(上海市電站自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1，上海 200072；國網(wǎng)上海市電力公司2，上海 200025)

0 引言

隨著印刷技術(shù)水平的提高，現(xiàn)代印刷機(jī)正在向高效率、高精度、高質(zhì)量方向發(fā)展[1]。印刷機(jī)工作時(shí)速更高,并采用更多的自動(dòng)化操作與調(diào)整來滿足印刷需要[2]。在這個(gè)發(fā)展過程中，快速準(zhǔn)確地檢測印刷機(jī)套準(zhǔn)標(biāo)記對提高印刷機(jī)的自動(dòng)化水平和印刷質(zhì)量發(fā)揮了重要的作用。

在彩色印品印制過程中，常采用Y(黃色)、M(品紅色)、C(藍(lán)色)、BL(黑色)4種顏色來印刷[2]。印刷后工作人員通過估計(jì)在印品邊緣附近的套準(zhǔn)標(biāo)記偏差大小來調(diào)節(jié)套準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，最終希望四色盡可能重合，印品清晰度達(dá)到最佳。套準(zhǔn)精度直接影響著印刷品的視覺效果，是印刷品質(zhì)量評價(jià)的重要指標(biāo)[3]。因此，套準(zhǔn)標(biāo)記的檢測方法是四色印刷技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4-5]。

1 四色印品的套準(zhǔn)標(biāo)記設(shè)計(jì)

目前，國外主要印刷機(jī)品牌多采用自動(dòng)套準(zhǔn)檢測技術(shù)，如德國海德堡公司的自動(dòng)套準(zhǔn)控制系統(tǒng)CPC4[6]，其自動(dòng)套準(zhǔn)精度為0.05 mm，但其核心技術(shù)保密。我國目前也開展了相關(guān)技術(shù)的研究，但多集中在檢測裝置的設(shè)計(jì)、控制方式的選擇等方面，這就對我國研究高速印品在線檢測系統(tǒng)提出了新的課題[7]。在高速印品在線檢測系統(tǒng)的研究過程中,采用什么形式的套準(zhǔn)標(biāo)記是最基本的,也是最先需要解決的問題。

市場上常采用一種十字形線套準(zhǔn)標(biāo)記來計(jì)算套準(zhǔn)偏差，但該套準(zhǔn)標(biāo)記在最后一個(gè)印刷單元工作完成以后，4種顏色的十字形線會(huì)重疊在一起，這會(huì)使采集的圖像處理較為復(fù)雜，耗時(shí)較長。根據(jù)套準(zhǔn)標(biāo)記簡單、便于快速處理的需要，本文研究主要針對一種實(shí)心圓套準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行分析處理。該套準(zhǔn)標(biāo)記如圖1所示，標(biāo)記的圖形包括：2個(gè)黑色實(shí)心圓、1個(gè)黃色實(shí)心圓、1個(gè)品紅色實(shí)心圓、1個(gè)藍(lán)色實(shí)心圓。2個(gè)黑色實(shí)心圓標(biāo)記圖形作為套準(zhǔn)標(biāo)記的基準(zhǔn)色標(biāo)，形狀為直徑等于1 mm的實(shí)心圓，2個(gè)黑色實(shí)心圓標(biāo)記圓心相距30 mm；其他色標(biāo)均為直徑等于1 mm的實(shí)心圓，色標(biāo)圓心間距為5 mm。

圖1 套準(zhǔn)標(biāo)記示意圖

印刷機(jī)一啟動(dòng)，在印刷品上首先印出套準(zhǔn)標(biāo)記圖案，然后通過工業(yè)攝像頭獲取套準(zhǔn)標(biāo)記圖形，通過圖形處理算法計(jì)算出各實(shí)心圓標(biāo)記圖形圓心。分別判斷各實(shí)心圓標(biāo)記圖形圓心橫軸坐標(biāo)、縱軸坐標(biāo)之間的間隔。如果實(shí)際間隔在預(yù)定的范圍之內(nèi)，說明套印準(zhǔn)確；如果實(shí)際間隔超過了預(yù)定的范圍(一般為0.10 mm[8-9])，則說明套印出現(xiàn)偏差，將該套印偏差信號反饋給伺服機(jī)構(gòu)，以作出相應(yīng)調(diào)整。

2 四色印品套準(zhǔn)標(biāo)記偏差檢測方法

2.1 去除干擾圖像

通常，在印刷品上印刷套準(zhǔn)標(biāo)記圖案的過程中，由于抖動(dòng)等因素造成的一些干擾圖像如圖2所示。

圖2 套準(zhǔn)標(biāo)記干擾圖像示意圖

為了便于后續(xù)插值亞像素法對邊緣進(jìn)行提取，首先需要去除這些干擾圖像。以黑色圖像為例，采用的去除方法步驟如下。

① 對圖像按照從左向右、從上往下的順序進(jìn)行逐個(gè)像素掃描。

② 判斷掃描到的像素點(diǎn)是否為黑點(diǎn)，如果是，則執(zhí)行下面的進(jìn)一步判斷，否則跳轉(zhuǎn)回步驟①。

③ 按優(yōu)先級依次降低判斷順序，分別對當(dāng)前像素點(diǎn)的右上、正上、左上及左前點(diǎn)判斷連通性。其中，右上點(diǎn)的優(yōu)先級最高，左前點(diǎn)的優(yōu)先級最低。

