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    自動印刷質量檢測技術及系統綜述

    責任編輯:冠深泰科技  發布時間:2015-12-22
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        印刷過程往往受到溫度、濕度、機器精度、設備操作等各種因素干擾,印刷質量達不到既定要求,這就需要對印刷全流程進行檢測控制。印刷品常會出現這樣或那樣的缺陷,常見的印刷品缺陷主要有:漏印、飛墨、偏色、黑點、刮擦、套印不準等。但由于人受自身條件的限制,并不能完成實時監控,因此建立起有效的自動印刷質量檢測技術十分重要。本文以此為研究對象,研究國內外自動檢測系統發展現狀及自動檢測系統的基本構成。

        1.影響印刷質量的兩個核心問題及自動檢測技術必要性、可行性

        總結印刷中最常出現的印刷質量問題可以分為印刷色彩問題和印刷缺陷問題兩大類,印刷色彩問題主要表現為偏色,印刷缺陷問題主要表現形狀缺陷。

        彩色印刷所使用的膠印機通常有單色膠印機、雙色膠印機和四色膠印機。產生偏色的原因主要有三點:第一,雙色膠印機印刷彩色封面的一般原則,當使用雙色膠印機印刷彩色封面時,同時印刷的兩個色是濕疊濕方式,而后印的兩個色印刷方式相對于前兩個色而言是濕疊干的。第二,四色膠印機印刷彩色封面的一般原則,當用四色印刷機印刷彩色封面時,由于它是濕疊濕的印刷方式,這在印刷工藝上增加了難度,要求四種顏色的油墨疊印后的密度值要小,每一色的墨層厚度要薄,否則就會出現背面蹭臟或其他印刷事故。第三,油墨的黏度與顏色的關系,油墨的黏度是指油墨內聚力的大小或墨層斷裂時所產生的阻力大小,在多色印刷中,我們要按照油墨黏度由大到小的印刷順序進行印刷,即前一色的油墨黏度大于后一色的油墨黏度,這樣才能保證油墨正常疊印。

        根據對印刷品質量影響因素的分析,可知其缺陷一般為形狀缺陷。其主要關注形狀特征,例如線條形狀缺陷。在多數可用的圖像質量檢測中,有一些是適合于評價圖像質量的度量指標。這些檢測內容包括:點質量、線質量、文字質量、超范圍的噴涂和空間分辨率。常見的印刷品缺陷主要有:飛墨、針孔、漏印、黑點、刮擦、套印不準等。這些缺陷的檢測目前普遍采用的是人工目測的手段,勞動強度大,費時費力,檢測標準不統一。特別是隨著印刷速度的提高,已逐漸無法滿足生產的需求。因此,印刷品缺陷的自動檢測逐漸成為行業的趨勢。  

         為了提高生產效率,在線智能檢測技術引入了印刷過程,基本原理如下:系統通過CCD攝像鏡頭,采集無缺陷印品作為標準圖像,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,找出有質量問題的圖像,從而發現該幀圖像所對應印刷品的質量問題,最后自動調節相應的印刷部質量的在線控制。印品在線檢測在具體實施時,一般分為兩步:首先是檢測準備,即通過對合格產品的圖像采集,獲得標準印刷品圖像。其次是實際檢測,即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。以下為各國研究現狀,及其系統構成分析。

        2.當前國內外印刷品自動檢測技術現狀

        印刷圖像質量自動檢測技術起步于上個世紀八、九十年代。1990年,日本東京的Katsuyuki Tanimizu進行了印刷工業自動質量檢測研究,提了一種用于自動檢測印刷品表面缺陷的索引空間法(Index Space Method),以X、Y表示各像素點的位置坐標,以Z軸表示像點灰度值,建立了空間坐標系,這樣每一圖點都能在此坐標系中找到其相應的位置,通過比較坐標系中模板圖像和待檢圖像的對位置的灰度值,確定待檢圖像中是否存在缺陷點,這種方法的圖像處理過程和檢測過程相互獨立,能夠檢測較復雜的圖片。但其算法比較復雜,應用上有很多不便。

