автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Системы технического зрения для определения координат топологических элементов изделий РЭА

pfß ОрЕВСКИЙ. МШШИВСКИЙ ШЯИТГГ

На правах рукописи Ш 681.518.31 681.327.Ï2

АШАСНЕВ Александр Николаевич СИСТЕШ ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗШШЯ ДЛЯ ШЩЕ.ЕШ

коорлшат тшолошческих агоштоэ изданий рэа

Сшцшшдосхь; 05. II. 16 - Информационно - Езюргтозшшэ

сисзеш а неухо п протаяоннссгя

Автореферат диссертации на соискание учёной отвпвни кандидата тохштюокях наук

Ихевск-ХеВЗ

Работе випагаена в Поводом иехашгееоком институте

Неумный руководитель - кандидат технических ваук,

доцент Р.И.Гефарс®

0$вдвалыше оппоненты - доктор втнхо-иатвматичвохих наук,

профессор А.К.Платонов

доктор технических наук, и.о. профессора П.Г.Кузнецов

Балуемая организация . - йизико-тохнагчвекнй институт

Уральского отдаления РАН

Защита диссвртацЕЕ состоится 1993 г.

Л \0_£

в ' часов на заселенна специализированного

Совета ЖЮ4.035.01 в Лхаяоком иэханичесхон институте С 426069, г. Ижевск, ул. Студончесхая» 7 ).

С диссертацией кода» озиакошться г бяйдиотеке института. Автореферат разослан /рвДрйЯЛ- 1993 р. :

Учёний оекретарь спешшшаированкого Совета

д.т.п., профессор В.И.Гольдфарб

ОНЯАЯ ХАРАКТЕШСША РАБОТУ

Актуальность .теш. Иитенсафшшия и автомакгзагдя- ityntc-сов производства гробит дальнейшего совзгионстеовгсг/л о/оде?» измерения и контроля, создашь! информацЕошю-изжрг.тольннх систем (ИКС), способных обрабатывать вез возрастают^ no'rois: -формации. Система автоматического контроля (САК), как разновидность КИС, характеризуются существенным слатном об объекте контроля за счёт сопоставления результатов измороьк;» о установленной коркой. Осяовналз проблемам разработка САК оо:о-тсся потаете достоверности и бвотродо£ствия контрам. ла.»гл\: о »м, ий допусткгк? чрезмерное увеличение стоимости систем.- Необходимо рацвоасдзлсз сочетание харахтерахтш: sarrocssa я «wo«.-моста.

Система технического зрения-(СТЗ), как класс ИИС, щля-эня-втея для контроля и робототехиической адаптации, к выполняют определение коерденат-объектов в пространства. СТЗ содержат в своём составе сенсор и вычислитель. В большинстве случаев применяются юхшптчоские позиционирующие устройства для наведения на объект. Точность навадеяия з CIS определяется позиционеру*)- • устройство;,?, т?&чэством изобрайэштй, раарепахздей способно -стмз сенсора, лрг«<шко?.5М1 алгаршя.'Л-'.-а к сродсхвама анатиза изображений. То ео самое относятся и к быстродействии СТЗ,

Существует четиро ссношгх подхода к решения задачи определения координат объектов - корреляционный, проекций, кокен -тов к характерных точек. Метода проекций и хоррэляционкнй, несмотря на высотою точность, имеют рвд недостатков, ограничивающих их применение. Для определения координат топологических элементов РЭА более распространены метода моментов и характерных точек. Обобфтвя схема анализа изображений в рамках зтах подходов включает ваведета на обгект и ввод изображений, фильтрацию полутоновых изображений, бинаризацию, предобработку, ошеанио объектов и аппрокевмашта, завершавшуюся определением координат характерных точек. Точность из:.тарений во многом определяется выбором оптимальных методов фильтрации к бинаризации, что в свои очередь трзбуот оценок качества нзобрагеяий а их преобразований. Существующие метода описания н аппроксимации при обеспоченшг заданных точности а быстродействия обладают высокой сложностью реализации и соответственно стойкостью. Нал -равлеииом для преодоления этого недостатка представляется при-

менеэто структурного подхода, требувдэго значительно певших вычислительных затрат.

Таким образом, актуальное является разработка структурна мотодов определения координат технологических элементов РЭА, обосшчившцих шсокуп точность г быстродействие, и допускавших простую реализацию.

Пелг-я работы является разработка измерительных систем технического арония на основе быстродействующих и простых в реализации методов определения координат объектов.

Для достижения указанной цели ставятся следующие задачи:

1. Разработка вероятностной математической додели изображений топологических аломентов изделий РЭА и методики оценки качества изобрашшй»

2. Анализ методов фильтрации и бинаризации изображений на основе методики оценки их качества.

