（信号与信息处理专业论文）图像配准和缺陷检测算法在印刷系统中的应用研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：目前，国内的大多数中小型印刷企业对基于机器视觉和图像处理理论的印 刷品缺陷自动检测系统的需求相当迫切，国内在此方面的研究才刚刚起步。因此， 开展此方面的研究对提高我国印刷行业的整体水平具有重要的作用。本文主要研 究了以下内容： 第一，印刷品图像预处理和缺陷检测算法是印刷缺陷检测系统的核心，本文 首先分析了印刷检测系统面临的几个图像预处理问题，包括彩色印刷品的灰度化、 噪声的滤除、印刷图像的配准、图像的差分等。并针对以上问题提出了相应的解 决方案。图像配准算法是图像预处理中的难点，因此我们根据系统的要求和对常 用的图像配准算法的深入对比研究，探索找到了适合印刷检测系统的配准算法基 于金字塔和模板匹配的图像配准算法。实验验证了该方法不仅有较高的配准精度， 也具有较高的配准速度，能满足检测系统对图像处理的实时性和精度的要求。 第二，本文提出了基于人眼视觉特性评价的图像缺陷检测方法。该方法首先 利用区域分割算法对印刷差分图像进行缺陷区域分割。其次结合数学形态学方法 对各个缺陷区域进行特征分析，这些特征包括缺陷的大小、类型、面积等信息。 最后根据人眼的视觉特性，对缺陷进行了客观质量评价。根据评价的结果来判定 缺陷对图像的影响程度。实验证明，该方法具有良好的人工智能性，能够满足印 刷检测系统对印刷缺陷的检测标准要求。 第三，根据印刷厂商提供的印刷检测系统的功能需求，设计了印刷检测系统 的具体功能模块，并在v c + + 6 0 和o p e n c v 的开发平台下编程实现了印刷检测 系统的软件功能部分，该软件部分能支持印刷品图像的输入、图像的预处理、缺 陷检测、缺陷列表输出、人机交互查看缺陷等功能。 关键词：印刷检测系统；图像配准；缺陷检测；人眼视觉特性 分类号：t n 9 1 1 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：a tp r e s e n t ，m o s to ft h es m a l la n dm e d i u md o m e s t i cp r i n t i n g c o m p a n i e su r g e n t l yn e e da u t o m a t i ci n s p e c t i o ns y s t e mf o ri n s p e c t i n gp r i n t sd e f e c t s ， w h i c hi sb a s e do nm a c h i n ev i s i o na n di m a g ep r o c e s s i n gt h e o r y h o w e v e r , d o m e s t i c r e s e a r c hi nt h i sa r e ah a sj u s tb e g u n t oi m p r o v et h eo v e r a l ll e v e lo fc h i n a sp r i n t i n g i n d u s t r y , i ti si m p o r t a n tt oc a r r yo u tt h er e l a t e dr e s e a r c h t i l i st h e s i sm a i n l ys t u d i e st h e f o l l o w i n gc o n t e n t s ： f i r s t ，t h ei n n o v a t i o no ft h i st h e s i si st op r o p o s ean e wi m a g ei n s p e c t i o nm e t h o d b a s e do nt h eh u m a nv i s u a lc h a r a c t e r i s t i c s t h i sm e t h o df i r s tu s e sr e g i o n a li m a g e s e g m e n t a t i o nt oz o n ev a r i o u sd e f e c t s a f t e rt h a t , u s em