统计建模与AOI_大数据统计建模

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统计建模技术在AOI中的运用

发表时间：2008-5-10 12:32:11 来源：神州视觉科技有限公司 已浏览：1532

内容提要

本文用较详细的资料系统地论证和介绍了统计建模技术在AOI中的应用方法；阐述了统计建模技术在AOI应用中的先进性；揭示了传统AOI技术上的不足；开辟了AOI技术发展的一个新思路。前言

众所周知，理想的AOI可以在SMT生产线上建立一个完整的实时工艺控制体系（RPC），借以实现真正意义上的SMT生产线的闭环控制系统。

然而，AOI发展至今，由于理论和实际相差甚远，在实际运用中并不尽人意。主要问题如下：

1．误报难以销除。

2．检出的缺陷不能自动地分析出缺陷产生的原因。3．程序制定时间过长。

4．RS485网络与印刷机、贴片机、回流炉和AOI之间有待实现相互兼容从而实现行之有效的实时工艺控制（RPC）。5．虚焊的检测能力不强。

如果以上问题能够得到有效的解决，那么AOI一定会迎来一个最美丽的春天！统计建模技术在AOI上的成功应用是这一春天到来的一缕晨曦！

传统AOI技术上不足

传统的AOI由于软件运算方式和硬件配合的不同,差异性较大。通常采用的软件分析技术有:模板比较、边缘检查、灰度模型、特征提取、固态建模、矢量分析、图形配对和傅里叶氏分析等；主要硬件有：摄像机、丝杆或传送带、伺服马达或步进马达和彩色光源或黑白光源。工作原理为摄像机获得一块板的照明图像并数字化，然后通过软件与已经定义“好” 的图像进行分析、比较而实现其检测功能的。然而每种软件和处理方法都存在着其本身的优势和缺陷，因此在实际应用中都不够理想和完美。主要表现在以下几个方面：

1.有些AOI采用多相机多光源方案，机械结构非常复杂，必须有非常精密的机械制造，这必然增加生产成本和维护成本。

2.AOI操作复杂，必须由非常有经验的工程师才能有效地编制AOI程序并且将其调试稳定。有的AOI要求工程师必须潜心研究2年以上才能熟练使用。3.检测参数的阀值难以控制，直接影响误报和漏报的产生。4.硬件复杂不便于维护。

5.检测速度慢与SMT生产线不协调。

由于受以上因素的影响，目前大多数AOI厂商采用图像配对与多种图像分析技术相结合的方法，综合成一个独特的“处方”，形成一个新的运算法则，力图改变上述困境。

图像处理的难点包含光源的设计和图像判别。其中图像判别部分是目前世界上公认的难点部分。如一个标准图像同待测图像比较，计算其差异，如果差异小于某个阀值，则判断OK，否则NG。这种方法的难点在于： A． 标准图像必须事先准备好，而且电脑里面必须保存所有学习过的OK零件的图片，否则在测试中一旦出现新的可以接受的图像，就很难将其综合到标准中去。例如标准图片是由200个OK元件综合的，为了以后能够再学习第201个OK零件，前面的200个零件的图片都必须保存，可以想像，对于有2000个零件的PCB，需要学习200次OK零件，电脑需要多大的存储空间！(假设每个图片为24位真彩色，大小为100*55像素，则每个图片为16.1kb，所有图片的大小为16.1*2000*200kb=6440000kb=6289MB=6.14GB)B． 在比对图像时，传统的图像比对方法采用逐个比较的方法，首先用第一个标准去比较，如果没有通过，再用第二个标准比较，一直到标准比较完毕或是通过为止。这样标准越多，判别花费的时间越长。如果标准不多，则误判很快增加。

C． 如果不用学习的方法产生标准图片，则必须由操作者凭借丰富的经验创造一个标准，给出一个判别阀值。类似操作的说明书厚度就已经让人害怕了。D． 如果用标准图片直接去比对待测图片，发现OK零件和NG零件的差异非常小，而且存在很大的重叠区域，对于重叠的区域，机器当然无法正确区分OK和NG了。E． 阀值由人工设置，如果阀值设置过于宽松，则可能NG的零件也作为PASS，无法达到检查的目的。如果阀值设置过严，机器将会把OK的零件判为NG，频繁报警，让人无法忍受。为此大多数AOI要求使用者必须有很强的工作经验。

