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本文作者：周淑寶楊永才作者單位：上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院

近年來(lái)，隨著數(shù)字成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，利用數(shù)字照相結(jié)合計(jì)算機(jī)處理形成的視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于工業(yè)監(jiān)視、成品檢驗(yàn)與質(zhì)量控制等領(lǐng)域，并取得了一定的成功。視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)可以提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度，可以代替人工視覺(jué)，提高生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的基礎(chǔ)技術(shù)。在印刷質(zhì)量檢測(cè)中，視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)可以隨機(jī)對(duì)印刷品色彩進(jìn)行控制，也方便對(duì)印刷圖像的瑕疵區(qū)域、墨皮蹭臟或套印誤差等進(jìn)行精確檢測(cè)。但是，視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)在檢測(cè)印刷品質(zhì)量時(shí)，要求印刷系統(tǒng)要有良好的穩(wěn)定性，才能得到滿(mǎn)意的檢測(cè)效果。本文應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)原理，建立印刷質(zhì)量視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)CCD攝像機(jī)獲取圖像并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再采用計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、分析，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)際的檢測(cè)、測(cè)量和控制。這樣不僅能減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且能減少次品率和提高印刷生產(chǎn)效率。

一、印刷質(zhì)量視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)及模型

視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)采用CCD攝像機(jī)獲取圖像并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再采用計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、分析，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)際的檢測(cè)、測(cè)量和控制。本系統(tǒng)主要由三大部分組成：圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、顯示與控制系統(tǒng)。視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行流程如圖1所示。視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)硬件主要由光源和光學(xué)系統(tǒng)、CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、圖像處理軟件、計(jì)算機(jī)及其外設(shè)、控制執(zhí)行模塊等組成，如圖2所示。

2.圖像采集系統(tǒng)

圖像采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)將印刷品圖像與色彩信息轉(zhuǎn)換為能被計(jì)算機(jī)處理的一系列數(shù)字信號(hào)。由于視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)速度和精度，因此圖像采集系統(tǒng)需要及時(shí)、準(zhǔn)確地提供清晰的數(shù)字圖像信號(hào)。圖像采集系統(tǒng)由光源、鏡頭、CCD攝像機(jī)、圖像采集卡組成。

3.圖像處理系統(tǒng)

圖像處理系統(tǒng)是對(duì)圖像采集系統(tǒng)采集到的數(shù)字圖像信號(hào)，根據(jù)像素分布、亮度和顏色等信息，進(jìn)行各種運(yùn)算，抽取目標(biāo)特征，然后再根據(jù)預(yù)設(shè)的判別準(zhǔn)則輸出判斷結(jié)果。在印刷品質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)中，標(biāo)準(zhǔn)圖像和待測(cè)圖像都是經(jīng)過(guò)圖像采集系統(tǒng)在不同時(shí)間獲得的。圖像處理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)待測(cè)圖像進(jìn)行處理，使之與標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行匹配定位，然后再對(duì)待測(cè)圖像進(jìn)行檢測(cè)，找出有質(zhì)量問(wèn)題的圖像，并給出該圖像所對(duì)應(yīng)的印刷品質(zhì)量問(wèn)題。在圖像處理系統(tǒng)中，運(yùn)用的主要是現(xiàn)代數(shù)字圖像處理技術(shù)，各種算法的應(yīng)用使得圖像檢測(cè)成為可能。圖像處理和分析可定義為應(yīng)用一系列方法獲取、校正、增強(qiáng)、變換或壓縮可視圖像的技術(shù)。在印刷品質(zhì)量檢測(cè)中主要用到的圖像處理方法有灰度量化、圖像的二值化、圖像的平滑與銳化、圖像邊界檢測(cè)等關(guān)鍵圖像處理技術(shù)。

4.顯示與控制系統(tǒng)

圖像處理系統(tǒng)的處理結(jié)果通過(guò)顯示與控制系統(tǒng)輸出。顯示系統(tǒng)輸出的并非是圖像視頻信號(hào)，而是經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后的檢測(cè)結(jié)果。輸出設(shè)備一般與過(guò)程相連，包括監(jiān)視界面、過(guò)程控制器和報(bào)警裝置等。

二、印刷質(zhì)量視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

印刷質(zhì)量視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)在印刷包裝行業(yè)中可以應(yīng)用在印前、印刷和印后各環(huán)節(jié)，但目前多數(shù)的應(yīng)用集中在印后質(zhì)量檢查。印刷質(zhì)量視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)目前主要可以應(yīng)用在票據(jù)印刷、煙包印刷及標(biāo)簽印刷等領(lǐng)域，也可以推廣到包裝印刷、商業(yè)印刷以及印后復(fù)卷終檢等。

