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浅析全自动印刷品在线检测系统

《广东印刷》2011年第1期 作者:于蒙蒙 缪晓丽 更新日期:2012-03-26

现代印刷行业的自动化程度越来越高,印刷速度和印刷质量大大提高,印品质量的在线控制对印刷工艺管理、剔废和提高印品质量至关重要。目前国内大多数的印刷品质量靠人眼离线检测,人眼可以发现的最小缺陷至少需要有20个灰度级差,而且尺寸不小于0.3 mm,但很难保持持续和稳定,容易产生疲劳。离线检测中若发现问题时,高速印刷机已经产生了大量的废品,从而造成印刷材料和工时的浪费,生产效率低下。因此,印刷品在线质量检测应运而生。

一、印刷品在线检测技术

印刷品在线检测技术是在印刷过程中借助于联机的检测仪器对印刷品进行在线检测,并实时将信息通过反馈回路输送到中央控制台,从而自动调节相应的印刷机部件,实现对印刷品质量的在线控制,自动实现检测印品。 其原理如图一。

图一  印刷品在线检测技术原理

二、印品在线检测技术的优势

印刷品的在线检测是将图像处理技术与印刷原理相结合而形成的一种适合高速印刷的全自动检测方法,它的优势主要表现在以下几个方面:

①能够检测极细微缺陷。在线检测能够轻而易举地发现0.1mm大小的缺陷,且只需一个灰度级的差别就可以。

②不会损坏印刷品。在线监测采用摄像头为传感器,不会与印刷品接触,因此不会损害印品的表面质量。

③提高了生产效率。在线检测可以长时间连续检测,不会因为疲劳造成误检。同时,在出现质量缺陷时,操作者可以根据现场中的实时报告,及时对工作中出现的问题进行解决,减少废品率,管理者也可以依据检测结果的分析报告,对生产过程进行跟踪,提升管理效益。

④全工艺:适应胶凹印、镭射、烫金、全息、荧光、水印等印刷工艺。

⑤在线检测系统的应用,还可以减轻工人的劳动强度,改善劳动条件等等。

三、印刷品在线检测系统

1.印品的缺陷种类

印品缺陷主要包括形状缺陷和颜色缺陷两种。形状缺陷主要是指瑕疵、异物、污点、刀丝等,它表现为缺陷图像的缺陷处的灰度值与标准图像的差异。将缺陷图像的灰度值同标准图像进行比较,判断其差值是否已经超出预先设定的阈值范围,就能判断该图像是否有形状缺陷。

色彩缺陷主要指待检印品与标准印品颜色上存在偏差。可利用颜色空间转换模型得到印品图像的色度值CIE L*a*b*,用色差来评价印品的偏色状况。

2.印品在线检测系统工作原理

在线检测系统工作原理:通过图像采集单元(如:CCD摄像镜头),先通过对一定数量的合格产品进行图像采集,去除随机因素的影响,获得印刷版面的标准图像作为模板,然后在印刷生产线上采集待检图像,将采集到的每一帧待检图像传输给现场与标准图像进行对比分析,根据比较结果确定生产线上的产品是否符合质量要求,是否存在缺陷并判断缺陷的位置。找出有质量问题的图像,从而发现该图像所对应印刷品的质量问题,最后调节相应的印刷部件,实现对印刷品质量的在线控制。

印品在线检测具体实施步骤分为两步:首先是准备,即通过对合格产品的图像采集,获得标准印刷品图像,也称模板。采样过程应该注意扫描分辨率、图像的空间分辨率、图像的空间坐标的校正、彩色图像的色调、CCD速度、光照条件和机械振动等对采样图像的影响。 其次将待检印刷品的图像与标准模板进行比较,从而根据比较结果确定缺陷存在与否及缺陷位置,并记录该缺陷信息。其工作流程如图二。

