基于YOLOv8深度学习的半导体集成电路芯片缺陷检测系统(PyQt5界面+数据集+训练代码)

随着半导体集成电路技术的迅速发展，芯片的制造工艺和结构设计越来越精细化和复杂化，质量要求也越来越高。芯片缺陷检测作为芯片生产流程中的重要环节，不仅关系到产品质量的稳定性和可靠性，还直接影响到整个生产线的效率和成本。对于现代半导体企业而言，及时准确地检测芯片缺陷是保障产品性能和用户体验的关键因素。

项目信息

编号：PDV-72
大小：949M

运行条件

Python开发环境：
– PyCharm的安装包：PyCharm: Python IDE for Professional Developers
– PyCharm的历史安装包：PyCharm: Python IDE for Professional Developers
– Anaconda的安装包：Anaconda | Start Coding Immediately
– Python开发版本：Python==3.9

需要安装依赖包：
– pip install PyQt5== 5.15.11
– pip install Pillow==9.5.0
– pip install opencv-python==4.10.0.84
– pip install torch==2.4.0
– pip install torchvision==0.19.0
– pip install numpy== 1.26.4
– pip install matplotlib==3.9.2

项目介绍

随着半导体集成电路技术的迅速发展，芯片的制造工艺和结构设计越来越精细化和复杂化，质量要求也越来越高。芯片缺陷检测作为芯片生产流程中的重要环节，不仅关系到产品质量的稳定性和可靠性，还直接影响到整个生产线的效率和成本。对于现代半导体企业而言，及时准确地检测芯片缺陷是保障产品性能和用户体验的关键因素。

传统的芯片缺陷检测方法主要依赖于人工检测或传统机器视觉技术。然而，人工检测费时费力，且受限于人为因素，检测效率和准确性难以保证。传统机器视觉虽然在一定程度上提高了自动化水平，但在小尺寸、多类别的复杂缺陷检测上仍然存在技术瓶颈，难以实现高效且高精度的识别。为此，深度学习技术在缺陷检测领域的引入，尤其是目标检测算法的发展，为解决这一问题提供了新的解决方案。

在本文中，我们提出了一种基于YOLOv8深度学习的芯片缺陷检测系统。YOLOv8（You Only Look Once Version 8）是YOLO系列算法的最新版本，其优越的实时检测性能和高精度特性，使其在目标检测领域处于领先地位。YOLOv8模型通过多尺度特征提取、网络结构优化等技术，使得它能够更好地适应小物体检测和复杂背景环境。在本研究中，YOLOv8被用于检测四类常见的芯片缺陷：芯片划痕缺陷、芯片引脚缺陷、芯片污渍缺陷和芯片封装缺陷。这些缺陷类型代表了芯片制造过程中不同环节中可能出现的典型问题，覆盖了较广泛的应用场景。

为实现这一系统的便捷操作和实时响应，我们在YOLOv8检测算法的基础上集成了PyQt5界面。PyQt5作为一个强大的Python GUI框架，能够支持丰富的界面功能，便于用户在图形界面上进行缺陷检测操作、显示检测结果和管理检测记录。系统用户可以通过界面上传芯片图像，系统将自动进行缺陷检测并高亮显示检测结果。界面直观的反馈机制为用户提供了便捷的操作体验，使得检测流程更加人性化和高效化。

此外，为了提升模型的检测准确性和适应性，我们自己构建了一个包含7810张图像的定制数据集。该数据集经过严格的标注，并采用了YOLO格式进行数据标记。图像标注涵盖了四类缺陷，并对每张图像中的缺陷位置和类别进行了精细化的框选。通过使用该数据集进行模型训练，系统能够在实际应用中实现高效的缺陷检测效果。

在实验评估中，我们对系统进行了多次测试，测试结果表明，该系统在检测准确率和召回率方面均达到了较高的水平，具备优越的检测能力。实验结果验证了系统在芯片缺陷检测领域的有效性和可靠性，展示了其在提高检测效率和降低生产成本方面的潜力。

综上所述，本研究所提出的基于YOLOv8深度学习的芯片缺陷检测系统为芯片制造业的质量控制和缺陷管理提供了一种高效可靠的技术支持。未来，随着芯片制造工艺的进一步发展，我们还可以在数据集规模、检测类别和系统界面功能等方面进行进一步优化，以适应更广泛的应用需求并提升系统的综合性能。

