基本功能演示
摘要：
PCB板缺陷检测在电子制造行业中具有重要的意义。随着电子产品的普及和需求的不断增长，对PCB板的质量和可靠性要求也越来越高。PCB板作为电子产品的核心组件，其质量直接影响到整个产品的性能和稳定性。因此，对PCB板进行缺陷检测是确保产品质量的关键步骤。本文基于YOLOv8深度学习框架训练一个进行PCB板缺陷检测的模型，开发了一款PCB板缺陷检测系统，可用于检测常见的6种PCB板缺陷。并结合python与PyQT5实现了UI界面，更方便进行功能的展示。该软件支持图片、视频以及摄像头进行PCB板缺陷检测，并保存缺陷检测结果。本文提供了完整的Python代码和使用教程，给感兴趣的小伙伴参考学习，完整的代码资源文件获取方式见文末。
前言
PCB板缺陷检测在电子制造行业中具有重要的意义。随着电子产品的普及和需求的不断增长，对PCB板的质量和可靠性要求也越来越高。PCB板作为电子产品的核心组件，其质量直接影响到整个产品的性能和稳定性。因此，对PCB板进行缺陷检测是确保产品质量的关键步骤。
PCB板缺陷检测的应用场景非常广泛，主要包括以下几个方面：
工业生产：在PCB板的生产过程中，通过实时检测和识别各种缺陷类型，可以有效地提高生产效率和产品质量。同时，通过对缺陷数据的统计和分析，可以为生产过程提供优化建议，降低生产成本。
维修与维护：在电子产品的使用过程中，可能会出现PCB板损坏的情况。通过对损坏的PCB板进行缺陷检测，可以快速定位问题所在，为维修人员提供有效的参考信息，缩短维修周期。
质量控制：在PCB板的出厂检验环节，通过对PCB板进行缺陷检测，可以确保产品符合质量标准，提高客户满意度。此外，通过对历史缺陷数据的分析，可以发现潜在的质量问题，为企业的质量改进提供依据。
研发与设计：在PCB板的设计阶段，通过对设计方案进行缺陷预测和评估，可以在设计初期发现并解决潜在问题，提高产品的可靠性和性能。同时，通过对不同设计方案的缺陷比较，可以为设计师提供优化建议，提高设计水平。
博主通过搜集PCB板缺陷的相关数据图片，根据YOLOv8的目标检测技术，基于python与Pyqt5开发了一款界面简洁的PCB板缺陷检测系统，可以检测常见的6种PCB板缺陷。可支持图片、视频以及摄像头跌倒检测，同时可以将图片或者视频检测结果进行保存。
软件基本界面如下图所示：
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一、软件核心功能介绍及效果演示
软件主要功能
1. 可用于检查常见的6种PCB板缺陷，缺陷分别为：【缺失孔、老鼠咬痕、开路、短路、毛刺、铜渣】;
2.支持图片、视频及摄像头进行PCB板缺陷检测，同时支持图片的批量检测；
2. 界面可实时显示目标位置、目标总数、置信度、用时等信息;
3. 支持图片或者视频的检测结果保存；
（1）图片检测演示
点击图片图标，选择需要检测的图片，或者点击文件夹图标，选择需要批量检测图片所在的文件夹，操作演示如下：
点击目标下拉框后，可以选定指定目标的结果信息进行显示。 点击保存按钮，会对视频检测结果进行保存，存储路径为：save_data目录下。
注：1.右侧目标位置默认显示置信度最大一个目标位置。所有检测结果均在左下方表格中显示。
单个图片检测操作如下：
批量图片检测操作如下：
（2）视频检测演示
点击视频图标，打开选择需要检测的视频，就会自动显示检测结果。点击保存按钮，会对视频检测结果进行保存，存储路径为：save_data目录下。
（3）摄像头检测演示
点击摄像头图标，可以打开摄像头，可以实时进行检测，再次点击摄像头图标，可关闭摄像头。
（4）保存图片与视频检测结果
点击保存按钮后，会将当前选择的图片【含批量图片】或者视频的检测结果进行保存。检测的图片与视频结果会存储在save_data目录下。
二、模型的训练、评估与推理
1.YOLOv8的基本原理
YOLOv8是一种前沿的目标检测技术，它基于先前YOLO版本在目标检测任务上的成功，进一步提升了性能和灵活性。主要的创新点包括一个新的骨干网络、一个新的 Ancher-Free 检测头和一个新的损失函数，可以在从 CPU 到 GPU 的各种硬件平台上运行。
其主要网络结构如下：
2. 数据集准备与训练
通过网络上搜集关于PCB缺陷的各类图片，并使用LabelMe标注工具对每张图片中的PCB缺陷目标边框（Bounding Box）与类型进行标注。一共包含683张图片，其中训练集包含544张图片，验证集包含139张图片，部分图像及标注如下图所示。
图片数据的存放格式如下，在项目目录中新建datasets目录，同时将跌倒检测的图片分为训练集与验证集放入PCB_DATASET目录下。
同时我们需要新建一个data.yaml文件，用于存储训练数据的路径及模型需要进行检测的类别。YOLOv8在进行模型训练时，会读取该文件的信息，用于进行模型的训练与验证。data.yaml的具体内容如下：
