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      機器視覺(jué)在印刷質(zhì)量檢測中的應用

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

        【CPP114】訊:一、機器視覺(jué)檢測系統的工作原理
        1.機器視覺(jué)的含義
        機器視覺(jué)(Machine Vision),顧名思義就是將自動(dòng)控制機器的能力和視覺(jué)傳感結合起來(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。機器視覺(jué)就是將這一過(guò)程通過(guò)具有運算能力的自動(dòng)化控制設備來(lái)完成的。具體來(lái)說(shuō),機器視覺(jué)是用攝像機代替人眼,用計算機代替人的大腦來(lái)進(jìn)行測量與判斷的。機器視覺(jué)系統(Machine Vision System)是指通過(guò)機器視覺(jué)產(chǎn)品(即圖像攝取裝置,分CMOS和CCD兩種)將被攝取目標轉換成圖像信號,傳送給專(zhuān)用的圖像處理系統,根據像素分布和亮度、顏色等信息,轉變成數字化信號;圖像系統對這些信號進(jìn)行各種運算來(lái)抽取目標的特征,如:面積、長(cháng)度、數量、位置等;再根據預設的容許度和其他條件輸出結果,如:尺寸、角度、偏移量、個(gè)數、合格/不合格、有/無(wú)等;最后根據判別的結果來(lái)控制現場(chǎng)的設備動(dòng)作。
        機器視覺(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)、計算機科學(xué)、圖像處理、模式識別等諸多領(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(guān)性強、可靠性高、信息量大、功能多、生產(chǎn)效率高。正是由于機器視覺(jué)具有這些特點(diǎn),因此在現代自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中,人們將機器視覺(jué)系統廣泛地用于工況監視、成品檢驗和質(zhì)量控制等領(lǐng)域,廣泛應用于食品和飲料、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。
        機器視覺(jué)用于印刷、包裝行業(yè)中的質(zhì)量檢測,其基本的工作原理是用攝像機拍攝(采集)印刷品上的圖像,在計算機中與該印品的標準圖像(模板)相匹配比較,如果發(fā)現差異并超出設定的公差范圍,即判定為不合格產(chǎn)品。而實(shí)際的機器視覺(jué)系統要復雜得多。
        2.視覺(jué)檢測系統的結構與工作原理
        視覺(jué)檢測系統主要由照明光源、光學(xué)鏡頭、攝像機、圖像信息的處理與執行機構四大部分所組成。
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        照明光源及照明系統是整個(gè)視覺(jué)檢測系統的關(guān)鍵部件之一,起著(zhù)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)應保證有足夠的亮度,并在整個(gè)照明區域內的亮度要均勻一致;其次,光源和照明系統的設計要避免印品上的一些高反射率的特殊區域,如:燙金、激光防偽標志等使采集的圖像溢出,造成檢測精度降低或根本無(wú)法檢測;最后,在某些應用場(chǎng)合,還要考慮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(chǎn)生明顯的區別,以增加對比度,同時(shí)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(zhì)量。在機器視覺(jué)應用系統中一般使用透射光和反射光。對于反射光情況應充分考慮光源和光學(xué)鏡頭的相對位置、物體表面的紋理、物體的幾何形狀、背景等要素?傊,在選擇光源和設計照明系統時(shí),要根據印品的具體情況,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)檢測系統分辨物體的能力,影響圖像的對比度以及清晰成像的范圍。一個(gè)鏡頭的成像質(zhì)量?jì)?yōu)劣,即其對像差校正的優(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。
       、蹟z像機
        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,而在計算機中處理的是被拍攝物體的電信息,那么攝像機就是完成從光學(xué)信息到電信息轉換的裝置。
        A.工作原理
        在攝像機中,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(zhù)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(xiàn)通過(guò)鏡頭而到達芯片的表面上,光信息就變成了電荷信號,即曝光。光強的地方電荷多,光弱的地方電荷少,對應著(zhù)印品上不同區域的明暗程度。不同的顏色分解為紅、綠、藍三種基色,存放在不同的單元之中。曝光所產(chǎn)生的電荷信號,按掃描順序依次經(jīng)過(guò)放大和模數轉換等處理,最后從攝像機中輸出。
        B.分類(lèi)
        印品質(zhì)量檢測所使用的攝像機根據實(shí)際情況的不同可分為兩大類(lèi),線(xiàn)陣式攝像機和面陣式攝像機。線(xiàn)陣式攝像機一次只能獲得圖像的一行信息,被拍攝的物體必須以直線(xiàn)的形式從攝像機前來(lái)回通過(guò),才能獲得完整的圖像,因此非常適合于對以一定速度勻速運動(dòng)的物體的圖像檢測。而面陣式攝像機則可以一次獲得整幅圖像的信息,因此攝像速度更快。比如我們日常使用的數碼相機。
