论文总字数：28434字

摘 要

电子与通信等行业在最近几年得到了迅猛的发展，作为电子工业基础的印刷电路板行业也得到了高速发展。电子元件的密度和复杂性都在不断增加，在印刷过程中对电路板的定位要求也越来越高。当前的工业生产中，电路板的制作是一层一层来完成的，在制作的一道道工序中，电路板难免会发生位移。在这种情况下产生的定位误差增加了次品率，不利于在当前激烈的电子行业的竞争中生存，使企业无法维持生产。

在电路板的定位问题中，电路板的位移检测和测量是其中的关键问题。近几年，各种不同的基于计算机视觉的位移检测算法层出不穷，都有不同的优劣和适用范围。为了找出适合用于电路板位移检测的算法，本设计以工业CCD相机获取的电路板图像为基础，通过计算机视觉的方法和手段，查阅有关计算机视觉位移检测的资料，了解国内外研究的现状，在KAZE算法、ORB算法以及SIFT算法之间进行了对比，找出最适用于获取到的电路板图片位移检测的算法。为了尽可能地减小电路板位移误差带来的损失，检测算法要求高效实时，并且像素级别上的精度要达到亚像素标准。

实验结果表明：David Lowe提出的SIFT（尺度不变特征转换）算法对图片的尺度、旋转、平移、光照变化都存在不变性。KAZE算法尽管有很高的精确度，但是耗费的时间太长，ORB算法在速度上有优势，但是其精度满足不了要求。综合比较，SIFT算法在检测时间和特征点数量都很好的表现，最适宜应用于电路板的位移检测。

关键词：位移检测、图像处理、电路板位移测量、SIFT算法

Displacement detection based on images

Abstract

With the rapid development of electronic, communication, computer and other industries in recent years, as the basis of electronic industry, the printed circuit board industry has also been developing rapidly. The density and complexity of the electronic components are increasing and the positioning of the printed circuit board is more and more important in the process of printing. In the present production, the circuit board is produced from layer to layer. In this condition, circuit board may move more or less. In this case, the increase of positioning error may do harm to the survival of the factory, so that the enterprise can not sustain production.

Displacement detection and measurement are the main problems in the positioning of the circuir board. In recent years, a variety of displacement detection methods based on the computer vision have been promoted and can be applied on different occasions. In order to find out the suitable displacement detection algorithm for circuit board, the design refers to information, understands the research for the time being and find out the most suitable algorithm for the displacement detection of circuit boards based on the images obtained from CCD by computer vision. In order to reduce the loss caused by the displacement error of the circuit board, the detection algotrithm is efficient and real time,and the accuracy of result is up to pixel standard on the pixel level.

The experimrnt results show that SIFT proposed by David Lowe is invariant to the proportion, rotation, illumination of the images. SIFT has obvious advantages and can be applied to the displacement detection of circuit board.

KEYWORDS: Displacement Detection, Image Process, Displacement of Circuit Board, SIFT

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景、目的和意义 1

1.1.1 课题研究的背景 1

1.1.2 课题研究的目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文的研究内容 2

第2章 ORB、KAZE以及SIFT算法的介绍 3

2.1 ORB算法 3

2.1.1 ORB算法的简介 3

2.1.2 FAST特征点检测 3

2.1.3 BRIEF特征描述子 4

2.1.4 ORB算法做出的改进 4

2.2 KAZE算法 5

2.2.1 KAZE算法简介 5

2.2.2 非线性扩散滤波 5

2.2.3 KAZE特征提取以及描述 6

2.3 SIFT算法介绍 9

2.3.1 SIFT算法简介 9

2.3.2 尺度空间的构建 9

2.3.3 精确定位极值点 10

2.3.4 特征描述子的生成 11

2.3.5 特征描述子之间的匹配 12

2.4 SIFT算法、KAZE算法与ORB算法匹配结果对比 13

2.4.1 SIFT算法 13

2.4.2 KAZE算法 13

2.4.3 ORB算法 13

2.4.4 三种算法对比的结论 14

第3章 SIFT特征子之间的匹配 15

3.1 K近邻算法(KNN) 15

3.1.1 K近邻算法的定义 15

3.1.2 近邻的距离度量 15

3.2 KD树 15

3.2.1 KD树的简介 15

3.2.2 KD树的构造 16

3.2.3 基于KD-Tree的最近邻查找 17

3.3 BBF算法 18

3.3.1 原始的K最近邻搜索算法的缺点 18

3.3.2 KD-Tree with BBF 18

3.4 RANSAC算法 19

3.4.1 RANSAC算法简介 19

3.4.2 RANSAC在SIFT中的应用 19

3.5 SIFT特征子的匹配 20

第4章 程序介绍与实验结果 21

4.1 程序总体介绍 21

4.1.1 编译环境与运行平台 21

4.1.2 操作系统 21

4.1.3 开发环境 21

4.1.4 UI界面 21

4.2 功能分析 21

4.2.1 功能划分 21

4.2.2 功能描述 21

4.3 性能需求 22

4.3.1 像素位移结果精确度 22

4.3.2 程序运行时间要求 22

4.3.3 程序运行环境 22

4.4 开发环境与开源库介绍 22

4.4.1 Visual Studio 2013 22

4.4.2 OpenCV 2.4.8 23

4.4.3 Qt 5.3.2 23

4.5 基于图像的位置移动检测 25

4.5.1 程序的UI界面 25

4.5.2 程序的功能介绍 25

4.5.3 程序的结构介绍 31

4.6 实际位移的获取 32

第5章 项目总结 33

参考文献 34

致谢 36

绪论

课题研究的背景、目的和意义

课题研究的背景

电子、通信、计算机等行业在近几年得到了迅猛的发展，作为电子工业基础的印刷电路板行业也在飞速发展。随着科技的进步、工艺的提升，电路板的制作在密度、层数、性能方面的要求也越来越高。但在取得飞跃的同时印刷电路板行业也面临着巨大的挑战。优质的原材料、科学的管理模式、先进的生产工艺与设备是生产高性能印刷电路板的基础，除此以外，完备的成品检测设备也是其中不可或缺的重要一环。当前的环境下，印刷电路板的线条宽度和间距已经达到0.15~0.12mm，层数更是高达46层[1]。在印刷电路板的技术性和复杂性如此之高的情况下，如何保证生产过程中的产品品质、减少产品次品率、提高电路板的质量、增加企业竞争力，这已经成为许多厂家不得不面对的难题。

课题研究的目的和意义

在电路板印刷的生产过程中，由于元器件在不同的印刷步骤中的移动，可能会导致元器件在下一道工序的定位中发生偏差，由此会带来元器件质量上的问题。

本设计就是为了解决此类在印刷过程中元器件的位移产生的质量问题，减少厂家的次品率。由于印刷电路板是重视规模效益的行业，不同厂家之间的竞争十分激烈，产品的利润率相对较低、降低次品率对维持企业的生产活动有重要的意义。

国内外研究现状

基于图像的位置移动检测的一般步骤是首先提取两幅图片中的特征点，接着在这些特征点之间进行特征匹配。为了避免错误匹配对的产生，在匹配点配对完成之后通过一系列的筛选算法对匹配点进行筛选，最终得到正确的匹配点，以此来计算出不同图像上的位置移动距离。

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