F． 计算速度问题。为了同生产线的速度匹配，要求AOI有较快的处理速度。无论处理方式是否优越，如果处理一个零件的时间超过30毫秒，这都是毫无价值的方法。

G． 有些AOI的算法以灰度模型和边缘识别为主。灰度模型的缺点在于受光线明暗的影响较大，另外打光的角度难以控制，这两点是这一算法的死结，是漏判和误判高居不下的主要原因。边缘识别的缺陷在于被检点的边缘不可能是一条标准的直线，因而它必须提高像机的分辨率来加强像素分割进行补偿，然而分辨率越高由此产生的像素分割噪音也就越大，这样对软件分析产生的干扰也越大，从而影响检测的准确性，这也是使用这一技术而速度不尽人意和存在大量误判、漏判的主要原因。

全新的AOI图像处理技术——统计建模技术

统计建模技术，使用了一种简单直观的数学模型，它能自动地计算出图形的合理变化的趋向，并且具有自调节功能，而且采用这种技术在实际应用中的误报率要比现有的AOI技术要好10至20倍，程序编制快，操作也十分简单。

简单地说，就是给AOI一系列OK的元件，让AOI自动学习统计，由AOI自动掌握图像的变化规律,判断正确的零件大概像什么，可能有一些什么样的变化，可能变化到什么程度等。这样AOI得到了1个标准图像，2个辅助图像以及自动计算得到的判别阀值。

统计建模技术在AOI中的使用模式和优点。

1.使用该方法，AOI不保存已经学习的任何图片，自始至终，电脑里只储存3个图像及很少的误差方面的参数，大大节约了电脑空间。

2.在测试过程中可以随时学习新的图片。这样AOI可以边测试边学习，学习到一定程度，AOI自动建立了一套十分稳定可靠的标准图片和判别阀值。3.在自动学习过程中，AOI将误差范围以内的图像自动学习，不需要人工干预。误差范围以外的图像才由人工确定是否需要学习，大大简化了操作。4.通常，一个标准的建立需要学习大约20~30个不同的零件。在本系统中，可以将多个同类零件链接到同一个标准，这样，如果1块线路板上有20个同类零件，对于该标准的建立，只需要学习1~2块线路板就已经足够了。因此，可以很快就建立一套十分稳定可靠的标准。

5.而且，编制新的测试程序时，如果采用以前已经稳定的标准库，则根本不需要学习过程，直接测试即可得到可靠的结果。

6.这种图像处理方法，将SMT零件的所有检查项目全部简单地归结为图像外观检查，因此在AOI中，所有检查项目均用相同的方法处理（IC连锡除外），而且同一部AOI，可以检查锡膏的印刷（不检查锡膏厚度）、SMT贴片以及回流焊后焊点的检查。

7.这种图像处理方法，对硬件的要求非常低，不需要复杂精密的机械设计制造。该方法不仅可以用于AOI中，而且可以移植到其他外观检查项目中去。8.这种图像处理方法的可重复性为一个像素的二十分之一，比传统的图像处理方法的可重复性十分之一像素要精确得多，因而性能稳定、精确、灵活性强，并且受像素分割时所产生的噪音变量影响较小。

9.这种图像处理方法不需要人工来对硬件反复进行调整和补偿，它能自动地执行这一关键的步骤，也不需要人工来评诂和调整库的记录，还可以自动比较新图像与原有图像的基本特征向量，从而简化了操作程序。

学习45次后建立的结果

通过45个零件的学习，系统建立的判别标准为21.33%。

2.特殊的的彩色图像比对方法

图像比对也不是简单地用一个标准图片同待测图片比较，而是用标准图片、2个辅助图像同待测图像综合比较。这种方法对于OK零件，计算的结果非常集中，在平均误差附近，而NG图像的差异非常明显，同OK图像没有重叠区域。

上述例子中，学习了45个零件，建立的误差范围为21.33%。利用此标准对NG零件的判别结果如下：

完整的AOI技术方案

下面是统计建模技术图像处理方法完整的AOI解决方案： 1.系统的构成WINDOWS 2000,因为基于WINDOWS NT技术，系统可靠性好，实时性好，非常适用于机器控制。

