摘 要：傳統(tǒng)印刷圖像質(zhì)量檢測方法采用測控條檢測，其結(jié)果的可重復(fù)性和穩(wěn)定性都不能得到保證。本文應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)，結(jié)合印刷質(zhì)量檢測原理與數(shù)字圖像處理技術(shù)，建立了全畫面印刷圖像質(zhì)量檢測系統(tǒng)，提出了系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)與模型。系統(tǒng)使用彩色面陣CCD，采集印刷品圖像，視頻信號經(jīng)圖像采集卡，通過計(jì)算機(jī)PCI總線傳輸?shù)絻?nèi)存中，在系統(tǒng)的軟件中對圖像進(jìn)行處理和分析。實(shí)驗(yàn)主要完成了數(shù)字圖像的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和印刷品的墨量顯示。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺;印刷質(zhì)量檢測;圖像處理;數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;墨量顯示

1 引言

　　在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中，機(jī)器視覺系統(tǒng)被廣泛用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)通常采用CCD（Charge Coupled Device電荷耦合器件）照相機(jī)攝取檢測圖像，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，再采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)硬件與軟件技術(shù)對圖像數(shù)字信號進(jìn)行處理，從而得到所需要的各種目標(biāo)圖像特征值，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)模式識別，坐標(biāo)計(jì)算，灰度分布圖等多種功能。[1]

　　在印刷品質(zhì)量檢測中，以測試條為基礎(chǔ)的密度檢測和色度檢測方式雖然被證明是一種有效的質(zhì)量控制手段，但這種質(zhì)量控制方式主要依賴操作者長期的經(jīng)驗(yàn)積累和主觀判斷，檢測結(jié)果的可重復(fù)性和穩(wěn)定性不能得到保證。 [2]隨著印刷機(jī)械自動化程度的提高，印刷品質(zhì)量檢測與控制的快速化靈敏化也是質(zhì)量檢測與控制的必然趨勢，這就要求在印刷過程中對印刷品質(zhì)量的檢測既能適應(yīng)高速印刷，同時(shí)又能準(zhǔn)確地檢測出微小的故障，并能將檢測信息迅速反饋給印刷機(jī)。

　　本文應(yīng)用機(jī)器視覺原理，建立了全畫面印刷質(zhì)量檢測系統(tǒng)，通過CCD攝像機(jī)，對印刷品進(jìn)行連續(xù)拍照，將拍攝到的每一幀圖像傳輸給現(xiàn)場計(jì)算機(jī)，通過圖像處理軟件，對圖像信息進(jìn)行分析處理，找出有質(zhì)量問題的圖像，給出該圖像所對應(yīng)的印刷品的質(zhì)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(jī)進(jìn)行調(diào)整。這樣不僅可以減輕工人勞動強(qiáng)度，而且將減少次品和提高生產(chǎn)效率。

2 全畫面印刷質(zhì)量檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)及模型

　　本文中建立的全畫面檢測系統(tǒng)主要由圖像采集、圖像處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、結(jié)果輸出四大部分組成。圖像采集由CCD、鏡頭、光源、視頻圖像采集卡和計(jì)算機(jī)組成;圖像處理主要通過軟件編程完成圖像的噪聲去除、幾何變換和定位;數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是把采集到的數(shù)字圖像的RGB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為印刷特征值，即CMYK油墨的網(wǎng)點(diǎn)面積率。結(jié)果輸出主要是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分計(jì)算得到的數(shù)據(jù)輸出，并進(jìn)行印刷特征量的顯示，如墨量顯示。

系統(tǒng)主要是指圖像采集設(shè)備。結(jié)構(gòu)框圖可以用圖1表示。

　　CCD、鏡頭、光源和圖像采集卡共同完成對圖像的采集與數(shù)字化。高質(zhì)量的圖像信息是系統(tǒng)正確判斷和決策的原始依據(jù)，是整個(gè)系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵所在。CCD 器件可以分為線陣式和面陣式兩大類。[3]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(jī)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(yùn)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(tǒng)中，采用了索尼公司的Bayer轉(zhuǎn)化的面陣 CCD。

　　經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，對小幅面的印刷品（200mm×200mm），印刷品與鏡頭的物距為15mm時(shí)，光源的照度最均勻，成像質(zhì)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。

　　圖像處理是全畫面檢測系統(tǒng)的核心，它相當(dāng)于人的大腦。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和大規(guī)模集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，對圖像處理的很多工作都可以借助硬件完成，如DSP（Digital Signal Processing數(shù)字信號處理器）、專用圖像采集卡等，[4]軟件則主要完成算法中非常復(fù)雜、不太成熟、尚需不斷探索和改變的部分。