3. Разработка методики оценки точнооти определения координат объектов.

4. Исследования струхтурных методов определения положения объектов:

- разработка грашатик и абстрактных автоматов для описания бинарных изображений; •

- создание быстродействующих алгоритмов описания изображений . на основе предложенных автоматов и грашатик;

- разработка помехозащшценных алгоритмов аппроксимации контуров объектов.

5. Разработка эффективных средотв определения координат объектов в измерительных СГШ.

6. Испытание разработачннх' методов и средств анализа изображений. - ■ ' . '

Методика иослеярваний. При решении поставленных задач использовались методы теории вероятностей, теории множеств, теории формальных грамматик, теории ин^лрмационпо-изшрительных систем и теории проектирования цифровых устройств.

Научная кошз^а. В работе получены новые научные результаты:

- разработана математическая вероятностная модель изображений, учитываэдая влияющие на качество изображений параметры устройств ввода и с ai,их объектов, и методика оценки качества изображений по результатам бинаризации;

- предложены обеспечивагацие максимальное быстродействие в уст-

ройствах о построчным сканированием нормалыше грамматики и эквивалентный им автомат с очеродио дад описания бинарных ^т- обращений; .

- разработаны оффективные алгоритмы определения координат на основе предложенных грамматик и автоматов, обесаечквгиссзад тре-буеике точность и быстродействие.

Практическая пзнность. Разработанные модели л алгоритм анализа изображений положены в основу функционирования эффективных аппаратных н програ;."2шх средств GTS.

ТртУШШга д тхшгслпнностп» Результаты работы нсполъзова-нн в установке монтааа бескорпусных микросхем "Ыонтая Е.Г, в авто?латазкрованно2 састоке визуального контроля палатных кга? АСВК-8, в установке подготовки программ для сверлилышх стаяков с ЧПУ "Просвет", в автоматизированной системе контроля сетчатых трафаретов ACBK-I, в системе анализа качества охотничьих ружей "Дробь", внедренных на различных предприятиях страны.

Дггроб^пи^ работы." Основные положения диссертационной работы докладывались на:

- 8-ой Всесоюзной конференции по теории кодирования и передачи • информации ( Куйбышев, 1981 );

- 5-ой Всесоюзной конференции "Автоматизация ввода письменных знаков в ЦВМ" С Каунас, IS84 );

- 2-ой Всесоюзной конференции "Метод? и сродства обработки слодной графической информации" ( Горький, Х9В5 );

- Всесоюзной научно-технической конференции "Разработка систем технического зрения и их применение в промышленности" ( Ижевск, 1986);

- 2-ой Всесоюзной конференции "Автоматизированные системы обработки изображений" ( Львов, 1986 }:

- Всесоюзной конференции "Оптшсо-злектронныо измерительные устройства и системы" ( Томск, 1989 );

- Всесоюзной научно-технической конференции "Разработка систем технического зрения и их применение в промышленности" ( Уфа, 1992 )г

- научно-технических сеьинарах и конференциях Иаавского механического института ( Ижевск, 1980...1991 ).

Разработанные с участием автора СТЗ отмечались в 1985 и 1987 годах »далями ВДЙХ.

Сттттктура и объём диссертации. Работа изложена на 105

стрглацах г.гагляюштсного текста, иллюстрируется рисунками и та6-лнцк.:: на 25 страницах и состоим из введения, чотцрёх глав, звк^шотн, списка литература из 131 наименования , 4 прило-на 14 страницах.

СОДШРНАКИЗ РАБОТЫ

МллеЗёШШ, показана актуальность диссертационной работы, с^лр.'.улкроьаин цель и задачи исследований, дана сжатая характа-Ршжка работе.

£ -Первой главэ. рассмотрены метода определения координат обьоктоз в измерительных системах технического арешш. Выделяется четыре подхода к решению этой задачи - корреляционный, моментов, проекций п характерных точек. Ограничениями црименимос-'ш корреляционных методов являются требование наличия эталонного представления объекта п сложность реализации. Метод проекций дояуекззт простую аппаратную реализации в реальном масштабе вре-;.:с-1тл. Вместе с том, требуется большое число проекций кия слон-шас объектов, что влечет значительные временные издержки. Применяются проекции как полутоновых, так к бинарных изображений. Методы ног,тентов и характерных точен обладают батаней гибкостью и мэнызей слознсстьэ.