项目文档

Tipps：可以根据您的需求进行写作，确保文档原创！
– 项目文档：写作流程

算法流程

代码讲解

Tipps：仅对train.py部分代码简要讲解。该项目可以按需有偿讲解，提供后续答疑。

项目数据

Tipps：通过搜集关于数据集为各种各样的芯片缺陷检测相关图像，并使用Labelimg标注工具对每张图片进行标注，分4检测类别，分别是’芯片划痕缺陷’, ‘芯片引脚缺陷’, ‘芯片污渍缺陷’, ‘芯片封装缺陷’。

目标检测标注工具
（1）labelimg:开源的图像标注工具，标签可用于分类和目标检测，它是用python写的，并使用Qt作为其图形界面，简单好用（虽然是英文版的）。其注释以 PASCAL VOC格式保存为XML文件，这是ImageNet使用的格式。此外，它还支持 COCO数据集格式。
（2）安装labelimg 在cmd输入以下命令 pip install labelimg -i https://pypi.tuna.tsinghua.edu.cn/simple

结束后，在cmd中输入labelimg

初识labelimg

打开后，我们自己设置一下

在View中勾选Auto Save mode

接下来我们打开需要标注的图片文件夹

并设置标注文件保存的目录（上图中的Change Save Dir）
接下来就开始标注，画框，标记目标的label，然后d切换到下一张继续标注，不断重复重复。

Labelimg的快捷键

（3）数据准备
这里建议新建一个名为data的文件夹（这个是约定俗成，不这么做也行），里面创建一个名为images的文件夹存放我们需要打标签的图片文件；再创建一个名为labels存放标注的标签文件；最后创建一个名为 classes.txt 的txt文件来存放所要标注的类别名称。

data的目录结构如下：
│─img_data
│─images 存放需要打标签的图片文件
│─labels 存放标注的标签文件
└ classes.txt 定义自己要标注的所有类别（这个文件可有可无，但是在我们定义类别比较多的时候，最好有这个创建一个这样的txt文件来存放类别）

首先在images这个文件夹放置待标注的图片。
生成文件如下:

“classes.txt”定义了你的 YOLO 标签所引用的类名列表。

（4）YOLO模式创建标签的样式

存放标签信息的文件的文件名为与图片名相同，内容由N行5列数据组成。
每一行代表标注的一个目标，通常包括五个数据，从左到右依次为：类别id、x_center、y_center、width、height。
其中：
–x类别id代表标注目标的类别；
–x_center和y_center代表标注框的相对中心坐标；
–xwidth和height代表标注框的相对宽和高。

注意：这里的中心点坐标、宽和高都是相对数据！！！

存放标签类别的文件的文件名为classes.txt (固定不变)，用于存放创建的标签类别。

完成后可进行后续的yolo训练方面的操作。

模型训练

Tipps：模型的训练、评估与推理

1.YOLOv8的基本原理

YOLOv8是一个SOTA模型，它建立在Yolo系列历史版本的基础上，并引入了新的功能和改进点，以进一步提升性能和灵活性，使其成为实现目标检测、图像分割、姿态估计等任务的最佳选择。其具体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，可在CPU到GPU的多种硬件平台上运行。

YOLOv8是Yolo系列模型的最新王者，各种指标全面超越现有对象检测与实例分割模型，借鉴了Yolov5、Yolov6、YoloX等模型的设计优点，在全面提升改进Yolov5模型结构的基础上实现，同时保持了Yolov5工程化简洁易用的优势。

Yolov8模型网络结构图如下图所示：

2.数据集准备与训练

本研究使用了包含芯片缺陷的数据集，并通过Labelimg标注工具对每张图像中的目标边框（Bounding Box）及其类别进行标注。然后主要基于YOLOv8n这种模型进行模型的训练，训练完成后对模型在验证集上的表现进行全面的性能评估及对比分析。模型训练和评估流程基本一致，包括：数据集准备、模型训练、模型评估。本次标注的目标类别为芯片缺陷检测，数据集中共计包含7810张图像，其中训练集占5467张，验证集占1561张，测试集占782张。部分图像如下图所示：

部分标注如下图所示：

图片数据的存放格式如下，在项目目录中新建datasets目录，同时将检测的图片分为训练集与验证集放入datasets目录下。

接着需要新建一个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: D:\\ICDefectDetection_v8\\datasets\\Data\\images\\train 训练集的路径
val: D:\\ICDefectDetection_v8\\datasets\\Data\\images\\val 验证集的路径
test: D:\\ICDefectDetection_v8\\datasets\\Data\\images\\test 测试集的路径

nc: 4
names: [‘Scratch Defect’, ‘Pin Defect’, ‘Contamination Defect’, ‘Package Defect’]

