（精密仪器及机械专业论文）晶振的缺陷检测和识别.pdf

晶振的缺陷检测和识别 摘要 本论文主要研究利用图像处理的方法来识别晶振的缺陷。 数字图像处理技术起源于二十世纪二十年代，经过数十年的发展已经成为 工业自动化领域的佼佼者。图像测量和图像缺陷识别正在逐步替代传统的测量 和识别方法。尽管如此，目前仍然没有通用的图像处理系统，针对具体情况， 要选择具体的实验方案。本论文主要阐述了以下三个方面的内容： 第一数字图像处理的基本理论部分，该部分主要介绍了与本课题有关的 几种图像处理理论知识：图像数字化，包括量化和采样；图像增强和平滑，介 绍了直方图增强、灰度变换、滤波和锐化；图像分割和边缘检测；图像的几何 变换：图像的特征和理解。 第二数字图像处理系统的构成，该部分阐述了各种图像处理系统的组成。 第三晶振缺陷的图像识别，该部分是论文的主体。晶振常见的缺陷有填充 不足、填充材料有气泡、凸起和长短脚等。为了对工业现场中晶振元件的缺陷 进行识别，先用传统目测方法得到缺陷晶振的一般特征，然后对计算机采集到 的图像按照缺陷分类，对每一种缺陷进行图像预处理，最后提取每类缺陷的特 征并加以识别。这一部分包括实验系统的硬件选择：实验方法的选择( 主要是 照明方案的选择) ；图像处理方案的选择，具体体现在针对不同缺陷处理方法上 的不同。 关键词：图像处理、图像识别、图像预处理、缺陷识别、晶振 t h ed e f e c t si n s p e c t i o na n d r e c o g n i t i o n o f c r y s t a l o s c i l l a t o r a b s t r a c l t h i sp a p e r m a i n l ys t u d i e sh o w t ou s ei m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e st or e c o g n i z e t h ed e f e c t o f c r y s t a lo s c i l l a t o r d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gi so r i g i n a t e df r o m2 0 st w e n t yc e n t u r i e s i th a sb e e nt h e o u t s t a n d i n gf i e l di ni n d u s t r i a la u t o m a t i o nt h r o u g hd e c a d e s d e v e l o p m e n t t r a d i t i o n a l m e a s u r e m e n ta n dr e c o g n i t i o nm e t h o d sa r eb e i n gs u b s t i t u t e db yi m a g em e a s u r e m e n t a n di m a g er e c o g n i t i o n g r a d u a l l y ，s t i l l ，t h e r e a r en oi m a g ep r o c e s s i n gs y s t e mf o r g e n e r a lm e a s u r e m e n tp u r p o s e u s u a l l y , p e o p l ec h o o s es p e c i f i ce x p e r i m e n ts c h e d u l e t od i f f e r e n ts i t u a t i o n t h r e ea s p e c t sa r em a i n l yd i s c u s s e di nt h i sp a p e r f i r s t p a r t ，t h e f u n d a m e n t a l t h e o r y o f d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，t h i sp a r t i n t r o d u c e st h ef u n d a m e n t a lt h e o r yo fi m a g ep r o c e s s i n gt h a tr e l a t e dt ot h es u b j e c t ， i n c l u d i n gi m a g ed i g i t a l i z a t i o n ( q u a n t i z a t i o na n ds a m p l i n g ) ；i m a g ee n h a n c e m e n ta n d s m o o t h n e s s ，i n t r o d u c eh i s t o g r a me n h a n c e m e n t ，g r a y s c a l et r a n s f o r m a t i o n s ，f i l t r a t i