④ 若右上點(diǎn)與左前點(diǎn)(或左上點(diǎn))標(biāo)記值不相同，則置當(dāng)前點(diǎn)為與右上點(diǎn)相同的值。然后從頭到尾掃描圖像，把所有跟左前點(diǎn)(或左上點(diǎn))標(biāo)記相同的像素點(diǎn)置為與右上點(diǎn)相同的標(biāo)記值。

⑤ 若當(dāng)前像素點(diǎn)的正上點(diǎn)為黑點(diǎn)且不屬于步驟④中描述的情況，即當(dāng)前點(diǎn)與其正上點(diǎn)屬于同一區(qū)域且其鄰域不存在多種區(qū)域標(biāo)記的可能性，則將當(dāng)前點(diǎn)與其正上點(diǎn)作同一標(biāo)記，并置當(dāng)前點(diǎn)為與正上點(diǎn)相同的值。

⑥ 若當(dāng)前像素點(diǎn)的左上點(diǎn)為黑點(diǎn)，且不屬于步驟⑤中描述的情況，即當(dāng)前點(diǎn)與其左上點(diǎn)屬于同一區(qū)域，且其鄰域不存在多種區(qū)域標(biāo)記的可能性，則將當(dāng)前點(diǎn)與其左上點(diǎn)作同一標(biāo)記，并置當(dāng)前點(diǎn)為與左上點(diǎn)相同的值。

⑦ 若當(dāng)前像素點(diǎn)的左前點(diǎn)為黑點(diǎn)，且不屬于步驟⑥中描述的情況，則當(dāng)前點(diǎn)與其左前點(diǎn)屬于同一區(qū)域，所以將當(dāng)前點(diǎn)與其左前點(diǎn)作同一標(biāo)記，并置當(dāng)前點(diǎn)為與左前點(diǎn)相同的值。

⑧ 若當(dāng)前像素點(diǎn)的右上、正上、左上及左前共4個(gè)像素點(diǎn)均為白點(diǎn)，表示該點(diǎn)與這4個(gè)像素點(diǎn)不連通，那么可認(rèn)定此點(diǎn)是一個(gè)新區(qū)域中的點(diǎn)。這時(shí)將區(qū)域數(shù)加1，并置該點(diǎn)為黑色點(diǎn)，即該點(diǎn)RGB值為(0,0,0)。

⑨ 通過前面8個(gè)步驟，可以將標(biāo)記圖像中相同顏色的圖案進(jìn)行分塊，得到分塊后每塊圖案的像素點(diǎn)總數(shù)。當(dāng)分塊后某一圖案的像素點(diǎn)總數(shù)大于設(shè)定值時(shí)，則該圖案為所需要的套準(zhǔn)標(biāo)記圖案，其余圖案全部置為白色，即RGB值置為(255,255,255)。

2.2 套準(zhǔn)標(biāo)記邊緣提取

在提取各套準(zhǔn)標(biāo)記圖像邊緣時(shí)，可以通過編碼器等機(jī)械機(jī)構(gòu)將套準(zhǔn)標(biāo)記圖像限定在一定的搜索范圍內(nèi)，以減小圖像處理區(qū)域。

邊緣提取的實(shí)質(zhì)是通過一些算法來提取圖像中灰度不連續(xù)的邊緣像素。為了提高邊緣的檢測精度，從 20世紀(jì)70年代起,就有不少專家提出了一些有效的亞像素方法，使圖像的邊緣定位達(dá)到亞像素級[10]。常用的亞像素方法有最小二乘法、空間矩法和插值法[11]。最小二乘法、空間矩法有很高的定位精度，但計(jì)算時(shí)間較長。插值算法計(jì)算時(shí)間相對較短，采用改進(jìn)的樣條插值法后，可以有效提高檢測速度。

插值法亞像素邊緣檢測的理論依據(jù)是:像素邊緣特征點(diǎn)處于光強(qiáng)函數(shù)斜率最大的地方。用插值函數(shù)近似恢復(fù)像邊緣過渡區(qū)的一維連續(xù)光強(qiáng)函數(shù),再根據(jù)亞像素邊緣檢測的理論,求出像素邊緣特征點(diǎn)的坐標(biāo)。

改進(jìn)樣條插值函數(shù)S(w)的表達(dá)式為：

(1)

式中：w為樣條節(jié)點(diǎn)。

二維空間的樣條插值用矩陣表示，即：

F(m,n)=ABC

(2)

(3)

式中：F(m,n)為插值后的圖像；f(i,j)為輸入的插值前像素點(diǎn);u=m-[m]，v=n-[n]，其中，[·]表示取整。

通過改進(jìn)樣條插值亞像素法對標(biāo)記圖像進(jìn)行處理后，可以得到清晰連續(xù)的邊緣圖像。該邊緣圖像定位精度為0.3左右像素級，且提取速度快，確保后續(xù)偏差計(jì)算的準(zhǔn)確性與高效性。