a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g yt o a n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fd e f e c t s ，i n c l u d i n gd e f e c ts i z e ，t y p e ，a r e aa n do t h e r i n f o r m a t i o n f i n a l l y , e v a l u a t ed e f e c t sa c c o r d i n gt oh u m a nv i s u a lc h a r a c t e r i s t i c s ，w h i c h c a nd e t e r m i n et h ed e f e c ti m p a c t i n gd e g r e e e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h em e t h o dh a sg o o d a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c ea n db ea b l et om e e tt h ed e m a n do fi n s p e c t i o ns y s t e m s e c o n d ， i m a g ep r e - p r o c e s s i n ga n dd e f e c ti n s p e c t i o na l g o r i t h m sa r et h ec o r e so ft h ep r i n t i n g d e f e c ti n s p e c t i o ns y s t e m t i l i st h e s i sf i r s ta n a l y z e st h es e v e r a li m a g ep r e p r o c e s s i n g p r o b l e m s ，i n c l u d i n gt h ec o n v e r s i o no ft h ec o l o rp r i n t i n gi m a g et og r a yi m a g e ，n o i s e s f i l t e r i n g ，i m a g er e g i s t r a t i o n , o b t a i n i n gd i f f e r e n c ei m a g e ，a n dp r o p o s e sc o r r e s p o n d i n g s o l u t i o n sf o rt h ea b o v ep r o b l e m s i m a g er e g i s t r a t i o ni sv e r yi m p o r t a n ta n dd i f f i c u l t s o a c c o r d i n gt ot h ed e m a n d so ft h es y s t e ma n dt h ei n - d e p t hc o m p a r a t i v es t u d yf o rt h e c o m m o n l yu s e di m a g er e g i s t r a t i o na l g o r i t h m s ，w ee x p l o r eas u i t a b l er e g i s t r a t i o n a l g o r i t h mf o ri n s p e c t i o ns y s t e m ，w h i c hi s t h ec o m b i n a t i o no fp y r a m i da n dt e m p l a t e m a t c h i n gi m a g er e g i s t r a t i o na l g o r i t h m e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h em e t h o dn o to n l yh a s h i g hr e g i s t r a t i o na c c u r a c y , b u ta l s oh