        1993年,法國的B.Mehenni也進行了本課題的研究工作,他提出了一種把n-tupe法和逐像素比較法相結合的方法,這種方法具有速度快、參數輸出多等特點,但它要求專門的硬件設備,同時要通過示教才能完成自動質量檢測的任務。

        1998年,又陸續有學者把Gabor filter法引入到印刷品圖像質量檢測中,此種方法可檢測出多種圖像缺陷,且有一定的自適應性,適用于對大數據系統的檢測,但abor方法有一大缺陷,識別速度慢,因為它的良好識別性是建立在精確匹配基礎上的,這大大提高了運算的復雜性,同時降低了它的實用性。

        2003年,英國??巳卮髮W的J.Luo和Z.Zhang,基于圖像處理技術,提出了一種彩色印刷品檢測算法。該算法首先進行照明修正,然后給出色彩三維直方圖,進行特征提取,最后利用神經網絡進行圖像分類,識別合格圖像。

        目前,國外許多廠家已經研制出了各種印刷品自動化質量檢測系統。例如:德國Vision Experts公司開發的印刷質量檢測系統能在線檢測出各種紙張、多種材料表面的印刷錯誤。德國的ELTROMAT公司生產的GED NOTA-SAVE系列高精度印刷質量檢測系統已用于對鈔票印刷的質量檢測過程。實踐證明它們大大縮短了檢測的時間,提高了檢測速度,達到了監控高精度印刷品生產過程的目的。以色列AVT公司也已生產出用于檢測印刷質量的PrintVision系列產品,能夠探測到顏色差異、漏印、條痕以及斑點等印刷錯誤。

        在實際應用層面,目前世界上進行此方面研究的主要有日本、德國。如日本的FUTEC以及日本株式會社東機美(TOKIMEC)等公司有EasyMax系列產品和Print-Pac系統,德國的Vision-Experts公司開發的Print-Expert 4000 OCV/2系統。此外,能提供全自動印刷品質量檢測設備的還有瑞士的BOBST、美國的PROIMAGE等公司。

        3.在線檢測系統構成

        為了解決印刷過程中的自動缺陷檢測問題,可以根據印刷缺陷特征設計在線檢測系統,其主要包括圖像獲取、定位、檢測、以及結果輸出四個部分組成,圖像采集由CCD、鏡頭、光源、視頻圖像采集卡和計算機組成,定位主要通過軟件編程完成圖像的噪聲去除、幾何變換和定位確定,圖像檢測系統主要是通過二值化圖像對印刷產品進行自動檢測過程,結果輸出主要是將數據轉換部分計算得到的數據輸出,并進行印刷特征量的顯示,如墨量顯示。當建立起了全畫面印刷質量檢測系統,通過CCD攝像機,對印刷品進行連續拍照,將拍攝到的每一幀圖像傳輸給現場計算機,通過圖像處理軟件,對圖像信息進行分析處理,找出有質量問題的圖像,給出該圖像所對應的印刷品的質量問題,然后通過傳輸線路將信息反饋給操作人員或直接反饋給印刷機進行調整。這樣不僅可以減輕工人勞動強度,而且將減少次品和提高生產效率。

        對于印刷品缺陷的在線檢測系統硬件部分如圖一所示,主要由CCD、鏡頭、圖像采集卡、計算機及其顯示系統組成。

        首先, CCD、鏡頭、光源和圖像采集卡共同完成對圖像的采集與數字化。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關鍵所在。CCD 器件可以分為線陣式和面陣式兩大類。線陣CCD一次只能獲得圖像的一行信息,被拍攝的物體必須以直線形式從攝像機前移過,才能獲得完整的圖像,因此非常適合對以一定速度勻速運動的物體的圖像檢測。而面陣CCD則可以一次獲得整幅圖像的信息。在全畫面檢測系統中,采用了索尼公司的Bayer轉化的面陣 CCD。