　　圖像數(shù)字化是由嘉恒中自公司的圖像采集卡OK_MC10A實(shí)現(xiàn)的，是基于PCI總線的采集卡，當(dāng)被攝的光學(xué)圖像成像在CCD的光敏面上時(shí)，圖像數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)存儲到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中，并在CRT （cathode ray tube陰極射線管）顯示器上顯示。使用單幀采集，調(diào)整光學(xué)圖像達(dá)到最佳狀態(tài)，以便于后期處理。

　　圖像采集的數(shù)據(jù)為紅、綠、藍(lán)（RGB），因?yàn)椴煌脑O(shè)備空間得到的RGB數(shù)據(jù)不同，而印刷品一般用青、品、黃、黑（CMYK）四色油墨（CMYK）來表示。直接使用每一個(gè)像素點(diǎn)的RGB值進(jìn)行比較是數(shù)字圖像分析的一種方法，但是這種方法的精確度不高。在印刷領(lǐng)域中，墨量的控制在印刷質(zhì)量控制中是關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，墨量與實(shí)地密度、網(wǎng)點(diǎn)擴(kuò)大、印刷反差等印刷特征值密切相關(guān)。通過控制印刷品上黃品青黑四色印刷油墨的墨量來控制印刷品的質(zhì)量，進(jìn)一步控制印刷機(jī)的墨量。因此根據(jù)RGB數(shù)據(jù)不能直接判定印刷品的質(zhì)量，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為印刷中常用的特征量是必要的。本系統(tǒng)中主要是轉(zhuǎn)換為青、品、黃、黑四色油墨的網(wǎng)點(diǎn)面積率。

　　平版印刷機(jī)的供墨裝置一般分為若干個(gè)墨區(qū)，為方便以后控制印刷機(jī)，所以對四色油墨的墨量要進(jìn)行分區(qū)域顯示，每個(gè)區(qū)域的墨量采用網(wǎng)點(diǎn)面積率的統(tǒng)計(jì)平均值計(jì)算得出。

　　2.2 軟件設(shè)計(jì)

　　進(jìn)入全畫面印刷質(zhì)量檢測系統(tǒng)軟件啟動界面，打開圖像采集設(shè)備，實(shí)時(shí)顯示印刷品圖像，單幀采集進(jìn)行抓拍，然后進(jìn)行圖像處理，在屏幕上顯示輸出處理后的圖像結(jié)果。存儲單幀圖像，把RGB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CMYK數(shù)據(jù)，分區(qū)域顯示墨量。軟件可以分為以下幾個(gè)模塊：圖像采集及屏幕顯示、圖像處理的常用處理算法、圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和墨量顯示。

　　圖像采集模塊的任務(wù)主要是完成采集圖像到屏幕實(shí)時(shí)顯示的控制，采集方式分為單幀采集和實(shí)時(shí)采集并顯示。在全畫面印刷質(zhì)量檢測系統(tǒng)中，我們著重要對采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理后，對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，屬于較復(fù)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(diào)用圖像進(jìn)行處理。

　　圖像處理的常用算法包括中值濾波、幾何變換和定位，以菜單功能的方式對采集的圖像進(jìn)行處理并顯示處理結(jié)果。實(shí)驗(yàn)證明，采用中值濾波，選用3×3模板，得到了清晰的圖像，有效去除了噪音，為下一步的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換做好準(zhǔn)備。

　　圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成RGB到CMYK的轉(zhuǎn)換。采集到的圖像以位圖格式存儲，數(shù)據(jù)格式為RGB24。本文主要采用三層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Back-Propagation Network）的圖像識別方法，把RGB值轉(zhuǎn)換為CMYK值。在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，圖像像素點(diǎn)的顏色值用RGB表示，因此輸入節(jié)點(diǎn)為3個(gè)，分別輸入RGB值。輸出為該點(diǎn)的色元信息值，即C、M、Y、K，所以輸出節(jié)點(diǎn)選4個(gè)，分別輸出C、M、Y、K值。隱層神經(jīng)元數(shù)的選取是BP網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，本算法實(shí)驗(yàn)表明8個(gè)隱層單元數(shù)時(shí)，效果較好。[5]BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂條件要求初始輸入的變量必須在[ 0，1 ]區(qū)間內(nèi)取值，而本系統(tǒng)中作為輸入值的R、G、B的取值范圍是0～255。為此需將所有的R、G、B值進(jìn)行歸一化處理。

