二值化和孔洞填充融合差分的微精密玻璃封裝電連接器同心度檢測(cè)

王高偉，王福忠，劉群坡，王滿利，高如新，王振營(yíng)

(河南理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南 焦作 454000)

微精密玻璃封裝電連接器用于連接某模塊，固定其導(dǎo)線并與“管殼”(模塊的殼體)起絕緣作用。其體積很小(直徑為2.85 mm)，主要由接線柱、高溫玻璃和低溫玻璃層燒結(jié)而成(結(jié)構(gòu)如圖1所示)，檢測(cè)要求精度較高(同心度誤差檢測(cè)要求不高于0.05 mm，微精密玻璃封裝電連接器在組件殼體中的安裝如圖2所示)。高溫玻璃層相對(duì)于可伐合金柱的同心度為已知的合格狀態(tài)，而低溫玻璃層在熔封制造過(guò)程中，由于設(shè)備精度不高、故障、高溫玻璃放置點(diǎn)偏離等原因容易使低溫玻璃層厚度不均勻，從而使低溫玻璃層與高溫玻璃層同心度偏差過(guò)大，產(chǎn)生同心偏差過(guò)大的缺陷問(wèn)題。此時(shí)玻璃封裝電連接器的絕緣性能會(huì)呈現(xiàn)“木桶效應(yīng)”式地降低。玻璃封裝電連接器在電子行業(yè)的需求量巨大，但是目前對(duì)于同心度是否合格的檢測(cè)主要是依靠人工結(jié)合放大鏡和人工輔助影像測(cè)量?jī)x來(lái)完成的，檢測(cè)結(jié)果影像依靠人工經(jīng)驗(yàn)。人長(zhǎng)時(shí)間工作易產(chǎn)生眼疲勞，且勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大[1]；另外，依靠人眼檢測(cè)時(shí)主觀因素太多，在高強(qiáng)度工作導(dǎo)致過(guò)度疲勞和檢測(cè)速度快時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致漏檢或誤檢，進(jìn)而導(dǎo)致微精密玻璃封裝電連接器無(wú)法裝配或?qū)в型钠钸^(guò)大等缺陷的微精密玻璃封裝電連接器裝配應(yīng)用，產(chǎn)生嚴(yán)重的質(zhì)量問(wèn)題，使得裝配后的產(chǎn)品不可用或質(zhì)量不好需要返工，造成經(jīng)濟(jì)損失。目前關(guān)于玻璃封裝電連接器同心度自動(dòng)化檢測(cè)的研究較少，因此對(duì)于微精密玻璃封裝電連接器同心度的自動(dòng)化檢測(cè)已成為亟需解決的問(wèn)題之一。

圖1 微精密玻璃封裝電連接器結(jié)構(gòu)圖

圖2 微精密玻璃封裝電連接器在“管殼”中的安裝

本文查閱了與微精密玻璃封裝電連接器形狀或工藝類似的其他器件的同心度檢測(cè)文獻(xiàn)。文獻(xiàn)[2]提出了基于降維Hough變換的零件同心度檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械零件的同心度檢測(cè)，有一定的創(chuàng)新性。文獻(xiàn)[3～9]提出通過(guò)邊緣檢測(cè)的方法實(shí)現(xiàn)同心度的檢測(cè)。由于微精密玻璃封裝電連接器端面的紋理情況較為復(fù)雜，通過(guò)求取邊緣和Hough圓檢測(cè)的方式在獲取微精密玻璃封裝電連接器內(nèi)圓圖像進(jìn)行同心度檢測(cè)時(shí)無(wú)效。文獻(xiàn)[10]通過(guò)激光測(cè)距原理實(shí)現(xiàn)了對(duì)于大型鍛件同心度的測(cè)量，使用激光測(cè)距原理進(jìn)行同心度檢測(cè)精度(約為0.5 mm)過(guò)大。文獻(xiàn)[11～12]提出通過(guò)最小二乘法擬合的方法實(shí)現(xiàn)機(jī)械零件的同軸度測(cè)量，然而此方法過(guò)于繁瑣。文獻(xiàn)[13]采用基于結(jié)構(gòu)光三維掃描技術(shù)，對(duì)小尺寸零件進(jìn)行了同軸度檢測(cè)。該研究通過(guò)采集并處理視頻圖像為基礎(chǔ)進(jìn)行檢測(cè)，運(yùn)算量較大。工程應(yīng)用一般要求實(shí)時(shí)性要好，算法需簡(jiǎn)潔、快速。因此，這些文獻(xiàn)的算法均不能滿足微精密玻璃封裝電連接器同心度的檢測(cè)。針對(duì)微精密玻璃封裝電連接器的端面紋理等較為復(fù)雜的特點(diǎn)，本文提出了基于二值化處理和孔洞填充融合圖像差分運(yùn)算的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微精密玻璃封裝電連接器同心度的檢測(cè)。