        經過實驗,對小幅面的印刷品(200mm×200mm),印刷品與鏡頭的物距為15mm時,光源的照度最均勻,成像質量好。因此選用鏡頭焦距3.5-8mm,成像尺寸為1/3英寸,光圈為F1.4。光源采取前向垂直照明的方式。

        再次,圖像采集模塊的任務主要是完成采集圖像到屏幕實時顯示的控制,采集方式分為單幀采集和實時采集并顯示。在全畫面印刷質量檢測系統中,著重要對采集的圖像進行二值化處理后,對圖像數據進行分析,屬于較復雜的過程,所以采用了把單幀采集的圖像存儲到指定位置后,再使用圖像的指針調用圖像進行處理。

        最后,輸出系統主要完成對結果的輸出并且根據輸出數據調節印刷過程,包括暫停、重印、覆蓋等操作。

        4.主要硬件特性

        ①CCD攝像機。CCD(電荷藕合器件,Change Coupled Device),是上世紀70年代發展起來的新型半導體光電成像器件,是一種利用光電效應原理來實現圖像攝取的專門用途芯片。CCD有線型和面型兩大類,兩者都需要用光學成像系統將景物圖像成像在CCD上。電成像器件,是一種利用光電效應原理來實現圖像攝取的專門用途芯片。這里我們選用的是面陣CCD,它按一定的方式將一維線陣CCD的光敏單元及位移集成器排列成二維陣列。對于選用的CCD攝像機來說,需要重點考察六個參數:顏色、分辨率、最低照度、CCD芯片的尺寸、曝光方式(Exposure)、快門速度(Shutter)。

        ②光學鏡頭。鏡頭相當于人眼的晶狀體,如果沒有晶狀體,人眼看不到任何物體。如果沒有鏡頭,那么攝像頭所輸出的圖像,就是白茫茫的一片,沒有清晰的圖像輸出。當攝像頭在拍攝圖像時,如果圖像變得不清楚,可以調整攝像頭的后焦點,改變CCD芯片與鏡頭基準面的距離,使模糊的圖像變得清晰。

        ③圖像采集卡。圖像采集卡負責將攝像機攝取的模擬視頻信號轉換成數字圖像信號交給計算機處理。通常圖像采集卡要占用PC機總線的一個插槽,并帶有外接的CCD攝像頭,圖像監視器、視頻信號接口。圖像采集卡與攝像機、監視器、PC機一起就構成了一個典型微機圖像處理系統的基本硬件環境。信號進入圖像采集卡后分為二路,一路經同步分離器分出行、場同步信號送給鑒相器,使之與卡內時序發生器產生的行、場同步信號保持同相關系,并通過控制電路使卡上的各單元按視頻信號的行、場電視制式的要求同步工作。另一路視頻信號經過預處理電路,將視頻的灰度信號由峰值為1V的標準電視信號放大到A/D轉換器所需要的幅度,并調整好電平和對比度。預處理電路輸出的信號送A/D轉換器轉換成數字信號。時序控制器將數字信號存于幀存儲器。同時,卡上設置了為模擬監視器提供的全電視信號輸出單元。它由查找表、D/A轉換器和同步合成電路構成。查找表在微機接口電路的控制下,將A/D轉換器輸出的數字圖像中相同灰度值的地址放到指定的空間。這些數據經D/A轉換成模擬電壓值,使D/A轉換器的輸出在查找表指定的行列的灰度,便可快速地還原圖像于視頻監視器上。在軟件的作用下,圖像卡可以方便地對數字圖像進行存儲、檢測和加、減等處理。圖像采集卡種類很多,按照不同的分類方法,有黑白圖像和彩色圖像采集卡,有模擬信號和數字信號采集卡,有復合信號和RGB分量信號輸入采集卡。在選擇圖像采集卡時,主要應考慮到系統的功能需求、圖像的采集精度和與攝像機輸出信號的匹配等因素。

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