基于几何特征的定位算法在全自动锡膏印刷机上的应用
摘要：定位算法也是全自动锡膏印刷机的核心算法之一。随着PCB板的生产效率越来越高，板上的电子元气件越来越小，对定位的精度和速度也提出了更高的要求。目前，市场上大多数全自动锡膏印刷机的定位算法都是基于图像灰度，通过自相关匹配来实现的。对于表面均匀度很好的敷铜板来说，灰度算法可以很好的完成自动定位的功能。但是，越来越多的镀锡板，镀金板，柔性PCB板的出现，给灰度定位带来巨大的挑战。由于镀锡，镀金板的表面均匀度不是很好，反光率较高，使得PCB板上的Mark点的成像亮度差别极大，增加灰度定位的误检率和漏检率。柔性板由于表面的平整度不好，PCB上Mark点的成像同样会有亮度差别大的问题，而且还会使Mark点的大小，形状发生变化，这些问题都是基于灰度定位算法难于克服的。而基于几何的定位算法可以很好的适应上诉的这些问题。
■ 作者：GKG 关 键 词■ 再流焊炉■ MQM
定位算法的发展史
机器视觉定位是各行各业生产机械自动化，智能化，信息化的一?罟丶?际酢Ｋ?ü?沧霸诨?瞪系腃CD或CMOS传感器成像，经CPU或DSP对图像数据分析处理，?⒏?荽?淼慕峁?龆ɑ?档亩?鳌?
这项技术是上世纪80年代首先在美国发展起来的，但是由于受到CPU处理能力和处理速度的限制，直到90年代才得到蓬勃的发展。世界上第一个定位算法是由MIT的Robert教授带领的研究小组在1986年开发出来的。它首先通过图像的灰度信息来制作模板，然后待定位的图像通过自相关的算法与模板相匹配来实现自动定位的，这就是所谓的灰度定位（normalized correlation patternfinder）。在同一年，Robert教授成立了康奈视（Cognex）公司—世界上第一个专业机器视觉软件公司。在此后的十年左右的时间，由于美国的SMT制造业的蓬勃发展，康奈视公司定位算法被美国90%以上的SMT设备所应用。
由于基于灰度的定位算法存在如下缺陷：对灰度变化大的定位不准；对有缩放的定位不准；对有角度变化的定位不准；对有部分被遮挡的定位不准等，康奈视公司于1997年第一个发明了基于几何的定位算法，该算法可以最大限度的克服灰度算法的限制。随着几何算法的进一步完善，在2000以后很多专业机器视觉公司虽然还保留有灰度定位工具，但几何定位已经占据了主导地位。而康奈视公司已经基本淘汰了灰度定位工具。$Page_Split$
定位算法在全自动锡膏印刷机上的应用现状
由于市场上的商业几何定位工具比较贵通常都在万元左右，考虑到成本上的因素，大多数全自动锡膏印刷机上用的都是相对便宜的传统的基于灰度的定位工具。而国外的品牌机如MPM，DEK则多数采用的是康奈视的几何定位工具。凯格的第一代机型也是采用NI基于灰度的定位工具，但目前凯格通过自主研发，已经在所有的机型上都采用了基于几何的定位工具。通过这项技术改造，对镀锡板，镀金板，柔性PCB板的定位能力得到极大改善，定位性能完全
可以与国外品牌机相媲美。
凯格高精度定位配准算法
凯格所设计的高精度定位配准算法将金字塔分层思想和互相关计算想结合，定位配准精度可以达到1/64像素。同时算法采用了MMX方式进行优化，定位时间大大缩短。
该定位配准算法中的金字塔分层思想是：用不同带宽的低通滤波器对原始图像进行低通滤波，得到一组不同“分辨率”的图像；然后从最高级（最粗的“分辨率”）开始，将模板和目标图像进行匹配将结果作为预测值，对下一级（较高的“分辨率”）的图像进行匹配，在子像素匹配时使用双线性插值算法，最后可以达到要求的定位速度和定位精度。从理论上讲，若每层的收敛范围是m个像素，则第n层的收敛范围可达到m×n个像素。
在图像定位核与图像坐标中心(x0 , y0)选取以后，根据初始定位信息可以计算得到实际图像与模板图像的夹角θ信息，然后将实际图像根据(x0 , y0)进行旋转，此过程可以利用双线性插值实现。设实际图像上某一点(x , y)，经过旋转以后为(x', y')，则
旋转以后两幅图像之间就只存在X方向和Y方向上的偏移差异xd和yd。定位配准算法采用分层逐步匹配方式可以得到最佳的xd和yd。
经过大量实验数据测试，仅仅对于求定位偏移距离这一项，采用了金字塔分解及网格扩散方式与普通的全遍历方式相比，搜索区域大大减小，并且能够迅速收敛，同时还能够解决图像互相关搜索存在的错误相关峰。设搜索步长为，搜索范围为，找到最佳定位匹配点需要遍历的点数为$Page_Split$
上式中第一式为全遍历公式，第二式为采用金字塔思想所需进行的遍历公式。如果两幅图像之间的搜索范围为4个像
素，定位精度要求为1／4个像素精度，则定位到最佳匹配点所需遍历点数N1=1089个，而N2=131个，可以看到，搜索区域大
大减少，而且确定搜索路径所需迭代次数仅为n1=log2 S+11089。
该定位配准算法具有很好的适用性，对于图案中的一些变形和缺损的容忍性较好。
* 正常图像定位定位 * 带噪声图像定位定位
* 带一定旋转的图像定位定位 * 带一定缩放比例的图像定位定位
* 对比度不一致的图像定位定位 * 部分缺损的图像定位定位
总结： 本文探讨了在锡膏印刷机应用的基于灰度和基于几何的两种定位工具的对比。首先，对定位算法的发展历史作了一个简要的回顾，接着对比了两种算法的优缺点，最后着重介绍了凯格自主研发的几何定位算法。 目前，凯格基于几何的定位工具已经通过测试应用在全自动锡膏印刷机上，并且定位效果比基于灰度的定位工具有了本质上的提高。