基于机器视觉的套印误差自动检测系统设计.pdf

第 l 8卷第 7期 2 0 0 8年 7月 计 算 机 技 术 与 发 展 V o 1 1 8 N o 7 C OMP U TER TE C HNOL OG Y A ND D EV E L OP ME NT J u 1 2 0 0 8 基于机器视觉的套印误差 自动检测 系统设计 蒋恩松 一，肖辉军，孙刘杰2，熊清廉(1 湖南科技学院 计算机与信息科学 系，湖南 永州 4 2 5 1 0 0；2 上海理工大学 出版印刷学院，上海 2 0 0 0 9 3)摘要：彩色印刷过程中，人工检测套印误差是一项费时且低效的工作。为 了提高印刷效率，降低管理成本，针对套印误 差检测的特点，设计了一套机器视觉自动检测系统。巧妙地利用印版滚筒的空档，在编码器脉 冲信号作用下，实现了色标 图像的静态采集，并详细介绍了该图像采集系统的硬件构成；对所采集的色标图像进行 中值滤波和增强处理后，最终采用 图像匹配技术来获得准确的套印误差数据。试验结果表明，系统的检测误差小于一个像素，提高 了印品的检测质量和检 测 速度。关键词：套印误差；机器视觉；图像处理；检测 中图分类号：1 1 P 2 7 4 5 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 3 6 2 9 X(2 0 0 8)0 7 0 1 7 3 0 3 De s i g n of Au t o ma t i c De t e c t i ng Pr i nt i n g Re g i s t r a t i o n De v i a t i o n S y s t e m Ba s e d o n M a c h i ne Vi s i o n J I ANG E n s o n g ，一，XI A O Hu i-j u n ，S UN L i u-j i e 2，XI O NG Qi n g 1 i a n (1 C o mp u t e r a n d I n f o r ma t i o n S c i e n c e D e p t ，Hu n a n Un i v o f,S c i e n c e and E n g i n e e r i n g，Y o n g z h o u 4 2 5 1 0 0，C h i n a；2 P u b l i s h i n g&P r i n t i ng C o l 1 ，Un i v o f S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3，C h i n a)Ab s t r a c t：I n c o lo r pri n t i n g，de t e c t ing p rin t ing r e g i s t r a t io n d e v i a t i o n b y ma n i s t i mec o n s t a n i ng a n d i n e f f i c ie n t I n o r d e r t o e n h a n c e p ri n t ing p r o d u c t i v i t y a nd d ecr e a s e a d mi n i s t r a t iv e C O S t，a n a u t o ma t i c d e t e c t i n g s y s t e m b a s e d o n ma c h i n e vis io n i s d e s i g ne dThr o u g h ma k i ng u s e o f t h e g a p o f t h e p l a t e s k i l l f u l l y，t h e s y s t n o f im a g e c o l l e c t ing s t a t i c a l l y i s r e a l i z e dw i t hth e i m p u ls e s i g n o f e n e o d e r Me a n w h i l e，t h e h a r d wa r e c o mp o s i ng o ft h i s s y s t e m isi n t r o d u c e di n d e t a