图二 在线检测工作流程图

印刷过程中产生的各种错误,对电脑来说只是标准图像与被检测图像对比后的不同,如污迹、墨点色差等缺陷都包含在其中。

3.在线检测系统

一个典型的印品在线检测系统,主要包括光源及光学系统、CCD相机、图像采集卡、图像处理软件、计算机及其外设、控制执行模块等组成。其原理结构示意图如图三所示。

印品在线检测系统工作原理为:通过CCD摄像机和图像采集卡将被检测对象采集到计算机里,图像处理软件对所得的图像进行处理分析和解释等,进而做出某些决策,最后通过外设输出检测结果或者直接将结果用于控制工业过程等。

下面简要介绍各个部分的作用,对印品在线检测系统有个总体的认识。

图三 印刷品质量检测系统结构示意图

图四 印品质量在线检测系统结构框图

①CCD相机。

通常是一个或多个摄像头和镜头(光学部件),相机的功能用于拍摄待测印刷品,完成对目标图像的采集,将图像传感器所接收到的光学图像转化为计算机所能处理的电信号。高质量的图像信息是系统正确判断和决策的原始依据,是整个系统成功与否的又一关键所在。在进行相机选择时主要根据相机的色彩、扫描制式、分辨率、扫描速度或帧速、同步方式、通信接口等特性。

②光源。

用于照亮待测印刷品,以便从摄像机中拍摄到更好的图像,保证成像环境的一致性。在印品在线检测系统中,好的光源与照明方案往往是整个系统成败的关键,起着非常重要的作用,它并不是简单的照亮物体而已。光源与照明方案的配合应尽可能地突出物体特征量,在物体需要检测的部分与那些不重要部分之间应尽可能地产生明显的区别,增加对比度;同时还应保证足够的整体亮度,物体位置的变化不应该影响成像的质量。光源的选择必须符合所需的几何形状、照明亮度、均匀度、发光的光谱特性等,同时还要考虑光源的发光效率和使用寿命。一般可采用高频荧光灯、LED、白炽灯和石英卤光灯等。

③图像采集卡。

图像采集卡是控制相机拍照,完成图像采集与数字化,协调整个系统的重要设备。它的主要功能是对相机所输出的视频数据进行实时的采集,建立摄像机与计算机的连接,它从摄像机中获得数据(模拟信号或数字信号),然后转换成计算机能处理的信息,同时可以提供摄像机控制参数。在进行在线检测系统中图像采集卡选择时,需要重点从匹配相机类型、相机控制功能、数据处理能力、配套软件情况等方面考虑。图像采集卡型号很多,支持不同类型的摄像机和不同的计算机总线。

④计算机平台

计算机是机器视觉的关键组成部分,在检测应用方面,通常使用PentiumⅣ或更高的CPU。一般来讲,计算机的速度越快,视觉系统处理每一张图片的时间就越短。由于在制造现场中经常有振动、灰尘、热辐射等,所以一般需要工业计算机。

四、影响在线检测能力的因素

1.印刷基材

胶片或纸张等无纹理型的基材,检测到不同于背景的区域即可视为缺陷。可以用一些稍微简单的算法如阈值化、零序背景跟踪或delta跟踪器来检测缺陷;对于纹理型,图案越复杂,检测缺陷的难度越大,而无序纹理则比重复纹理更难检测。

卷筒材料的缺陷检测一般采用模板匹配的方法,将待测图像与无缺陷模板对齐后相减,对差异进行比较,但是这种方法的难点在于精确地对齐及对模板的获取。这是因为张力的影响以及生产过程再现性差异,无法真正获得理想的模板,而待测图像无论用何种图像复原算法或对齐算法,只能从图像轮廓上与模板匹配,缺陷细节和材料形变细节仍然无法分离。

