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淺析全自動印刷品在線檢測系統

《廣東印刷》2011年第1期 作者:于蒙蒙 繆曉麗 更新日期:2012-03-26

現代印刷行業的自動化程度越來越高,印刷速度和印刷質量大大提高,印品質量的在線控制對印刷工藝管理、剔廢和提高印品質量至關重要。目前國內大多數的印刷品質量靠人眼離線檢測,人眼可以發現的最小缺陷至少需要有20個灰度級差,而且尺寸不小于0.3 mm,但很難保持持續和穩定,容易產生疲勞。離線檢測中若發現問題時,高速印刷機已經產生了大量的廢品,從而造成印刷材料和工時的浪費,生產效率低下。因此,印刷品在線質量檢測應運而生。

一、印刷品在線檢測技術

印刷品在線檢測技術是在印刷過程中借助于聯機的檢測儀器對印刷品進行在線檢測,并實時將信息通過反饋回路輸送到中央控制臺,從而自動調節相應的印刷機部件,實現對印刷品質量的在線控制,自動實現檢測印品。?其原理如圖一。

圖一? 印刷品在線檢測技術原理

二、印品在線檢測技術的優勢

印刷品的在線檢測是將圖像處理技術與印刷原理相結合而形成的一種適合高速印刷的全自動檢測方法,它的優勢主要表現在以下幾個方面:

①能夠檢測極細微缺陷。在線檢測能夠輕而易舉地發現0.1mm大小的缺陷,且只需一個灰度級的差別就可以。

②不會損壞印刷品。在線監測采用攝像頭為傳感器,不會與印刷品接觸,因此不會損害印品的表面質量。

③提高了生產效率。在線檢測可以長時間連續檢測,不會因為疲勞造成誤檢。同時,在出現質量缺陷時,操作者可以根據現場中的實時報告,及時對工作中出現的問題進行解決,減少廢品率,管理者也可以依據檢測結果的分析報告,對生產過程進行跟蹤,提升管理效益。

④全工藝:適應膠凹印、鐳射、燙金、全息、熒光、水印等印刷工藝。

⑤在線檢測系統的應用,還可以減輕工人的勞動強度,改善勞動條件等等。

三、印刷品在線檢測系統

1.印品的缺陷種類

印品缺陷主要包括形狀缺陷和顏色缺陷兩種?形狀缺陷主要是指瑕疵?異物?污點?刀絲等,它表現為缺陷圖像的缺陷處的灰度值與標準圖像的差異?將缺陷圖像的灰度值同標準圖像進行比較,判斷其差值是否已經超出預先設定的閾值范圍,就能判斷該圖像是否有形狀缺陷?

色彩缺陷主要指待檢印品與標準印品顏色上存在偏差?可利用顏色空間轉換模型得到印品圖像的色度值CIE L*a*b*,用色差來評價印品的偏色狀況?

2.印品在線檢測系統工作原理

在線檢測系統工作原理:通過圖像采集單元(如:CCD攝像鏡頭),先通過對一定數量的合格產品進行圖像采集,去除隨機因素的影響,獲得印刷版面的標準圖像作為模板,然后在印刷生產線上采集待檢圖像,將采集到的每一幀待檢圖像傳輸給現場與標準圖像進行對比分析,根據比較結果確定生產線上的產品是否符合質量要求,是否存在缺陷并判斷缺陷的位置。找出有質量問題的圖像,從而發現該圖像所對應印刷品的質量問題,最后調節相應的印刷部件,實現對印刷品質量的在線控制?