这个文件定义了用于模型训练和验证的数据集路径，以及模型将要检测的目标类别。

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)。

CPU/GPU训练代码如下：

加载名为 yolov8n.pt 的预训练YOLOv8模型，yolov8n.pt是预先训练好的模型文件。
使用YOLO模型进行训练，主要参数说明如下：
（1）data=data_yaml_path: 指定了用于训练的数据集配置文件。
（2）epochs=150: 设定训练的轮数为150轮。
（3）batch=4: 指定了每个批次的样本数量为4。
（4）optimizer=’SGD’):SGD 优化器。
（7）name=’train_v8′: 指定了此次训练的命名标签，用于区分不同的训练实验。

3.训练结果评估

在深度学习的过程中，我们通常通过观察损失函数下降的曲线来了解模型的训练情况。对于YOLOv8模型的训练，主要涉及三类损失：定位损失（box_loss）、分类损失（cls_loss）以及动态特征损失（dfl_loss）。训练完成后，相关的训练过程和结果文件会保存在 runs/ 目录下，具体如下：

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。

训练结果如下：

这张图展示了YOLOv8模型在训练和验证过程中的多个重要指标的变化趋势，具体如下：

train/box_loss：
（1）这是训练过程中边界框损失的变化。边界框损失用于衡量模型预测的目标框与实际目标框的差异。
（2）随着训练进展，box_loss逐渐降低，说明模型在边界框定位方面的误差在减少。

train/cls_loss：
（1）这是训练集上的分类损失。分类损失衡量模型对目标类别的预测准确性。
（2）cls_loss逐渐下降，表明模型在类别分类上越来越准确。

train/dfl_loss：
（1）这是分布聚焦损失（distribution focal loss），用于帮助模型对目标框的精确定位。
（2）dfl_loss逐渐降低，表明模型的边界框预测精度在提升。

metrics/precision(B)：
（1）这是训练集上的精度（precision）曲线。精度表示模型在检测到的目标中有多少是真正的目标。
（2）精度在训练过程中逐渐上升，接近1，表明模型的误报率较低。

metrics/recall(B)：
（1）这是训练集上的召回率（recall）曲线。召回率表示模型检测出的真实目标的比例。
（2）召回率逐渐上升，也接近1，表明模型的漏报率较低。

val/box_loss：
（1）这是验证集上的边界框损失曲线。
（2）随着训练进展，val/box_loss逐渐降低。

val/cls_loss：
（1）这是验证集上的分类损失曲线。
（2）cls_loss逐渐下降，说明模型在验证集上的分类效果也在提升。

val/dfl_loss：
（1）这是验证集上的分布聚焦损失曲线。
（2）dfl_loss逐渐降低，表明模型在验证集上定位精度提升。

metrics/mAP50(B)：
（1）这是验证集上的mAP50曲线，表示在交并比阈值为0.5时模型的平均精度（mean Average Precision）。
（2）在训练过程中，mAP@0.5逐渐接近1，说明模型在此阈值下对验证集上的检测效果非常好。

metrics/mAP50-95(B)：
（1）这是验证集上的mAP50-95曲线，表示在不同交并比阈值（从0.5到0.95）下模型的平均精度。
（2）随着训练进行，mAP@0.5-0.95逐渐上升，接近0.8以上，说明模型在不同IoU阈值下的检测效果较为稳定。

这些指标展示了模型在训练和验证过程中损失的下降趋势和评估指标的上升趋势，表明模型的训练过程是有效的，检测精度和召回率逐渐提高，损失逐渐降低，最终模型在训练和验证集上都达到了良好的检测效果。

这张图展示的是 Precision-Recall 曲线，用于评估模型在不同类别下的检测性能。以下是详细解释：

各类缺陷的表现：
（1）划痕缺陷（Scratch Defect）：mAP@0.5为0.980，说明该类别的检测准确度和召回率都较高。
（2）引脚缺陷（Pin Defect）：mAP@0.5为0.981，表现与划痕缺陷相似，检测性能优异。
（3）污渍缺陷（Contamination Defect）：mAP@0.5为0.993，精度和召回率均接近完美，说明模型在检测该类缺陷上效果非常好。
（4）封装缺陷（Package Defect）：mAP@0.5为0.987，同样表现出色，模型对该类缺陷的检测非常准确。