1 同心度檢測(cè)算法框架

同心度檢測(cè)是微精密玻璃封裝電連接器高溫玻璃層與低溫玻璃層中心點(diǎn)偏離程度的檢測(cè)。本文針對(duì)微精密玻璃封裝電連接器端面特點(diǎn)，提出了基于二值化處理和孔洞填充融合差分算法的微精密玻璃封裝電連接器同心度檢測(cè)。算法主要分為3個(gè)部分，分別為外圓主體圓心的獲取、內(nèi)圓高溫玻璃層圓心的獲取、計(jì)算同心度，具體算法框架如圖3所示。

圖3 同心度檢測(cè)算法框架

2 算法原理

2.1 外圓心的獲取

算法主要通過(guò)灰度化、二值化、孔洞填充和去除干擾來(lái)獲取玻璃端子主體部分，進(jìn)而可以得到外圓低溫玻璃層中心點(diǎn)。

2.1.1 圖像的灰度化與二值化處理

灰度處理和二值化是圖像處理的基本操作，通過(guò)相機(jī)直接獲取的大多是三通道的彩色圖片，在圖像處理中計(jì)算較為繁瑣，需先轉(zhuǎn)化為單通道的灰度圖或二值圖像?；叶然幚?，即將彩色圖像處理成灰色圖像的處理過(guò)程[14]，如式(1)所示。二值化是在灰度處理的基礎(chǔ)上按照一定閾值進(jìn)行的一種二進(jìn)制黑白化的圖像處理方法[15]，計(jì)算式如下

Igray(x,y)=0.299IR(x,y)+0.587IG(x,y)+

0.114IB(x,y)

(1)

(2)

式(1)中，IR(x,y)、IG(x,y)、IB(x,y)分別為原彩色圖I(x,y)對(duì)應(yīng)的紅、綠、藍(lán)單通道圖像；式(2)中Th(x,y)為閾值，實(shí)驗(yàn)中可取0.35(取值范圍[0,1])。

經(jīng)二值化處理后可以得到微精密玻璃封裝電連接器初始外圓主體，要獲得完整的外圓主體還需進(jìn)行其他操作。

2.1.2 孔洞填充和干擾去除

微精密玻璃封裝電連接器端面凹凸不平，較為粗糙，造成照片拍攝時(shí)微精密玻璃封裝電連接器表面光照顯示不均勻，使得主要連通域(微精密玻璃封裝電連接器內(nèi)圓和外圓主體圖片)中存在細(xì)小的孔洞，需要填充以形成完整的連通區(qū)域[16]，如式(3)所示。

Xk=(Xk-1⊕B)∩AC，k=1,2,3…

(3)