o n a n d s h a r p e n i n g ；i m a g es e g m e n t a t i o n a n d e d g ed e t e c t i o n ；i m a g eg e o m e l r i ct r a n s f o r m a t i o n s ； i m a g ep r o p e r t i e sa n du n d e r s t a n d i n g s e c o n dp a r t ，t h es t r u c t u r eo f d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m t h i sp a r tm a i n l y i n t r o d u c e st h e c o m p o s i t i o n s o f v a r i e t i e si m a g e p r o c e s s i n gs y s t e m ， t h i r d p a r t i m a g er e c o g n i t i o no fc r y s t a lo s c i l l a t o rd e f e c t s t h i si st h em a i nb o d y o ft h i sp a p e r o r d i n a r i l y , t h e r ea r ef o u rt y p e so fd e f e c t so f c r y s t a lo s c i l l a t o r ，s u c ha s ， f i ui n s u f f i c i e n t ，b u b b l e ，h e a v ea n do u to fo r d e rl e g f o ri n s p e c t i n gt h ed e f e c t so f c r y s t a lo s c i l l a t o ro ni n d u s t r i a ls p o t ，w eg e tt h eg e n e r a lc h a r a c t e ro fc r y s t a lo s c i l l a t o r b yt r a d i t i o n a lm e t h o d e y e b a l l i n g ，t h e nc l a s s i f y t h e s a m p l e o fd e f e c t s i m a g e c a p t u r e db yc o m p u t e rs y s t e m a f t e rp r e - p r o c e s s i n ge a c hk i n do fd e f e c t s ，w ep i c k u p t h ec h a r a c t e r so fd e f e c t sa n dr e c o g n i z ei t t h i sp a r ti n c l u d e s ：h a r d w a r eo fe x p e r i m e n t s y s t e m ；e x p e r i m e n tm e t h o d ( m a i n l y i l l u m i n a t i o ns c h e d u l e ) a n dt h ei m a g ep r o c e s s i n g s c h e d u l e k e y w o r d s ：i m a g ep r o c e s s i n g ，i m a g er e c o g n i t i o n ，i m a g ep r e p r o c e s s i n g ， d e f e c tr e c o g n i t i o n c r y s t a lo s c i l l a t o r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外。论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 佥地工些厶堂或其他教育机构的学位或证二降而使 川过的捌判。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金鹏：! ：些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘允许论文被查阅和借阋。本人授权台 罂= 些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位i 仓文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权二阽) 学位埝文作者签名 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向 r 作单俯： 通讯地址： 导师签名 签字日期：年月日 电话 邮编 致谢 本论文是在导师邓善熙教授的悉心指导下完成的。