2.3 套準(zhǔn)標(biāo)記偏差計(jì)算

套準(zhǔn)標(biāo)記邊緣提取后，通過每種顏色標(biāo)記邊緣坐標(biāo)計(jì)算出對應(yīng)顏色標(biāo)記的圓心坐標(biāo)，再通過圓心坐標(biāo)分別計(jì)算出每種顏色實(shí)心圓標(biāo)記圓心坐標(biāo)相對于基準(zhǔn)黑色圓心坐標(biāo)橫軸、縱軸的偏差。將該偏差與標(biāo)準(zhǔn)圖像間隔進(jìn)行比較，即可判斷該次印刷是否準(zhǔn)確，若不準(zhǔn)確，可將該套印偏差信號反饋給伺服機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)調(diào)整。計(jì)算圓心坐標(biāo)橫軸、縱軸偏差的方法如下。

設(shè)過兩黑色實(shí)心圓標(biāo)記圓心坐標(biāo)的直線方程為：

y=kx+b

(4)

將黑色實(shí)心圓標(biāo)記圓心坐標(biāo)值代入式(4)，可得：

(5)

式中：(xbl1,ybl1)和(xbl2,ybl2)分別為黑色標(biāo)記1與黑色標(biāo)記2的圓心坐標(biāo)。

3 試驗(yàn)測試和結(jié)果

3.1 試驗(yàn)測試

本文檢測方法是利用C#語言在 VS2005平臺上編寫程序,用該軟件程序在開發(fā)的套準(zhǔn)檢測實(shí)驗(yàn)平臺系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)。檢測平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 套準(zhǔn)檢測平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

針對印刷機(jī)多色套準(zhǔn)的需求，開發(fā)了用于高速機(jī)器視覺套色檢測的實(shí)驗(yàn)平臺。實(shí)驗(yàn)平臺包含高速以太網(wǎng)CCD攝像頭、機(jī)器視覺光源、光電傳感器、I/O卡、編碼器信號邏輯處理模塊、計(jì)算機(jī)、調(diào)速皮帶等。

實(shí)際的套準(zhǔn)檢測平臺系統(tǒng)包括照明光源、位置傳感器、鏡頭、工業(yè)相機(jī)、PC機(jī)、警報(bào)及剔除等裝置。實(shí)際生產(chǎn)線套準(zhǔn)標(biāo)記圖像和采用本文方法得到的套準(zhǔn)標(biāo)記邊緣檢測結(jié)果如圖4所示。

圖4 采集的試驗(yàn)套準(zhǔn)標(biāo)記圖像

由圖4可以看出，采用本文偏差檢測方法，不僅能有效去除套準(zhǔn)標(biāo)記圖像邊緣周圍的干擾圖像與微小噪聲，移除的圖像精度可達(dá)到1個(gè)像素點(diǎn)，而且使檢測出的邊緣圖像比較連續(xù)，減少了邊緣中的斷點(diǎn)，使得套準(zhǔn)標(biāo)記圖像的邊緣清晰可見。同時(shí)，該方法能夠確保檢查的實(shí)時(shí)性和精確性。如對一幅大小為1 000×450像素的圖像進(jìn)行檢測，檢測時(shí)間低于40 ms，速度最大能夠達(dá)到每秒25幀圖像。

3.2 偏差定位精度與檢測時(shí)間測試

采用本文檢測方法、空間矩法、質(zhì)心法、Canny算子檢測方法對實(shí)際生產(chǎn)線套準(zhǔn)標(biāo)記圖像進(jìn)行檢測。為了保證測試的公平性，將每個(gè)算法迭代測試50次取平均值。實(shí)際測試結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，求取質(zhì)心參數(shù)的檢測方法檢測速度快，但定位精度低，抗噪能力弱?？臻g矩法定位精度高且抗噪能力好，但檢測速度過慢。Canny算子檢測方法定位精度與檢測速度均不理想。本文的檢測方法檢測迅速，定位精度較高，能較好地顧及高速印品套準(zhǔn)標(biāo)記所需要的運(yùn)行速度與定位精度，具有較高的實(shí)用性。

4 結(jié)束語

本文基于插值亞像素技術(shù)，采用改進(jìn)區(qū)域分塊算

法去除套準(zhǔn)標(biāo)記的干擾圖像，然后采用改進(jìn)樣條插值亞像素算法提取標(biāo)記邊緣，再通過邊緣參數(shù)來計(jì)算出每種顏色標(biāo)記的圓心參數(shù)及對應(yīng)的套準(zhǔn)標(biāo)記偏差。

試驗(yàn)證明，將該機(jī)器視覺方法應(yīng)用于四色印品的套準(zhǔn)標(biāo)記檢測過程中，能有效地提高檢測速度與定位精度，而且在有噪聲干擾的情況下,該算法也能較快速、精確地實(shí)現(xiàn)偏差檢測，優(yōu)于傳統(tǒng)的偏差檢測方法。

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