ч В работе проведён сравнительный теоретический анализ точности ыетодов, общая методика которого заключается в вычислении погрешности определения координат центра характерного объекта.. например, гаадрата со стороной ^ , на основе оценок среднеквадратичного отклонения (с.к.о.) флвктуадай яркости изображения 6 а крутизны фронтов объектов Ь . Тогда с.к.о. погрешности определения положения границ» объекта С*. = б/в . Корреляционный, метод обеспечивает уменьшение флэктуаций яркости в Я раз, с соотзетоявувдш уменьшением погрешности определения положения объекта по сравнению с методом характерных точек. Метода проекций и моментов обеспечивают умэнывение погрешности в {¡Г раз, нервнй за счёт уменьшения фяюктуацей яркости, второй за счёт усреднения результатов измерений, координат граничных точек.

Проведанные сравнительные экснорЕшиталыше исследования быстродействия методов на мщ<ро-ЗК4 ДЕК-3 показывают, что кор-рулжиотшл мэтод на порядок шда&кнее метода характерных точек н в три раза медленнее катода моментов. Результаты исследований позволяют сделать вывод о достаточности дня большинства приложений точности методов характерных точек п моментов, более •

предпотаювльншс по быстродействия, гибкости и простоте реализации*

В диссертации развивается подход к анализу изобраяеянй, согласно которому процесс обработки разбивается на ряд этанол, характерззуемих определённым сжатием Евфоршдоа. При отом иих-нне уровни анализа, перерабатывавшие значительный. объём гл^ор-мещти, рекомендуется решшзоБНвать аппаратно в реально?.: мэсз-табо вреггени» В соответствии о этим подходом наделяются ододу-ющие этапы анализа изображений: навэдензе на объект, фильтрация полутоновых изображений, бинаризация, предварительная обработка бпнаршх кзобрзжншй, описание бинарных нзобраг-ашгй, аппроксимация изображений кяояаотвом точек и определение по-яожшвя объектов. -

Дяя разработки оптемзлышх методов фильтрация я бинаризации изображений, необходима штодака оценки ах качества, что в свою очередь требует создания математической модели полутоновых изображений, учитывающей влияние различные параметров изображения. К числу таких параметров относятся неравномерность яркости объектов, затянутость фронтов переходов шзду объектам, пум кзобраквний. Кроме того, к модели должны учитиваться кент- • раст, площадь к перт.йтр объектов. параметричес-

кие коделп рассматривают, как правило, лиль в-тиянко п/ума и п раде случаев затянутости фронтов.

Среда известных критериев качества лзсбрзженкЗ рг-зличастся парило, основание па сравняют: с этзлекем, и нопарннэ, тгкло как оташэнле сигнал/помеха. Объективной оценкой качества фильтрации является величина китЕзарузмого в результате пар.г»зт-ра, например, среднего квадрата сешбкп для Евнеровской. ¿яльтра-цак. Аналогичный подхед применяется и при оценке качества изображений по результатам бхша*шаш. В качестве критерия ггримэ-няетск, _например, ркск биэарезацкк. При этом качество результирующего изобраязнля определяется методом бинаризации.

Большнство методов порогового ограничения основано па анализе 'гястограммн яркости. При этом порог вкбараэтея в точке локального кишмз/га шстогра-лггЛтобя устранить влияние малой площади объектов ка шбор порога, иногда строится гистограмма по точкам, дезащим вблизи границ-объектов. Рас сматрнвалнгсь метода, минимизирующие уровень риска. В ряде работ порог вычисляется ва основе анализа распределения яркости изображения по

известной, пощада объектов.

Цолъо ^кльтршщя является "улучшение" изображения с точки зрения собранного критерия качества. Среди методов фильтрации вадсддагся низкочастотные, такие как медианная, анизатрошая, рекуррентная, и высокочастотные, уменьшающие неравномерность яркости. К пим следует отнести многочисленные метода выделения контуров.

В олисатш бинарных изображений существуют два подхода -анализ скелетов и анализ контуров объектов. Скелетное преобразование требует трудоёмкой предварительной обработки. Извест-нив метода последовательного обхода контуров требуют либо хранения всего изображения в памяти с произвольным доступом, либо специализированных устройств ввода с произвольной развёрткой пата "бегуклй луч". Более, предпочтительный подход заклочается в обходе графа снеетости строк, учитывающем построчный способ сканирования. Эта груша мэтодоз основана на сложных вычислениях связности элементов линей в соседних строгих изображений, что влечёт необходимость аппаратных издержек для достижения высокой скорости.

Одним из наиболее распространенных катодов аппроксимации контуров является анализ углов касательной к границе. К недостаткам метода относится низкая помехозащищённость.

