4.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО ЧТЕНИЯ ЭСКИЗОВ СЛОЕВ ТОПОЛОГИИ ПЛАТ ПЕЧАТНОГО МОНТАЖА

Экспериментальные системы автоматического чтения документов предназначены для отработки методов, алгоритмов обработки изображений, вводимых в ЭВМ с реальных документов аппаратурой растрового ввода (см. гл. 2). Такой этап представляется естественным и необходимым, поскольку отсутствует единая методика создания подобных систем. Именно этот факт объясняет появление ряда экспериментальных систем. Опишем одну из них, построенную на базе передающего фототелеграфного аппарата «Ладога» (см. § 2.1), ЭВМ ЕС-1020 (ЕС-1022) и предназначенную для чтения эскизов слоев топологии плат печатного монтажа.

Описание системы начнем с организации данных в памяти ЭВМ. Графическая информация, считываемая с помощью фототелеграфного аппарата, вначале образует в памяти ЭВМ двумерную двоичную матрицу I, в которой единичные значения соответствуют зачерненным элементарным участкам растра изображения, а нулевые — белым участкам.

В процессе обработки исходная матрица I трансформируется в промежуточное описание, состоящее из матрицы линий (МЛ) и матрицы точек (МТ). Каждый элемент МЛ и МТ соответствует одному узлу координатной сетки изображения. Элементы МЛ являются 8-разрядными, а наличие единицы в каком-либо разряде указывает на прохождение через узел координатной сетки линии, имеющей направление, закрепленное за данным разрядом (рис. 4.9). Элементы МТ указывают наличие точки на изображении в узле координатной сетки.

Рис. 4.9. Структура записи элемента матрицы линий

Рис. 4.10. Структура записи, описывающей прямолинейный отрезок печатного проводника

Результат распознавания элементов платы представляется в виде массивов описаний проводников и контактных площадок. Описание отрезка печатного проводника имеет формат, изображенный на рис. 4.10.

Тип печатного проводника определяется в соответствии с табл. 4.2. В первом 32-разрядном слове описания указывается номер узла координатной сетки (элемента МЛ), в котором находится один из конце» прямолинейного отрезка проводника. Во втором слове — номер узла со вторым концом отрезка (рис. 4.10).

Описание контактной площадки может иметь один из трех форматов, показанных на рис. 4.11. Для контактной группы микросхемы описание представляется в формате 1, если большая сторона прямоугольника, изображающего группу, горизонтальна или в формате 2, если большая сторона прямоугольника, изображающего группу, вертикальна. В формате 1 номер узла указывает на нижний конец отрезка единичной длины, изображающего контактную площадку, в формате 2 — на левый конец такого отрезка.

Рис. 4.11. Структура записей описания контактных площадок

Формат 3 используется для описания контактных площадок круглой формы. Параметр «количество точек» определяет тип контактной площадки в соответствии с табл. 4.1, а номер узла указывает на центр контактной площадки.

Процесс ввода и программной обработки эскиза платы печатного монтажа разбит на два этапа. На первом — выполняется ввод факсимильного изображения и преобразование его в МЛ и МТ, которые представляют собой более компактное по сравнению с черно-белой мозаикой описание эскиза. На втором — осуществляется коррекция МЛ и МТ, распознавание элементов эскиза и построение выходного файла.

Метод построения МЛ и МТ, называемый методом гибкого зондирования вдоль линий сетки, основан на просмотре лишь узких полос пространства вдоль хода горизонтальных линий координатной сетки с целью обнаружения в них изображений линий. Зоны, где линии прерываются, обследуются в более широкой полосе, чтобы убедиться, что линия действительно закончена, либо, чтобы обнаружить изгиб линии, т. е. допустимое ее отклонение от координатной линии. При этом, поскольку поиск осуществляется в полосе более широкой, чем ширина линии, удается обнаружить и зафиксировать следы пересечения таких полос вертикальными и диагональными линиями. Информация такого рода рассматривается как исходная для организации поиска вертикальных и наклонных линий подобно тому, как это делалось для горизонтального направления. Несмотря на то, что такой подход существенно сокращает общее поле просмотра, он занимает около 80% от общего времени обработки изображения.

Охарактеризуем более подробно первичную обработку эскиза, т. е. процесс перехода от матрицы I к матрице МЛ и МТ. Первичная обработка эскиза осуществляется в три этапа: обработка линий координатной сетки, обработка горизонтальных линий эскиза и обработка вертикальных и наклонных линий эскиза.

Программная обработка изображения базовых линий дает возможность получить информацию о положении линий сетки на поле изображения. Это позволяет на последующих этапах программной обработки производить корректировку значений координат точек изображения, подлежащих привязке, если ввод документа осуществлен с перекосом из-за небрежности оператора при первичный установке документа.

Результатом обработки горизонтальных линий изображения должно быть их описание в МЛ. Выделение горизонтальной линии изображения выполняется следующим образом. Двоичная матрица I делится на зоны. Каждая зона содержит три строки изображения. При этом положение центральной строки зоны Определяется координатами пары горизонтальных рисок базовой линии, задающей соответствующую горизонтальную линию КС. Каждая центральная строка вместе с примыкающими к ней соседними строками образует трехстрочную зону поиска горизонтальных линий. Поиск линии осуществляется по характеристике зоны, полученной

в результате дизъюнкции входящих в эту зону строк. При этом минимальная длина линии считается равной расстоянию между двумя соседними рисками координатной сетки.

Для каждой из выделенных в зоне горизонтальных линий находится множество узлов координатной сетки, через которые проходит линия. Соответствующие этим узлам элементы MЛ снабжаются описанием горизонтальных линий.