i l n I e c olo rma r kima ge s c o l l e c t ed f r o m t h e s y s t em a r emedi t a nf i l t e r e d a n dm ha n e e dt h e n t h e r egi s t r a t i o n d e v i a t i o n c a n b e d t ed a c c u r a t e l y b y u s i ng i ma g e ma t c h i ng t e c hn o l o g y e e x pe rime n t r esult s i n di t h a t t he d e t e c t ing e r r o r i s l e s s t h a n o ne p i x e l；and t he s y s t em a l s o c a n i mp mv e t h e q u a li t y a n d s p e e d o f d e t e c t in g p ri n t ed p r o d u c t s Ke y wo r d s：r eg i s t r a t i o n d e v i a t i o n；ma c h i n e vis i o n；i ma g e p r o c e s s i ng；d e t e c t i ng 1 套印误差检测原理 现代 的彩 色印刷 一般 均采 用套 印技术，套 印准 确 是印刷的最基本要求【l J。在印刷过程中，是通过检测 印品特定位置上 的标记 来实现套 印误 差 的检 测，此 标 记即通常所说的 Ma r k线(各色印刷标记线)，在不至 于混淆的情况下，也简称为色标。一种常用的色标标 记形式如图 1 所示，在套印准确的情况下，如(a)图，色 标重合，图文清晰；(b)图所示 的是套印误差较大的情 况，两个色标线不重合，彼此错开，表明有较大的套印 误差，由于套印不准确，图文整体上非常模糊。因此，通过观察各色标记线的重合程度就可以得到横向和纵 收稿 日期：2 0 0 7 1 OO 9 基金项 目：上海市重点学 科基金 资助项 目(P 0 5 0 1)作者简介：蒋恩松(1 9 7 2 一)，男，湖南人，硕士，讲师，研究方向为计 算机控制及信息处理。向的套印误差。2 视觉检测系统设计方案 2。1 机器视觉概述 所谓机器视觉，是在没有人工干预的情况下使用 计算机来处理和分析所获得的图像信息，并最终做出 判断或结论，一般场合下也称计算机视觉【。简言之，机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器 视觉技 术被广泛地应 用于各方 面，需 要人类 视觉 的场 合几乎都可应用机器视觉技术，特别是在许多人类视 觉无法感知 的场合，如 精确定 量感 知、危 险场景感知、不可见物体感知等，机器视觉更能突显其优越性。2 2 图像采集系统方案 图像数据采集是机器视觉系统的重要组成部分，是以后进行图像处理和图像分析的基础，是提高整个 维普资讯 http:/ 1 7 4 计算机技术与发展 第 1 8卷 系统精度 的重要途径。因此在采用机器视觉进行色标 检测时，首先要分析图像采集的现场条件，确定可行的 采集方案。一般情况下，摄像机在固定的位置采集图 像，当印刷机以高速(2 m s)印刷时，假设曝光的时间 是 1 0 m s，在这段时间标记的运动距离是 2 c m，一方面 会造成图像拖尾模糊，另一方面，要求相机视场要取得 较大。所以，动态情况下，快门设得越小越好。但快门 设得小，光照强度就必须加大，这又会引起所拍摄对象 受强光照射产生光照不均匀，导致采集的图像往往会 存在光斑。考虑到动态采集图像的困难，根据实际的 印刷过程，可以采用静态采集方式。(a)套 印准 确 然后 C C D相机将被 摄取色标转换 成数字信 号送人计 算机，由计算机图像处理系统根据像素分布和亮度等 信息进行各种运算来抽取 目标的特征，最终计算出实 际的套 印误差。2 3 系统硬件组成 在机器视觉检测方案设计过程中，需要根据实际 情况确定如下主要的硬件。(1)相机。正确地选择相机是设计整个机器视觉系统关键的 第一步，相机的功能就是将光信号转为电信号。