Из вше сказанного вытекают осношша направления дальней-, ших исследований. Это разработка модели изображений топологических елешнтов изделий РЭА и методики оценки их качества с целью выбора методов фильтрации и бинаризации изображений; разработка методики оценки точности определения положения объектов; разработка методов и алгоритмов описания бииаршк изображений для определения координат объектов; испытания различных . методов определения координат в конкретных системах; разработка средств анализа изображений*

¡Во вуоро^ улавд. разработаны математическая модель изображений топологических элементов РЭА и методика оценки их качества. Проведён выбор методов фильтрации и бинаризации для изображений различных типов. Разработана методика оценки точности определения координат объектов, учитывающая качество из охранений, Предлагаемая математическая модель основана на вероятностном представлении изображений, описываемых случайной функцией яркости 0-(>-,у). За единицу измерения пространства принимается , яркости - уровень. В модели учитываются распределения неравномерности яркости объектов, фронтов переходов мезду объ-

екташ я nryi-л лзсбратштй. Основной характеристикой ^ероята осиной модели для случая двух объектов с площадями S{, S¿ явля -ется готовность распределения яркости

где алряоргше Е-ерояпюсгя -очек порвсго, второго v

фронтов тарэходов мотугу ше.и соответственно уоб.'ш

Здесь: L - длина границы мзжду обьек-гш.и, С - даЕтлльно..:«» фроята.

При нормалтлом распределении лу?да и линейном .capa:,raj. - • -равномерности плотности распре делений яркое ш иорво^о дороги -Jp ебьектег з пэролодор , представляются кс.'.шота-ццей нормального и раваоьэраого распределений

Pl 2б* f1'

где: ~ яазмах неравно?,горностп первого и второго объектов,

(;,, ¿}g - средняя яркость первого и второго объектов, K-tjg-ij^ - контраст, G" - с.к.о. иумп изобразите*. Характер »^равномерности незозмсэдо априорго спро^с-жть, iiuo на кого влияет глюллство факторов, тахсхх каа осо£>зм>глст."с кгдеодат'шкоз, осво«е:шссть, качество пон-ри-соти сСздктд. До~ ьуская язизбожио уиро^рцря, ;:еран;омзркоогь прагий-г-з^ся .сшей • ной прососи* улдзлпроваши» позволяв,ого, одна:сс, рассмог-рать ос;;сягшо закономерности псредешш иодоли.

Согласно предлагаемому в работе подходу качество 'полутонового гзебражзипя определяется результате?! ¿инлшеглда» - кидл-чпоъайх uujiácic классификации то-:ек ззсбраг'жш <Т.оя it объе-к'л Бинарное изображение В (ос, у) есть результат порогового ограничение

_ fx , если W-.yj- , если Сг№,и\<%1 где: g. ~ порог бицаризахти.

гасс-'лгтриваатся сшибки первого рода - вероятность ло-дой тревоги Р^т .и ошибки второго рода - вероятность пропуска Pop , а такш' средний риск R при равной стоимости шкбок первого и второго рода

1ир4Т>лт(д) + ^Рпр{д). ' -

Выбор меры качества для конкретного класса изображений зависит от его особенностей и определяет применимость к данноцу классу соответствующего метода бинаризации, которые различаются по соотношению сшбок первого и второго рода. В работе ес~ следуются пять расцространённых методов бинаризации, в каздом из которых порог $ вычисляется из следующих уравнений.

1. ?.!зтод определения минимума гистограммы: ^' ($) = 0.

2. А-'згод "процентах©*!": ^ =

-оо

3. Кетод анализа гисгогрггад граничных точек (метод Розенфельда) : = ^лт^)-

4. Порог по критерию минимума риска: К'(^) - 0 .

5. Бинаризация по критерию Неймана-Пирсона: , . где С ~ долустишй уровень лозной тревоги.

Исследования на модели перечисленных методов показывают, что казднй из методов обеспечивает различное соотношение ошибок и нкэ&т различную работоспособность, которая определяется воз-могяостыз выбора порога вообще или приемлемого порога в критических условиях при ыазшх контраст© или площади объекта. В качество критериев цриамжвшсти предлагаются предельно допустимые вероятность пропуска точек обьэкта, определяемая возможной погрешностью определения его координат, и вероятность ложных •точек, ограниченная возмозностяш средств описания бинарных изображений. Результаты исследования работоспособности мэтодов бинаризации показывают, что при контрасте, шньшем 30 уровней, наиболее устойчив метод Неймана-Пирсона. При батааеи контрасте устойчивость методов одинакова и щэдпочтитёльнее метод бинаризации, обвспэчнвеаащй ыешсшио искажения результирующих изображений. Таковым является штод бинаризации по минимуцу среднего риска. При контрасте, меньшем 16, ни одан из методов не сбзсце-ЧЕваат требуемого качества изображений.

Лря глашл контрасте необходима фильтрация полутоновых нзо-бразенкй с целъ-о нх "улучшения" - зтйэньтштя вероятностей сшибок бинаризации. Результаты исследований ка модели различных татодов фнлотращш пзобрахеши иредставленн в слздуящвй

таблице.