1.票據(jù)印刷

票據(jù)成為人們生活中不可缺少的一部分，其印刷質(zhì)量要求越來(lái)越高，不僅要求畫(huà)面質(zhì)量精準(zhǔn)無(wú)誤，而且在標(biāo)簽、票據(jù)中含有的數(shù)字、中英文字符、條形碼、圖案等可變信息也是極其重要的，因此在印刷過(guò)程中必須實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)計(jì)算機(jī)離線模擬試驗(yàn)，印刷質(zhì)量視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)完全能夠滿(mǎn)足票據(jù)印刷質(zhì)量檢測(cè)的要求，如果在印刷生產(chǎn)線的不同位置安裝圖像采集設(shè)備，也可以實(shí)現(xiàn)票據(jù)印刷質(zhì)量的在線檢測(cè)。因此，在票據(jù)印刷領(lǐng)域應(yīng)用印刷質(zhì)量視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，可以方便有效地對(duì)票據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，提高質(zhì)量檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確性，從而進(jìn)一步提高票據(jù)印制企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

2.煙包印刷

在煙包印刷領(lǐng)域，目前大多數(shù)企業(yè)還只能采用離線的人工檢驗(yàn)方式，檢驗(yàn)的時(shí)效差、質(zhì)量低，而且不能克服印后加工（上光、模切、燙金等）對(duì)煙包產(chǎn)品的質(zhì)量所造成的影響。因此，在煙包印刷中引進(jìn)自動(dòng)質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，提高質(zhì)量檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確性，對(duì)企業(yè)印刷質(zhì)量的穩(wěn)定和提高將會(huì)有很大的幫助。印刷質(zhì)量視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于煙包印刷領(lǐng)域，可以采用在線質(zhì)量檢測(cè)和離線質(zhì)量檢測(cè)兩種方式。不管是在線檢測(cè)還是離線檢測(cè)，檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用原理基本相同，都需要利用圖像采集系統(tǒng)來(lái)獲取印刷好的圖像，通過(guò)圖像處理系統(tǒng)對(duì)獲取到的圖像和已經(jīng)存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)模板圖像進(jìn)行對(duì)比，及時(shí)發(fā)現(xiàn)印刷的質(zhì)量問(wèn)題，從而通過(guò)顯示與控制系統(tǒng)來(lái)顯示錯(cuò)誤，分析缺陷類(lèi)型，并控制缺陷印品的剔除。此外，在煙包印刷領(lǐng)域，印刷質(zhì)量視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)還可以應(yīng)用于煙標(biāo)的自動(dòng)檢測(cè)，生產(chǎn)線上剔除包裝不合格煙條的檢測(cè)，煙包上印刷條碼質(zhì)量檢測(cè)，檢驗(yàn)煙包外包裝膜是否破損以及煙包包裝外觀質(zhì)量檢測(cè)等。

3.標(biāo)簽印刷

在標(biāo)簽印刷領(lǐng)域，目前印刷質(zhì)量視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。特別是以大恒圖像為代表的國(guó)產(chǎn)醫(yī)藥標(biāo)簽檢測(cè)設(shè)備已經(jīng)完全能滿(mǎn)足醫(yī)藥標(biāo)簽印刷企業(yè)對(duì)缺陷檢測(cè)的需求。在標(biāo)簽印刷領(lǐng)域，除了傳統(tǒng)印刷質(zhì)量檢測(cè)外，越來(lái)越多的標(biāo)簽采用了可變信息印刷?？勺冃畔⒂∷z驗(yàn)的關(guān)鍵是對(duì)可變信息的檢驗(yàn)。如果兩個(gè)以上標(biāo)簽具有相同的編碼或某一編碼漏印就屬于印刷質(zhì)量缺陷。這種缺陷在高速印刷過(guò)程中靠人工檢驗(yàn)是不可能實(shí)現(xiàn)的，因此，必須應(yīng)用印刷質(zhì)量視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)控制印刷質(zhì)量。

三、印刷質(zhì)量視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)

對(duì)檢測(cè)環(huán)境的要求在利用印刷質(zhì)量視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)印刷品質(zhì)量時(shí)，必須詳細(xì)了解檢測(cè)系統(tǒng)所采用的圖像采集技術(shù)及處理技術(shù)，以及檢測(cè)環(huán)境。印刷系統(tǒng)要有良好的穩(wěn)定性，才能得到滿(mǎn)意的檢測(cè)效果。