选择 合适的摄像机也是机器视觉系统设 计 中的重要 环节，(b)套印 不准确 图 1 色标 的印刷形式 由于印版滚筒有一定的空档，各印张之间的间距 为2 3 0 mm左右，也就是说，在印速 2 m s 的情况下，各 印张到达收纸台的时间间隔在 1 1 5 ms 左右。所以，在 收纸台上专门设置一个停纸装置，让印张经过时停顿 一定时间再进入收纸台，将相机安装在此位置上就可 进行静态图像拍摄。根据胶印机节拍印刷原理 ，已 知收纸链条长度以及压印滚筒周长，通过安装在印版 滚筒上的编码器，可 以准确知 道各 印张到达收 纸台的 时间，将编码器脉冲信号经串口输入上位机，则上位机 根据此信号控制摄像机进行图像采集，即可获得各印 张色标图像。图像采集方案如图2所示。在这当中，选择何种类型的感光芯 片、黑 白相机还 是彩色 相机、面阵相 机还是线 阵相机等 方面都 是 设计 者 要考虑的问题。对于视觉检测系统 而言，根据实际检测精度的要求来确 定相机的分辨率是最重要 的工作。在本系统 中，采用 的是 C C D面 阵黑 白相 机，色 标 大小 为 1 0 n m 8 m m，检测精度 要求为 0 0 2 ram，则 相机至 少要选 5 0 0 4 0 0 像素以上。(2)镜头。镜头的功能就是光学成像，将所需要的图像完好 地投影到相机感光芯片上。在色标检测中，一个对镜 头最重要的要求就是使被测物所形成的像面尽可能全 部覆盖图像传感器，镜头的规格要大于或等于相机的 靶面规格，在选用镜头时要考虑的就是该镜头的成像 面与所用 的相机是 否匹配。同时，还需要 考虑 工作距 离(镜头的最下端 到被 测物之间 的距离)、镜头 的视角 范 围(镜 头所能够覆盖的有效工作区域)。除 了上述要 求外，在实际应用中还要考虑最短成像距离、景深、光 圈大小、镜头 口径 以及接 口等其 它的一些 因素。由于 图 2 图像采集 系统结构示意图 其工作流程是：首先上位机根据编码器送进来的 脉冲信号，控制 C L-7 3 相机的电子快门进行色标拍摄，响应范围为 3 5 0 n m 1 0 0 0 ri m，不仅包括了 可见光谱区域，还包括了红外区域，可考 虑加入滤镜以滤除红外光线。在实际摄 像中，还需要设计转接环将摄像镜头与 C C D相机正确连接并保证成像 系统的 像距。(3)光源。在对色标的检测过程中，照明光源 同样是一个重要因素，这是检测系统能 够在现场条件下持续获得高品质、高对 比度图像的保证。对于以灰度进行量化 处理的机器视觉系统而言，图像亮度是一个尤为重要 的参数。常用光源的类型有卤素灯、荧光灯和 L E D光 维普资讯 http:/ 第 7 期 蒋恩松等：基于机器视觉的套印误差自动检测系统设计 1 7 5 源，从现有的各种照明系统中，选择适合应用 目的的最 佳照明光源 是系统设 计的关键步骤 之一。(4)图像采集卡。图像采集卡是图像采集部分和图像处理部分的接 口，它具有如下功能：可处理来 自不同图像源的信息，并在各种不同应 用 中具 有灵 活性；可快 速高效 地存 储 图像信息；提供图形用户接 IS I。现在的数字摄像机 内 已置有高性能的图像采集卡，因此，系统设计中无须过 多考虑图像数据的传送问题。3 图像处理系统 在检测过程中，机器视觉与数字图像处理是紧密 相关的，图像信号的处理是机器视觉系统的核心。后 续工作重点即是组建一个图像处理系统，能对色标进 行精确检测，并将检测 的套 印误 差结果 提供 给用户 或 工控机(如 P C和 P L C)。3 1 图像前期处理 一般而言，进行图像处理主要解决两个问题：一是 判断图像中有无需要的信息；二是确定这些信息是什 么。前期处理就是为解决这两个问题创造更好 的条 件。(1)图像滤波。对获得的色标图像信息进行预处理以过滤干扰噪 声，这样可提高信噪 比。对未进行滤波的色标图像进 行锐化处理后结果见图 3(a)，可以看到，纸张纹理 以 及一些高频噪声在图像中很明显，几乎跟色标轮廓的 灰度值相当。在检测过程中，往往更注意的是边缘信 息，如果对这些噪声信号不做处理，会对后续的一些操 作带来麻烦，也会给处理结果带来一定的误差，在此，采取线性平滑滤波器对 图像进行滤波处理，能够有效 地消除高频的噪声信号。滤波后结果见图 3(b)。图像更适用。对于色标图像，需要关心的是它所提供 的各色套印的误差信息，具体来说，要求能够清晰地分 辨各色标记线。因此，图像增强主要是进行灰度调整，增强对比度。