Метод 6 Р Рщ>'* ( Р 5 % )

К К -20 [К =30

Исходное 7 5 15 52,3 35,4 18,1

Сглаживание 3 7 15 -1 43,4 27,9 12,4

Накошмавз 4 5 15 51,4 33,7 16,0

. Ко:ш£нсшкя поряпгоморяоета • 7 5 0 46,9 10,5 1.7

?,пделвнио , контуров 9 5 0 53,1 20,5 5,3

Йа ана)г«за аявзуог, тко яеквезсяцня нердадоьвраоо^а 2 ш-двлекхе контуров уменьшают вероятность про пуста точек объект в 3 и более раз при контрасте, большем 20.

На точность определения координат объектов влияет главным образом шум границ, средне-квадратичное отклонение которого вычисляется пз уравнений

О? 0,5К. °°

Л tíJi,б7:)dt+SiЫí}dt ,

о,» п - ее

где: » распределение сшибок, Ъ - дзатблькоот». переходи,

^ - порог бннарг.знщш, Ь. - шаг хшзктоБашш. Яри нереальном закоив ряепродэлегких яогрзшноота окредело-iiJi.fi коордаиат спраседтиЕО уравнение'

б'х ехрН 1 «<£ .

В еледувдей таблице приведены результаты исследования на модели заьиснмост ергзлпб-кзадрататиого отклонения ошибки от контраста.

К 50 40 [ 20 "П 20 1 10

, % 6 7 | 10 13 18

» - ./*. г 6,52 0,551 0,66 0,8 | 1,4

Таким образом, предложенная »атеакгвческая иодолъ езобра-женкЭ обличается учёном ведаввоюриоехз интенсивное;"! о&ектоь п йректоа переходов. Разработана ьотодака едвпктг качества иаоЗ-рааданий, закшчакздаагя а яцчгсдеп«« вероятности сяш<?ок пра <5г~ нарззэдт. Исследования на модели показали, что.ерздк юродов бинаризации, различающаяся соотнесением шибок, наиболее устой-

чшзой при малом контрасте и простой в реализации является бинаризация по критерии Неймана-Пирсона, Дяя изображений с относительно высоким контрастом более предпочтительна бинаризация с минимизацией среднего риска. Применение фильтрации полутоновых изобрркений уменьшает величины сшибок бинаризации в 3 и более раза.

В .третьей главе исследуется структурный подход к описанию изображений. Разработана модель абстрактного явтошта о оче -родаю, эквивалентного нормальным грамматикам, разработаны грамматики описания, алгоритма описания и аппроксимации изсбра-вд-пий, предназначенные для определения координат объектов.

Общая зедача описания изображений заключается в вычислении характеристик, пригодных для определения покойения или распознав амш объектов. К числу характеристик, применяемых для определения координат объектов, относятся следующие элементы описания изображений.

1. Площадь S и яершяэор L объекта.

2. функцпа границ объекта H(t) = ХН)-»-] ,t=I... , J

3. Моманты^инергош объекта ^ ^ ^

ы^-hi) и2шьг/Г;

4. Центр а угол наклона объекта Р^МзиЛ

Vc-M-itni/flf;

При разработке метода описания изображений учитывался построчный характер сканирования в телевизионном вадеодатчике. Дня определения связности элекзнтов объектов б различных строках предлагается использовать специальные одномерные структуры ладных. Такиш структура;,ш тут "быть эластична? лента ьшш Тьюринга (I.IT), эквивалентная структура с двушг стека\я и очередь. Известно, что МТ с эластичной лентой или с двумя стеками способны к распознавшшю языков без ограничений, порождаемых соответствующими грамматиками.

Формальная гваьглатика Gr задаётся четвёркой

~ Q-tVa.Vfc.S.P),

где: Va - мнозество нетерминальных символов, Vt - кяогэство термшальнжс символов, S - аксиома, Р - шоаество правил подстановки.

Языки различаются по виду правил иороадазщзх их грамматик. Так языка без ограничений порождаются грагяйатика'ди, правила ко-

торах имеют вид , где: Я »<5 »V - цепочки из тер-

миналов и нетерминалов, возможно пустые. Согласно теореме Поста любая цепочка языка бээ ограничений может порождаться нормально а грамулгикой, правила которой имеет янд [Н1?-* .

В работ© предлагается абстрактный автомат с счсредьа (АО) (расЛ) и показана ого оквивапонтность нормальным грамматикам. Причём, определение связности при построчном сканировании м-болоо гффзкткшо икс-то в АО.

