摘要：介紹了電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)發(fā)展的影響，以及與計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)相關(guān)的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)ＬａｂＶＩＥＷ和圖像處理軟件ＩＭＡＱ Ｖｉｓｉｏｎ的特點(diǎn)，重點(diǎn)說(shuō)明了模型匹配新技術(shù)的原理和特性，并給出這些新技術(shù)在ＩＣ標(biāo)記檢驗(yàn)中的應(yīng)用實(shí)例。 關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù) 虛擬儀器 圖形編程語(yǔ)言 圖像處理 計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在農(nóng)業(yè)、通信、交通、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛用途。在以往的計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)中，圖像采集卡和ＰＣ機(jī)之間基本上都需要有專門的圖像處理裝置。這些圖像處理裝置通常以專門的ＣＰＵ或高速ＤＳＰ芯片為核心，需要設(shè)計(jì)專門的電路，用匯編或Ｃ等語(yǔ)言編程。因此，使得整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作量大，周期長(zhǎng)，成本高。近幾年來(lái)，日新月異的計(jì)算機(jī)技術(shù)促進(jìn)了基于ＰＣ機(jī)的測(cè)控儀器（也稱為虛擬儀器，其中包括計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)）技術(shù)的發(fā)展。計(jì)算機(jī)和電子測(cè)量領(lǐng)域不斷有新的技術(shù)推出，例如為增強(qiáng)多媒體功能而開(kāi)發(fā)的ＭＭＸ技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)１３２ＭＢ／ｓ的ＰＣＩ局部總線和速度越來(lái)越快的ＣＰＵ，以及功能越來(lái)越強(qiáng)大的操作系統(tǒng)和圖像處理軟件，還有性能優(yōu)異的圖像采集卡等；使得ＰＣ機(jī)的圖像處理能力大大增強(qiáng)。在新型的計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)中，ＰＣ機(jī)可直接對(duì)圖像采集卡采集到信號(hào)進(jìn)行快速的處理，在功能和速度等方面能滿足大多數(shù)工程應(yīng)用的要求。 目前，在ＩＣ生計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)、產(chǎn)過(guò)程中的大部分工序中都利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行在線的過(guò)程監(jiān)控。其中的一個(gè)工序是ＩＣ標(biāo)記質(zhì)量的在線檢驗(yàn)。標(biāo)記質(zhì)量檢驗(yàn)包括對(duì)ＩＣ表面的標(biāo)記（商標(biāo)圖案和字符）的位置、角度、清晰程度、是否缺損和錯(cuò)漏等情況的檢驗(yàn)。ＩＣ上的標(biāo)記通常用激光刻繪或印刷的方法加工而成。據(jù)了解，國(guó)內(nèi)的半導(dǎo)體器件制造業(yè)所配置的計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)均為外國(guó)產(chǎn)品，ＩＣ標(biāo)記質(zhì)量檢驗(yàn)計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)的主要生產(chǎn)商是ＩＣＯＳ公司和ＨＰ公司，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在使用的系統(tǒng)基本上是需要專門圖像處理裝置的舊式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。 根據(jù)一家ＩＣ生產(chǎn)廠家所提出的技術(shù)要求，我們采用計(jì)算機(jī)視覺(jué)新技術(shù)設(shè)計(jì)了一套ＩＣ標(biāo)記質(zhì)量檢驗(yàn)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱為ＩＣ檢驗(yàn)系統(tǒng)）。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活、功能強(qiáng)和性能價(jià)格比高等特點(diǎn)。 １ ＩＣ檢驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和配置 １．