图 4所示的是增强前后图像同一列像素 的灰度值比较，可以清楚地看到，图像增强明显扩展了 灰度的动态范围，有利于图像识别。图 4 增 强前后 色标 图像 的灰度 范围比较 3 2 套印误差的检测算法 边缘检测技术是计算机视觉领域最基本的技术，在实际的检测中，对于几种经典的边缘检测算子而言，现实要求往往都是矛盾的，很难在一个边缘检测器中 得到完全 的统一-4 J。在本系统的色标检测中，如采用边缘检测技术则 有两方面的不利因素：一是通常实际图像的边缘是模 糊的，同时在滤波处理 中还丢失了部分高频信息；其 次，实际印刷过程中，由于纸张质量及印版滚筒压印力 度不均等方面的原因，油墨在纸张上有一定的扩散而 引起毛边现象，边缘并不规则，而印在纸张上的色标大 小与定制的大小也并不严格一致。这些因素都会造成 检测的误差。由于图像匹配技术在高精度测量中有其(a)滤波前(b)滤波后 图 3 滤波前后 色标图像锐 化效果比较(2)图像增 强。对图像增强处理的目的就是改善图像质量，突出 所感兴趣的部分，使其结果对特定的应用来说 比原始 显著的优势 6，用于色标检测中 能有效地 克服 上 述两 个不 利 的 因素(具 体 实 现 的方 法 另文 论 述，在此 限于篇 幅不再详述)。匹配结果如图 5所示，两个匹配 点的位置就分别代表了两色标 的中心位置。显然，可以从相关 图中直接计算两个匹配点的纵 向和横向的距离，从 而得到实际 的套印的纵向和横向偏差。由 于图像匹配法利用 了色标的整 体信息，信息含量大，对像素灰度的变化与噪声具有鲁 棒性，利用该方法的检测误差不超过一个像素。(下转第 1 8 0页)维普资讯 http:/ 1 8 0 计算机技术与发展 第 1 8卷 最大覆盖源谓词 S，直到可以覆盖整个 S，若存在多个 这样的集合，则选择映射中具有最小数量谓词个数的 映射作为目标表单上的查询集。查询翻译器以映射后的谓词组合来构造原始用户 查询的最小包含查询集。查询翻译问题的研究有基于 范围的查询重写技术，它可以产生原查询的最小包含 映射。并将尽可能多的谓词转换到目标表单上，从而 最大化地使用源表单上的谓词。一旦在 目标表单 上产生 了查 询 串，就 可以将查询 串转发到 we b 爬虫来下载结果页面。系统收集所获 得的所有结果页面，然后将其发送给查询结果合并器，最终对结果进行处理后以统一风格展示给用户。3 结束语 D e e p We b 信息集成及 D e e p we b 信息检索将是下 一代分布式信息集成技术和分布式数据库集成技术发 展的方向之一。文中提出了一个基于 D e e p we b的信 息集成系统框架结构，并在 此基础上 实现 了一个实 验 原型系统，重点介绍了用户查询转换。然而，如何模型 化查询接口，以及如何选择查询接 口和优化用户查询 都将是 D e e p we b 信息集成系统设计 中有待深入解决 的问题。参考文献：1 黄晓冬 I n v is i b l e We b 研 究综述 J 情报科学，2 0 0 4，2 2 (上接 第 1 7 5页)(9)：1 1 4 4一l 1 4 7 2 H e B in，C h a n g K e v i n C h e nC h u a n S t a t i s t i c a l S c h e m a Ma t c h i n g a c r o s s We b Q u e r y I n t e r f a c e s C I n P r o c e e a i o ft h e 2 0 0 3 A CM S I G MOD C o n f e r e n c e S a nDi e g o，C a l f o r 一 血 a：S n ，2 0 0 3：2 1 7 2 2 8 3 He B i n，C h a n gK e v i nC h e n C h u a n，H a r t J i a w e i D is c o v e r in g c o m p l e x】a t c h m g s a c：r o s s w e b q u e r y i n t e rf a c e s C I n P r o c e e d i n g s 0 f t h e t e n t h AC M S I GKD D i n t e r n a t io n a l c o nfe r e n ce o n Kno wl e d ge d i s c