СЕ

Рио.1. Структурная схема автомата с очередью

(

Автомат с очередью включает: - неограниченную справа входную ленту X , сдвигаемую влево и снабжённую читающей головкой И ; - управляющее устройство ф; -.внутреннюю ленту у , неограниченную справа и сдвигаемую влево при считывании символов читгаицой головкой Г2, обозрэваюшей крайнш лезу» ячейку ленты у , а токза снабжённую головкой 13, ког-орая сдаигаагся вправо записи и радио тгр; считывании.

Для описания кзобрагбнпй разр-члстанп иодаль устройства, состоящего из трех послодоватзлзно совдтёттх автоматоъ (рис.2)

(ОД)

Рттс

А01

ю.и. Схег.-л устройства описания изобраа^агй

На вход устройства описания посзупаег- построчно бинарное кзоб-ранениа. Первый автомат с очередью (АО) г&нэрирует на выходе шестнадцатиричный код окрестности рас-гра разгром 2я2 даскротг. Конечный автомат (КА) преобразует цепь сестнадэда'ддлчшГ'; кодо-с в цепь терминалов, отображающих характерные элементы изображений (ХЗй): п. - начало двух контурных линий, о - объединение двух кошупшх линий, г- - заведение двух контурных линий,Г -разветвление двух контурных лаки;*, & - кои'.даюя точка, - ко кец отроки.

БюроЙ автомат с очередью (АОЗ) опродедяот принаду^ннос^ь серий, той ша иной линии и работает в соответствия со следую--щей грамматикой.

-CMVt.Va.S.P) , Vt-tftXo.r.M» P: S-D. В* Ао/#Аг

Анализ показывает, что число шагов автомата Т при распознавания цепи равно длине цепи L . Эта величина минимальна, так ка) необходим хотя бы один шаг любого автомата на кааднй.из элементов цепи. Следовательно, новозмолшо построить автомат с одним управляющим устройством, работающий быстрее. МТ с аяастичной лентой выполняет разбор цейи аа число патов

T-C3(L)+Ci,(LJ+CC4lLHC2a)3*S[C4{l-0-C2(íH)3,

где: М| - j-ий терминал исходной, цепи, fe - код терминала. Эта величина больше числа шагов АО на

Ды изображения средней, сложности отношение W/b равно 0,15, т.е. быстродействие АО на 15% вше МТ. Однако, в принципе возможна модель с таким же быстродействием как у АО. На основе предложенной модели АО разработаны алгоритмы описания изображений и аппаратная реализация устройства описания изобрагэний.

Для определения координат объектов в устройстве реализованы метода истатов и характерных точек. При реализации второго метода необходима аппроксимация кзобраааний некоторш ыноаест-еом точек. Как уже отмечалось, аппроксимация контуров функцией углов касательной к границе весьма чувствительна к шумам. С целы) преодоления этого недостатка разработан метод определения координат концевых точек протягёщшх объектов, у которых длина значительно превышает ширину, и быстрый алгоритм аппроксимации реализуемый в рамках глодали автомата о очередью.

Аппроксимация осуществляется путём анализа функции углов касательной к контуру сШ) ^a-ictjDí'ftJ/yíil]. Находятся точки tp изменения углов касательной на заданную величину U ( для концевых ■ точек объектов U =180 градусов ) и координаты точек Ур

Yp : tp-O^iWUl ,

X^ Xlip-) , -Yp«Yítf),

где: t - приращение длины контура.

Соотношение сигнал/помеха функции jiH) максимально, если она достигает злаченая 180 градусов, что имеет место в концевые

точках пра I , где с1 - ширина объекта. Следовательно,

погрешность определения координат концевых точек наименьшая по сранетопо с косрдияатаггя других элементов объектов и ?логно говорить о высокой пЬгдохозшгщёкности мотода.

Таким образом, разработаны бистродействуняре структурные шзтода когдептов и характерных точек для определения координат объектов. В результата шгслиза нормальных грашатик предложена модель эквивалентного абстрактного автоката с очередью. Показ а-по ( что число лагов автомата при описании изобршззний с аооттюч-нш способогл сканирования равно длине цогш и, следовательно, не существует более эффективной шдзлг. Раяработан мгтод опродо-лвпзл дслцепх ™очек объемов, характеризуемый внеокой помохоэа--щгщЗнноатью. На сспсвэ модели «штоыаха с очеродга разработан алгоритм описания объектов с аппроксимацией концевкш точками.

3, четвёртой главе разработаны программные и аппаратные средства реализации алгоритмов определения координат объектов в различных СТЗ. Приведены результаты испытаний систем.