式中，B為填充所用的結(jié)構(gòu)元素；AC為集合A的補(bǔ)集；填充從全黑圖像X0開(kāi)始迭代，至Xk=Xk-1結(jié)束。

通過(guò)影像測(cè)量?jī)x拍攝照片的左上角會(huì)有放大倍數(shù)和自動(dòng)標(biāo)定的文字信息。另外，微精密玻璃封裝電連接器初始外圓主體周邊還存在零星噪聲點(diǎn)，這些文字和其他噪聲點(diǎn)會(huì)給外圓中心點(diǎn)的求取帶來(lái)嚴(yán)重干擾。因此，在孔洞填充處理后，還需要把這些干擾去除掉，僅保留微精密玻璃封裝電連接器的外圓主體部分，即去除小面積對(duì)象。要去除這些干擾，需要計(jì)算出各個(gè)連通區(qū)域的面積，并對(duì)這些面積進(jìn)行對(duì)比以保留面積最大的主體外圓，去除干擾如式(4)和式(5)所示。

(4)

AF=Amax

(5)

其中，S為待計(jì)算的連通域區(qū)域；f(x,y)為區(qū)域像素值；AF為所求外圓主體；選取AS中面積最大的Amax區(qū)域。

2.1.3 外圓中心點(diǎn)的計(jì)算

干擾去除后即可得到微精密玻璃封裝電連接器的主體外圓圖像，本文選取外圓所在區(qū)域重心作為外圓圓心，如式(6)所示。

(6)

式中，n為主體區(qū)域的總像素?cái)?shù)；(xi,yi)為第i(i=0,1,…,n-1)個(gè)像素點(diǎn)的坐標(biāo)。

2.2 內(nèi)圓圓心的計(jì)算

微精密玻璃封裝電連接器端面較為復(fù)雜，本文通過(guò)孔洞填充后的初始外圓主體與二值化后的初始外圓主體輪廓圖像進(jìn)行差分運(yùn)算，成功得到了微精密玻璃封裝電連接器初始內(nèi)圓輪廓。再經(jīng)過(guò)孔洞填充和噪聲去除等算法即可獲得內(nèi)圓圖像，進(jìn)而得到內(nèi)圓中心。

要求微精密玻璃封裝電連接器高溫玻璃(內(nèi)圓)的相關(guān)信息，首先需要獲得內(nèi)圓圖像。在低溫玻璃熔封后會(huì)在其內(nèi)側(cè)形成一條暗黑色槽帶環(huán)，該槽帶環(huán)在二值圖中灰度值為0，而在外圓填充圖中為255。因此，外圓圖減去二值圖即可得到初始內(nèi)圓輪廓圖，如式(7)所示。

Ig(x,y)=If(x,y)-Ih(x,y)

(7)

其中，If(x,y)為孔洞填充處理的初始外圓主體圖；Ih(x,y)為二值化后的初始外圓主體輪廓圖。

初始內(nèi)圓輪廓圖再經(jīng)過(guò)孔洞填充(式(3))處理，填充初始內(nèi)圓中出現(xiàn)的細(xì)小孔洞，并進(jìn)行形態(tài)學(xué)腐蝕操作，見(jiàn)式(8)。去除周圍噪點(diǎn)，即可得到完整高溫玻璃層的內(nèi)圓圖像。

E(X)=XΘS={x|S+x?X}

(8)

其中，X為被操作對(duì)象，即初始內(nèi)圓圖像；S為結(jié)構(gòu)元素。

最后，使用式(6)即可求得內(nèi)圓中心坐標(biāo)值。

2.3 同心度的計(jì)算

由于高溫玻璃層相對(duì)于可伐合金柱的同心度為已知的合格狀態(tài)，因此只需求出外圓低溫玻璃層圓心相對(duì)于內(nèi)圓的高溫玻璃層圓心度即可。通過(guò)以上計(jì)算已經(jīng)獲得了微精密玻璃封裝電連接器內(nèi)圓與外圓的中心點(diǎn)的相關(guān)信息，可以得到兩圓心的距離；再通過(guò)影像測(cè)量?jī)x自動(dòng)標(biāo)定值，即可獲得零件的實(shí)際同心度值，同心度的計(jì)算，如式(9)所示。

(9)