o v e r y a n d d a t a mi n i ng Ne w Yo r k：KDD，2 0 0 4：1 4 8 1 5 7 4 P a p a k o n s t ant i n o u Y，G u p t a A，G a r c i aMo l in a H，a t a1 A qu e r y t r a n s l a t io n s c h e me f o r r a p i d i mp l e me n t a tio n o f wr a p p e r s C I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n ce o n D e d u c t i v e a n d Oo i e c t Ori e nt e d Da t a b a s e s n g a p o m：Sp r in g e r，1 9 95：1 611 8 6 5 R a j a r a n m a n A，S a g i v Y，Ul t m a n J D A n s w e r i ng q u e r i e s u s i ng t em p l a t e s w i t h b in d i n g p a t t e r n s C In P r o c e e d i ngs o f t h e f o u r t e e n t hA C M S I G AC T S I GMOD S I GAR T s y mp o s i u m o n P r i n c i p l es o f d a t a b a s e s y s t e r r m C a l if o r n i a：S n ，1 9 9 5：1 0511 2 6 L e v y A Y，Ra i a r a ma n A，Or diU e J J Qu e r y in g het e r o g e n e o us in f o r m a t io n s 0 u r o e s usi n g s 0 u r c e d e s c r i p t i o n s C In P r o c e e d i n g sof t he T we n t ys e c o n d I n t e r n a t i o n a l Co nfe r e n ce o n V e ry L a r g e D a t a b a s e s S a n F r anc i s c o：S n ，1 9 9 6：2 5 1 2 6 2 7 C h a n g K CC，G a r c i a Mo l i n a H A p p r o x i m a t e q u e ry m a p p i ng：A c c o u n ti ng f o r t r a n s l a t i o n c l o s e n e s s J T h e V I A 3 B J o u r n a l，2 0 0 1，1 0：1 5 5 1 8 1 (a)色标图 图 5 色标及其相关 匹配图 4 结束语 该视觉检测系统适用于目前国内大多数胶印机套 印误差检测。弓 1 人机器视觉技术，对于套印误差检测 这种带有高度重复性和智能性的工作而言，可以快速 获取大量信息，实现智能化快速处理，具有直观性、非 接触性、检测结果可靠等优点，从而大大提高印品的检 测质量和检测速度，降低了人工成 本和管理成本。参考文献：1 夏军 关于套印问题的研究 J 印刷杂志，2 0 0 2(6)：4 2 4 5 2 S h a p i r oLG，S t o c k ma nGC 计算 机视觉 M 北京：机械工业出版 社。2 o 0 5：6 7 (b)相关图 3 韩玄武，郑莉 胶印机工作原理 与操作技术 M 北京：化学工业 出版社，2 0 0 4：1 4 7 1 5 1 4 沈洁，杜宇人，高浩军 图像边缘检测技术研究 J 信息 技术，2 0 0 5(1 2)：3 2 3 4 5 段瑞玲，李庆祥，李玉和图像边缘检测方法研究综述 J 光学技术，2 0 0 5，3 1(3)：4 1 5 4 1 9 6 朱永松，国澄明 基 于相关系数的相关 匹配算 法的研究 J 信号处理，2 0 0 3，1 9(6)：5 3 1 5 3 4 维普资讯 http:/