В работе представлены результата разработки пяти иромышлон-1ШХ систем технического зрения, решающих задачи определения ко-ордшат объектов» Системы работают с изображениями различного класса, отлачаюазогися контрастом и плокадкэ объектов. Кроме того, система различаются требованиями к точности и быстродействию. Обобщенная структурная схема СТЗ иривецона на рно.З.

Рас.З. Обобзфшзя структурная схега. СТЗ. ГСЙ - генератор синхроимпульсов; ТК - телекамера; БА - блок аналоговый; ВКУ - видео--коитродытоо устройство; Щ - тчумоподавитель; БКИ - блок кодирования изобраканлй; БЗУ - буферное . запоминающее устройство; БШ - блок описания.

В блоках СТО выполняются операции в соответствии с обоб-

ценной схемой анализа изображений. Конкретные CIS могут не включать £37, предназначенное для хранения полутонового представления одной строки изображений, или БОН, представляющий собой относительно дорогостоящий и быстродействующий видеопроцессор -аппаратную реализацию автомата с очередью. Блоки систем выполнены в стандарте КАМАК, программное обеспечение написано на языках Ассебяер и Паскаль.

В автоматизированной системе контроля печатных плат АСВК-8 методом характерна точек производится описание топологии с последующим сравнением с эталонным описанием. Такой подход обеспечивает 100$ выявление разрывов и коротких замыканий размером более 70 мкм. В системе применяются компенсация неравномерности и бинаризация изображений по миницуцу риска. При разрешающей способности 28 мкм погрешность измерений: составила 40 мкм, скорость контроля 9 сиг/с за счёт аппаратной реализации алгоритмов.

Установка подготовки программ сверления для станков о ЧПУ "Просвет" предназначена для коррекции программ по фотошаблонам печатных плат. При атом автоматически определяется координаты центров контактных площадок методами моментов или характерных точек. Система отличается высокими требованиями к точности. Погрешность измерений с учётом ошибок координатного стола составила 12 мкм при. разрешающей способности 10 мкм. Програмино-^аппа-ратная реализация алгоритмов обеспечивает производительность 2000 отверстий в час.

Установка монтажа бескорпусных микросхом "Монтая БМ" выпоит няет присоединение проволочных гибких выводов микросхем к контактным площадкам ШС. Входящая в состав установки CIS выполняет определение контактных площадок методом проекций и гибких выводов в трёхмерном пространстве методом характерных точек. ' При малом контрасте применяется корреляционный метод. В системе производится дифференцирование изображений и бинаризация по кри терто Неймана-Пирсона вследствие малой площади объектов. Требования к точности и быстродействию предъявляются не яёсткие. Линейная погрешность определения координат гибкого вывода состав! ла 50 мкм, угловая - 5 градусов. Время монтажа одной, микросхем! составило 2 минуты.

Автоматизированная система визуального контроля сетчатых трафаретов ACBK-I предназначена для определения положения уголков топологии трафаретов и поиска дефектов рисунка: вырывов и

выступов краёв, проколов и патов на трафаретах. Предъявляются жёсткие требования к точности определения координат уголков и невысокие к быстродействию. Характер изображения определил при-ыененио для определения положения уголков метода проекций,обеспечивающего с учётом сшибок стола погрешность измерении 7 мкм при разрезающей способности 4 мкм. Время контроля одного трафарета размером 20x30 мм при программно-аппаратной реализации составляет 20 минут.

Кроме систем для анализа изображений изделий РЭА разработаны установки и для других объектов, допускающих применение изложенных методов и алгоритмов. Установка "Дробь" предназначена для анализа результатов внотрелов из охотничьих ружей. Определяется положение пробоин от дроби на картонных шпенях. Установка отличается большим размером мишени ( до 1x1 ) и малой площадью объектов С менее 1% ). В установке применяется бинаризация по критерию Неймана-Пирсона и метод моментов для определенна координат пробоин. Погрешность измерений составила 200 мкм при разрешающей способности 500 мкм ; быстродействие программной реализации алгоритмов- составило 20Кр1х/о.

В приложениях приведены синтаксический анализ фрагмента • изображения, обзор систем контроля печатных штат, текст микропрограммы видеопроцессора описания изображений на внутреннем языке и акта внедрения результатов работы.

ОСНОВНЫЕ ЕЗЗУЛЬТАШ РАБОТЫ

1. Выбор методов анализа изображения для определения координат топологических элементов изделий РЭА в измерительных СТЗ осуществляется с учётом характеристик изображений, требований

к точности з быстродействию. Проведаны исследования существующих методов определения координат объектов, выявлены их точностные характеристики.

2. Разработаны математическая модель изображений и методика оценки их качества по результатам бинаризации. Проведены исследования на модели методов фильтрации и бинаризации изображений.

3. Проведены теоретические исследования зависимости точности определения координат от качества изображений.