3.零件的焊点检查方案

在焊接良好的情况下，焊锡应分布在元件管脚和焊盘之间的位置。焊锡的分布为斜坡状。为此，我们采用环形白色LED光源，该光源垂直照射，于是，垂直向下的光线照到焊锡后便向侧面反射了。表现在摄像头中的图像，便是黑色。而焊盘及管脚处则为白色。如下图：

于是，焊点的检查也就可以简单地用外观检查解决了。4.摄像头标定 采用自标定技术，设备自动计算镜头畸变规律，得出像素和实际坐标的数学关系，同时计算出摄像头安装的角度偏差并且进行软件校正。这样机器制造的精度要求就不是十分苛刻了。5.MARK校正技术

利用MARK校正技术，可以校正PCB的位置偏差（1个MARK点），角度偏差（2个MARK点）以及曲面变形等误差（3个或以上MARK点）6.镜头分配以及路径优化

摄像头每次拍摄的范围（FOV）有限，必须通过XY平台的移动才能将所有元件拍摄完毕。为了节约XY平台的运动时间，a.必须采用最少的拍摄次数将所有零件拍摄―――镜头的自动分配 b.XY平台的运动路径必须最短―――路径自动优化 7.系统整体优化

采用多线程技术和使用采集缓冲区的方法，充分利用系统停顿的时间做图像处理工作，使系统整体效率达到最高。ALeader牌统计建模技术AOI功能简介

一：检测项目

二、超高检测速度

ALeader-AOI采用AC伺服驱动、高精密丝杆传动以及成熟的统计建模技术，确保每秒超过60个（0402）元件的高速检测。

三、多库处理

ALeader-AOI在遇到一种元件有多个供应商，而且元件的尺寸及外观有变化时，“多库处理”功能可以令检测顺利进行，而且丝毫不影响检测速度。

四、超低的使用维护成本

ALeader-AOI在作业时，一般的工程师、技术员经过短期培训即可独立作业，节省了聘请专业AOI工程师的费用。设备配置一步到位，后期维护简单易行。

五、操作简便

统计建模原理使得编程、调试非常直观快捷。编程可手工输入或CAD导入。编程时只需在要测试的地方画一个框，自动检测时所需的各种参数可由程序自动生成。程序制作流程

注：

1、如提供PCB CAD or Mount Data，利用软件的CAD DATA导入功能可以大幅提高编程速度。

2、图示化的Block Copy功能，多拼板程序的制作快捷简单。实际案例：

120点左右的PCB：在1个小时内可以投入测试。测试时间:13sec。

1300点左右的电脑主板：约需3.5小时完成编程并投入测试。测试时间：36sec。

六、多重安全保护功能

1、X/Y 驱动系统的3重限位保护措施。A、驱动器限位。B、运动卡限位。

驱动器限位和运动卡限位是通过限位开关实现的，两种限位开关独立工作，只要任意一个限位开关起作用，都可停止马达运动从而达到保护目的。C、软件限位。

软件限位是除了驱动器限位开关、运动卡限位开关后的第3道防线，是为了预防程序编制时的一些X/Y坐标超限。

2、设备标配安全光幕，确保如果有异物进入Table工作范围时设备会紧急停止。使设备安全性能更高，更能保证操作人员的安全。

3、前挡护盖可翻动，如果操作员手误放在上面而受到撞击，翻盖会自动打开，避免操作员受到伤害。

4、PCB固定托架为专用ESD材料制作，有良好的防静电作用。

七、软件特色

操作软件的标准界面有中文和英文选择，也可以根据客户需要编制其他语言界面。编程 测试 统计管理一体化 实时打印问题信息 结论：

总之，电子制造业的零缺陷制造，是广大OEM和ESM厂商共同追求的终极目标，而这一目标得以实现的必经之路是AOI检测能力的完善，统计建模技术在AOI中的成功运用，给陷入困境的AOI产业迎来了一个灿烂的春天，给电子制造业，实现真正意义上的实时工艺控制，从而建立完整的制造的闭环控制体系，带来了一缕晨曦！从“独上高楼，望断天涯路”到“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在灯火爤珊处”是统计建模技术在AOI中应用的真实写照！