式中，l為測(cè)量?jī)x測(cè)得的像素長(zhǎng)度，取值為0.007 604 mm；(x1,y1)和(x2,y2)分別為外圓(主體)低溫玻璃層與內(nèi)圓(高溫)玻璃層中心點(diǎn)坐標(biāo)。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 圖片獲取

微精密玻璃封裝電連接器圖像采集，使用MVP400CNC影像測(cè)量?jī)x(圖4)射線機(jī)獲取的放大30.77倍微精密玻璃封裝電連接器圖像，圖像為640×480像素的彩色圖像。

圖4 圖像獲取平臺(tái)

3.2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

現(xiàn)有的微精密玻璃封裝電連接器同心度檢測(cè)方法有熟練工人結(jié)合放大鏡檢測(cè)和人工結(jié)合影像測(cè)量?jī)x檢測(cè)兩種。其中熟練工人的檢測(cè)準(zhǔn)確率較低，但速度稍快，大于6.5 s/個(gè)；人工結(jié)合影像測(cè)量?jī)x的檢測(cè)方法速度慢，超過(guò)15 s/個(gè)，但準(zhǔn)確度高于純?nèi)斯z測(cè)。人工結(jié)合影像測(cè)量?jī)x是自帶軟件結(jié)合人工通過(guò)“三點(diǎn)繪圓”法進(jìn)行檢測(cè)，即人工在電連接器內(nèi)圓和外圓邊界處分別找取3個(gè)點(diǎn)來(lái)擬合內(nèi)圓和外圓，代替高溫玻璃層和低溫玻璃層的邊界圓，再通過(guò)多次調(diào)整邊界點(diǎn)，得到高溫玻璃和低溫玻璃層中心點(diǎn)來(lái)獲得同心度(圖5)。為驗(yàn)證本算法的準(zhǔn)確度和高效性，本文設(shè)置了以下3個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)樣本選擇背景較為復(fù)雜的實(shí)際安裝(實(shí)驗(yàn)1)與平時(shí)檢測(cè)的微精密玻璃封裝電連接器(實(shí)驗(yàn)2、實(shí)驗(yàn)3)。

圖5 人工結(jié)合測(cè)量?jī)x的同心度檢測(cè)方法

3.2.1 算法驗(yàn)證(實(shí)驗(yàn)1)

以PC(i5-8265U CPU)為硬件平臺(tái)，MATLAB(2016a)為軟件平臺(tái)進(jìn)行的算法實(shí)驗(yàn)分析。針對(duì)微精密玻璃封裝電連接器的端面特點(diǎn)，通過(guò)二值化、形態(tài)學(xué)填充和腐蝕操作、移除小對(duì)象(去除干擾噪聲)、圖像差運(yùn)算等一系列圖像處理方法獲得微精密玻璃封裝電連接器的內(nèi)外圓圖像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)微精密玻璃封裝電連接器同心度的檢測(cè)。

微精密玻璃封裝電連接器表面紋理特征較為復(fù)雜，通過(guò)傳統(tǒng)同心度檢測(cè)算法檢測(cè)微精密玻璃封裝電連接器內(nèi)圓時(shí)無(wú)效?；诖?，本文算法中的關(guān)鍵之處在于微精密玻璃封裝電連接器內(nèi)圓輪廓的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)微精密玻璃封裝電連接器端面特點(diǎn)，即在低溫玻璃熔封后會(huì)在其內(nèi)側(cè)形成一條暗黑色槽帶環(huán)，該槽帶環(huán)在二值圖中灰度值為0，而在外圓填充圖中為255。因此通過(guò)孔洞填充后的初始外圓主體與二值化后的初始外圓主體輪廓圖像進(jìn)行差分運(yùn)算，即可得到完整的初始內(nèi)圓輪廓圖，如圖6所示。

圖6 內(nèi)圓輪廓的獲取

通過(guò)圖3框圖中所示算法可求得微精密玻璃封裝電連接器外圓心、內(nèi)圓心及其圓心度。同心度檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖7 同心度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

