Manual, 1999
2 IMAQ Vision User Manual. National Instruments Corporation Manual,1999