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機(jī)器視覺(jué)在印刷質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

2010-04-21 00:00 來(lái)源：《廣東印刷》2009年第5期責(zé)編：Quincy

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小C專(zhuān)訪｜正博總經(jīng)理范

小C專(zhuān)訪·煒岡股份董事

　　【CPP114】訊：一、機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理
　　1.機(jī)器視覺(jué)的含義
　　機(jī)器視覺(jué)（Machine Vision），顧名思義就是將自動(dòng)控制機(jī)器的能力和視覺(jué)傳感結(jié)合起來(lái)。形象的說(shuō)，人通過(guò)眼睛感知外部世界的變化，然后通過(guò)大腦進(jìn)行分析處理、作出判斷，最后由手和腳完成動(dòng)作。機(jī)器視覺(jué)就是將這一過(guò)程通過(guò)具有運(yùn)算能力的自動(dòng)化控制設(shè)備來(lái)完成的。具體來(lái)說(shuō)，機(jī)器視覺(jué)是用攝像機(jī)代替人眼，用計(jì)算機(jī)代替人的大腦來(lái)進(jìn)行測(cè)量與判斷的。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)（Machine Vision System）是指通過(guò)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品(即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專(zhuān)用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)；圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，如：面積、長(zhǎng)度、數(shù)量、位置等；再根據(jù)預(yù)設(shè)的容許度和其他條件輸出結(jié)果，如：尺寸、角度、偏移量、個(gè)數(shù)、合格/不合格、有/無(wú)等；最后根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。
　　機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，是一門(mén)涉及人工智能、神經(jīng)生物學(xué)、心理物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、圖像處理、模式識(shí)別等諸多領(lǐng)域的交叉學(xué)科。其特點(diǎn)是速度快、精度高、自動(dòng)化及智能化程度高、非接觸、客觀性強(qiáng)、可靠性高、信息量大、功能多、生產(chǎn)效率高。正是由于機(jī)器視覺(jué)具有這些特點(diǎn)，因此在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，人們將機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于食品和飲料、化妝品、制藥、建材和化工、金屬加工、電子制造、包裝印刷、汽車(chē)制造等行業(yè)中。
　　機(jī)器視覺(jué)用于印刷、包裝行業(yè)中的質(zhì)量檢測(cè)，其基本的工作原理是用攝像機(jī)拍攝（采集）印刷品上的圖像，在計(jì)算機(jī)中與該印品的標(biāo)準(zhǔn)圖像（模板）相匹配比較，如果發(fā)現(xiàn)差異并超出設(shè)定的公差范圍，即判定為不合格產(chǎn)品。而實(shí)際的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)要復(fù)雜得多。
　　2.視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理
　　視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)主要由照明光源、光學(xué)鏡頭、攝像機(jī)、圖像信息的處理與執(zhí)行機(jī)構(gòu)四大部分所組成。
　　①光源及照明系統(tǒng)
　　照明光源及照明系統(tǒng)是整個(gè)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，起著十分重要的作用，它并不是簡(jiǎn)單的照亮物體而已。首先，照明光源要能夠真實(shí)地再現(xiàn)印品的色彩，不能夠造成顏色的失真，這就要求光源的發(fā)光光譜要接近于日光，同時(shí)應(yīng)保證有足夠的亮度，并在整個(gè)照明區(qū)域內(nèi)的亮度要均勻一致；其次，光源和照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要避免印品上的一些高反射率的特殊區(qū)域，如：燙金、激光防偽標(biāo)志等使采集的圖像溢出，造成檢測(cè)精度降低或根本無(wú)法檢測(cè)；最后，在某些應(yīng)用場(chǎng)合，還要考慮光源與照明方案的配合應(yīng)盡可能地突出物體特征量，在物體需要檢測(cè)的部分與那些不重要部分之間應(yīng)盡可能地產(chǎn)生明顯的區(qū)別，以增加對(duì)比度，同時(shí)還應(yīng)保證足夠的整體亮度，物體位置的變化不應(yīng)該影響成像的質(zhì)量。在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)中一般使用透射光和反射光。對(duì)于反射光情況應(yīng)充分考慮光源和光學(xué)鏡頭的相對(duì)位置、物體表面的紋理、物體的幾何形狀、背景等要素。總之，在選擇光源和設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)時(shí)，要根據(jù)印品的具體情況，確定所需光源的幾何形狀、照明亮度、均勻度、光譜特性、發(fā)光效率及使用壽命等。
　�、诠鈱W(xué)鏡頭