4. С целью эффективной реализации методов определения координат объектов разработана модель абстрактного автомата с

очерэдью, эквивалентного нормальным грамматикам, наиболее быстродействующего при ошсачии изображений в системах о построчным сканированием, разработаны соответствующие грамматики.

5. Разработан помехоустойчивый метод аппроксимации контуров концевыми точками.

6. Разработаны допускающие аппаратную реализации алгоритмы фильтрации и бинаризации; быстродействующие и компактные алгоритмы описания и аппроксимации изображений.

7. Разработаны технические сродства и программное обеспечение информационно-измерительных систем технического зрения.

8. Проведён выбор методов и средств определенна координат объектов, фильтрации и бинаризации для пяти различных СТЗ. Проведены испытания систем, которые подтвердили эффективность и надёжность предложенных методов анализа изображений.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМ ДИССЕРТАЦИИ

2. Афанасьев А.Ы., Златкис В.М., Купчшщус С.Ю., Тептин Ю.1 Конвейерная обработка изображений // Тез. докл. 8 Всесоюзной конференция по теории кодирования и передачи информации.Часть 3. - Куйбышев, 1981. - 0.85-89.

2. Афанасьев А.Н. Повышение качества ввода изображений в ЭВД// Дискретные системы обработки информации: Г&жвуз. сб./Ижевский механ. институт.- Ижевск: ИМИ, 1981.- Вып.З,- с.37-39.

3. Афанасьев А.Н. Обработка многокадровых изобракений//Дис-1фетные системы обработки информации: Межвуз. сб./ Ижевский ш-хан. институт.- Ижевск: ИМИ, 1982.- Вып.4.- с.20-22.

4. Афанасьев А.Н., Златкис Б.М., Тептин Ю.Л. Модели представления, штодц и алгоритмы обработки информации в системе АСОК // Автоматизация обработки сложной графической информации: Межвуз. сб./ Горьковский госуд. университет.- Горький, 1984. -с.Ш-130.

5. Афанасьев А.Н. Язык описания изображений // Тезисы докл. 2 Всесоюзной конференции "Методы и средства обработки ело жной графической информации". - Горький, 1985. - с. 8-9.

6. Афанасьев А.Н., Тептин Ю.Л., Сентябов_В.?. Нормальные грамматики в описании изображений // Тезисы докл. научно-техн. конференции "Разработка систем технического зрения ж их щшме-нение в прошалвнности". - Ижевск, 1986. -с.7-8.;

7. Афанасьев А.Н., Мещеряков A.C., Шихирин В.Н. Алгоритмы

распознавания дефектов печатных гаат // Тезисы докл. научно-техн. конференция "Разработка систем технического зрения и их прикояешге в промшиенност". - Ижевск, 1986,- о.9-10.

8. Афанасьев A.Ii. Параллельный вывод языков// Системы технического зрения: CÖ. отатей / Ижевский механ. институт.-Игавск, 1991. с.19-24.

9. Афанасьев А.П. Параметре! изображений // Систеш технического арония: Сб. статей / Ижевский шхан. инотетут. - йаавок, IS9I. - о.19-£4.

Ю. A.c. I63I56I (СССР). Устройство для выделения злодея-тов ксатура изображений объектов / Тептан В.Л. , Афанасьев А.Н., Златкио В.М., Шихирин В.Н. - Опубл. в Б.1!.. 1991, # 8,

II. A.c. I6I9282 (СССР). Запоминающее устройство / Афанасьев А.Н., Златкио В.Ы., Топтан Ю.Л., Калин Ю.И. - Опубл. в Ш, I99I( JSX.

22, Положительное решение но заявке № 4471989/24 (СССР). УотреЗство для контроля печатных плат / Афанасьев A.B. и др.

13. Кешн Ю.И., Афанасьев А.Н., Юдашкина Н»В. Автоматизация визуального контроля печатных плат // Тезисы докл. Еоеоссз-ной нцучно-техн. конференции "Разработка систем технического • зрения и их применение в промышленности". Часть 2.-Уфа, 1992,0.33.

14. Афанасьев Д.И., 1Сазнн Ю.И., Нагаев Б.В., Тептш Ю.Л. Установка монтажа боскорцуснях микросхем с гибкими выводами // Системы технического зрения: Сб. статей / Севастопольский приборостроительный институт. Севастополь, 1992.- c.5S-60.

Подписано в начать 8.02.93, Форкат 60x84/16 Уч.-иад. л.0,93. Тираж 100 экз. Закав JM 2€ Редакционно-Ездательский отдел Ижевского механического института Ротапринт ИШ Адрео инотитута а ротапринта: 4260^3 .Ижевск, Студенчески ул., 7.