　　墨量顯示的任務(wù)是以CMYK的墨量值為印刷的特征量，在屏幕上分區(qū)域顯示墨量。全畫面檢測系統(tǒng)對墨量實(shí)現(xiàn)分區(qū)域顯示，可以與印刷機(jī)上的墨區(qū)對應(yīng)，實(shí)現(xiàn)下一步對墨量的控制。

3 實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)的主要目的是訓(xùn)練三層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和實(shí)現(xiàn)墨量顯示。

　　樣本要選擇能夠代表所表示事物一般規(guī)律的樣本，這樣有利于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對樣本中所包含規(guī)律的歸納和總結(jié)。所選用的訓(xùn)練樣本數(shù)目的最小值，應(yīng)使每個(gè)輸出神經(jīng)元在這些樣本的輸出值中至少出現(xiàn)一次。實(shí)驗(yàn)中選擇了IT8.7/3（CMYK）的24個(gè)色塊作為訓(xùn)練樣本，并按照一定順序標(biāo)號。因?yàn)樵趯?shí)際印刷中，一般為四色印刷，一定要考慮黑墨，黑墨量對印刷品的層次再現(xiàn)和最大反差有很大的影響。這24個(gè)色塊包括了四色印刷品中的各種顯色方式，單色、雙色、三色及四色，主要為四色。這樣選擇訓(xùn)練樣本，與只選擇四色疊印樣本比較，也有利于提高BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精確性。使用EPSON7600模擬印刷機(jī)，在定量為90g/m2膠版紙上印刷色塊。每個(gè)色塊的大小為70mm×70mm。通過訓(xùn)練，確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值。

　　通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出的C1M1Y1K1與標(biāo)準(zhǔn)CMYK進(jìn)行比較，可以檢驗(yàn)算法的可行性和精度。如圖2所示，可以看出，黃色油墨和黑色油墨的誤差較大。其原因是由于CMYK標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)是電子版的數(shù)據(jù)，沒有考慮網(wǎng)點(diǎn)擴(kuò)大、油墨紙張的特性等原因，與色塊的實(shí)際CMYK值有一定誤差。

　　在印刷方向的垂直方向，把印刷品分為8個(gè)墨區(qū)，進(jìn)行CMYK各色墨量的顯示。墨量的顯示采用上一步數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換得到的網(wǎng)點(diǎn)面積率。計(jì)算每個(gè)區(qū)域的網(wǎng)點(diǎn)面積率的統(tǒng)計(jì)平均值，作為這個(gè)區(qū)域的墨量。墨量的最大值為100%，即1，表示油墨在這一區(qū)域上為實(shí)地。編程采用ActiveX控件實(shí)現(xiàn)。[6]在實(shí)驗(yàn)中先對單個(gè)色塊進(jìn)行墨量的顯示，也就是使用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)的單個(gè)訓(xùn)練樣本進(jìn)行顯示。然后再把他們組合起來，進(jìn)行墨量的顯示。標(biāo)準(zhǔn)圖像的墨量可以保存建立標(biāo)準(zhǔn)模板。圖3為四個(gè)組合色塊的墨量顯示。

4 結(jié)論

　　實(shí)驗(yàn)表明，由于三層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法訓(xùn)練樣本由IT8.7-3CMYK中的24個(gè)色塊組成，四色疊印色塊占較大比例，并加入了單色、雙色和三色樣本，所以BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的精確度提高了。構(gòu)成色塊的CMYK的網(wǎng)點(diǎn)面積率的分布主要集中在20%至70%，在印刷中常用，可以體現(xiàn)產(chǎn)品印刷的質(zhì)量。墨量顯示得出不同區(qū)域的墨量分布。

　　此外，實(shí)驗(yàn)中采用膠版紙印刷，如果改用銅版紙，由于紙張的特性不同，光源必須進(jìn)行調(diào)整，可以通過實(shí)驗(yàn)來選擇采用何種照明方式。全畫面質(zhì)量檢測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)印刷品質(zhì)量的脫機(jī)檢測和在線檢測，本文主要是實(shí)現(xiàn)印刷品的脫機(jī)檢測，并對印刷特征值的墨量進(jìn)行顯示。在印刷生產(chǎn)線上的不同位置安裝圖像采集設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)印刷品質(zhì)量的在線檢測。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用了ITIT8.7-3CMYK中的24個(gè)色塊作為三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本，提高了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的精確度;實(shí)現(xiàn)了樣本的墨量顯示。

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