В процессе поиска горизонтальных линий в зоне поиска могут обнаруживаться участки, содержащие отходящие в вертикальном или диагональном направлениях отрезки. Назовем такие участки следами вертикальных и наклонных линий. Информация о них фиксируется соответствующим образом и используется на следующем этапе первичной обработки.

Описания вертикальных и наклонных линий изображения выполняются после анализа фрагментов изображения, содержащих следы этих линий, обнаруженных на предыдущем этапе первичной обработки. Окрестность узла координатной сетки, близ которого были обнаружены следы линий, зондируется в шести направлениях: вверх, вниз, вверх и влево, вверх и вправо, вниз и влево, вниз и вправо от узла. Протяженность зондирования выбрана таким образом, чтобы надежно гарантировать распознавание отрезков (вертикальных и наклонных). Описания обнаруженных в окрестности данного узла отрезков линий добавляются в соответствующий этому узлу элемент МЛ. В случае, если зондирование, инициированное следом линии, не обнаруживает вертикального или горизонтального отрезка, то это означает, что точка выявлена и необходимо внести изменения в матрицу точек МТ.

Последующие этапы преследуют цель выделения множеств фрагментов изображений определенного типа и построения описаний для них. Такими фрагментами являются условные графические обозначения контактных площадок круглой формы, библиотечных групп, областей металлизации, участков печатных проводников. Распознавание перечисленных объектов основано на выявлении локальных признаков их изображений, характерных лишь для того или иного типа. Такими признаками служат либо штрихи соответствующей длины и направления в изображении контактных площадок круглой формы, либо специфическое расположение штриха-указателя контура области металлизации.

В результате обработки сжатого описания изображения платы, представленного в виде МЛ и МТ распознавание элементов изображения осуществляется в следующем порядке: контактные площадки, элементы библиотечного типа, границы областей металлизации, печатные проводники. Описания распознанных элементов представляются в виде таблиц, содержащих информацию о типах элементов и их координатах на поле изображения эскиза. По мере распознавания элементов изображения описание соответствующих линий и точек удаляется из МЛ и МТ.

Для распознавания элементов библиотечного типа генерируется их описание в виде фрагмента Поиск элементов на изображении

платы осуществляется наложением построенного таким образом трафарета на MЛ эскиза. Распознанные элементы библиотечного типа описываются как множество контактных площадок. Связи между соседними контактами представляются в виде печатных проводников длиной 1 дискрет координатной сетки.

После распознавания контуров экранных проводников зоны металлизации, ограниченные контурами, «покрываются» печатными проводниками, описание которых заносится в массив печатных проводников. После удаления изображений контактных площадок, элементов библиотечного типа и границ областей металлизации в MЛ и МТ остается только изображение печатных проводников. На нем выделяются прямолинейные участки печатных проводников, определяются их типы и соответствующие описания заносятся в массив печатных проводников.

Система автоматического чтения ЭСТ должна обеспечивать высокую достоверность результирующей информации. На этапах после построения MЛ и МТ предусмотрена автоматическая коррекция матриц, если избыточность в изображении позволяет ее выполнить. Предусмотрен ряд эвристических процедур, основанных либо на отыскании наиболее правдоподобных мест потери штриха, либо появлении ложного штриха. Система обращается к этим процедурам в случаях, когда не удается завершить построение того или иного типа фрагмента изображения. В любой из подобных ситуаций независимо от того, удается ли при этом завершить выделение законченного фрагмента или нет, система делает сообщение оператору о внесенных коррекциях.

Для обеспечения достоверности также предусмотрена генерация системой контрольного документа, который при безошибочном вводе и обработке выглядит точно так же, как исходный ЭСТ. Генерация контрольного документа осуществляется по матрицам MЛ и МТ. Оператор, получив контрольный документ, сравнивает его с исходным ЭСТ, отмечая при этом все несоответствия. Ошибки, обнаруженные в результате такого контроля, могут быть исправлены оператором с помощью директив коррекции.

В директиве коррекции указываются координаты узла КС и предписывается либо удалить, либо поместить линию или точку в этот узел. В случае, если корректировка касается линии, то в директиве должна содержаться информация об ее направлении.

Опытная эксплуатация системы в производственных условиях позволила сделать следующие выводы.

Масштаб 2: 1 для ЭСТ неудобен в основном из-за трудностей ого изготовления человеком. Кроме того, уровень ошибок, допускаемых системой (исправляются оператором после сверки ЭСТ с контрольным документом), примерно в 3 раза выше, чем в случае применения масштаба 4 : 1.

При вводе эскизов размерами 250X400 мм2, выполненных в масштабе 4 : 1 на листе миллиметровой бумаги с помощью черного фломастера, среднее число ошибок было равным 3—4, т. е. оператору пришлось внести исправления, относящиеся к 3—4 узлам

координатной сетки. Программная обработка на ЭВМ ЕС-1022 изображений с эскизов указанных выше размеров после завершения физического фотосчитывания занимает в среднем 30 мин. Время сверки контрольного документа и ЭСТ у оператора не превышало 10 мин.

Таким образом, система показала высокую эффективность и пригодность к использованию в производственных условиях. При ее применении в несколько раз сокращается время ввода в ЭВМ графической информации по сравнению с системами, основанными на использовании сколочных полуавтоматов. Однако программная обработка, применяемая при автоматическом считывании ЭСТ, имеет узкоспециализированный характер. Это обусловлено-достаточно жесткими ограничениями, накладываемыми на линии изображения, а также отсутствием в программе средств распознавания символов. Рассмотрим алгоритмическую обработку изображений, в той или иной степени свободную от этих недостатков.