１ 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) ＩＣ檢驗(yàn)系統(tǒng)由光源、鏡頭、ＣＣＤ攝像機(jī)、圖像采集卡、ＰＣ機(jī)和專門的應(yīng)用軟件組成。ＩＣ檢驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖１所示。 在工廠中，ＩＣ檢驗(yàn)系統(tǒng)需與專門的傳送包裝系統(tǒng)相互配合才能完成ＩＣ標(biāo)記質(zhì)量的檢驗(yàn)和包裝工作。ＩＣ標(biāo)記質(zhì)量檢驗(yàn)工序主要有以下幾個(gè)步驟：首先由傳送包裝系統(tǒng)先將ＩＣ逐個(gè)裝入條狀塑料包裝帶的空格內(nèi)，包裝帶在ＩＣ檢驗(yàn)系統(tǒng)的鏡頭下方一格一格地快速移動(dòng)。包裝帶每移動(dòng)一次，傳送包裝系統(tǒng)就會(huì)通過(guò)接口電路查詢ＩＣ檢驗(yàn)系統(tǒng)是否處于準(zhǔn)備就緒的狀態(tài)；是則發(fā)出信號(hào)通知ＩＣ檢驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)ＩＣ進(jìn)行測(cè)試。若檢驗(yàn)合格，包裝帶前移一格，再重復(fù)前面的步驟。若ＩＣ不合格，ＩＣ檢驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)通知傳送包裝系統(tǒng)更換ＩＣ，待ＩＣ更換后，再進(jìn)行檢驗(yàn)。 １．２ 系統(tǒng)的配置 ＣＣＤ攝像機(jī)：敏通公司的ＭＴＶ－１８８１ＥＸ型１／２″黑白攝像機(jī)，７９５（Ｈ）×５９６（Ｖ）圖像像素，６００ＴＶ線水平分辨率，最低照度０．０２１ｘ，信噪比優(yōu)于４８ｄＢ。 圖像采集卡：美國(guó)國(guó)家儀器 ＮＩ）公司的ＰＣＩ－１４０８型單色圖像采集卡，采用ＰＣＩ總線，具有８位分辨率，更新速率為２５幀／ｓ（ＰＡＬ）。該卡有４根觸發(fā)信號(hào)和８根同步信號(hào)線，可用于與其它ＤＡＱ卡或外部設(shè)備通信聯(lián)絡(luò)。 ＰＣ機(jī)：聯(lián)想ＰＩＩＩ／４５０，６４Ｍ內(nèi)存，８．４Ｇ硬盤。 操作系統(tǒng)：Ｗｉｎｄｏｗｓ ９８。 應(yīng)用軟件：自行開(kāi)發(fā)的ＩＣ標(biāo)記質(zhì)量檢驗(yàn)程序。 ２ 開(kāi)發(fā)工具軟件 以軟件為中心是虛擬儀器的一大特點(diǎn)，虛擬儀器的開(kāi)發(fā)往往以軟件為主。因此，選擇好的開(kāi)發(fā)工具軟件十分重要。我們采用了ＮＩ公司的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)ＬａｂＶＩＥＷ ５．１和圖像處理軟件包ＩＭＡＱ Ｖｉｓｉｏｎ ５．０作為開(kāi)發(fā)工具。 ２．１ ＬａｂＶＩＥＷ ＬａｂＶＩＥＷ是一種基于圖形編程語(yǔ)言的虛擬儀器應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，特別適用于測(cè)試、測(cè)量、儀器控制、過(guò)程監(jiān)控和工業(yè)自動(dòng)化等方面的工程應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)。它采取編譯方式生成的應(yīng)用程序可脫離開(kāi)發(fā)平臺(tái)而獨(dú)立運(yùn)行，運(yùn)行速度與Ｃ語(yǔ)言相當(dāng)。它在數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)表達(dá)等方面有很強(qiáng)的能力，并且具有直觀易學(xué)和編程效率高等特點(diǎn)。與通用編程語(yǔ)言（例如ＶＣ和ＶＢ）相比，可節(jié)省一半以上的軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間。它可通過(guò)ＤＬＬ等多種方式與其它語(yǔ)言的應(yīng)用程序連接。ＬａｂＶＩＥＷ ５．１版在很多方面作了改進(jìn)，例如加強(qiáng)了信號(hào)處理和分析、３Ｄ圖形顯示和報(bào)告生成的功能，以及ＡｃｔｉｖｅＸ和網(wǎng)上數(shù)據(jù)交換等方面的功能。 ２．２ ＩＭＡＱ Ｖｉｓｉｏｎ ｆｏｒ ＬａｂＶＩＥＷ ＩＭＡＱ Ｖｉｓｉｏｎ包含一系列ＭＭＸ優(yōu)化函數(shù)。它使ＬａｂＶＩＥＷ具有科研和工程中常用的圖像處理功能，例如各種類型的濾波、統(tǒng)計(jì)、幾何變換和圖像顯示的功能，還有模型匹配、邊緣檢測(cè)、斑點(diǎn)分析和測(cè)量等功能。ＩＭＡＱ Ｖｉｓｉｏｎ ５．０在模型匹配和感興趣區(qū)域ＲＯＩ的控制等方面作了進(jìn)一步的改進(jìn)，總體性能有了明顯的提高。 ３ 模型匹配的新技術(shù) ＩＣ檢驗(yàn)系統(tǒng)采用了ＩＭＡＱ Ｖｉｓｉｏｎ中的圖像處理新技術(shù)，其中最有特色的是模型匹配技術(shù)。模型匹配是最常用的圖像處理方法之一。傳統(tǒng)的模型匹配常采用相關(guān)算法。該方法處理速度較慢，而且對(duì)匹配對(duì)象的大小比例和角度的變化有很大的限制。 ＩＭＡＱ Ｖｉｓｉｏｎ ５．