　　光學(xué)鏡頭相當(dāng)于人眼的晶狀體。光學(xué)鏡頭的品質(zhì)會(huì)影響視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)分辨物體的能力，影響圖像的對(duì)比度以及清晰成像的范圍。一個(gè)鏡頭的成像質(zhì)量?jī)?yōu)劣，即其對(duì)像差校正的優(yōu)良與否，可通過(guò)像差大小來(lái)衡量，常見(jiàn)的像差有球差、彗差、像散、場(chǎng)曲、畸變、色差等六種。
　　③攝像機(jī)
　　我們知道，光學(xué)鏡頭通過(guò)的是被拍攝物體的光學(xué)信息，而在計(jì)算機(jī)中處理的是被拍攝物體的電信息，那么攝像機(jī)就是完成從光學(xué)信息到電信息轉(zhuǎn)換的裝置。
　　A.工作原理
　　在攝像機(jī)中，關(guān)鍵的器件是被稱(chēng)為視覺(jué)傳感器的芯片。在芯片上整齊地排列著像小水池一樣的單元，但它們盛的不是水，而是電荷。攜帶被拍攝物體光學(xué)信息的光線通過(guò)鏡頭而到達(dá)芯片的表面上，光信息就變成了電荷信號(hào)，即曝光。光強(qiáng)的地方電荷多，光弱的地方電荷少，對(duì)應(yīng)著印品上不同區(qū)域的明暗程度。不同的顏色分解為紅、綠、藍(lán)三種基色，存放在不同的單元之中。曝光所產(chǎn)生的電荷信號(hào)，按掃描順序依次經(jīng)過(guò)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理，最后從攝像機(jī)中輸出。
　　B.分類(lèi)
　　印品質(zhì)量檢測(cè)所使用的攝像機(jī)根據(jù)實(shí)際情況的不同可分為兩大類(lèi)，線陣式攝像機(jī)和面陣式攝像機(jī)。線陣式攝像機(jī)一次只能獲得圖像的一行信息，被拍攝的物體必須以直線的形式從攝像機(jī)前來(lái)回通過(guò)，才能獲得完整的圖像，因此非常適合于對(duì)以一定速度勻速運(yùn)動(dòng)的物體的圖像檢測(cè)。而面陣式攝像機(jī)則可以一次獲得整幅圖像的信息，因此攝像速度更快。比如我們?nèi)粘Ｊ褂玫臄?shù)碼相機(jī)。
　　而光電轉(zhuǎn)換器件是構(gòu)成攝像機(jī)的核心器件。目前，典型的光電轉(zhuǎn)換器件主要有CCD、CMOS圖像傳感器兩種。CCD是目前機(jī)器視覺(jué)最為常用的圖像傳感器。它集光電轉(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移、信號(hào)讀取于一體，是典型的固體成像器件。CCD的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，而不同于其器件是以電流或者電壓為信號(hào)。這類(lèi)成像器件通過(guò)光電轉(zhuǎn)換形成電荷包，而后在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下轉(zhuǎn)移、放大輸出圖像信號(hào)。典型的CCD攝像機(jī)由光學(xué)鏡頭、時(shí)序及同步信號(hào)發(fā)生器、垂直驅(qū)動(dòng)器、模擬/數(shù)字信號(hào)處理電路組成。CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）圖像傳感器的開(kāi)發(fā)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70 年代初。90 年代初期，隨著超大規(guī)模集成電路 (VLSI) 制造工藝技術(shù)的發(fā)展，CMOS圖像傳感器得到迅速發(fā)展。CMOS圖像傳感器將光敏元陣列、圖像信號(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號(hào)處理器及控制器集成在一塊芯片上，還具有局部像素的編程隨機(jī)訪問(wèn)的優(yōu)點(diǎn)。目前，CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、寬動(dòng)態(tài)范圍和輸出圖像幾乎無(wú)拖影等特點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。
　　C.印品檢測(cè)對(duì)攝像機(jī)的要求
　　從以上攝像機(jī)的工作原理可以看出，若要使系統(tǒng)能夠正確地進(jìn)行判斷與決策，必須要求：a、首先原始圖像信息的質(zhì)量要高；b、攝像機(jī)要有足夠的動(dòng)態(tài)范圍，即印品上的很亮和很暗的部位都能準(zhǔn)確地反映；c、攝像機(jī)要有足夠的分辨率，即印品上的微小細(xì)節(jié)都能夠清晰地再現(xiàn)；d、攝像機(jī)要能夠真實(shí)地再現(xiàn)印品的色彩；e、攝像機(jī)的讀出速度要與印品的前進(jìn)速度相一致，以保證足夠的精度和100%的采集。
　　④圖像信息的處理與執(zhí)行機(jī)構(gòu)
　　圖像信息的處理與執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即計(jì)算機(jī)，是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的核心，它相當(dāng)于人的大腦。整個(gè)圖像信息的處理過(guò)程通常包括：
　　A.預(yù)處理。高速運(yùn)動(dòng)的印品在通過(guò)攝像機(jī)時(shí)，與模板圖像相比，往往會(huì)產(chǎn)生位置上的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，有時(shí)甚至有飄動(dòng)，使采集的圖像發(fā)生變形失真；光源的不穩(wěn)定和外界環(huán)境的影響，使采集的圖像亮度不均勻，顏色發(fā)生變化；其它外部設(shè)備、供電電源和采集設(shè)備本身也會(huì)引入一定的干擾和噪聲。為此，在安裝視覺(jué)系統(tǒng)的過(guò)程中，一方面要消除這些不利的因素，另一方面還要通過(guò)圖像預(yù)處理來(lái)排除和淡化它們的影響。常見(jiàn)的圖像預(yù)處理操作主要包括圖像增強(qiáng)、數(shù)據(jù)編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割等內(nèi)容。經(jīng)過(guò)這些處理之后，圖像的質(zhì)量得到了相當(dāng)程度的改善，既改善了圖像的視覺(jué)效果，又便于計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行分析、處理與識(shí)別。
　　B.特征的提取與識(shí)別；