train: E:\MyCVProgram\PCBDetection\datasets\PCB_DATASET\train # train images (relative to 'path') 128 images val: E:\MyCVProgram\PCBDetection\datasets\PCB_DATASET\val # val images (relative to 'path') 128 images test: # val images (optional) # number of classes nc: 6 # Classes names: ["missing_hole", "mouse_bite", "open_circuit", "short", "spur", "spurious_copper"]
注：train与val后面表示需要训练图片的路径，建议直接写自己文件的绝对路径。
数据准备完成后，通过调用train.py文件进行模型训练，epochs参数用于调整训练的轮数，batch参数用于调整训练的批次大小【根据内存大小调整，最小为1】，代码如下：
# 加载模型 model = YOLO("yolov8n.pt") # 加载预训练模型 # Use the model if __name__ == '__main__': # Use the model results = model.train(data='datasets/PCB_DATASET/data.yaml', epochs=250, batch=4) # 训练模型 # 将模型转为onnx格式 # success = model.export(format='onnx')
3. 训练结果评估
在深度学习中，我们通常用损失函数下降的曲线来观察模型训练的情况。YOLOv8在训练时主要包含三个方面的损失：定位损失(box_loss)、分类损失(cls_loss)和动态特征损失（dfl_loss），在训练结束后，可以在runs/目录下找到训练过程及结果文件，如下所示：
各损失函数作用说明：
定位损失box_loss：预测框与标定框之间的误差（GIoU），越小定位得越准；
分类损失cls_loss：计算锚框与对应的标定分类是否正确，越小分类得越准；
动态特征损失（dfl_loss）：DFLLoss是一种用于回归预测框与目标框之间距离的损失函数。在计算损失时，目标框需要缩放到特征图尺度，即除以相应的stride，并与预测的边界框计算Ciou Loss，同时与预测的anchors中心点到各边的距离计算回归DFLLoss。这个过程是YOLOv8训练流程中的一部分，通过计算DFLLoss可以更准确地调整预测框的位置，提高目标检测的准确性。
本文训练结果如下：
我们通常用PR曲线来体现精确率和召回率的关系，本文训练结果的PR曲线如下。mAP表示Precision和Recall作为两轴作图后围成的面积，m表示平均，@后面的数表示判定iou为正负样本的阈值。mAP@.5：表示阈值大于0.5的平均mAP，可以看到本文模型各类缺陷检测的mAP@0.5都达到了0.86以上，平均为0.92，结果还是很不错的。
4. 检测结果识别
模型训练完成后，我们可以得到一个最佳的训练结果模型best.pt文件，在runs/trian/weights目录下。我们可以使用该文件进行后续的推理检测。
图片检测代码如下：
# 所需加载的模型目录 path = 'models/best.pt' # 需要检测的图片地址 img_path = "TestFiles/01_missing_hole_09.jpg" # 加载预训练模型 # conf 0.25 object confidence threshold for detection # iou 0.7 intersection over union (IoU) threshold for NMS model = YOLO(path, task='detect') # model = YOLO(path, task='detect',conf=0.5) # 检测图片 results = model(img_path) res = results[0].plot() res = cv2.resize(res,dsize=None,fx=0.5,fy=0.5,interpolation=cv2.INTER_LINEAR) cv2.imshow("YOLOv8 Detection", res) cv2.waitKey(0)
执行上述代码后，会将执行的结果直接标注在图片上，结果如下：
以上便是关于此款PCB板缺陷检测系统的原理与代码介绍。基于此模型，博主用python与Pyqt5开发了一个带界面的软件系统，即文中第二部分的演示内容，能够很好的支持图片、视频及摄像头进行检测，同时支持检测结果的保存。
关于该系统涉及到的完整源码、UI界面代码、数据集、训练代码、测试图片视频等相关文件，均已打包上传，感兴趣的小伙伴可以通过下载链接自行获取。
【获取方式】
本文涉及到的完整全部程序文件：包括python源码、数据集、训练代码、UI文件、测试图片视频等（见下图），获取方式见文末：
注意：该代码基于Python3.9开发，运行界面的主程序为
MainProgram.py，其他测试脚本说明见上图。为确保程序顺利运行，请按照程序运行说明文档txt配置软件运行所需环境。