０的模型匹配技術(shù)采用了三種新方法：高效率的非均勻圖像采集、與旋轉(zhuǎn)和大小比例無(wú)關(guān)的樣板信息提取，以及圖像的幾何建模。這些新方法大大提高了模型匹配的速度。 將一幅圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息時(shí)，往往包含大量冗余信息。如果對(duì)一幅圖像的所有信息進(jìn)行模型匹配處理，將會(huì)很費(fèi)時(shí)。但是，如果只對(duì)圖像中有代表意義的部分進(jìn)行采樣，就可以大大減小要處理的信息量，從而加快了處理速度。圖２是非均勻采樣法原理示意圖。圖２（ａ）是樣板（Ｔｅｍｐｌａｔｅ）的原始圖像，圖２（ｂ）中 的黑點(diǎn)用來(lái)表示那些代表樣板圖像的信息。顯然，在圖像中灰度均勻的區(qū)域采樣點(diǎn)較少，灰度變化大的區(qū)域采樣較多，采樣的密度隨圖像內(nèi)的情況自動(dòng)調(diào)整。 邊緣檢測(cè)的方法能提供有關(guān)圖像結(jié)構(gòu)的信息，一個(gè)圖像中圖形邊緣的信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于整個(gè)圖像的信息。邊緣信息還可以作進(jìn)一步處理，以提取圖像中幾何形狀圖形有關(guān)的數(shù)據(jù)，例如被測(cè)圖像中直線和園形的數(shù)量等。模型匹配中匹配對(duì)象的計(jì)數(shù)可簡(jiǎn)化為幾何圖形的匹配處理。圖３是邊緣檢測(cè)和幾何建模技術(shù)示意圖。圖３（ａ）是樣板圖像，圖３（ｂ）是圖形邊緣強(qiáng)化后的圖像，圖３（ｃ）是以幾何形狀表示圖形邊緣的圖像。 ＩＭＡＱ Ｖｉｓｉｏｎ中與模型匹配相關(guān)的函數(shù)綜合運(yùn)用了非均勻采樣、邊緣檢測(cè)和幾何建模等方法，令模型匹配快速而準(zhǔn)確，并允許匹配對(duì)象可以有０～３６０度的旋轉(zhuǎn)和一定范圍的大小比例變化。即使是在照明狀況有變化（指均勻變化）、鏡頭聚焦不太好和部分圖形被隱藏的情況下，也能取得相當(dāng)準(zhǔn)確的結(jié)果。 ４ 軟件設(shè)計(jì) ４．１ ＬａｂＶＩＥＷ編程的基本方法 用ＬａｂＶＩＥＷ開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序主要由面板和流程圖組成。面板的設(shè)計(jì)相當(dāng)簡(jiǎn)便快捷，因?yàn)椋蹋幔猓郑桑牛子泻茇S富的控件庫(kù)，其中包含工程上常用的各種各樣的開(kāi)關(guān)、旋鈕，表頭、數(shù)值指示器和波形顯示器等儀表面板部件。設(shè)計(jì)面板的基本工作就是從控件庫(kù)中選取所需的控件，并以很簡(jiǎn)便方法為它們?cè)O(shè)置合適的屬性（例如尺寸、顏色、量程等）和位置。如有需要，這些屬性可通過(guò)程序進(jìn)行調(diào)整。面板上的所有控件都會(huì)在流程圖中自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的圖標(biāo)。ＬａｂＶＩＥＷ的函數(shù)庫(kù)內(nèi)有上千種函數(shù)和子程序，它們也是以圖標(biāo)形式出現(xiàn)。流程圖主要由面板上控件的圖標(biāo)、函數(shù)圖標(biāo)和連線組成。通常情況下，在圖標(biāo)左側(cè)連接輸入?yún)?shù)，而輸出參數(shù)從圖標(biāo)右側(cè)引出。設(shè)計(jì)流程圖的基本方法是：從函數(shù)庫(kù)中選取所需的函數(shù)圖標(biāo)，并按照數(shù)據(jù)在程序中傳送的順序把它們和控件圖標(biāo)的位置統(tǒng)一編排好，再用連線工具將圖標(biāo)都連接起來(lái)。 ４．２ 模型匹配函數(shù)的編程 ＩＭＡＱ Ｖｉｓｉｏｎ中的模型匹配函數(shù)ＩＭＡＱ Ｍａｔｃｈ Ｐａｔｔｅｒｎ可提供所有查找到的匹配對(duì)象的檢測(cè)結(jié)果，其中包括匹配對(duì)象的數(shù)目、位置坐標(biāo)、旋轉(zhuǎn)角度、大小比例和相似程度計(jì)分（以１０００分為滿分）。模型匹配函數(shù)需要以下幾個(gè)相關(guān)函數(shù)的配合才能得到正確的結(jié)果。 （１）學(xué)習(xí)模式設(shè)置函數(shù)（ＩＭＡＱ）用于設(shè)定建立樣板模型時(shí)的學(xué)習(xí)模式。學(xué)習(xí)模式有三種：僅允許樣板位移的模式，僅允許樣板旋轉(zhuǎn)的模式，以及允許樣板位移和旋轉(zhuǎn)的模式。 （２）學(xué)習(xí)建模函數(shù)（ＩＭＡＱ）運(yùn)用模型匹配新方法將樣板的原始圖像轉(zhuǎn)換成描述數(shù)據(jù)形式的樣板模型。 （３）模型匹配參數(shù)設(shè)置函數(shù)ＩＭＡＱ Ｓｅｔｕｐ Ｍａｔｃｈ Ｐａｔｔｅｒｎ用于集合最小對(duì)比度和匹配模式等多種參數(shù)。 圖４是一個(gè)模型匹配程序（流程圖）實(shí)例，用來(lái)說(shuō)明模型匹配的基本編程方法。 我們用自編的測(cè)試程序?qū)δＰ推ヅ浜瘮?shù)的幾項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試是在Ｉ