a sh i g hr e g i s t r a t i o nr a t e ，w h i c hc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n t so f t h ei n s p e c t i o ns y s t e m t h i r d a c c o r d i n gt ot h ei n s p e c t i o ns y s t e mf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sp r o v i d e db y p r i n t i n gc o m p a n y , w ed e s i g ns p e c i f i cs y s t e mf u n c t i o nm o d u l e s ，a n dr e a l i z et h es o f t w a r e p a r to fi n s p e c t i o ns y s t e mi nt h ev c + + 6 0a n do p e n c vd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h es o f t w a r ep a r tc a ns u p p o a st h ei n p u to fp r i n t i n gi m a g e ，i m a g ep r e - p r o c e s s i n g , d e f e c t si n s p e c t i o n ，l i s to u t p u tf o rd e f e c t s ，h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o na n ds oo n k e y w o r d s ：p r i n t i n gi n s p e c t i o ns y s t e m ；i m a g er e g i s t r a t i o n ；d e f e c ti n s p e c t i o n ； h u m a nv i s u a lc h a r a c t e r i s t i c s c i a s s n o ：t n 9 1 1 v 致谢 本论文的工作是在我的导师章春娥讲师的悉心指导下完成的，章老师严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来章老 师对我的关心和指导。 裘正定老师、丁晓明老师、孙冬梅老师在我的实验室的科研工作中，给予了 我很大的关心和帮助，在此向他们表示衷心的谢意。 同时熊柯师兄对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示 衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，实验室的各位师兄师姐及同级同学对我的研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人和好朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的 学、i 匕。 绪论 1 绪论 1 1 课题背景和研究意义 随着科技的进步，印刷行业的生产已日趋自动化，但是由于一些人为和环境 因素的影响，印刷品在印刷的过程中可能会产生各种缺陷。社会的进步使人们对 印刷产品的质量要求越来越高，因此印刷行业对印刷质量检测设备的需求就显得 尤为重要。 目前在所有的印刷企业中，印刷方式一般分为凹版印刷、平板印刷、凸版印 刷和丝网印刷这四大类型。其中柔版印刷属于凸版印刷的一种。胶印属于平板印 刷的一种。每种印刷工艺，流程不同，差别在于印版的制作。在实际中，大幅面 印刷大多采用胶印、凹印、丝网等方式，比如纸盒包装、报刊、软包装等。在标- 签印刷领域中，凸版印刷占据主要位置，柔版印刷作为新兴的印刷方式，正在快 速发展。 无论哪种印刷方式，其印刷源头是来自于客户的需求，一般的工艺流程为， 从客户手中拿到印刷要求，然后再进行印版文件设计，之后制出对应的菲林版， 然后再转化成为最终印刷用的印版，进行印刷。以日化标签和电子标签e p 届l j 为例， 其印刷工艺流程一般如下：。 一 一擘制! 