读研期间，邓老师在学 习、生活上给了我很多的帮助，邓老师渊博的知识、严谨的治学态度、和诲人 不倦的敬业精神，使我受益匪浅。在此，向邓老师表示衷心的感谢和最诚挚的 谢意。 感谢深圳翠涛电子科技有限公司总工李焕然先生、总经理李蔚然先生在实 习期间课题研究和日常生活中给予的无私帮助和热心关怀。 感谢合肥工业大学检测技术研究所聂恒敬教授、吕国强教授、杨永跃副教 授、赵前程副教授、刘文文副教授、梁发云博士、丁兴号博士、彭良清老师、 刘善林老师、洪占勇老师、冯奇斌老师以及王训四、邹锋、邹阳、张登攀、张 阳等多位同学的帮助。 特别感谢合肥工业大学电气工程学院谢震博士和深圳翠涛电子科技有限公 司副总钟浩先生在课题研究期间给予的建议。 感谢我的父母，他们在我整个学业期间给予的鼓励和支持。 作者：李兵 2 0 0 4 年3 月 1 1 数字图像处理概述 第一章绪论 图像( i m a g e ) 是对客观存在的物体的一种相似性的生动模仿或描述。照片、 绘画、电视画面是最具体的例子。然丽除了这些能被肉跟直接观察到的各种平 面图像外。它还包括视觉无法观察到的其它物理图像和空间物理图像。 所谓数字图像处理( d 彬t a l h n a g e p r o c e s s i n g ) ，就是指用数字计算机及其它 有关数字技术，对图像施加某种运算和处理，从而达到某种预想的目的。例如， 在考古学中使褪色的老照片重新变的清晰：从医学显微图片中提取有意义的细 胞特征等等。 数字图像处理的研究内容主要有如下六个方面： 图像的数字化：即研究如何把一幅连续的光学图像表示成组数据，既不 失真又便于计算机分析处理。 图像的增强：增强图像中的有用信息，削弱干扰和噪声，以便于观察识别 和进一步的分析和处理。增强后的图像未必和原始图像一致。 图像的恢复：把退化、模糊了的图像复原，复原后的图像要尽可能和原来 的图像保持一致。 图像编码：在满足一定的保真度的要求下，简化图像的表示，从而大大地 压缩图像的数据，以便于存储和传输。 图像重建：由图像的投影数据重建该图像。 图像分析：对图像中的不同对象进行分割、分类、识别、描述和解释。 1 2 数字图像处理发展概况 数字图像处理是一门年轻的学科。本世纪二十年代，图像处理技术首先应 用在图像的远距离传送用来改善伦敦和纽约之间海底电缆发送的图片质量。 然而直到本世纪六十年代中期第三代数字计算机发展到一定水平，开始提供针 对于图像处理的算法在实际执行过程中所需要的速度和存储能力的条件之后， 数字图像处理爿真正引起人们的巨大兴趣，数字图像处理技术才得到了普遍的 应用，并得以迅速的发展。此后，这个领域取得了生气勃勃的发展，使它成为 】j 程学、汁算机科学、信息科学、统计学、物理学、化学、生物学和医学这些 领域中的各学科之问学习和研究的对象。这些成果的取得，奠定了图像处理在 各种各样的问题c p 的使用价值，这些问题包括从对空间探测所得到的图片的恢 复和增强到商业交往中的指纹处理。用计算机改善图像的质量的有效应用最早 j ：1 9 6 4 年美国喷气推进实验室( i ，尸) 用计算机对“徘徊者七号”发回的图片进 行处理，以校正飞船上的电视摄像机中各种不同形式的、固有的图像畸变。图 像处理领域一直在蓬勃发展。今天。数字图像处理技术除了应用于空间计划以 外，也在其它各种问题中得到应用【i i ：例如。在医学上，医生们借助于计算机 的程序可增强对比度，或者把亮度电平编码成为彩色，使得对于x 光或其它生 物医学的图像更易于理解；同样的或类似的技术由地理学家用于研究从空中或 地球卫星得到的图像中的污秽图样：在建筑学上，拍成照片后被遗失或损坏了 的珍贵艺术品的唯一能利用的记录就是已经模糊了的图片( 因年久而损坏或 退化) ，这些模糊的图片可以用图像处理方法成功地加以复原；在物理学和相 关领域中高能等离子体和 乜子显微镜的实验中用到的图像就是利用计算机图 像处理技术来增强的，类似的图像处理技术成功应用的实例可以在天文学、生 物学、医学、国家防御和工业应用中找到。 1 3 数字图像识别概述 图像泌别指对预处理后的图像进行分类。它可在分割的基础上选择需要提 取的特征，并对某些参数进行测量，再提取这些特征，最后根据测量结果进行 分类。图像识别是人工智能的一个重要方面，在现代自动控制技术及计算机应 用技术中都占有藿要的地位。 随着微电子技术和计算机技术的蓬勃发展，兴起了一门新型技术科学即图 像识别，它创始于五十年代后期，在六十年代初开始崛超，已经受到很多学科 的广泛重视并在科研与工业生产中得到应用。图像识剐所提出的问题，是研 究用计算机代替人们自动地去处理大量的物理信息，解决人类生理器官所不能 识别的问题。图像识别所研究的领域十分广泛，如在自动装配线中检验零件的 质量，并对零件进行分类；从金属敲击声中确定金属的性质和成分；从钢水的 翻腾声和溅射声中判断钢的含碳量和温度；识别人体内的病变：识别货物标签、 账单、邮政编码、金相图、气象卫星图；对机械加工中的零部件的识别、分类； 从遥感图片中辨别农作物、森林、湖泊、和军事设施，以及判定农作物的长势， 预测收获量等：医学诊断中可以扶拍摄到的x 图片判断是否发生癌细胞病变； 邮政系统中自动分捡信函等等l 。上述都是图像识别研究的课题。 图像识别所研究的课题看上去五花k f 3 ，种类繁多，但总体来说所研究的 问题主要是分类问题。