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自动印刷质量检测技术及系统综述

责任编辑:冠深泰科技  发布时间:2015-12-22
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    印刷过程往往受到温度、湿度、机器精度、设备操作等各种因素干扰,印刷质量达不到既定要求,这就需要对印刷全流程进行检测控制。印刷品常会出现这样或那样的缺陷,常见的印刷品缺陷主要有:漏印、飞墨、偏色、黑点、刮擦、套印不准等。但由于人受自身条件的限制,并不能完成实时监控,因此建立起有效的自动印刷质量检测技术十分重要。本文以此为研究对象,研究国内外自动检测系统发展现状及自动检测系统的基本构成。

    1.影响印刷质量的两个核心问题及自动检测技术必要性、可行性

    总结印刷中最常出现的印刷质量问题可以分为印刷色彩问题和印刷缺陷问题两大类,印刷色彩问题主要表现为偏色,印刷缺陷问题主要表现形状缺陷。

    彩色印刷所使用的胶印机通常有单色胶印机、双色胶印机和四色胶印机。产生偏色的原因主要有三点:第一,双色胶印机印刷彩色封面的一般原则,当使用双色胶印机印刷彩色封面时,同时印刷的两个色是湿叠湿方式,而后印的两个色印刷方式相对于前两个色而言是湿叠干的。第二,四色胶印机印刷彩色封面的一般原则,当用四色印刷机印刷彩色封面时,由于它是湿叠湿的印刷方式,这在印刷工艺上增加了难度,要求四种颜色的油墨叠印后的密度值要小,每一色的墨层厚度要薄,否则就会出现背面蹭脏或其他印刷事故。第三,油墨的黏度与颜色的关系,油墨的黏度是指油墨内聚力的大小或墨层断裂时所产生的阻力大小,在多色印刷中,我们要按照油墨黏度由大到小的印刷顺序进行印刷,即前一色的油墨黏度大于后一色的油墨黏度,这样才能保证油墨正常叠印。

    根据对印刷品质量影响因素的分析,可知其缺陷一般为形状缺陷。其主要关注形状特征,例如线条形状缺陷。在多数可用的图像质量检测中,有一些是适合于评价图像质量的度量指标。这些检测内容包括:点质量、线质量、文字质量、超范围的喷涂和空间分辨率。常见的印刷品缺陷主要有:飞墨、针孔、漏印、黑点、刮擦、套印不准等。这些缺陷的检测目前普遍采用的是人工目测的手段,劳动强度大,费时费力,检测标准不统一。特别是随着印刷速度的提高,已逐渐无法满足生产的需求。因此,印刷品缺陷的自动检测逐渐成为行业的趋势。  

     为了提高生产效率,在线智能检测技术引入了印刷过程,基本原理如下:系统通过CCD摄像镜头,采集无缺陷印品作为标准图像,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,找出有质量问题的图像,从而发现该帧图像所对应印刷品的质量问题,最后自动调节相应的印刷部质量的在线控制。印品在线检测在具体实施时,一般分为两步:首先是检测准备,即通过对合格产品的图像采集,获得标准印刷品图像。其次是实际检测,即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。以下为各国研究现状,及其系统构成分析。

    2.当前国内外印刷品自动检测技术现状

    印刷图像质量自动检测技术起步于上个世纪八、九十年代。1990年,日本东京的Katsuyuki Tanimizu进行了印刷工业自动质量检测研究,提了一种用于自动检测印刷品表面缺陷的索引空间法(Index Space Method),以X、Y表示各像素点的位置坐标,以Z轴表示像点灰度值,建立了空间坐标系,这样每一图点都能在此坐标系中找到其相应的位置,通过比较坐标系中模板图像和待检图像的对位置的灰度值,确定待检图像中是否存在缺陷点,这种方法的图像处理过程和检测过程相互独立,能够检测较复杂的图片。但其算法比较复杂,应用上有很多不便。

    1993年,法国的B.Mehenni也进行了本课题的研究工作,他提出了一种把n-tupe法和逐像素比较法相结合的方法,这种方法具有速度快、参数输出多等特点,但它要求专门的硬件设备,同时要通过示教才能完成自动质量检测的任务。

    1998年,又陆续有学者把Gabor filter法引入到印刷品图像质量检测中,此种方法可检测出多种图像缺陷,且有一定的自适应性,适用于对大数据系统的检测,但abor方法有一大缺陷,识别速度慢,因为它的良好识别性是建立在精确匹配基础上的,这大大提高了运算的复杂性,同时降低了它的实用性。

    2003年,英国埃克塞特大学的J.Luo和Z.Zhang,基于图像处理技术,提出了一种彩色印刷品检测算法。该算法首先进行照明修正,然后给出色彩三维直方图,进行特征提取,最后利用神经网络进行图像分类,识别合格图像。

    目前,国外许多厂家已经研制出了各种印刷品自动化质量检测系统。例如:德国Vision Experts公司开发的印刷质量检测系统能在线检测出各种纸张、多种材料表面的印刷错误。德国的ELTROMAT公司生产的GED NOTA-SAVE系列高精度印刷质量检测系统已用于对钞票印刷的质量检测过程。实践证明它们大大缩短了检测的时间,提高了检测速度,达到了监控高精度印刷品生产过程的目的。以色列AVT公司也已生产出用于检测印刷质量的PrintVision系列产品,能够探测到颜色差异、漏印、条痕以及斑点等印刷错误。