哆h 母嗣 图1 一l印刷工艺流程 f i g u r el 1p r i n t i n gp r o c e s s 在客户对印刷品质要求越来越高的今天，以上任何一个环节的出错，都会导 致最终交付产品的质量。特别是在前端印版制作阶段，只要有细微的错误，后面 所有的环节都会出错。其中最容易出错误的地方，在于根据客户印刷的要求，来 制作印刷设计文件的电子版。由于客户提供印刷要求的方式多种多样，印刷内容 有可能是世界上任何一种语言，对于制作电子版印刷设计文件来说，错误在所难 免。在实际中，菲林和设计文件也可能会出现错误，最终的印刷结果和菲林之间 也可能出现错误。每一个阶段的问题，都需要对应的品质解决方案。 在没有自动检测手段之前，客户的印刷要求和印刷设计文件之间，只能依靠 人工目视进行校对。所谓的人工目视检测是指用人眼借助放大镜去观察印刷品的 北京交通人学硕士学位论文 错误。但是该方法易受检测人员的经验、生理和心理的影响，容易发生漏检，且 效率低下、成本高。 随着计算机视觉和图像处理相关理论的发展，利用计算机视觉对印刷产品质 量进行自动检测已变的切实可行。印刷自动检测系统的具有以下的特点： ( 1 )速度高：由于计算机和自动化设备的引入，自动检测速度比人工检测 要高出上百倍，甚至上千倍，能满足印刷企业对检测速度的需求。 ( 2 )智能化：基本上摆脱了人为的参与过程，利用人工智能进行工作。 ( 3 )全网化：检测系统可以和企业的监控系统进行连接，以便有关人员进 行质量的检测控制，另外还可以和外部网络联系，以便进行远程的操 控。 ( 4 )效率高：检测系统可不间断地进行工作，和人工检测相比，不受主观 因素的制约。 目前，在针对此问题的研究方面，国外起步较早，像德国、加拿大、以色列、 日本等国家已经制造出较成熟高端的印刷质量检测设备，但是它们的价格非常昂 贵。在国内，能成功研究出此产品的还仅仅局限于极少的几个公司，它们研究出 的产品相对国外的产品在稳定性、灵活性和精确性方面还有一定的差距。根据我 们的国情，国内存在的大多数是中小型印刷企业。据了解，目前它们的检测方式 还仅仅依赖人工的检测方式。因此，为了提高国内整体印刷行业的质量自动化检 测水平，我们利用计算机视觉和图像处理学来开展针对印刷检测系统的研究具有 重要的现实意义。 一般的印刷检测流程是：系统利用图像采集设备来采集待检测印品图像，将 采集的待检测图像和标准印刷图像进行对比，根据图像处理算法，设定缺陷阈值 来找出有缺陷的印刷品图像，以实现对印刷品的质量控制。 好的图像处理算法是决定印刷检测系统性能的关键所在。好的图像处理算法 能够提高检测系统的处理速度和有效性。它们在印刷检测系统中的一般应用流程 如下图所示： 图1 - 2 印刷检测系统图像处理流程 f i g u r e1 - 2t h ep r o c e s so f i m a g ep r o c e s s i n gi np r i n t i n gi n s p e c t i o ns y s t e m 2 绪论 目前针对印刷检测系统的图像配准和缺陷检测算法的研究多集中于算法的稳 定性方面，而没有过多地考虑系统对灵活性、人性化和实时性的要求。为了更好 地满足国内印刷行业对印刷品质量检测的技术要求，我们有必要对图像配准和缺 陷检测算法等图像处理算法做更深入的研究工作。同时，好的图像配准和缺陷检 测算法在纺织和其它的工业检测方面也具有很好的应用前景，对促进我国的自动 化检测水平的提高具有重要的现实意义。 1 2 印刷检测系统的研究现状 1 2 1 印刷检测系统的国内外研究现状 近年来，随着印刷技术的迅速发展，印刷品的复杂度和印刷速度也在不断的 提高。一些传统的印刷检测方法( 主观目测法、色度检测法、密度检测法等) 主 要靠人为目测进行检测，稳定性和精确性差，不能满足现代印刷工业的质量检测 要求。随着计算机的发展，基于计算机视觉原理的检测手段已经被广泛地应用到i 了工业质量检测中。计算机视觉检测是一种综合技术，它用机器代替人眼去做缺 陷的测量和判断，涵盖了自动控制、计算机软硬件、图像处理、人机接口等技术， 具有实时性、智能性、灵活性、高速度和高精度等特点。 在基于计算机视觉的印刷质量检测系统的研究方面，日本及欧美国家处于领： 先地位。早在2 0 世纪7 0 年代，国外的一些厂商就致力于此方面的研究。截止到 目前，他们研究开发的产品己相当成熟完善。 