其研究的对象基本上可以概括为两个类型：一是有直觉 形象的：图片、图案、文字图样等：另一类是无直觉形象而只有数据或信号的 波形：语苦、声音、心电图、地震波等。 图像坝别问题在工程上就是类别的划分问题，大致有两种情况：一种是把 列象的特性以及对象所属于的类别都加以泌明，称为学习过程，然后对于新的 2 一一个对象，分析它的特性，决定它属于哪一类；另外一种分类的情况我们称之 为聚合，就是只告诉若干对象和它们的属性，根据某种判据把特性相同的归为 一类，这科一方法事先不知道分类的个数。 1 4 数- 7 - m 像处建和识别的关系 图像处理和图像识别两者既有联系又有区别。 在研究图像时，首先要对获取的图像进行预处理以滤去干扰和噪声，作几 何、彩色校e 等，这样可提高信噪比。有时由于信号的微弱而无法辨别，还得 进行图像增强。其作用在于提供一个满足一定要求的图像，或对图像进行变换， 以便于人机分析。并且为了从图像中找到需要识别的东西，还得进行图像分割， 即进行定位和分离，以分出不同的东西。为了给观察者以清晰的图像，还要对 图像进行改善，把已经退化了的图像加以重建或恢复，以便改进图像的保真度。 在实际处理中，山于图像的信息量大，在存储和传输中，还要对图像信息进行 压缩。 以上内容都属于图像处理的范畴。因此图像处理包括：图像编码、图像增 强、图像压缩、图像复原、图像分割等。对图像处理来说，输入的是图像，输 出( 处理后) 的也是图像。图像处理主要解决两个问题：一是判断图像中有无 需要的有用信息；另一是确定这些信息是什么。 图像识别是对上述处理后的图像进行分类，确定类别名称，它可在分割的 基础上选择需要提取的特征，并对某些参数进行测量，再提取这些特征，最后 根据测量结果进行分类。为了更好地识别图像，还要对整个图像作结果上的分 析，对图像进行描述，以便对图像的主要信息得到一个解释和理解，并通过许 多对象相互间的结构关系对图像加深理解。所以图像识别是在上述分割后的每 个部分中，找到它的形状和纹理等特征，即特征提取，以便对图像进行分类， 并对整个图像作结构上的分析】。因而对图像识别环节来说，输入是图像( 一 般是经过一t z 述处理过的图像) ，输出是类别和图像的结构分析，而结构分析 的结果是对图像作描述，以便对图像的重要信息得到一种理解和解释。 需要注意的是，图像分割不一定完全在图像处理时进行，对有些问题，一 面进行分割，一面进行识别，如机械零件的分拣、分档就是如此。所以说，图 像处理和图像识别是交叉的。 图像理解是一个总称。上述图像处理和图像识别的最终目的就在于对图像 作描述和解释，为了嘬终理解它是什么图像。所以图像理解是在图像处理和识 别的基础上，再根据分类作结构和句法分析，去描述图像和解释图像。因而图 像理解包括图像处理、图像识别和结构分析。对理解部分来说，输入是图像， 输出是图像的描述和解释。 1 5 图像处理技术目前在国内的应用 图像处理技术起源比较早，但真正发展是在八十年代后，随着计算机技术 的高速发展而迅猛发展起来。到目前为止，图像处理在图像通讯、办公自动化 系统、地理信息系统、医疗没备、卫星照片传输及分析和工业自动化领域的应 用越来越多【4 】。但就国内的情况而言应用还不是很普遍，人们还在忙于理论 研究，诸如探索副像压缩编码等，而对于将成熟技术转化为生产力方面似乎认 弘 不够。目| j i 国内应用最多的是在多媒体领域，主要从事以下几个方面的研究： 第一图像压缩。图像压缩在图像传输，特别是在卫星向地面传输图像 方面有重要意义。图像压缩分无损压缩和有损压缩两类，无损压缩由于其压缩 比有一定的极限，所以目前已经不是研究的热点，大家的研究主要集中在有损 压缩上。所谓的有损压缩就是压缩后图像的某些信息会丢失。由于各类专业图 像所关心的信息不同，其压缩方法也不相同，针对各种类型图像开发专用的压 缩算法是当前研究的热点。例如清华大学推导出一种压缩算法是针对卫星照 片，当对其有损妇i 缩( 大压缩比) 后发到地面后，有些细节就丢失了，而这些 细节往往难是我们关心的。如一些军事目标( 它们往往非常小) 。因此在对这 类图像压缩时，必须采用特殊的算法以保证在压缩后能保留这些细节。另外， 对于指纹这样的特殊图像如何在压缩后保存其完整特征也是一个研究课题。 第二三维重建。随着计算机技术的不断发展，在产品设计方面，已从平 面向二三维空问发展。在地图方面。延续千年的平面地图已有被三维电子地图取 代的趋势。中国人民解放军测绘学院演示了基于三维地图的电子沙盘技术。三 维地图可以通过以下几种方式生成： 用不同角度的航拍照片或卫星照片生成纵向坐标 购买国外解密的数据 扫拙地图，利用地图上的等高线生成高度方向上的数据 电子沙盘可实现任意角度旋转、放大缩小、水平、垂直等方向上的距离的 计算，即点即得，十分方便直观。另外，两点之间的障碍物、剖面轮廓等都能 直观显示。除此之外，还能模拟飞行路线等。所有这些为指挥作战带来了极大 的方便。而所用的开发工具都是普通的工具，如：比+ + 、0 芦e n g l 等。当然， 图形卡一般采用专业的图形卡。 第三虚拟现实。计算机的运算速度发展到今天，已为虚拟现实提供了可 能。华中理工大学在虚拟现实方面做了大量的工作。通过采用数据手套及在机 器人身上的摄像机，人可以真实感受机器人所处的真实环境，并且能够操纵机 器人。