总体表现：
（1）all classes：整体mAP@0.5为0.985，表明模型在所有类别上的平均检测性能非常高。

该模型在各类芯片缺陷检测上的表现都很优异，精度和召回率接近1，说明模型的误报和漏报都较低，非常适合芯片缺陷检测的应用。

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/train/weights目录下。我们可以使用该文件进行后续的推理检测。
imgTest.py 图片检测代码如下：

加载所需库：
（1）from ultralytics import YOLO：导入YOLO模型类，用于进行目标检测。
（2）import cv2：导入OpenCV库，用于图像处理和显示。

加载模型路径和图片路径：
（1）path = ‘models/best.pt’：指定预训练模型的路径，这个模型将用于目标检测任务。
（2）img_path = “TestFiles/imagetest.jpg”：指定需要进行检测的图片文件的路径。

加载预训练模型：
（1）model = YOLO(path, task=’detect’)：使用指定路径加载YOLO模型，并指定检测任务为目标检测 (detect)。
（2）通过 conf 参数设置目标检测的置信度阈值，通过 iou 参数设置非极大值抑制（NMS）的交并比（IoU）阈值。

检测图片：
（1）results = model(img_path)：对指定的图片执行目标检测，results 包含检测结果。

显示检测结果：
（1）res = results[0].plot()：将检测到的结果绘制在图片上。
（2）cv2.imshow(“YOLOv8 Detection”, res)：使用OpenCV显示检测后的图片，窗口标题为“YOLOv8 Detection”。
（3）cv2.waitKey(0)：等待用户按键关闭显示窗口

此代码的功能是加载一个预训练的YOLOv8模型，对指定的图片进行目标检测，并将检测结果显示出来。

执行imgTest.py代码后，会将执行的结果直接标注在图片上，结果如下：

这段输出是基于YOLOv8模型对图片“imagetest.jpg”进行检测的结果，具体内容如下：

图像信息：
（1）处理的图像路径为：TestFiles/imagetest.jpg。
（2）图像尺寸为 640×640像素。

检测结果：
（1）检测到1个引脚缺陷（Pin Defect）

处理速度：
（1）预处理时间: 7.5 毫秒
（2）推理时间: 3.6 毫秒 。
（3）后处理时间: 75.5 毫秒

此输出展示了模型在特定图像上的缺陷检测结果，包括检测到的缺陷类别、图像路径、以及处理速度。通过这些信息，可以评估模型的检测速度及结果的保存位置。

运行效果

– 运行 MainProgram.py

1.主要功能：
（1）可用于实时检测目标图片中的芯片缺陷；
（2）支持图片、视频及摄像头进行检测，同时支持图片的批量检测；
（3）界面可实时显示目标位置、目标总数、置信度、用时等信息;
（4）支持图片或者视频的检测结果保存。

2.检测结果说明：

（1）置信度阈值：当前设置为0.25，表示检测系统只会考虑置信度高于25%的目标进行输出，置信度越高表示模型对检测结果的确信度越高。
（2）交并比阈值：当前设置为0.70，表示系统只会认为交并比（IoU）超过70%的检测框为有效结果。交并比是检测框与真实框重叠区域的比值，用于衡量两个框的相似程度，值越高表明重叠程度越高。

这两个参数通常用于目标检测系统中，调整后可以影响模型的检测精度和误检率。

这张图表显示了基于YOLOv8模型的目标检测系统的检测结果界面。以下是各个字段的含义解释：

用时（Time taken）:
（1）这表示模型完成检测所用的时间为0.026秒。
（2）这显示了模型的实时性，检测速度非常快。

目标数目（Number of objects detected）:
（1）检测到的目标数目为1，表示这是当前检测到的第1个目标。

目标选择(下拉菜单)：全部:
（1）这里有一个下拉菜单，用户可以选择要查看的目标类型。
（2）在当前情况下，选择的是“全部”，意味着显示所有检测到的目标信息。

结果（Result）:
（1）当前选中的结果为 “桥梁钢缆腐蚀”，表示系统正在高亮显示检测到的“corrosion”。

置信度（Confidence）:
（1）这表示模型对检测到的目标属于“芯片引脚缺陷”类别的置信度为91.72%。
（2）置信度反映了模型的信心，置信度越高，模型对这个检测结果越有信心。

目标位置（Object location）:
（1）xmin: 313, ymin: 795：目标的左上角的坐标(xmin, ymin)，表示目标区域在图像中的位置。
（2）xmax: 883, ymax: 448：目标的右下角的坐标(xmax, ymax)，表示目标区域的边界。

