基于圖像處理的石英晶片定位技術研究

安寶健　王艷林　李東

摘 要： 為了實現自動測量石英晶片的頻率等相關參數并進行分檔，研究了石英晶片的圖像定位技術，主要利用圖像處理技術對采集的圖像進行圖像二值化、邊緣檢測、輪廓提取等處理，完成對石英晶片中心的定位。經驗證，該石英晶片定位技術能夠在保證系統要求的石英晶片分選速度的前提下實現石英晶片的準確定位。

關鍵詞： 石英晶片； 定位技術； 圖像處理； 自動分選

中圖分類號： TN911.73?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）01?0109?03

Abstract： In order to realize the automatic measurement and classification of quartz crystal frequency， and other related parameters， the quartz wafer positioning technology based on image processing is studied. The image binaryzation， edge detection and contour extraction for the acquired images are conducted by means of image processing technology to complete the positioning of the quartz wafer center. The verification result shows that the quartz wafer positioning technology can achieve accurate positioning of the quartz wafer under the premise of ensuring the system requirements of quartz wafer sorting speed.

Keywords： quartz wafer； positioning technology； image processing； automatic sorting

0 引 言

目前，數字類電子產品的應用越來越廣，市場容量也越來越大，作為數字電子產品中必不可少的關鍵器件石英晶體諧振器（簡稱石英晶體）的市場需求量也急劇擴大。石英晶片是石英晶體振蕩器的核心，對其封裝外殼后即成為石英晶體振蕩器。在石英晶片生產加工過程中，要經過切割、研磨等工藝過程，難免其中一部分石英晶片會產生一些外觀缺陷，這些缺陷嚴重影響了石英晶片的性能[1]。目前，石英晶片主要依靠人工通過目視的方法進行檢測，這種方法存在不但效率低而且檢驗結果易受人為因素影響等弊端[2]。因此，研究設計石英晶片的自動分選系統是非常必要的。

石英晶片定位系統的研究在石英晶片自動分選系統中占有非常重要的地位，是關鍵技術之一，直接影響到整個系統的后續工作能否實現。石英晶片的檢測屬于大規模檢測，對檢測速率的要求也較高[3]。因此，石英晶片自動分選系統的研究對于實現石英晶片的高效、高精度的自動化檢測以及實現石英晶片的大規模工業化生產具有重要意義。

1 石英晶片定位分選系統總體設計

本系統的工作過程是通過攝像頭對散于料盤上的石英晶片進行拍攝獲取圖像，并將石英晶片的圖像采集到計算機中，利用圖像處理技術對圖像進行處理，計算出其外觀尺寸和坐標；識別出其中一片石英晶片確定其中心坐標，找出最佳可取片的位置，通知散料盤旋轉一定角度，將該晶片送至真空吸盤運行軌跡線上[4]，并控制機械手準確移動到石英晶片的中心位置；機械手吸取該石英晶片并將其放置在測臺中心，開始測量頻率；測量完畢后，機械手吸取該石英晶片并將其放在相應檔位的分料口中。

2 石英晶片定位原理

石英晶片定位系統運用數字圖像處理技術對料盤上石英晶片群的圖像進行處理分析計算，得到每個石英晶片的中心坐標。本系統包括圖像采集模塊和圖像處理模塊。系統通過攝像機并配以適當照明系統在石英晶片自動分選機上在線拍攝眾多被檢石英晶片的圖像，經過USB口傳入計算機；計算機對接收到的被測晶片圖像進行分析及圖像二值化、輪廓檢測處理，完成對各個石英晶片的識別定位。

2.1 確定基準

對于系統經攝像頭獲取的圖像首先要確定一片石英晶片作為基準，確定基準有兩個作用：一個是確定石英晶片大致的周長和外接圓半徑，為后面石英晶片的定位做準備。二是得到石英晶片的灰度值，這樣可以為后面圖像的二值化處理提供一個標準。用鼠標在圖片上依次點五個點，A，B，C，D，A′，如圖1所示，會產生四條線段，把四條線段加起來當作這個石英晶片周長的大概值，把AO的長度作為外接圓半徑的大概值。同時記錄下兩對角線交點O的灰度值。一般情況下，O點會在晶片上，而且由于晶片的光照變化不大，可以通過O的灰度值來大致得到石英晶片的灰度值。

2.2 圖像二值化

圖像二值化是用灰度變換來研究灰度圖像的一種常用方法，即設定某一閾值，將灰度圖像的像素分成大于閾值的像素群和小于閾值的像素群兩部分，把圖像分為只有兩個灰度級的圖像，即黑（0）與白（255），一般在二值圖像中用0代表黑色，1代表白色[6]。經過二值化閾值分割將石英晶片對象處理為比較容易識別的白色，背景處理為黑色。從而盡可能地去除無效區域，完整地保存感興趣的部分[7]。

閾值是把目標和背景區分開的標尺，選取合適的閾值就是既要盡可能保存圖像信息，又要盡可能減少背景和噪聲的干擾，這是選擇閾值的原則。對于所用到的圖片，閾值的灰度肯定是要大于背景，但是要小于晶片的灰度，這樣才可以把背景和晶片分開。但是像圖1用的這張圖片，光照不均勻，而且光照干擾產生的灰度非常接近甚至比晶片的還要大。因此在對圖像進行二值化處理的時候，很容易就被當成前景，對石英晶片的定位造成干擾。大津法、最大熵方法是目前常見的圖像二值化方法，這兩種方法都屬于全局閾值法，這類二值化算法相對比較簡單，能夠將圖像中的目標元素和背景元素較大程度地分離，且限于直方圖特征比較明顯的圖像[8]。