另外，网上虚拟现实也是一个研究重点，也许有一天我们在网上购书与 我们今天逛书店一一样，当然这依赖网络传输速度的极大提高。但由于受到带宽 4 的限制，可视电话及会议系统方面的应用并不成熟。而目前技术最成熟、应用 面最广的工业自动化领域及医疗设备方面，国内还几乎是空白。 在工业自动化方面，从贴片机到a o i ，从点胶机到各种b o n d i n g 设备都要 月j 到图像处理技术，其市场非常大。而在国内，除了深圳开发科技自动化研究 所外，几乎就没有进行这方面设备丌发的厂家。例如，图像处理在工业自动化 领域的应剧，但很遗憾没有看到太多这方面的研究。d i g i t a ll m a g ep r o c e s s i n g 板 的检测研究在九十年代初十分热门，到目前为止已经没有太多的人研究这个课 题。资料检索时，盅要面向幽外及国内九十年代初的期刊。 而在医疗设备方面，更是一片空白。事实上，以目前国内的技术能力，完 全能够开发出许多基于图像处理的医疗设备。北京集中了一批图像技术公司， 但他们主要以销售一些图像卡和代理国外的图像产品为主，而在技术含量最高 的软件开发包方而，他们几乎没做任何事情。而从今后发展情况来看，图像卡 将逐步淘汰，取而代之的将是u s b 总线等结构。 1 1 6 论文的背景和课题的任务 本论文是利用图像的方法来检测和识别晶振的缺陷。 晶体振荡器( 晶振) 是一种应用普遍的贴片元件，广泛应用于通讯设备。 计算机的各种板卡，以及在表面贴片技术( s m t ) 的产品中，为p c b 板上的 芯片提供本振源和中间信号，其频率准确度和和频率稳定度对芯片的功能影响 相当大。晶振填充材料的几何形状和表面特性是影响晶振性能的主要原因之一， 常见的缺陷有填充不足，填充材料有气泡和凸起等。通过目视的方法定性地分 析晶振的缺陷在： 业现场一直占有重要的地位，传统的方法除了生产成本高外， 耗时、错误率高、检测效率低，并且具有一定的主观性，检测标准也不统一， 很难保证检测质量，这种状况已经远远不能满足工业生产的需要，也成为制约 企业长足发展的瓶颈。随着计算机图像处理技术的发展。用计算机自动处理分 析晶振的缺陷是缺陷检测的必然趋势。为了能够对晶振缺陷进行准确快速的甄 别，我们采用计算机图像处理的方法，把用c c d 摄像机拍摄到的晶振元件图像 传输入计算机，并对图像进行预处理和分析，得到缺陷检测的实验分析报告。 1 6 1 石英和石英晶体 石英( s d 2 ) 又叫水晶，e l | 硅和氧两种元素组成。生活中常用来做装饰品， 在电子行业石英晶体用于制作频率元器件作为高精度频率基准。目前石英晶 振为犀稳定的频率元器件，在电路中应用广泛，作为选频元件和时钟脉冲输出 源，因此被成为电路的心脏。 石英晶体的频率温度特性 为制作不同频段的频率元器件，将石英晶棒按照特定的晶向切割成晶片，图 1 1 给出了刁i 同切型的频率温度特性。 帕- - 帖- 拇0 + 扣帕+ d 州i ，胡c 图卜1 石英晶体不同切型的频率温度图 1 a t 切型 石英晶片的一种特殊切割角度，其频率的温度特性为一条三次曲线，主要 用于制造1 i o o m h z 石英晶振，是目前应用最广泛的一种切型。 2 x y 切型 另一种常用的切型，其频率的温度特性为一条二次曲线，主要用于制造 2 0 2 0 0 m h z 的石英晶振，石英钟表内用的晶体就属于这种切型。几种常见的 切型见下图： 图l 一2f i 英的几种不同切型图 石英晶体谐振器的等效电路 一个理想的石英晶体谐振器可以用如下等效电路表示：一个由电感、电容 和电阻组成的串联电路和一个与这个串联电路并联的电容，如图所示： 6 豳1 3 彳i 英品体谐振器的等效电路 在这晕，1 ：动态电感、c 1 ：动态电容、r 1 ：谐振电阻、c o ：静态电 容。c o 为静态电容，包括电极间的静态电容和端子问的杂散电容，当晶振未发 生谐振时，整个晶振相当于一个平行板电容器。 当发生谐振时，可以将石英晶体元器件视为一个电子和机械的振动系统， 三1 、c 1 和用就是它的等效常数，其中l 1 相当于质量，c 1 相当于弹性系数，r 1 相当于摩擦系数。 当晶振发生谐振的时候： ： 1 j o2 丽 下面是有关石英晶体特性的几个方程式。 q = i 南 ，= ( 电容比r 。2 厅c ii 厶c l 。 1 6 2 晶振 石英晶体元器件( 晶振) 一般指石英谐振器( 简称石英晶体) 、晶体振荡 器和晶体滤波器。按封装形式，石英晶体元器件又可分为引线型和s m d 型两种。 把晶体按照一定的尺寸要求切割后，制成的石英晶片即称作白片，再经精密检 测和尺寸修正、被银和引线封装，就是有独立用途的石英晶体谐振器。如在封 装前给晶体配以各种补偿电路或圯芯片，即成为晶体振荡器。由品质因数极高 的谐振器( 即石英晶体振子) 和振荡电路组成的石英晶体振荡器主要有普通型 晶体振荡器( s p x o ) 、温度补偿式晶体振荡器( t c x o ) 、电压控制式晶体振 荡器( v c x o ) 、恒温控制式晶体振荡器( o c x o ) 、数字式i t p 补偿式晶体振 荡器( d c x o m c x o ) 和锁相式晶体振荡器( p l x o ) 等类型，它们是目前频 率精确度和稳定度最高的振荡器，其性能由晶体的品质、切割取向、晶体振子 的结构及电路形式等共同决定。