例如，1 9 9 2 年成立的以色列a v t ( a d v a n c e dv i s i o nt e c h n o l o g y ) 公司生产的 p r o o f i t 印刷离线检测设备产品具有良好的检测性能【l 】，它可检测出数字文件和印 刷品之间的差异，为印刷品的质量控制提供了较好的保障。 德国的v i s i o ne x p e r t sg m b h 公司生产的印刷检测系统【2 】，利用智能c c d 摄像 机、和一些专门的识别软件来检测各种符号，比如喷码符号、激光雕刻、热砖印 等。此设备尤其适用于检测各种类型的漏印字符缺陷。 加拿大的a d e p t 公司开发的基于机器视觉的h e x s i g h t 印刷检测软件【3 】，是基于 彩色图像处理的视觉检测平台，能够精确地去定位和识别物体，即使在较恶劣的 工作环境下也能提供可信赖的检测结果，且定位识别速度快。 日本f u t e c 公司生产的印刷表面检查装- 置【4 】，能够根据实际情况进行亮度变 换，可检测出较难检测的图像和同颜色缺陷，适用于各种印刷机，例如凹版印刷 机、胶版印刷机、柔版印刷机、复膜机等。 法国的a x o d eg l o b ev i s i o n 公司生产的安全印刷质量监控系统【5 】，可以和各种 北京交通大学硕士学位论文 印刷设备配合使用，能够对印刷页面、污斑、套印标记和号码序列等进行检查。 目前，该产品能够成功地应用到各种税务和币种的印刷缺陷检测中。 此外，生产相关产品的国外公司还有德国的v m t t 6 ，日本的t o k m e c r l 、d a c 8 】 等。 在国内，针对印刷产品质量检测技术的研究还处于起步阶。但是经过坚持不 懈的努力，国内在此方面也取得了一些可喜的成果，少数公司也开发出了一些可 使用的印刷检测系统。国内在此方面的研究有： 北京大恒图像自主研发的印刷质量检测系统【9 】，是国内最早出现的印品检测系 统，它可检测烟标、药包、彩盒、标签、薄膜、人民币、税票等印刷品中出现的 缺陷，能适应镭射、烫金、荧光、水印、凹印等印刷工艺，检测速度也达到了一 定的要求，还能进行灵活的控制和统计分类。该系统在国内属于较先进的检测系 统。 凌云光子利用c c d 等设备和图像处理技术研制的印刷表面质量视觉检测设备 也被国内的印钞厂商、包装厂商和标签印刷厂商所使用【l o 】。 马可波罗公司生产的印刷质量检测设备采用彩色线阵摄像机和图像处理技术 来检测印刷缺陷，该产品尤其适用于卷材、平板和大规模包装的印刷品的质量检 测，能检测出颜色漏印、颜色失真、条纹、颜色不均匀、墨色过浅等印刷缺陷【l 。 另外，一些科研单位和高校学者也j 下在对此方向做积极的探索研究，比如， 华中科技大学的尚等人初步研究开发了针对票据号码和烟标缺陷的检测系统【l2 1 ， 且应用到了工业中。西安理工大学的冯等人也开发了能检测构件的印刷质量的缺 陷检测系统【1 3 】。 但是总的来说，国内针对此方面的研究还不完善，需要进一步地做深入的研 究。 1 2 2 图像处理在印刷检测系统中的研究现状 印刷检测系统可一般包括三部分：采集印刷品图像的硬件设备( 比如c c d 摄 像机) 、图像处理算法、显示调节输出的软件部分。检测过程如下：一般是通过硬 件设备来采集标准印刷图像和待检测印品图像，经过数字化后，通过图像处理算 法，进行标准印刷图像和待检测印品图像的对比检测，然后通过计算机终端输出 检测结果。其中利用图像处理技术来进行标准印刷品和待检测印刷品的对比检测 是检测系统的关键。检测系统所涉及的主要图像处理算法是图像配准和缺陷检测 算法。图像配准是在实施缺陷检测算法之前对标准印品图像和待检测图像进行位 置纠正的一种图像预处理算法。只有精确地对图像做位置对准，才能精确地进行 4 绪论 缺陷检测。因此，印品图像配准算法的研究是非常重要的。 印刷图像的配准算法和常规的图像配准的理论方法是一样的。常规的图像配 准方法也能应用到印刷检测系统中。图像配准一直以来都是图像处理研究领域的 研究热点和难点，它是在变换空间中寻找一种或多种变换，使来自不同时间、不 同传感器、不同视角或发生变化的同一场景中的两幅或多幅图像在空间找到相对 应的位置坐标。 图像配准理论最早是在七十年代美国对武器投射系统术制导和飞行器辅助导 航系统等研究应用中提出的。当时这一理论的提出得到了美国军队的大力支持， 并且被成功地应用到了诸多的军用领域中。随着图像理论研究的发展，近年来各 种新的图像配准算法相继出现，且在各领域得到了大量的应用，比如遥感数据处 理、病理诊断、自动导航及目标定位、计算机视觉和模式识别、天气预报、环境 监控等。