3.2.2 與人工結(jié)合影像測(cè)量?jī)x(MVP400CNC)的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比(實(shí)驗(yàn)2)

由于微精密玻璃封裝電連接器在裝配中精度要求為0.05 mm，為驗(yàn)證該算法在實(shí)際工程應(yīng)用中的實(shí)用性，實(shí)驗(yàn)隨機(jī)選擇10個(gè)微精密玻璃封裝電連接器(如圖8所示，標(biāo)號(hào)從左到右，由上到下依次為1～10)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。文中以人工結(jié)合影像測(cè)量?jī)x檢測(cè)為真值，將該算法檢測(cè)結(jié)果與其做出對(duì)比，算法與采用影像測(cè)量?jī)x測(cè)量數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖8 微精密玻璃封裝電連接器圖

圖9 本文算法與影像測(cè)量?jī)x結(jié)果對(duì)比

從圖9中可以看出，本文算法與采用人工結(jié)合影像測(cè)量?jī)x檢測(cè)得到的同心度值的誤差范圍在0.003～0.050 mm之間。其中，3號(hào)樣本測(cè)量值誤差較大，主要是因?yàn)樗牧硪幻娉霈F(xiàn)缺塊導(dǎo)致放置歪斜，使得算法檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)測(cè)量誤差；10號(hào)樣本，使用本算法和人工結(jié)合影像測(cè)量?jī)x的同心度測(cè)量值分別為0.034 3 mm與0.051 1 mm，算法檢測(cè)失誤。

3.2.3 與現(xiàn)有人工檢測(cè)結(jié)果對(duì)比(實(shí)驗(yàn)3)

本文提出的檢測(cè)算法檢測(cè)數(shù)據(jù)與采用人工檢測(cè)結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 算法檢測(cè)數(shù)據(jù)與純?nèi)斯z測(cè)結(jié)果

由表1可以看出，樣本3和樣本5算法檢測(cè)出同心度值分別為0.073 5 mm和0.076 2 mm。圖8中所示采用人工結(jié)合影像測(cè)量?jī)x檢測(cè)為0.012 02 mm和0.079 mm，均超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)0.05 mm；而人工判斷則顯示均為合格品，檢測(cè)精度低。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，算法檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和應(yīng)用成本也是重要的評(píng)判指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)中，采用人工結(jié)合影像測(cè)量?jī)x的檢測(cè)時(shí)間大于15 s，而人工檢測(cè)時(shí)間大于6.5 s，算法檢測(cè)每個(gè)微精密玻璃封裝電連接器圖像的時(shí)間小于0.32 s。經(jīng)過(guò)與采用人工結(jié)合影像測(cè)量?jī)x和純?nèi)斯そ?jīng)驗(yàn)判斷結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，該算法能夠解決由于同心度偏差檢測(cè)時(shí)精度要求高而導(dǎo)致人工檢測(cè)誤差率高且速度慢的問(wèn)題，并且提高了檢測(cè)精度，縮短了微精密玻璃封裝電連接器同心度檢測(cè)時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)微精密玻璃封裝電連接器同心度檢測(cè)研究，根據(jù)其端面紋理異常復(fù)雜的特點(diǎn)，本文提出了基于二值化處理和孔洞填充融合差分的微精密玻璃封裝電連接器同心度檢測(cè)算法。利用該算法可以得到電連接器的內(nèi)圓圖像。通過(guò)連通域面積最大法可以得到其主體圖像。由內(nèi)圓和主體中心的距離即可得到同心度偏差，實(shí)現(xiàn)了微精密玻璃封裝電連接器同心度的檢測(cè)。最后，將不同方法的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果表明，本文提出的同心度檢測(cè)算法可以提高檢測(cè)效率和準(zhǔn)確度，有效縮短了檢測(cè)時(shí)間，為該器件的自動(dòng)質(zhì)量檢測(cè)與裝配打下了良好的基礎(chǔ)。