作为设计和工艺最复杂的石英晶体产品，石英 晶体振荡器广泛应用于全球定位系统( g p s ) 和移动通信等无线系统中。 现在几乎所有需要定时的技术领域都要用到石英晶体元件。可以看出，其 中使用最多的是彩色电视机、电子钟表、计算机、电话、无线电话、汽车电话、 录像机、v c d 、空调和电子玩具等。在不同用途中对石英晶体元器件的要求也 不一样。 1 彩色电视机用石英晶体 在彩色电视机中，石英晶体用在色彩负载频率振荡器上，以激励彩色信道 同步解调器。n t s c 制使用的频率是3 5 7 9 5 4 m h z ，删制频率是4 4 3 3 m h z 。 2 计算机用石英晶体 石英晶体在微处理机中用作时问基准，频率在l 5 0 m h z 范围内。 3 对讲机和电话机用石英晶体 对讲机用的石英晶体频率范围较宽，汽车用为4 9 m h z 左右，玩具用为 2 7 m h z 左右。随着电话的普及，电话用石英晶体( 4 m h z 左右) 用量较大。 4 录像机、数码相机、v c d 和空调等用石英晶体 随着录像机、v c d 和空调等家用电器进入千家万户，相应对石英晶体的需 求量也在不断增加。 1 6 3 本课题研究对象 本课题研究的是柱状晶振的缺陷检测。柱状晶振的形状如图1 4 图1 - 4 拄状晶振图 按照圆柱体的长度和直径大小，柱状晶振一般分为三类：3 8 、3 9 、 3 1 0 。其外形尺寸如下图： 图卜5 牲状晶振尺寸图 下图为晶振的半成品图，由其半成品图中可以看出，柱状晶振的结构分为： 上脚、下胸i 、填充材料、外壳。 图卜6 晶振? r 成品结构图 晶振填充材料的几何形状和表面特性是影响晶振性能的主要原因之一，常 见的缺陷有填充不足、填充材料有气泡、凸起和长短脚等。用工业c c d 拍摄到 的各种缺陷晶振图如图l 一7 、图l 一8 、图l 一9 所示。 填充不足：指晶振中填充的材料没有填充满，留有通孔，如图l 一7 。 有气泡：填充材料虽无通孔，但材料未饱和，里面气泡过多，如图l 一8 。 凸起：填充材料的下表面凸凹不平如图1 9 。 长短脚：晶振的两个上脚长短不一。 图卜7 填充不足的晶振 图卜8 有气泡的品振 图卜9 凸起的晶振 早期区分各类缺陷是通过对晶振打光，用肉眼定性地判断其缺陷，这种目 视的方法定性地分析晶振的缺陷在工业现场一直占有重要的地位，主要缺点是 耗时、错误率高、有一定的主观性，不能满足工业生产的需要。本课题所要研 究的主要内容就是找出识别各类缺陷的方法，随着计算机图像处理技术的发 展，用计算机自动处理分析晶振的缺陷是缺陷检测的必然趋势。 在工业自动化生产过程中，数字图像处理技术的利用是实现产品质量监控 和故障诊断的最佳方法之一，这一应用技术中的关键问题是对被测对象的特征 提取和模式识别。本论文以c c d 拍摄到的图像为对象在实验方法和图像处理方 面进行了深入的研究，在理论上提供了一种新的缺陷检测方法，取得了一些成 果。论文分三个部分：第一部分介绍数字图像处理的一些基础理论：第二部分 介绍数字图像系统的构成；第三部分是实验部分。 0 第二章数字图像处理的基础理论 本章概述性地介绍数字图像处理最基本的一些理论知识以及和本课题相 关的一些剀像处理技术。为处理在实际实验中获取的图像做些理论准备，具体 涉及到以f 几个方面：图像数字化，包括量化和采样：图像增强和平滑，介绍 了直方图增强、狄度变换、滤波和锐化：图像分割和边缘检测；图像的几何变 换；图像的特征和理解。对于和本课题关系不密切的图像处理的几个分支，例 如：图像编码、图像复原、图像重建、图像通信等。这里由于篇幅限制，不作 介绍。 2 1 数字图像处理的基础 图像分为数字图像和模拟图像，我们所接触到的现实世界中的图像多为模 拟图像，但是计算机所能处理的仅仅是数字图像。因此，必须将其转换为适合 计算机表示的形式，才能由计算机进行处理。为了便于信息的交换和方便使用， 数字图像必须以一定的格式进行存储，常见的有b m p 、j p e g 、g i f 等图像文 件格式。从颜色来看，数字图像有灰度图像、i j 仁值图像、彩色图像、真彩色图 像等种类。要表示丰富多彩的颜色信息，就需要用到各种颜色模型，如r g b 、 h s l 、c m 】，等各种颜色模型。 2 1 1图像数字 七 客观世界在空间上是三维的，但一般从客观景物得到的图像是二维的。一 幅图像可以用一个二维数组阮圳来表示，这里x 和y 表示二维空间中一个坐标 点的位置，而，则代表图像在点阢圳的某种性质f 的数值。例如常用的图像一 般是灰度图，这时厂表示灰度值，它常对应客观景物被观察到的亮度值。 图2 - 1 数字图像示例 常见图像是连续定义的，即f 墨y 的值可以是任意实数。为了能用数字计 算机对图像进行加工处理，需要把连续的图像在坐标空间和性质空间f 都进行 离散化。这种离散化了的图像就是数字图像，用价一来表示。这里，代表离散 化后的f 亿0 代表离散化后的“，其中r 代表图像的行( ，o w ) ，c 代表图像 的列( c o l u r n n ) 。这里i , c ，r 的值都是携数1 2 j 。 图2 - 1 给出两幅典型的数字图像。