根据配准特征方法和层次的选取不同，配准方法大致可分为以下几类： 基于图像灰度的配准、基于图像特征的配准、基于频域变换的配准、以及基于高 级特征的配准。 ( 1 ) 基于图像灰度的配准 ， i 基于图像灰度的配准方法是直接利用整幅图像的灰度信息，建立两幅图像之 间的相似性度量，然后采用某种搜索方法，寻找使得相似性度量值最大或最小的 变化模型参数来进行图像配准。常用的有归一化互相关配准算法f 1 4 】【1 5 】、序贯相似 度检测算法【1 6 1 、金字塔分层搜索算澍1 。7 】等。这些基于图像灰度信息的配准算法直， 接利用了图像的全部可用的灰度信息来达到图像在空间上的配准，因此该方法在 算法的精确度和鲁棒性上具有一定的优越性。但是，该种方法的缺陷是需要计算 配准点周围所有像素点的灰度值，这会带来很大的计算量，算法速度很慢。 ( 2 ) 基于图像特征的配准 图像具有丰富的特征信息( 比如图像的纹理、边缘、颜色、形状) ，人们根据长 期的实践分析，研究总结出了基于图像特征的配准方法。该方法首先从待配准的 图像中提取出特征，用相似性度量和一些约束条件确定几何变换，最后将该变换 用于待配准图像。图像的特征提取是进行配准的关键。特征提取是指分别提取两 幅图像中共有的图像特征，如线交叉点、物体边缘、角点、虚元、闭区域的中心 等。特征提取的精度直接影响图像配准的可靠性。现在应用较成熟的特征提取算 子有：基于图像灰度自相关函数的兴趣点算子【1 8 】、h a r r i s 算子【19 1 、f o r s t n e r 算子【2 0 1 、 s i l t 特征不变描述算子【2 1 】和改进的p c a s i f t 改进算法【2 2 1 。在提取出特征点后，利 用相关性原理对提取出的相关点对做相似性计算，如果相关系数大于给定的阈值， 则配准点配准成功。基于特征点的配准算法相对基于灰度信息的配准算法来说计 算量较小，对灰度变化、形变及遮挡有较好的适应性。但是配准的性能取决于特 北京交通大学硕士学位论文 征提取的质量，尤其是在处理特征贫乏的图像区域时，特征配准出的结果不好。 ( 3 ) 基于频域变换的图像配准 近年来，随着傅里叶变换、小波变换等频域变换方法的研究发展，频域变换 技术已经越来越多地应用到了在图像配准中。频域配准算法就是把空域中的数据 变换为频域的数据，然后通过一定的相似性度量来确定两幅图像之间配准参数的 方法。常用的频域变换配准技术如傅里叶变换配准技术【2 3 1 1 2 4 1 、小波变换配准技术 【2 5 】以及空频域相结合的复合配准算法【2 6 】等。频域配准技术对噪声有较高的容忍度， 检测结果与照度无关，可较好地处理图像间之间的旋转和尺度变化。 ( 4 ) 基于图像高级特征的配准 随着商业的需要和信息的发展，基于图像高级特征的图像配准算法也成为了 研究热点。其中有基于语义内容的配准【2 丌，它是把计算机中的模型同外部世界中 的物体或现象建立起对应关系，利用图像的结构特征或关系特征，把物体和物体 间的关系表示成结构，通过沿图中的弧作关联搜索，遍历图中节点之间的关系。 基于网络神经的配准方法【2 引，它是先利用神经网络算法对图像进行预处理，并按 要求提取一定数量的特征点，然后根据构造的某种神经网络算法的要求，选取并 输入网络需要的一些初始状态，同时也将选取的特征点作为基本输入参数，接着 启动神经网络算法的迭代过程，最后给出迭代结果，并对其进行分析评价。另外， 研究较多的还有基于遗传算法的配准【2 9 1 ，遗传算法是以自然选择和遗传理论为基 础，将生物过程中适者生存的规则与群体内部的随机信息交换机制结合的搜索算 法，能够实现全局并行搜索，具有简单、快速、鲁棒性好等特点。这些算法应用 前景比较好，但是还处于刚刚起步阶段，需要结合机器学习、人工智能、以及其 它算法来发展和完善。 目前，由于基于图像灰度的模板配准和基于图像特征提取的配准的这两类配 准算法的理论较完善，应用研究也较多，因此它们现在被广泛地应用在了印刷质 量检测系统中。例如南京理工大学的王等人0 3 1 【3 0 】重点研究了基于图像特征的配准 算法在印刷检测中应用、清华大学的章等人【3 i 】提出了基于灰度的模板匹配和分层 搜索的配准检测方法。这些算法虽然能基本上满足印刷检测的功能需求，但是根 据印刷检测系统的特点和需求，印刷检测的配准算法需有较高的速度和精度，以 此来达到更好的检测性能，据分析了解，以上提及的算法目前还无法满足检测系 统的要求，因此，我们有必要在此方向做深入的研究，来探索更加适合本文所研 究的印刷检测系统的图像配准算法。 