1 系統(tǒng)構(gòu)成及檢測目標(biāo)
　　針腳視覺檢測系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。硬件系統(tǒng)負(fù)責(zé)圖像獲取，軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理并得出檢測結(jié)果。其中，硬件系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，包括以下幾部分：

??? (1)成像設(shè)備。CCD或CMOS的工業(yè)相機(jī)，要求像素在100萬以上。本文中的試驗系統(tǒng)采用的是分辨率為1 600×1 200的工業(yè)相機(jī)，成像質(zhì)量基本滿足檢測要求。利用基于32位操作系統(tǒng)的WDM(Windows Driver Model)視頻捕捉構(gòu)架——DirectShow[2]進(jìn)行影像的采集，作為一種高級流式媒體的應(yīng)用接口，DirectShow屏蔽了硬件之間的差異，從系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)的角度而言具有較高的兼容性與通用性^[3，4]，就成本和開發(fā)難度而言，非常適合本文所介紹的工業(yè)檢測系統(tǒng)。
　　(2)光源。由于物體比較小，所以成像距離小，為了采集到比較好的影像，需要設(shè)計專門的光源，這個非常重要。搭載平臺：放置電子元器件同時也作為檢測的基準(zhǔn)，因此對其加工精度要求較高，一般采用鋼質(zhì)的不易變形的材料，同時還要求成像時和目標(biāo)元器件的區(qū)分度較高。
　　(3)傳送設(shè)備。采用機(jī)器手來放置和取走檢測完畢的電子元器件，機(jī)器手和PC機(jī)的通訊一般是通過PCI采集卡來進(jìn)行的。
??? (4)PC機(jī)。加載檢測軟件，同時負(fù)責(zé)向機(jī)器手發(fā)出信號。這部分也可以采用帶LED顯示屏的單片機(jī)。
??? 業(yè)內(nèi)評價針腳是否合格一般有三個指標(biāo)：
??? (1)平整度。以平臺為基準(zhǔn)評價針腳距離平臺的距離，是Y方向上的測度。
??? (2)正位度。以第一個針腳或以電子元器件的站腳為基準(zhǔn)，評價每個針腳到基準(zhǔn)的距離，是X方向上的測度。
??? (3)PIN間距。即相鄰兩個針腳中心的水平距離，是X方向上的測度。
??? 以上三個指標(biāo)若有至少一個超出限差，則認(rèn)為該產(chǎn)品不合格。為了獲取以上三個指標(biāo)，一是要提取臺面的位置，二是要確定站腳的位置，三是要確定每個針腳的位置，這三個任務(wù)也是本系統(tǒng)檢測的主要目標(biāo)。針腳的外形可用外接的最小矩形來擬合，這樣針腳的中心及長寬就可以用矩形的中心、XY方向的邊長來表達(dá)。
2 基本原理
2.1 相關(guān)系數(shù)匹配
??? 相關(guān)系數(shù)匹配中用到的匹配測度是標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)方差函數(shù)[5]，對于離散的灰度數(shù)據(jù)而言，相關(guān)系數(shù)的計算有如實用公式(1)：
　　
其中g(shù)_i，j和g′_i，j分別為目標(biāo)區(qū)和搜索區(qū)在(i，j)處的灰度值；m，n為目標(biāo)區(qū)窗口的長和寬。
2.2 金字塔影像
??? 金字塔影像的簡易構(gòu)建公式如公式(2):
　　
其中g(shù)′_i，j和g_i,j分別為金字塔影像和原始影像在(i，j)處的灰度值；k為金子塔影像的分辨率，金字塔影像上的一個像素對應(yīng)原始影像上k2的個像素。
2.3 基于模板匹配的檢測算法
　　電子器件針腳的成像如圖3所示。針腳影像一般呈現(xiàn)方形的高亮區(qū)域，因此根據(jù)高亮區(qū)域的大小可以生成一個標(biāo)準(zhǔn)模板。將該模板與針腳影像做模板匹配，計算模板與影像的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)最大的地方對應(yīng)著針腳的正確位置，這就是本系統(tǒng)檢測算法的根本出發(fā)點。但是由于相關(guān)系數(shù)的計算比較花時間，為了提高計算的速度，可以采用分級匹配的方法，即首先將模板和針腳影像分別生成金字塔影像，首先在粗分辨率的影像上做匹配，確定針腳的初始位置，然后在高分辨率影像上精確定位，這就是本算法的基本流程。該算法不僅保證檢測的精度，而且考慮了檢測的速度，具有明顯的優(yōu)點。