印品在線檢測具體實施步驟分為兩步:首先是準備,即通過對合格產品的圖像采集,獲得標準印刷品圖像,也稱模板?采樣過程應該注意掃描分辨率、圖像的空間分辨率、圖像的空間坐標的校正、彩色圖像的色調、CCD速度、光照條件和機械振動等對采樣圖像的影響。?其次將待檢印刷品的圖像與標準模板進行比較,從而根據比較結果確定缺陷存在與否及缺陷位置,并記錄該缺陷信息?其工作流程如圖二。

圖二 在線檢測工作流程圖

印刷過程中產生的各種錯誤,對電腦來說只是標準圖像與被檢測圖像對比后的不同,如污跡、墨點色差等缺陷都包含在其中。

3.在線檢測系統

一個典型的印品在線檢測系統,主要包括光源及光學系統、CCD相機、圖像采集卡、圖像處理軟件、計算機及其外設、控制執行模塊等組成。其原理結構示意圖如圖三所示。

印品在線檢測系統工作原理為:通過CCD攝像機和圖像采集卡將被檢測對象采集到計算機里,圖像處理軟件對所得的圖像進行處理分析和解釋等,進而做出某些決策,最后通過外設輸出檢測結果或者直接將結果用于控制工業過程等。

下面簡要介紹各個部分的作用,對印品在線檢測系統有個總體的認識。

圖三 印刷品質量檢測系統結構示意圖

圖四 印品質量在線檢測系統結構框圖

①CCD相機。

通常是一個或多個攝像頭和鏡頭(光學部件),相機的功能用于拍攝待測印刷品,完成對目標圖像的采集,將圖像傳感器所接收到的光學圖像轉化為計算機所能處理的電信號。高質量的圖像信息是系統正確判斷和決策的原始依據,是整個系統成功與否的又一關鍵所在。在進行相機選擇時主要根據相機的色彩、掃描制式、分辨率、掃描速度或幀速、同步方式、通信接口等特性。

②光源。

用于照亮待測印刷品,以便從攝像機中拍攝到更好的圖像,保證成像環境的一致性。在印品在線檢測系統中,好的光源與照明方案往往是整個系統成敗的關鍵,起著非常重要的作用,它并不是簡單的照亮物體而已。光源與照明方案的配合應盡可能地突出物體特征量,在物體需要檢測的部分與那些不重要部分之間應盡可能地產生明顯的區別,增加對比度;同時還應保證足夠的整體亮度,物體位置的變化不應該影響成像的質量。光源的選擇必須符合所需的幾何形狀、照明亮度、均勻度、發光的光譜特性等,同時還要考慮光源的發光效率和使用壽命。一般可采用高頻熒光燈、LED、白熾燈和石英鹵光燈等。

③圖像采集卡。

圖像采集卡是控制相機拍照,完成圖像采集與數字化,協調整個系統的重要設備。它的主要功能是對相機所輸出的視頻數據進行實時的采集,建立攝像機與計算機的連接,它從攝像機中獲得數據(模擬信號或數字信號),然后轉換成計算機能處理的信息,同時可以提供攝像機控制參數。在進行在線檢測系統中圖像采集卡選擇時,需要重點從匹配相機類型、相機控制功能、數據處理能力、配套軟件情況等方面考慮。圖像采集卡型號很多,支持不同類型的攝像機和不同的計算機總線。

④計算機平臺

計算機是機器視覺的關鍵組成部分,在檢測應用方面,通常使用PentiumⅣ或更高的CPU。一般來講,計算機的速度越快,視覺系統處理每一張圖片的時間就越短。由于在制造現場中經常有振動、灰塵、熱輻射等,所以一般需要工業計算機。

四、影響在線檢測能力的因素

1.印刷基材

膠片或紙張等無紋理型的基材,檢測到不同于背景的區域即可視為缺陷??梢杂靡恍┥晕⒑唵蔚乃惴ㄈ玳撝祷?、零序背景跟蹤或delta跟蹤器來檢測缺陷;對于紋理型,圖案越復雜,檢測缺陷的難度越大,而無序紋理則比重復紋理更難檢測。

卷筒材料的缺陷檢測一般采用模板匹配的方法,將待測圖像與無缺陷模板對齊后相減,對差異進行比較,但是這種方法的難點在于精確地對齊及對模板的獲取。這是因為張力的影響以及生產過程再現性差異,無法真正獲得理想的模板,而待測圖像無論用何種圖像復原算法或對齊算法,只能從圖像輪廓上與模板匹配,缺陷細節和材料形變細節仍然無法分離。