    在实际应用层面,目前世界上进行此方面研究的主要有日本、德国。如日本的FUTEC以及日本株式会社东机美(TOKIMEC)等公司有EasyMax系列产品和Print-Pac系统,德国的Vision-Experts公司开发的Print-Expert 4000 OCV/2系统。此外,能提供全自动印刷品质量检测设备的还有瑞士的BOBST、美国的PROIMAGE等公司。

    3.在线检测系统构成

    为了解决印刷过程中的自动缺陷检测问题,可以根据印刷缺陷特征设计在线检测系统,其主要包括图像获取、定位、检测、以及结果输出四个部分组成,图像采集由CCD、镜头、光源、视频图像采集卡和计算机组成,定位主要通过软件编程完成图像的噪声去除、几何变换和定位确定,图像检测系统主要是通过二值化图像对印刷产品进行自动检测过程,结果输出主要是将数据转换部分计算得到的数据输出,并进行印刷特征量的显示,如墨量显示。当建立起了全画面印刷质量检测系统,通过CCD摄像机,对印刷品进行连续拍照,将拍摄到的每一帧图像传输给现场计算机,通过图像处理软件,对图像信息进行分析处理,找出有质量问题的图像,给出该图像所对应的印刷品的质量问题,然后通过传输线路将信息反馈给操作人员或直接反馈给印刷机进行调整。这样不仅可以减轻工人劳动强度,而且将减少次品和提高生产效率。

    对于印刷品缺陷的在线检测系统硬件部分如图一所示,主要由CCD、镜头、图像采集卡、计算机及其显示系统组成。

    首先, CCD、镜头、光源和图像采集卡共同完成对图像的采集与数字化。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关键所在。CCD 器件可以分为线阵式和面阵式两大类。线阵CCD一次只能获得图像的一行信息,被拍摄的物体必须以直线形式从摄像机前移过,才能获得完整的图像,因此非常适合对以一定速度匀速运动的物体的图像检测。而面阵CCD则可以一次获得整幅图像的信息。在全画面检测系统中,采用了索尼公司的Bayer转化的面阵 CCD。

    经过实验,对小幅面的印刷品(200mm×200mm),印刷品与镜头的物距为15mm时,光源的照度最均匀,成像质量好。因此选用镜头焦距3.5-8mm,成像尺寸为1/3英寸,光圈为F1.4。光源采取前向垂直照明的方式。

    再次,图像采集模块的任务主要是完成采集图像到屏幕实时显示的控制,采集方式分为单帧采集和实时采集并显示。在全画面印刷质量检测系统中,着重要对采集的图像进行二值化处理后,对图像数据进行分析,属于较复杂的过程,所以采用了把单帧采集的图像存储到指定位置后,再使用图像的指针调用图像进行处理。

    最后,输出系统主要完成对结果的输出并且根据输出数据调节印刷过程,包括暂停、重印、覆盖等操作。

    4.主要硬件特性

    ①CCD摄像机。CCD(电荷藕合器件,Change Coupled Device),是上世纪70年代发展起来的新型半导体光电成像器件,是一种利用光电效应原理来实现图像摄取的专门用途芯片。CCD有线型和面型两大类,两者都需要用光学成像系统将景物图像成像在CCD上。电成像器件,是一种利用光电效应原理来实现图像摄取的专门用途芯片。这里我们选用的是面阵CCD,它按一定的方式将一维线阵CCD的光敏单元及位移集成器排列成二维阵列。对于选用的CCD摄像机来说,需要重点考察六个参数:颜色、分辨率、最低照度、CCD芯片的尺寸、曝光方式(Exposure)、快门速度(Shutter)。

    ②光学镜头。镜头相当于人眼的晶状体,如果没有晶状体,人眼看不到任何物体。如果没有镜头,那么摄像头所输出的图像,就是白茫茫的一片,没有清晰的图像输出。当摄像头在拍摄图像时,如果图像变得不清楚,可以调整摄像头的后焦点,改变CCD芯片与镜头基准面的距离,使模糊的图像变得清晰。

    ③图像采集卡。图像采集卡负责将摄像机摄取的模拟视频信号转换成数字图像信号交给计算机处理。通常图像采集卡要占用PC机总线的一个插槽,并带有外接的CCD摄像头,图像监视器、视频信号接口。图像采集卡与摄像机、监视器、PC机一起就构成了一个典型微机图像处理系统的基本硬件环境。信号进入图像采集卡后分为二路,一路经同步分离器分出行、场同步信号送给鉴相器,使之与卡内时序发生器产生的行、场同步信号保持同相关系,并通过控制电路使卡上的各单元按视频信号的行、场电视制式的要求同步工作。另一路视频信号经过预处理电路,将视频的灰度信号由峰值为1V的标准电视信号放大到A/D转换器所需要的幅度,并调整好电平和对比度。预处理电路输出的信号送A/D转换器转换成数字信号。时序控制器将数字信号存于帧存储器。同时,卡上设置了为模拟监视器提供的全电视信号输出单元。它由查找表、D/A转换器和同步合成电路构成。查找表在微机接口电路的控制下,将A/D转换器输出的数字图像中相同灰度值的地址放到指定的空间。这些数据经D/A转换成模拟电压值,使D/A转换器的输出在查找表指定的行列的灰度,便可快速地还原图像于视频监视器上。在软件的作用下,图像卡可以方便地对数字图像进行存储、检测和加、减等处理。图像采集卡种类很多,按照不同的分类方法,有黑白图像和彩色图像采集卡,有模拟信号和数字信号采集卡,有复合信号和RGB分量信号输入采集卡。在选择图像采集卡时,主要应考虑到系统的功能需求、图像的采集精度和与摄像机输出信号的匹配等因素。

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