2.2.1 Otsu法

對大津法可作如下理解：該式實際上就是類間方差值，閾值[t]分割出的目標和背景兩部分構成了整幅圖像，而目標取值[μ0，]概率為[ω0，]背景取值[μ1，]概率為[ω1，]總均值為[μ，]根據方差的定義即得該式。因方差是灰度分布均勻性的一種度量，方差值越大說明構成圖像的兩部分差別越大，當部分目標點錯分為背景或部分背景點錯分為目標點都會導致兩部分差別變小，因此使類間方差最大的分割意味著錯分概率最小。

Otsu方法流程圖如圖2所示。

2.2.2 雙閾值法

在確定基準的時候，已經得到了圖像中石英晶片中心點O的灰度值，可以大致認為圖像中石英晶片的灰度就在此灰度附近。所以可以只把此灰度附近的點提取出來。具體操作就是根據[O]點的灰度值設定兩個閾值，一個上閾值和一個下閾值。當某點的灰度處于兩個閾值之間時，把灰度變為0，否則灰度設為255。這樣就可以有效地對于晶片灰度的干擾進行去除。

圖3所示是用Otsu法進行的圖像二值化處理結果，圖4則是用雙閾值進行的圖像二值化處理的結果，上下閾值分別為O點灰度值±15灰度值。

2.3 輪廓檢測

石英晶片圖像的輪廓不同于其邊緣，石英晶片的邊緣信息包含其所有的輪廓信息，輪廓包含著比位置更多的信息，對于圖像而言，其輪廓是其基本特征，從數學意義上而言，它是灰度函數的不連續性質的集中體現[10]，從圖像的輪廓，人們即可識別大量的物體。在前面確定基準部分時，已經得到了晶片大概的周長和其外接圓的半徑，然后將此周長和外接圓半徑作為參考與圖像中所有檢測到的輪廓的周長和外接圓半徑進行匹配，將周長和半徑相差不大的輪廓匹配出來。圖5為石英晶片的輪廓檢測。圖6是把圖像中所有輪廓周長相差上下20%，半徑相差上下20%的輪廓提取結果。

之所以既要用基準石英晶片的周長又要用其外接圓的半徑作為參考，是因為如果只是與輪廓的周長相同的話，可能會產生誤判，因為很有可能是由于光照不均勻，而產生了一個和石英晶片周長差不多的不規則光斑，這樣就可能會把這個光斑也誤判成是一個石英晶片了。因此，用基準石英晶片周長和其外接圓的半徑同時判斷可以有效降低誤判的情況，提高圖像中石英晶片識別的準確度。

2.4 石英晶片定位

在輪廓檢測中通過與基準石英晶片的周長和其外接圓的半徑匹配，現在已經可以得到石英晶片的個數了。對于石英晶片的定位，因為待定位的石英晶片外形是長方形，所以可以認為各個輪廓的外接圓的圓心就是各個石英晶片的中心。因此通過計算提取到的各個輪廓的外接圓及其圓心，圖像中各個石英晶片的中心位置也就得到了。圖7為提取到輪廓的外接圓和圓心。

3 結果分析

原圖像中有5個輪廓完整的石英晶片，通過本石英晶片定位方法的試驗可以準確對所有石英晶片進行識別并對各個石英晶片定位，各石英晶片像素坐標依次為（223，276），（348，244），（465，112），（512，247），（531，365）。經對結果分析其誤差范圍在5個像素范圍以內，經試驗證明該精度足以滿足系統對石英晶片的定位拾取的要求，能夠保證系統順利對石英晶片的后續檢測工作。

4 結 語

本文設計了一種精確且快速的石英晶片的識別定位方法，對該石英晶片識別定位方法進行的實驗表明，利用本石英晶片識別定位系統能夠對石英晶片進行快速識別，并且準確地得到石英晶片的中心坐標，足以能夠滿足后續系統對石英晶片進行拾取和頻率檢測等工作。本石英晶片的識別與定位系統的實現解決了研究石英晶片自動分選系統的一項重要技術，對于實現石英晶片的自動分選具有重要意義。

參考文獻

[1] 張鐵，鄺健麟.基于機器視覺石英晶片外觀的缺陷檢測方法[J].機械科學與技術，2013（10）：36?38.

[2] 于振歡，李東，王艷林.石英晶體自動測試及分選系統設計[J].計算機測量與控制，2011（6）：24?26.

[3] 唐朋朋，劉桂禮，李東，等.基于 OpenCv 的石英晶片缺陷檢測[J].北京信息科技大學學報：自然科學版，2012（3）：31?34.

[4] 鐘丹秋，陳曉爭.SMD晶片自動上片系統的設計與實現[J].通信與廣播電視，2011（2）：47?52.

[5] 張瑋雄，劉建霞.數字圖像處理技術的發展現狀及趨勢[J].科學之友，2012（6）：153?154.

[6] 李不言.圖像二值化方法對比分析[J].印刷雜志，2012（10）：48?50.

[7] 宋文寧，李東.基于OpenCV的石英晶片污垢檢測技術研究[J].現代電子技術，2012，35（22）：155?157.

[8] 王樹梅，張晨.一種基于多閾值的灰度圖像去噪算法[J].計算機技術與發展，2011（11）：73?76.

[9] 孟立娜，韓其睿.一種全局和局部相結合的二值化方法研究[J].計算機技術與發展，2012（11）：116?119.

[10] 李金娟.基于迭代技術的圖像輪廓提取方案的研究與實現[J].科學技術與工程，2013（13）：8325?8328.