摘要：介紹了電子和計算機(jī)技術(shù)對計算機(jī)視覺技術(shù)發(fā)展的影響，以及與計算機(jī)視覺系統(tǒng)開發(fā)相關(guān)的虛擬儀器開發(fā)平臺ＬａｂＶＩＥＷ和圖像處理軟件ＩＭＡＱ Ｖｉｓｉｏｎ的特點，重點說明了模型匹配新技術(shù)的原理和特性，并給出這些新技術(shù)在ＩＣ標(biāo)記檢驗中的應(yīng)用實例。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)視覺技術(shù) 虛擬儀器 圖形編程語言 圖像處理

計算機(jī)視覺技術(shù)在農(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)計專門的電路，用匯編或Ｃ等語言編程。因此，使得整個系統(tǒng)的開發(fā)工作量大，周期長，成本高。近幾年來，日新月異的計算機(jī)技術(shù)促進(jìn)了基于ＰＣ機(jī)的測控儀器（也稱為虛擬儀器，其中包括計算機(jī)視覺系統(tǒng)）技術(shù)的發(fā)展。計算機(jī)和電子測量領(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)。在新型的計算機(jī)視覺系統(tǒng)中，ＰＣ機(jī)可直接對圖像采集卡采集到信號進(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生計算機(jī)視覺技術(shù)在工業(yè)、產(chǎn)過程中的大部分工序中都利用計算機(jī)視覺系統(tǒng)進(jìn)行在線的過程監(jiān)控。其中的一個工序是ＩＣ標(biāo)記質(zhì)量的在線檢驗。標(biāo)記質(zhì)量檢驗包括對ＩＣ表面的標(biāo)記（商標(biāo)圖案和字符）的位置、角度、清晰程度、是否缺損和錯漏等情況的檢驗。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，國內(nèi)的半導(dǎo)體器件制造業(yè)所配置的計算機(jī)視覺系統(tǒng)均為外國產(chǎn)品，ＩＣ標(biāo)記質(zhì)量檢驗計算機(jī)視覺系統(tǒng)的主要生產(chǎn)商是ＩＣＯＳ公司和ＨＰ公司，國內(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，我們采用計算機(jī)視覺新技術(shù)設(shè)計了一套ＩＣ標(biāo)記質(zhì)量檢驗系統(tǒng)（以下簡稱為ＩＣ檢驗系統(tǒng)）。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單靈活、功能強(qiáng)和性能價格比高等特點。

１ ＩＣ檢驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和配置

１．１ 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

ＩＣ檢驗系統(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檢驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖１所示。

在工廠中，ＩＣ檢驗系統(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)量的檢驗和包裝工作。ＩＣ標(biāo)記質(zhì)量檢驗工序主要有以下幾個步驟：首先由傳送包裝系統(tǒng)先將ＩＣ逐個裝入條狀塑料包裝帶的空格內(nèi)，包裝帶在ＩＣ檢驗系統(tǒng)的鏡頭下方一格一格地快速移動。包裝帶每移動一次，傳送包裝系統(tǒng)就會通過接口電路查詢ＩＣ檢驗系統(tǒng)是否處于準(zhǔn)備就緒的狀態(tài)；是則發(fā)出信號通知ＩＣ檢驗系統(tǒng)對ＩＣ進(jìn)行測試。若檢驗合格，包裝帶前移一格，再重復(fù)前面的步驟。若ＩＣ不合格，ＩＣ檢驗系統(tǒng)發(fā)出信號通知傳送包裝系統(tǒng)更換ＩＣ，待ＩＣ更換后，再進(jìn)行檢驗。

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：美國國家儀器 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)信號和８根同步信號線，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，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，特別適用于測試、測量、儀器控制、過程監(jiān)控和工業(yè)自動化等方面的工程應(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)平臺而獨立運行，運行速度與Ｃ語言相當(dāng)。它在數(shù)據(jù)采集、信號處理和數(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。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)了信號處理和分析、３Ｄ圖形顯示和報告生成的功能，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、幾何變換和圖像顯示的功能，還有模型匹配、邊緣檢測、斑點分析和測量等功能。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，而且對匹配對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，往往包含大量冗余信息。如果對一幅圖像的所有信息進(jìn)行模型匹配處理，將會很費時。但是，如果只對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)的情況自動調(diào)整。
邊緣檢測的方法能提供有關(guān)圖像結(jié)構(gòu)的信息，一個圖像中圖形邊緣的信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于整個圖像的信息。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)，例如被測圖像中直線和園形的數(shù)量等。模型匹配中匹配對象的計數(shù)可簡化為幾何圖形的匹配處理。圖３是邊緣檢測和幾何建模技術(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)綜合運用了非均勻采樣、邊緣檢測和幾何建模等方法，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