1.要求印刷墨色穩(wěn)定

印刷墨色的穩(wěn)定性是印刷質(zhì)量檢測(cè)順利開(kāi)展的首要條件。檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于所提供的檢測(cè)產(chǎn)品有一定的要求，否則很難達(dá)到高效率生產(chǎn)，這就給印刷車(chē)間提出了新的要求，即應(yīng)該將產(chǎn)品質(zhì)量的要求從合格品向精品提升，而構(gòu)成精品的一個(gè)重要條件是墨色的穩(wěn)定性。墨色穩(wěn)定即要求墨色必須在一定的公差范圍之內(nèi)。墨色的穩(wěn)定在檢測(cè)系統(tǒng)中主要體現(xiàn)在灰度變化的波動(dòng)上?；叶炔▌?dòng)較小的產(chǎn)品說(shuō)明其墨色正常。衡量某一機(jī)臺(tái)產(chǎn)品墨色的好與壞是通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的檢測(cè)效率來(lái)判斷的。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，通常會(huì)出現(xiàn)膠印墨色時(shí)深時(shí)淺，而且同一車(chē)產(chǎn)品的變化也較大，給檢測(cè)工作帶來(lái)很大的難度。如果提供的印刷品墨色存在問(wèn)題，檢測(cè)系統(tǒng)是不能將這些嚴(yán)格說(shuō)來(lái)算不合格的產(chǎn)品也檢測(cè)為合格品的，否則將會(huì)造成相當(dāng)多的漏廢，這對(duì)于質(zhì)量工作的開(kāi)展也是不利的。因此，從源頭上解決問(wèn)題是根本。

2.對(duì)檢測(cè)光源的要求

在視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中，光源的照射方式主要有直射和散射兩種，即透射面光源和反射面光源。直射光方向性強(qiáng)，光能量相對(duì)集中，有較強(qiáng)的明暗對(duì)比，對(duì)光源的要求相對(duì)較低，但照射的均勻性較差。散射光光線比較柔和，照射的均勻性比較好，沒(méi)有強(qiáng)烈的明暗對(duì)比，但其亮度也相對(duì)較低，需要較長(zhǎng)的曝光時(shí)間。當(dāng)曝光時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，光源的亮度相應(yīng)增加（在允許的曝光時(shí)間范圍內(nèi)），這樣可以清晰明亮地拍攝到實(shí)際的圖像。而透射面光源曝光時(shí)間較短的原因之一，是較短的曝光時(shí)間已經(jīng)能夠達(dá)到檢測(cè)的需要；其二，如果曝光時(shí)間較長(zhǎng)的話(huà)，將紙張照得過(guò)于明亮對(duì)于紙邊檢測(cè)是相當(dāng)不利的，很容易造成紙邊圖像信息的損失，從而導(dǎo)致檢測(cè)系統(tǒng)誤認(rèn)為紙張出現(xiàn)邊界錯(cuò)誤而報(bào)錯(cuò)，使生產(chǎn)不能順利進(jìn)行。

3.印刷串色問(wèn)題

串色是印刷過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題，在一定程度上給圖像檢測(cè)帶來(lái)了困難，因?yàn)橛行﹨^(qū)域雖然顏色不同，但其灰度極為相近，以至于檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)法正確地識(shí)別。通過(guò)對(duì)串色問(wèn)題的分析，可以將串色分為兩大類(lèi)。

一類(lèi)為允許輕度串色的情況，一般發(fā)生在顏色的邊緣區(qū)域，但是這種出入又在允許范圍之內(nèi)，也就是說(shuō)，兩種顏色在其交界處可以互相串入一定的范圍。此時(shí)至少有兩種解決方案：一是在不更改光譜優(yōu)化設(shè)置的情況下，通過(guò)對(duì)交界處設(shè)置特定的宏區(qū)，將該處的閾限范圍適當(dāng)?shù)胤艑?。此方案僅適合于較小的串色區(qū)域。二是對(duì)交界處單獨(dú)設(shè)置光譜優(yōu)化值。一般情況下，采用的是兩種顏色的均衡比重，比如串色的是紅色和藍(lán)色，該處的光譜優(yōu)化值可設(shè)置為127、0、128。當(dāng)然所印刷的圖像中紅色和藍(lán)色不可能是比較純的顏色，因此光譜優(yōu)化設(shè)置必然會(huì)有一些變化。

另一類(lèi)則為不允許串色的情況，即在某一顏色的中心區(qū)域決不允許有另一不同顏色的存在。如在人物圖像的臉上經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)藍(lán)色或黑色的墨點(diǎn)，而人物圖像在整個(gè)印刷版面中的重要性是比較靠前的，與其他如底紋區(qū)域的小墨點(diǎn)不一樣，需要根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況來(lái)確定合適的光譜優(yōu)化值，因此有必要向印刷車(chē)間和檢封車(chē)間了解有關(guān)重要區(qū)域串色的基本情況，做到對(duì)模型有針對(duì)性的調(diào)整。

印刷質(zhì)量視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，極大地提高了自動(dòng)化檢測(cè)水平，具有廣泛的應(yīng)用前景。