3 檢測方案及流程
??? 本系統(tǒng)的成像設(shè)備采用1 600×1 200的分辨率實時采集影像，但檢測目標(biāo)主要集中的區(qū)域只占到全部影像的1/5左右，因此合理設(shè)置檢測的感興趣區(qū)域十分重要，可大大提高檢測效率。選取一個包含所有檢測針腳的矩形區(qū)域，檢測工作主要是在這個區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。
??? 具體采用的檢測方案及流程如下：
??? (1)首先在感興趣區(qū)域中利用相關(guān)系數(shù)模板(根據(jù)針腳的反光特點，標(biāo)準(zhǔn)模板應(yīng)該是內(nèi)白外黑且大小應(yīng)該能包含針腳(如圖4右下角圖像所示))匹配提取出針腳的個數(shù)和初始位置，并根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)則化即相鄰針腳的位置即是圖紙中的設(shè)計數(shù)據(jù)，這樣做的目的是為了下次檢測相同規(guī)格的器件時，如果放置得比較偏時不至于檢測失敗。
??? (2)接著生成一幅感興趣區(qū)域的粗一級的金字塔影像(如圖4左上角圖像所示)(可取分辨率為2，即原始影像中每4個像素對應(yīng)金字塔影像中的1個像素)及對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)模板，圖4中的感興趣區(qū)域的大小為1 141×42，其模板大小為31×27，對應(yīng)的金字塔影像的大小為570×21，其模板大小為17×15，單位均為像素。

??? (3)將(1)中針腳的坐標(biāo)換算到金字塔影像中，換算按公式(2)進(jìn)行，按相關(guān)系數(shù)實用化公式(1)逐一計算每個針腳在臨近區(qū)域的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)最大的位置對應(yīng)針腳的正確位置。
??? (4)將針腳在金字塔影像中的中心位置及外包矩形的邊長按照公式(2)反算到原始影像中，重復(fù)(3)的過程，只是此時要注意移動步長可設(shè)為kΔx和kΔy，k為金字塔分辨率，這樣可縮短在原始影像中的計算時間，這也是使用金字塔影像的好處。
4 實驗
??? 利用相關(guān)系數(shù)模板匹配在原始影像上獲取到初始位置，如圖5所示。較準(zhǔn)確的初值能減少迭代次數(shù)，提高運算效率。按照本文第三部提出的檢測流程，在金字塔影像中提取針腳的位置，再次反算到原始影像上，對初始值進(jìn)行修改，為在原始影像中進(jìn)行相關(guān)系數(shù)匹配提供更為精確的初值，從而提高效率。在具備準(zhǔn)確的初值的條件下，程序能較快地定位到精確位置，如圖6所示。為了測試精度和效率，用上述方法對不同針腳連續(xù)檢測，統(tǒng)計消耗時間和平面度、正位度以及間距三個指標(biāo)。測試計算機(jī)配置為CPU：Inter(R) Core 2 Duo T5870 2.0 G；內(nèi)存：1 G；顯卡：ATI Mobility Radeon HD 3400 Series。檢測之前，首先利用量規(guī)塊標(biāo)定相機(jī)的放大倍數(shù)為一個像素對應(yīng)8.23μm，然后重復(fù)進(jìn)行100次檢測試驗，共耗時41 219 μm，相當(dāng)于每次檢測412.19μm，整個檢測過程中，最大跳動為8μm。試驗結(jié)果表明，速度和精度都能滿足要求。?

???
??? 對實驗中發(fā)生跳動的針腳局部影像(如圖7所示)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有跳動的7號針腳的圖像周圍毛邊較嚴(yán)重；對比沒有發(fā)生跳動的13號針腳，目標(biāo)與背景能很好地區(qū)分開來。因此，建議為了提高檢測的精度和可靠性，應(yīng)該盡量使電子器件保持干凈，避免粘上污垢。