基于深度学习的印刷电路板瑕疵识别

说明

根据读者反映，咱们的这个PCB素材设置的不对，应该是没有漆，铜线等等，应该是黑白的。额，具体我也知道，但没去过工厂，实在很难获得这些素材。。。
所以就当是一次瑕疵识别的实践，具体的数据集你可以自己定义。代码在Github:
Source code : https://github.com/Ixiaohuihuihui/Tiny-Defect-Detection-for-PCB

一点心路历程，供需要做瑕疵识别的同学参考。
PCB瑕疵识别是毕业设计的题目，要求能够定位印刷电路板上面的瑕疵位置和瑕疵类别。为了完成毕业设计，我们实验室同一级的6个小伙伴对这个印刷电路板瑕疵识别进行了一系列探索。

PCB数据集

现在几乎没有开源的PCB数据集，可以用于深度学习训练的PCB瑕疵数据集，所以我们实验室的wepon同学重点是制作了一个简单的PCB瑕疵数据集，包括拍摄PCB图像，瑕疵是PS的（因为工厂生产出来的很少有缺陷样本），标注数据集。需要注意的是：我们处理的PCB是裸板，也不是多层的。

你可以从这里下载数据集：http://robotics.pkusz.edu.cn/resources/dataset/

瑕疵包括六种：missing hole, mouse bite, open circuit, short, spur, spurious copper. 整个数据集有693张图片，一张图片上有3-5个瑕疵，并提供了相应的annotation_file。

数据集示例：

数据集里的图片是上图这样的，分辨率比较高。而且数据集比较小，所以我进行了一系列的data augmentation操作，包括裁剪，改变亮度等。

我实际跑实验的数据集如上图所示，600*600大小的图片，而且亮度也比原来的图片更高。

Source code : https://github.com/Ixiaohuihuihui/Tiny-Defect-Detection-for-PCB
My paper: https://digital-library.theiet.org/content/journals/10.1049/trit.2019.0019

一点经验

刚开始做印刷电路板的瑕疵识别是在2018年的3月，那时候经过调研，知道了有传统方法，最简单的是拿标准图片和待测图片进行pixel to pixel的XOR操作，这样可以得到瑕疵的位置。至于瑕疵的分类，可以设计一系列的规则，如欧拉数，连通数等。
我当时毕业设计走的不是这条路，而是转化为了分类问题。因为当时采集的数据库，没有标注瑕疵。比如说一张有瑕疵的图，和标准图片对比，知道可能有瑕疵的位置，然后把这个瑕疵位置抠出来，然后分类问题就比较简单了，我用过SVM+BoW, 还用了一个简单的CNN网络去分类，效果还不错。但这不是一个end-to-end的，即得到瑕疵位置和瑕疵类别是分开进行的。真心塞。。。但起码还是顺利毕业了，并且没有打算再研究瑕疵检测问题。
至此为止，我能想到的创新点有：（1）在提取瑕疵位置阶段，你可以设计robust feature，或similarity metric 去判断标准图像和待测图像哪里不同，这个位置就是疑似瑕疵位置；（2）在瑕疵分类阶段：可以做的工作多了，在当时，将深度学习运用到工业瑕疵检测也算一个创新点，不过现在不行了。在这个阶段，你可以设计合适的网络将深度学习运用到瑕疵检测上，也可以设计更合理的feature提取规则。
为什么要用deep learning? 弱语义信息不代表没有语义信息；PCB多种多样，传统方法不能适应所有的规则。
天有不测风云，研究生入学一个月以后，boss又要求我们做PCB的瑕疵检测。
这个阶段我就开始思考，瑕疵检测是一个目标检测问题，即给定一张待检测PCB图片，要回归出瑕疵的位置和得到瑕疵的类别。这就是大火的目标检测问题呀。
于是我直接用Faster R-CNN去训练了一个模型，https://github.com/smallcorgi/Faster-RCNN_TF, 效果不好，就没一个能检测出来的；总结原因有：图片太大了，瑕疵又非常的小，Faster R-CNN又不适合检测小物体；原来拍数据集的时候，亮度太暗了等等；
深度学习从低层到高层不断去提炼高层语义信息，特征的深入，层数的增大，细节的信息丢失得越来越多，对于缺陷检测，细节是很重要的东西。
从这张特征可视化图片看到，随着提取特征层数的增加，电路板的特征越来越模糊。（还能利用这种特征检测什么?
这是一个底层视觉任务，轻语义信息，重纹理信息。
接下来查资料，发现FPN适用于多尺度检测问题，最后我也是采用这个解决方案。说一下我的流程吧：
（1) 扩充数据集，最终的数据集有10668张，可训练的瑕疵有21664个。
（2）设计合理的anchor；
（3）不同尺度的特征融合，参考FPN；重点就是这个multi-scale feature fusion，提升小目标检测的关键；
（4）一些策略吧：roi align，ohem， soft nms
总结：设计合适的网络是关键，各种tricks都可以试一下，当然，数据集的质量也特别重要。
放一些我检测PCB瑕疵的效果图：

这是检测短路，是的，这是毕设时候P的瑕疵，好假。

这是检测的断路。这是入学以后P的瑕疵了，同学P的瑕疵还可以。

这是检测鼠咬，其中把P的那个圈圈也检测成missing_hole了，不过这种工业检测更担心的是漏检率，也就是recall。

总结

这个项目还是让我打下了一点目标检测的基础，好好学习。