当标准图像和待检测图像进行配准后，将标准图像和待检测图像进行差分得 到差分图像。然后对差分图像中的缺陷进行分析检测。这是印刷检测系统的核心 所在。在目前出现的图像缺陷检测算法中，最常用的算法是b l o b 缺陷分析法，所 6 绪论 谓的b l o b 分析法【3 2 】是对缺陷图像进行特征提取和分类，通过在图像中寻找相似 灰度的像素点，并将这些像素点按四邻域或者八邻域方式进行图形特征分析，可 以将图案灰度信息转化为图案的形状信息，包括图形质心、面积、周长、外接最 小矩形和其他图形信息。b l o b 分析关键的一步就是对缺陷图像进行连通区域检测 【3 3 】- 3 6 】，以此来实现目标区域的分割，以方便后续的缺陷特征分析。b l o b 分析已经 广泛应用在了食品生产线的品质检测、生物医学、工业检测、农产品及印刷品缺 陷检测等领域。 尚等人提出了基于优先搜索策略的缺陷检测算法【1 2 】。所谓的基于优先的搜索 策略缺陷检测算法是指根据状态空间法的优先策略，来搜索图像坐标空间中满足 缺陷要求的那些像素点，并且根据存储的图像坐标顺序进行搜索，以此来找到相 应的像素点使之转化为缺陷状态。该算法的检测精度高，但是检测的实时性相对 较差，在实际的印刷检测中应用f ； 景不大。 随着时频域变换方法的快速发展，傅里叶变换和其它变换方法也在缺陷检测， 方面得到了广泛地应用。变换分析检测法是先把图像变换到频域，在频域根据其- 频谱特性，对图像做缺陷分析检测【3 7 】【3 8 】【3 9 1 。其优点是某些信号在时域上很难分析 长 和处理，但是转化到频域曲线上后信号的特征就很容易地去分析处理，这给某些 较复杂的图像检测处理带来了方便。 另外，国外的p e j m a n 也提出了相应的基于机器视觉的模糊聚类检测方法【矧， - 该方法利用c l i p 检测方法来检测仪表板的印刷缺陷。 ， 根据印刷检测系统的要求，检测系统不仅能精确地检测出缺陷的位置，而且 还要对检测出的缺陷进行特征分析，以筛选出那些影响产品质量的不合格印刷品， 那些对产品质量没有太大影响的缺陷可以当作合格品处理。这就要求缺陷检测算 法具有人眼智能识别的功能。而目前针对此功能的缺陷检测算法的研究寥寥无几。 为了满足印刷企业的要求，我们很有必要开展此方向的研究工作。 1 2 3 印刷检测系统面临的主要问题及解决方案 印刷检测系统是由图像采集处理硬件、图像处理算法、计算机视觉软件界面 组成的一个整体。目前，图像采集处理硬件的开发已经相当完善，比如c c d 摄像 机和彩色线阵摄像机的性能都趋于稳定。在开发印刷检测系统的时候，只需要购 买相应的硬件设备即可。另外计算机视觉软件界面的开发也相对简单，如v c + + 、 o p e n c v 等开发环境都有现成的模块可供选择。因此，印刷质量检测系统的核心 在于图像处理算法的设计。好的图像处理算法对印刷检测系统的性能起着至关重 要的重要。而印刷检测系统的开发研究又为目前的图像处理的理论研究指明了方 7 北京交通大学硕士学位论文 向和目标，两者相辅相成。目前，印刷检测系统面临的主要问题有： ( 1 ) 外部扫描仪或成像平台对印刷实物的读入和解析问题。印刷线上运动的印 刷品具有流动性，它对图像的采集具有很高的实时性和精确性的要求。所 以，设计一个符合运动图像的采集标准是非常重要的。 ( 2 ) 怎样提高图像预处理的精度问题。检测过程中，图像预处理的精度会影响 到后续的缺陷检测，如标准图像和待检测图像配准精度低的情况下，会出 现误检和漏检。因此，设计适合印刷检测系统使用的图像预处理算法也是 系统的一个关键。 ( 3 ) 怎样在不影响图像预处理精度的情况下提高预处理速度。检测过程中，预 处理速度的高低会影响检测的效率和企业的开销。因此，目的同问题( 2 ) 。 ( 4 ) 如何定义缺陷的问题。在待检测图像中出现和标准图像不一样的差异，如 果对人们的视觉没有太大影响，就可以定义为非缺陷。怎样去设计缺陷检 测算法也是系统的关键。 ( 5 ) 如何处理在检测过程中出现的海量数据问题。印刷企业每天生产的印刷品 数量是巨大的。因此，在检测过程中，面对如此巨大的海量数据，系统怎 样实施有效的处理，是系统需要考虑的问题，这就要涉及到检测系统的结 构设计问题。 上述问题是目前印刷检测系统面临的几个主要问题。在本文的工作中，我们 主要对图像配准和缺陷检测等算法做深入的研究。 