图( a ) 所用的坐标系统常在屏幕显示中采 用，它的原点0 ( o r i g i n ) 在图像的左上角，纵轴标记图像的行。横轴标记图像约 列。讹一既可代表这幅图像，也可表示在一，c j 行列交点处的图像值。图( b ) 所用的坐标系统常在图像计算中采用，它的原点在图像的左下脚，横轴为x 轴， 纵轴为y 车l l l ，舷川既可代表这幅图像，也可以表示在“一坐标处像素的值。 采样图像在空间上的离散化称为采样。也就是用空间上部分点的灰度值 代替图像，这些点称为采样点。由于图像是一种二维分布的信息，为了对它进 行操作需要将二维信号转换为一维信号，具体的方法是先沿垂直方向采样，再 沿着水平方向采样。对幅图像采样时，若每行有m 个像素，每列有n 个像素， 则整幅图像的大小为m x n 个像素。采样点的间隔选取是一个非常重要的问题。 一般图像中的细节越多，采样间隔应越小。根据一维采样定律，若一维信号g ( f ) 的最大频率为0 3 ，以t 1 2 0 9 为问隔进行采样，则能根据采样结果 g ( i t ) ( i 一一，一l ，0 l ，) 完全恢复占( f ) ，即 二旦 g ( t ) = 2 ：g ( i t ) s ( t f r ) 一 i 中以) ：s i n ( 2 7 r c o t ) 2 c o t 采样问隔取得不合适除了画面出现马赛克之外，还会发生频率的混叠现 象。下面两幅图像采用不同的采样问隔，产生的马赛克效果也不同。 图2 - 2 不同采样间隔得到的图像 量化经过采样后得到的图像，在时间上离散化为像素，但采样所得到的 灰度值仍然是连续量，不能供计算机直接使用，因为计算规所能处理数是二进 制数，因此我们有必要将这些连续量量化为整数值。所谓的量化就是把采样后 得到的各像素的扶度值从模拟量到离散量的转换。用z 来表示连续的灰度值， 我们把灰度值在z 。和气，之问的都量化为整数吼，吼称为像素的灰度值，= 与吼 的差称为量化误差。一般地，像素值量化后用一个字节8 6 f f 表示，共有0 口2 5 5 个狄度级别，表示亮度从深到浅，其中o 表示黑，2 5 5 表示白。 连续狄度级的量化有两种方法，一是等间隔量化( 均匀量化) ，另一种是 非等问隔量化( 非均匀量化) 。等削隔量化就是把采样值的次度范围等间隔地 划分并量化，这种方法适合于狄度范围分布比较均匀的图像，其量化误差较 小。当必须的灰度级数比较少的时候，常常希望在量化过程中采用非等间隔的 量化方法。由于在灰度变化剧烈的地方人眼对灰度级的判断能力相当差，所以 在这种情况下，在边界附近采用很少的狄度级，余下的灰度级可用在灰度变化 平缓的区域，这样就避免或减少了假轮廓，因为如果量化太粗糙，那么在变化 平缓的区域内就常常出现假轮廓。 另外有一种对于灰度级的分配具有特别吸引的技术，这就是计算出所有允 许灰度级的出现频度，如果某些扶度级在某一范围内经常发生，而另外一些灰 度级出现的频率很少，则量化级在这一范围间隔较细，而在这一范围内则间隔 较宽。这种方法叫做锥形量化( t a p e r e dq u a n t i z a t i o n ) 。 总之，量化是按照狄度值分布的概率密度函数，按照总的量化误差最小的 原则来得到最佳的量化方案。由于图像灰度值的概率分布密度函数因图像不同 而不同因此，不可能找到一1 种适用于各种不同图像的最佳量化方案。 2 1 2 图像的类型 数字图像有很鸯种存储格式。每种格式都有不同的开发商支持。随着信息 技术的发展和图像应用领域的不断拓宽，还会有更多的图像格式出现。因此有 必要了解图像格式的数据构成。每一种图像文件均有一个文件头，文件头之后 才是图像数据。文件头的内容由制作该图像文件格式的公司决定【9 】。各种图像 文件格式还涉及到图像文件的压缩方式和存储效率等。 位图位图是通过许多像素点来表示一幅图像，每个像素点具有颜色属性 和位置属性。位图可以由传统的照相机、幻灯片上制作出来，也可以利用 w i n d o w s 的画笔用颜色点填充网格单元来创建。位图可以分为：线画稿 ( l i n e a r t ) 、灰度图像( g r a y s c a l e ) 、索引色图像( i n d e xc o l o r ) 、真彩色图 像( t r u e c o l o r ) 。 b m p 图像文件格式 b m p ( b i t m a pp i c t u r e ) 文件格式是w i n d o w s 系统交 换图形、图像数据的一种标准格式。图像的数据由四部分组成：位图文件头、 位图信息头、调色板( p a l e t l e ) 和实际的图像数据。 肼图像文件格式标记图像文件格式( t a gi m a g e 厅跆f o r m a t ) ，它是 现存的图像文件格式中最复杂的一种，它提供存储各种信息的完备的手段，可 以存储专门的信息而不违反格式宗旨，是目前最流行的图像文件交换标准之一。 7 y f 文件由文件头、参数指针表与参数域、参数数据表和图像数据四部分组成。 j p e g 图像格式联合图像专家组( j o i n t p h o t o g r a p h e r s e x p e r t s g r o u p ) ， 是由t s o 和c c i t t 为静态图像所建立的第一个国际数字图像压缩标准，主要是 为了解决专业摄影师所遇到的图像信息过于庞大的问题。