对于软性材料可拉伸的印刷品,它们在张力的作用下,沿行走方向会发生很大程度的拉伸变形,并且这种形变是随机的,很难找到一种有效的模型对图像进行复原,这种形变对待测图像的直接影响就是待检测图像与标准模板进行对比后,在纹理轮廓部分会发生明显的误检,即使质量合格的图像,也会出现斑点,很多研究者采取邻域比较算法来解决该误差问题,

2.图像处理网络化

随着观测面积的增大和检测任务的日益复杂,数据处理量急剧增长,单机系统无法满足图像显示、数据传输、图像处理和实时控制的要求,以网络为中心的多目视觉检测和分布式计算成为现代自动化生产线量和质检的主流需求。

3.信息采集设备

印品检测使用的摄像机根据实际情况的不同分为两大类,线阵摄像机和面阵摄像机。线阵CCD一次曝光成像一条线,CCD摄像机与目标图像之间呈相对运动状态,一幅图像需经过多次曝光组合而成,其主要优点是运动方向没有变形,适宜拍摄宽幅面目标,缺点是成像过程中要保持光源和速度的稳定。因此非常适合对以一定速度匀速运动的物体(印品)的图像检测。使用面阵CCD采集时,一幅图像经过一次曝光即可成像,单幅成像时CCD摄像机和目标图像之间不需要相对运动,其主要优点是曝光一次完成,抗干扰性强,缺点是成像存在球形效应,不适应拍摄宽幅面目标,像我们日常使用的数码相机。因此, 面扫描相机可以取得相同的纵横分辨率,但观测范围小;线扫描相机采用线积分方式采样,观测范围可以无限大,但不适合高速生产环境。

线阵CCD成像方式       面阵CCD成像方式

图五 摄像机的种类

4.光源的设计

图像数据采集的基本要求是信号的线性度好、噪声小、分辨率高、转换速度快。在图像数据采集系统中,由于CCD图像传感器是感光设备,光照的强弱将直接影响扫描所得图像的质量,因此对照明装置的要求一般都很高。在不同场合、不同时刻或不同天气状况,自然光强都会在很大范围内波动,使成像的一致性大大降低,有可能直接导致识别率的降低。解决该问题主要是要保证成像环境的一致性,在密封环境下可以使用固定光源保证稳定的光强,在不能密封的情况下可以采用高强度的频闪装置以屏蔽自然光。

5.图像信号处理速度

图像信号的处理是在线检测系统的核心,随着计算机技术、微电子技术和大规模集成电路技术的快速发展,为了提高系统的实时性,对图像处理的很多工作都可以借助硬件完成,如DSP等,软件则主要完成算法中非常复杂、不太成熟、尚需不断探索和改变的部分。在图像信号处理的时间上必须要注意的是:为了满足系统对图像连续无遗漏处理的实时性要求,必须使一帧图像的处理时间小于等于一帧图像的采集时间,即图像处理速度大于等于图像采集的速度。

PCI总线技术+MMX/SSE技术已成为新一代图像处理系统的关键技术,可以利用强大的微机资源实现快速、低成本的运算处理,但要实现真正意义上的实时处理,还需要配备专用采集硬件。

6.设备检测精度

对于白卡纸和一些简约风格的印刷品来说,简单的对比检测已经足够了。而国内的多数印刷品带有很多的闪光元素,如金、银卡纸,烫印、压凹凸或上光印刷品等,要求质量检测设备必须具备可以发现5个以内的灰度级差的能力。

五、结语

企业长期拥有良好且持续稳定的发展,必须拥有一个合理的、完善的质量管理体系。印品质量的在线控制对印刷工艺管理、剔废和提高印品质量至关重要。由于印刷品在线检测技术大大减少了印刷品质量控制的人为因素,大幅度提高了生产效率,降低了对操作人员技能的要求,它的应用为真正实现印刷机械的自动化、智能化提供了可行性。因此,印品在线检测系统具有广阔的开发和应用前景,让我们将更多的目光投向全自动印刷品质量检测设备和技术的发展。

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