　　C.測(cè)量。用簡(jiǎn)潔的一句話來(lái)說(shuō)即是“與模板相比，找出差異”。
　　綜上所述，機(jī)器視覺(jué)是集光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)于一身的技術(shù)，極適用于大批量生產(chǎn)過(guò)程中的重復(fù)性測(cè)量、檢查與辨識(shí)。
　　二、機(jī)器視覺(jué)在印刷包裝行業(yè)中的應(yīng)用
　　1.在線檢測(cè)與離線檢測(cè)
　　視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)按其安裝的載體的不同可分為在線檢測(cè)系統(tǒng)和離線檢測(cè)系統(tǒng)兩種。
　　在線檢測(cè)系統(tǒng)安裝在膠印機(jī)、凹印機(jī)、柔印機(jī)、印碼機(jī)等印刷設(shè)備之上，用來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)印刷質(zhì)量。印品可以是單張紙，也可以是卷筒紙。在線檢測(cè)系統(tǒng)與離線檢測(cè)系統(tǒng)的視覺(jué)檢測(cè)部分在功能上基本相同，區(qū)別主要在于對(duì)不合格品的處理方式上。當(dāng)發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，在線檢測(cè)系統(tǒng)通常會(huì)記錄下缺陷的位置（卷筒紙：長(zhǎng)度，單張紙：張數(shù)），或使用噴碼機(jī)、貼標(biāo)機(jī)、打標(biāo)機(jī)在紙邊上做出標(biāo)記，號(hào)碼檢測(cè)記錄出錯(cuò)號(hào)碼或相鄰張的號(hào)碼。
　　離線檢測(cè)系統(tǒng)通常裝在檢品機(jī)或復(fù)卷機(jī)上。除可實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)系統(tǒng)的位置記錄與標(biāo)記功能外，檢品機(jī)通常還具有分倉(cāng)功能，即根據(jù)檢測(cè)結(jié)果將好、壞品自動(dòng)分配到不同的倉(cāng)中去。
　　2.質(zhì)量分析、跟蹤與管理
　　采用檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)除可以提供檢測(cè)全過(guò)程的實(shí)時(shí)報(bào)警和詳盡、完善的分析報(bào)告外，現(xiàn)場(chǎng)操作者還可以根據(jù)全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)報(bào)警及分析報(bào)告，對(duì)工作中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。并且管理者還可以依據(jù)檢測(cè)結(jié)果的分析報(bào)告，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行跟蹤，更有利于生產(chǎn)技術(shù)的管理。也就是說(shuō)，質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備不僅可以提升成品的合格率，還能夠協(xié)助生產(chǎn)商改進(jìn)工藝流程，建立質(zhì)量管理體系，達(dá)到一個(gè)長(zhǎng)期穩(wěn)定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
　　三、機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)在印刷包裝行業(yè)中的推廣與普及
　　目前，盡管我國(guó)是一個(gè)印刷大國(guó)，但還不是印刷強(qiáng)國(guó)。我們要走向世界，就必須要采用先進(jìn)的印刷設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備。安裝自動(dòng)化的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，前期雖然要一定量的投入，但其在質(zhì)量檢測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)，將會(huì)給企業(yè)在質(zhì)量和人工成本上帶來(lái)長(zhǎng)期的效益。
　　視覺(jué)質(zhì)量檢測(cè)可以應(yīng)用在印前、印刷過(guò)程和印后加工中，但目前多數(shù)應(yīng)用主要集中在印后質(zhì)量檢查中。中國(guó)有數(shù)萬(wàn)家的印刷企業(yè)，但真正使用檢測(cè)系統(tǒng)的卻很少，除印鈔、票證等特殊行業(yè)外，主要是在包裝行業(yè)。包裝行業(yè)對(duì)印刷要求較高，對(duì)質(zhì)量和色彩的要求比較特殊。這就要求包裝印刷廠必須具備獨(dú)特的產(chǎn)能優(yōu)勢(shì)、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)，才能滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)印量、周期和質(zhì)量的全面要求。
　　推廣機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)，首先要使印刷包裝企業(yè)更多地了解機(jī)器視覺(jué)。裝在哪里、怎么安裝、如何達(dá)到最好效果、能帶來(lái)什么具體效益，這一切都需要進(jìn)行不斷地普及與宣傳。印刷包裝行業(yè)的從業(yè)者要提出自己的具體需求，學(xué)習(xí)和掌握機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的概念和操作；機(jī)器視覺(jué)行業(yè)的從業(yè)者要了解印刷的工藝，生產(chǎn)流程，操作方式和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，只有兩者緊密結(jié)合，才能產(chǎn)生真正符合中國(guó)國(guó)情的自動(dòng)化視覺(jué)質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，才能達(dá)到提高質(zhì)量、提高效率、降低成本的根本目的。

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