對于軟性材料可拉伸的印刷品,它們在張力的作用下,沿行走方向會發生很大程度的拉伸變形,并且這種形變是隨機的,很難找到一種有效的模型對圖像進行復原,這種形變對待測圖像的直接影響就是待檢測圖像與標準模板進行對比后,在紋理輪廓部分會發生明顯的誤檢,即使質量合格的圖像,也會出現斑點,很多研究者采取鄰域比較算法來解決該誤差問題,

2.圖像處理網絡化

隨著觀測面積的增大和檢測任務的日益復雜,數據處理量急劇增長,單機系統無法滿足圖像顯示、數據傳輸、圖像處理和實時控制的要求,以網絡為中心的多目視覺檢測和分布式計算成為現代自動化生產線量和質檢的主流需求。

3.信息采集設備

印品檢測使用的攝像機根據實際情況的不同分為兩大類,線陣攝像機和面陣攝像機。線陣CCD一次曝光成像一條線,CCD攝像機與目標圖像之間呈相對運動狀態,一幅圖像需經過多次曝光組合而成,其主要優點是運動方向沒有變形,適宜拍攝寬幅面目標,缺點是成像過程中要保持光源和速度的穩定。因此非常適合對以一定速度勻速運動的物體(印品)的圖像檢測。使用面陣CCD采集時,一幅圖像經過一次曝光即可成像,單幅成像時CCD攝像機和目標圖像之間不需要相對運動,其主要優點是曝光一次完成,抗干擾性強,缺點是成像存在球形效應,不適應拍攝寬幅面目標,像我們日常使用的數碼相機。因此,?面掃描相機可以取得相同的縱橫分辨率,但觀測范圍小;線掃描相機采用線積分方式采樣,觀測范圍可以無限大,但不適合高速生產環境。

線陣CCD成像方式?????? 面陣CCD成像方式

圖五 攝像機的種類

4.光源的設計

圖像數據采集的基本要求是信號的線性度好、噪聲小、分辨率高、轉換速度快。在圖像數據采集系統中,由于CCD圖像傳感器是感光設備,光照的強弱將直接影響掃描所得圖像的質量,因此對照明裝置的要求一般都很高。在不同場合、不同時刻或不同天氣狀況,自然光強都會在很大范圍內波動,使成像的一致性大大降低,有可能直接導致識別率的降低。解決該問題主要是要保證成像環境的一致性,在密封環境下可以使用固定光源保證穩定的光強,在不能密封的情況下可以采用高強度的頻閃裝置以屏蔽自然光。

5.圖像信號處理速度

圖像信號的處理是在線檢測系統的核心,隨著計算機技術、微電子技術和大規模集成電路技術的快速發展,為了提高系統的實時性,對圖像處理的很多工作都可以借助硬件完成,如DSP等,軟件則主要完成算法中非常復雜、不太成熟、尚需不斷探索和改變的部分。在圖像信號處理的時間上必須要注意的是:為了滿足系統對圖像連續無遺漏處理的實時性要求,必須使一幀圖像的處理時間小于等于一幀圖像的采集時間,即圖像處理速度大于等于圖像采集的速度。

PCI總線技術+MMX/SSE技術已成為新一代圖像處理系統的關鍵技術,可以利用強大的微機資源實現快速、低成本的運算處理,但要實現真正意義上的實時處理,還需要配備專用采集硬件。

6.設備檢測精度

對于白卡紙和一些簡約風格的印刷品來說,簡單的對比檢測已經足夠了。而國內的多數印刷品帶有很多的閃光元素,如金、銀卡紙,燙印、壓凹凸或上光印刷品等,要求質量檢測設備必須具備可以發現5個以內的灰度級差的能力。

五、結語

企業長期擁有良好且持續穩定的發展,必須擁有一個合理的、完善的質量管理體系。印品質量的在線控制對印刷工藝管理、剔廢和提高印品質量至關重要。由于印刷品在線檢測技術大大減少了印刷品質量控制的人為因素,大幅度提高了生產效率,降低了對操作人員技能的要求,它的應用為真正實現印刷機械的自動化、智能化提供了可行性。因此,印品在線檢測系統具有廣闊的開發和應用前景,讓我們將更多的目光投向全自動印刷品質量檢測設備和技術的發展。

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