        而光電轉換器件是構成攝像機的核心器件。目前,典型的光電轉換器件主要有CCD、CMOS圖像傳感器兩種。CCD是目前機器視覺(jué)最為常用的圖像傳感器。它集光電轉換及電荷存貯、電荷轉移、信號讀取于一體,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,而不同于其器件是以電流或者電壓為信號。這類(lèi)成像器件通過(guò)光電轉換形成電荷包,而后在驅動(dòng)脈沖的作用下轉移、放大輸出圖像信號。典型的CCD攝像機由光學(xué)鏡頭、時(shí)序及同步信號發(fā)生器、垂直驅動(dòng)器、模擬/數字信號處理電路組成。CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)圖像傳感器的開(kāi)發(fā)最早出現在20世紀70 年代初。90 年代初期,隨著(zhù)超大規模集成電路 (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、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數轉換電路、圖像信號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訪(fǎng)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)而得到了廣泛的應用。
        C.印品檢測對攝像機的要求
        從以上攝像機的工作原理可以看出,若要使系統能夠正確地進(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確地反映;c、攝像機要有足夠的分辨率,即印品上的微小細節都能夠清晰地再現;d、攝像機要能夠真實(shí)地再現印品的色彩;e、攝像機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。
       、軋D像信息的處理與執行機構
        圖像信息的處理與執行機構,即計算機,是機器視覺(jué)系統的核心,它相當于人的大腦。整個(gè)圖像信息的處理過(guò)程通常包括:
        A.預處理。高速運動(dòng)的印品在通過(guò)攝像機時(shí),與模板圖像相比,往往會(huì )產(chǎn)生位置上的移動(dòng)、旋轉,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;其它外部設備、供電電源和采集設備本身也會(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)圖像預處理來(lái)排除和淡化它們的影響。常見(jiàn)的圖像預處理操作主要包括圖像增強、數據編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割等內容。經(jīng)過(guò)這些處理之后,圖像的質(zhì)量得到了相當程度的改善,既改善了圖像的視覺(jué)效果,又便于計算機對圖像進(jìn)行分析、處理與識別。
        B.特征的提取與識別;
        C.測量。用簡(jiǎn)潔的一句話(huà)來(lái)說(shuō)即是“與模板相比,找出差異”。
        綜上所述,機器視覺(jué)是集光、機、電、計算機于一身的技術(shù),極適用于大批量生產(chǎn)過(guò)程中的重復性測量、檢查與辨識。
        二、機器視覺(jué)在印刷包裝行業(yè)中的應用
        1.在線(xiàn)檢測與離線(xiàn)檢測
        視覺(jué)檢測系統按其安裝的載體的不同可分為在線(xiàn)檢測系統和離線(xiàn)檢測系統兩種。
        在線(xiàn)檢測系統安裝在膠印機、凹印機、柔印機、印碼機等印刷設備之上,用來(lái)實(shí)時(shí)檢測印刷質(zhì)量。印品可以是單張紙,也可以是卷筒紙。在線(xiàn)檢測系統與離線(xiàn)檢測系統的視覺(jué)檢測部分在功能上基本相同,區別主要在于對不合格品的處理方式上。當發(fā)現缺陷時(shí),在線(xiàn)檢測系統通常會(huì )記錄下缺陷的位置(卷筒紙:長(cháng)度,單張紙:張數),或使用噴碼機、貼標機、打標機在紙邊上做出標記,號碼檢測記錄出錯號碼或相鄰張的號碼。
        離線(xiàn)檢測系統通常裝在檢品機或復卷機上。除可實(shí)現在線(xiàn)檢測系統的位置記錄與標記功能外,檢品機通常還具有分倉功能,即根據檢測結果將好、壞品自動(dòng)分配到不同的倉中去。
        2.質(zhì)量分析、跟蹤與管理
        采用檢測系統進(jìn)行質(zhì)量檢測除可以提供檢測全過(guò)程的實(shí)時(shí)報警和詳盡、完善的分析報告外,現場(chǎng)操作者還可以根據全自動(dòng)檢測系統的實(shí)時(shí)報警及分析報告,對工作中出現的問(wèn)題進(jìn)行相應的調整。并且管理者還可以依據檢測結果的分析報告,對生產(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)量檢測設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,達到一個(gè)長(cháng)期穩定的質(zhì)量標準。
        三、機器視覺(jué)檢測在印刷包裝行業(yè)中的推廣與普及
        目前,盡管我國是一個(gè)印刷大國,但還不是印刷強國。我們要走向世界,就必須要采用先進(jìn)的印刷設備和檢測設備。安裝自動(dòng)化的視覺(jué)檢測系統,前期雖然要一定量的投入,但其在質(zhì)量檢測方面的優(yōu)勢,將會(huì )給企業(yè)在質(zhì)量和人工成本上帶來(lái)長(cháng)期的效益。
        視覺(jué)質(zhì)量檢測可以應用在印前、印刷過(guò)程和印后加工中,但目前多數應用主要集中在印后質(zhì)量檢查中。中國有數萬(wàn)家的印刷企業(yè),但真正使用檢測系統的卻很少,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)對印刷要求較高,對質(zhì)量和色彩的要求比較特殊。這就要求包裝印刷廠(chǎng)必須具備獨特的產(chǎn)能優(yōu)勢、技術(shù)優(yōu)勢和質(zhì)量?jì)?yōu)勢,才能滿(mǎn)足客戶(hù)對印量、周期和質(zhì)量的全面要求。
        推廣機器視覺(jué)檢測,首先要使印刷包裝企業(yè)更多地了解機器視覺(jué)。裝在哪里、怎么安裝、如何達到最好效果、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)習和掌握機器視覺(jué)檢測的概念和操作;機器視覺(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)量標準,只有兩者緊密結合,才能產(chǎn)生真正符合中國國情的自動(dòng)化視覺(jué)質(zhì)量檢測系統,才能達到提高質(zhì)量、提高效率、降低成本的根本目的。 

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