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)計相當(dāng)簡便快捷，因為ＬａｂＶＩＥＷ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，并以很簡便方法為它們設(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在流程圖中自動生成對應(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象的檢測結(jié)果，其中包括匹配對象的數(shù)目、位置坐標(biāo)、旋轉(zhuǎn)角度、大小比例和相似程度計分（以１０００分為滿分）。模型匹配函數(shù)需要以下幾個相關(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用于集合最小對比度和匹配模式等多種參數(shù)。

圖４是一個模型匹配程序（流程圖）實例，用來說明模型匹配的基本編程方法。

我們用自編的測試程序?qū)δＰ推ヅ浜瘮?shù)的幾項主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測試，測試是在ＩＣ檢驗系統(tǒng)的軟硬件配置條件下進(jìn)行的，測試結(jié)果如表１所示。

４．３ ＩＣ 標(biāo)記檢驗系統(tǒng)應(yīng)用程序的設(shè)計

ＩＣ檢驗系統(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行的基本順序。

表1 模型苑配函數(shù)主要技術(shù)指標(biāo)測試

（１）“制作標(biāo)準(zhǔn)圖像”按鈕用于為一個完全符合要求的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生成一個搜索矩形框，該框用來限定標(biāo)記檢驗搜索區(qū)域。搜索區(qū)域應(yīng)選擇ＩＣ的主體為宜。因為，搜索區(qū)域不僅是作為符號匹配檢驗的搜索區(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ＩＣ檢驗的開始階段，該樣板模型與被檢驗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)字式和滑動式數(shù)值控件可上下左右地移動搜索矩形框，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；這兩種操作交替地進(jìn)行即可精確地選擇搜索區(qū)域。

（４）“增加檢驗符號”按鈕用于選擇待檢驗的字符。先用鼠標(biāo)框選要檢驗符號，再用“增加檢驗符號”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不能小于８個像素，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。框選字符的目的是縮小匹配處理的范圍，提高檢測準(zhǔn)確性。

（５）“學(xué)習(xí)建?！卑粹o啟動為所有被選符號建立樣板模型的工作。這些樣板模型被用來作為符號檢驗的基準(zhǔn)。

（６）在檢驗參數(shù)和檢驗方式設(shè)置欄目中，“對比度”控件用于設(shè)定被檢驗ＩＣ圖像的最小對比度?！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)實際要求來設(shè)定。例如，按照圖５中這幾項的設(shè)定值，被檢驗的符號匹配計分達(dá)７００分，而且位移未超過２５μｍ，旋轉(zhuǎn)角度未超過０．３度時，為合格符號。所有被測符號均合格時，ＩＣ標(biāo)記質(zhì)量才算合格。

（７）“開始ＩＣ檢驗”按鈕用于發(fā)出ＩＣ檢驗系統(tǒng)已做好準(zhǔn)備的信號。若傳送包裝系統(tǒng)亦已準(zhǔn)備好，它會發(fā)出信號讓ＩＣ檢驗系統(tǒng)開始檢驗工作。

此外，統(tǒng)計數(shù)據(jù)欄中的“存盤”和“打印”按鈕用于存儲或打?。桑脴?biāo)記質(zhì)量檢驗的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

圖５中名為搜索區(qū)域的圖像是待測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)確地計算出被檢驗符號的位置偏移和角度變化。字符質(zhì)量檢驗的其它項目由相似程度計分來統(tǒng)一判斷。

總之，借助于電子和計算機(jī)等領(lǐng)域的最新技術(shù)，新型計算機(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)量檢驗系統(tǒng)中所采用的光學(xué)符號檢驗新技術(shù)除了可用于各類型印刷符號的檢驗外，也適用于各種產(chǎn)品的元器件安裝方位和缺漏等檢測項目。而且，基于ＰＣ機(jī)的計算機(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控設(shè)備組成網(wǎng)絡(luò)化的產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)。