这些坐标表示在图像中的目标区域范围，框定了检测到的“牛躺卧”的位置。

这张图展示了芯片缺陷的一次检测结果，包括检测时间、检测到的种类、各行为的置信度、目标的位置信息等。用户可以通过界面查看并分析检测结果，提升芯片缺陷检测的效率。

3.图片检测说明
（1）芯片封装缺陷

（2）芯片划痕缺陷

（3）芯片污渍缺陷

（4）芯片引脚缺陷

点击打开图片按钮，选择需要检测的图片，或者点击打开文件夹按钮，选择需要批量检测图片所在的文件夹。
操作演示如下：
（1）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。
（2）点击保存按钮，会对检测结果进行保存，存储路径为：save_data目录下。

检测结果：系统识别出图片中的芯片缺陷情况，并显示检测结果，包括总目标数、用时、目标类型、置信度、以及目标的位置坐标信息。

4.视频检测说明

点击视频按钮，打开选择需要检测的视频，就会自动显示检测结果，再次点击可以关闭视频。
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。

检测结果：系统对视频进行实时分析，检测到芯片缺陷并显示检测结果。表格显示了视频中多个检测结果的置信度和位置信息。

这个界面展示了系统对视频帧中的多目标检测能力，能够准确识别芯片缺陷，并提供详细的检测结果和置信度评分。

5.摄像头检测说明

点击打开摄像头按钮，可以打开摄像头，可以实时进行检测，再次点击，可关闭摄像头。

检测结果：系统连接摄像头进行实时分析，检测到芯片缺陷并显示检测结果。实时显示摄像头画面，并将检测到的行为位置标注在图像上，表格下方记录了每一帧中检测结果的详细信息。

6.保存图片与视频检测说明

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。
保存的检测结果文件如下：

图片文件保存的csv文件内容如下，包括图片路径、目标在图片中的编号、目标类别、置信度、目标坐标位置。
注：其中坐标位置是代表检测框的左上角与右下角两个点的x、y坐标。

（1）图片保存

（2）视频保存

– 运行 train.py
1.训练参数设置

（1）data=data_yaml_path: 使用data.yaml中定义的数据集。
（2）epochs=150: 训练的轮数设置为150轮。
（3）batch=4: 每个批次的图像数量为4（批次大小）。
（4）name=’train_v8′: 训练结果将保存到以train_v8为名字的目录中。
（5）optimizer=’SGD’: 使用随机梯度下降法(SGD)作为优化器。

虽然在大多数深度学习任务中，GPU通常会提供更快的训练速度。
但在某些情况下，可能由于硬件限制或其他原因，用户需要在CPU上进行训练。

温馨提示：在CPU上训练深度学习模型通常会比在GPU上慢得多，尤其是像YOLOv8这样的计算密集型模型。除非特定需要，通常建议在GPU上进行训练以节省时间。

2.训练日志结果

这张图展示了使用YOLOv8进行模型训练的详细过程和结果。

训练总时长：
（1）模型在训练了150轮后，总共耗时3.919小时。

mAP50 和 mAP50-95：
（1）mAP50：表示在IoU阈值为0.5时的平均精度，所有类别的mAP50接近1，说明在这个IoU阈值下，模型能高效检测所有缺陷类型。
（2）mAP50-95：在多个IoU阈值（从0.5到0.95）上的平均精度，显示模型在更严格的匹配条件下的表现。所有类别的mAP50-95较高，尤其是“封装缺陷”类别达到0.905，表明模型在不同IoU阈值下表现稳定。

速度：
（1）0.2ms 预处理时间
（2）1.4ms 推理时间
（3）0.9ms 后处理时间

结果保存：
（1）Results saved to runs\detect\train_v8：验证结果保存在 runs\detect\train_v8 目录下。

完成信息：
（1）Process finished with exit code 0：表示整个验证过程顺利完成，没有报错。

该模型表现出色，非常适合半导体制造中的缺陷检测应用，具有高精度和高效性。

远程部署

Tipps：购买后可有偿协助安装，确保运行成功。
– 远程工具：Todesk 、向日葵远程控制软件
– 操作系统：Windows OS
– 客服QQ：3666308803

项目文件

文件目录

Tipps：完整项目文件清单如下：
项目目录
– 1.Code (完整代码：确保运行成功)
– 2.Result (运行结果：真实运行截图)
– 3.Demo (演示视频：真实运行录制)