由于j p e g 的高压缩 比和良好的图像质量，使得它广泛应用于多媒体和网络程序中。j p e g 和g i f 是 h t m l 语法首选的两种图像格式。 2 2 图像的增强和平滑 图像增强是数字图像处理过程中经常采用的一种方法。为了改善视觉效果 或者便于人和机器对图像的理解和分析，根据图像的特点或存在的问题采取的 简单改善方法或者加强特征的措施称为图像增强( i m g a ee n h a n c e m e n t ) 。 通常经图像信息输入系统获取的源图像信息中都含有各种各样的噪声与畸 变。图像增强的目的就是为了改善图像的视觉效果、工艺的适应性，以及便于 人与计算机的分析和处埋，以满足图像复制或再现的要求。图像增强和像质改 善主要由色彩变换、灰度变换、图像锐化、噪声去除、几何畸变校正和图像尺 叫变换等组成【1 3 i 。简言之图像增强和平滑就是对图像的灰度和坐标进行某些操 作。 2 2 1 直方图增强 直方图( h i s t o g r a m ) 图像的直方图是图像重要的统计特征。它可以认为是 图像灰度密度函数的近似。按照随即过程的理论，图像可以看成是一个随即场， 因此具有相应的统计特征，其中最重要的特征是灰度密度函数。通常灰度密度 函数与像素所在的位置有关系，例如设图像在点( 工，y ) 处的灰度分布函数为 p ( z ；x ，y ) ，那么图像的灰度密度函数为： 肿) 2 i 1 p 伍) d x d y 其中d 是图像的定义域，s 是区域d 的面积。一般地讲，要精确地得到图 像的灰度密度函数是比较困难的，在实际中我们用灰度直方图来代替。 狄度直方图是一个离散函数，它表示数字图像每一个灰度级与该灰度级出 现频率的对应关系。假设一幅数字图像的像素总数为，有三个灰度级，具有 第k 个灰度级的灰度气的像素共有仇个。则第k 个灰度级或者说出现的频率 4 为 = n _ k = 0 几，上一1 图2 - 3 是一一幅狄度图像和相应的直方图。 削2 - 3 灰度圈秆i 干目应的直方幽 直方图虽然不能直接反映出图像的内容，但对它进行分析可以褥到图像一 些重要的特征，这些特征反映图像的一些特点。例如，当图像对比度较小时， 它的次度直方图只在灰度轴上较小的一段区间上非零，较暗的图像由于较多的 像素狄度值低，因此它的直方图的主体出现在低灰度值区间上，其在高灰度 值区f i i j 上的幅度较小或为零，而较亮的图像正好相反。看起来清晰柔和的图 像，它的直方图灰度分布比较均匀。通常一幅均匀量化的自然图像的灰度直方 图在低值狄度区f 【i j 上频率比较大，这样的图像较暗区域中的细节经常看不清楚。 为了使图像变清晰，通常可以使用变换使图像的灰度动态范围变大，并且让灰 度频率较小的灰度级经过变换后，其频率变得大一些，使变换后图像灰度直方 图在较大的动态范围内趋于均匀。通过直方图修改进行图像增强是一种有效的 方法，另外还有种图像增强技术它是以直方图变换为依据，使变换后的图 像直方图成为期望的形状。 直方图均化均匀量化的自然图像的灰度直方图通常在低值狄度区间上 频率较大，使得图像中较暗区域中的细节常常看不清楚。为了使图像清晰，可 将图像的灰度范刚拉开，并且让灰度频率较小的灰度级变大，即让灰度直方图 在较大范围内趋于一致。 用图像f ( x ，y ) 的直方图代替狄度的分布密度函数p i ( f ) ，则直方图均化后 的图像譬为： ， g = r ( f ) = ( p r ( 甜) d u 对于数字图像，可以对上述公式做离散近似。假设原来的图像的像素总数 为，灰度级的个数为上，第k 个灰度级出现的频数为仇。若原图像f ( x ，y ) 在 像素点( x ，y ) 处的扶度为气，则直方图均化后的图像g ( x ，y ) 在处的灰度以为： s k = t r a = 窆号 图2 - 4 是图2 3 经过直方图均化得到的图像和相应的直方图，可以看出图 像的细节殳加清楚了。而从图像的直方图上也可以看出，在直方图调整之前， 低狄度的比例很大，经过直方图调整，各狄度级别的比例更加平衡。但是由于 直方图均衡没有考虑图像的内容，简单地将图像进行直方图均衡，使得图像看 起来过亮。 2 2 2 灰度变换 图2 - 4 直方圈均化后的幽像和相应的直方图 + 般的成像系统只有一定的亮度范围，亮度的最大值和最小值之比称为对 比度。由0 二成像系统的限制，常出现对比度不足的弊端，使人的眼睛观察图像 时效果很差。采用下面介绍的坎度变换法可以大大改善人的视觉效果。扶度变 换法可以分为以下三种：线性、分段线性以及非线性变换。 灰度线性变换假设原始图像f c x ，y ) 的灰度范围为【口，b 】。希望变换后图 像g ( x ，y ) 的次度范围扩展至k 棚，则线性变换可表示为 g ( x ，y ) = 2 厂( y ) 一口】+ c d 一口 若图像灰度在0 m ，范围内，其中大部分像素的灰度级分布在区间【口，b 】，很小 部分的灰度级超过了此区间，为了改善图像的效果，可令： g ( x ，y ) =导兰 厂( w ) 一口】+ c o 一口 d 0 s f c x ，y ) d 口s f ( x ，y ) b 有时为了保持f c x ，