1 3 论文的主要工作和组织结构 1 3 1 论文的主要工作 目前，我们的中小型印刷企业对印刷品做质量检测普遍采用人工目测的方式， 然而由于人工检测容易受主观因素的制约，很容易发生误检和漏检，且效率低下。 在印刷业高速发展的今天，人工检测方式已经远远满足不了现代印刷业对印刷品 质量检测的要求。在这种背景下，根据印刷厂商的要求，我们设计了一套以印版 文件、包装和书籍杂志等印刷品为检测对象，且基于计算机视觉和图像处理理论 的印刷自动检测系统，该系统能够检测印版电子文件、包装、书籍杂志等印刷品 中出现的缺陷。本文的主要工作如下： ( 1 ) 检测系统的设计及实现。根据印刷厂商提供的印刷检测系统的功能需求， 分析了印刷检测系统所需的技术路线，利用v c + + 6 o 和o p e n c v 等软件开发环境和图像处理理论设计实现了符合厂商要求的印刷检测系 8 绪论 统，并详细阐述了系统的工作原理、组成结构和各个模块的功能。 ( 2 ) 图像预处理在印刷检测系统中的应用研究。分析了印刷检测系统面临的图 像预处理问题，详细对比分析了现有常用的图像配准算法，根据检测系统 对配准算法的要求，提出了适合检测系统使用的基于金字塔和模板匹配的 图像配准算法。这为后续的缺陷检测算法提供了良好的前提保障。 ( 3 ) 印刷缺陷检测算法的应用研究。首先对配准后得到的缺陷差分图像进行区 域划分。其次采用数学形态学的方法对各区域的缺陷做特征分析，包括缺 陷的面积、周长、形状等，在此过程中采用了腐蚀、膨胀、开闭运算等图 像处理算法。由于厂商要求给出缺陷的具体定义，即那些对人眼视觉没有 较大的影响的缺陷可以定义为印刷合格品，因此，本文重点提出了基于人 眼视觉特性的印刷图像缺陷检测方法，该方法不仅能实现系统的人眼智能 识别，还能提高厂商的经济效益。 以上的部分工作发表在论文“i m a g ed e f e c ti n s p e c t i o nb a s e do nh u m a nv i s u a l c h a r a c t e r i s t i c s 中，该论文被会议i c w m m n2 0 1l ( 2 0 11i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo n w i r e l e s s ，m o b i l e m u l t i m e d i an e t w o r k s ，i n d e x e db ye 1c o m p e n d e xa n di s t p ) 录用。 二 并且相关的工作发表在了论文“t o w a r d ss u b j e c t i v ec o n s i s t e n c y ：a ne f f e c t i v e o b j e c t i v eq u a l i t ya s s e s s m e n ta l g o r i t h mf o rb i n a r yi m a g e ”中，该论文被会议 i c a m c s2 0 11 ( 2 0 11i n t o n a t i o n a lc o n f e r e n c eo i la d v a n c e dm a t e r i a l sa n dc o m p u t e r s c i e n c e ，i n d e x e db ye lc o m p e n d e xa n di s t p ) 录用。 1 3 2 论文的组织结构 第一章绪论。简要介绍了课题的研究背景和意义、印刷检测系统的国内外研 究现状、图像处理在印刷检测系统中的研究现状以及印刷检测系统面 临的主要问题。 第二章图像预处理算法在印刷检测系统中的应用。首先简单说明了图像预处 理在印刷检测系统中一般流程。分析了图像预处理在印刷检测系统中 要解决的问题，包括印刷彩色图像的灰度化、噪声的处理、图像配准 和得到差分图像。最后重点研究了图像配准算法在印刷检测系统中应 用。 第三章印刷图像缺陷检测算法设计。该章是整个论文的重点。首先对图像缺 陷检测算法的概念和方法分类做了详细的总结介绍。结合分析印刷检 测系统对图像缺陷检测算法的功能需求分析，提出了基于人眼视觉特 性的差异检测算法及其在印刷检测系统中的应用。 9 北京交通大学硕士学位论文 第四章印刷检测系统的实现及分析。根据印刷厂商对印刷检测系统的要求说 明，设计了检测系统的功能模块，并对整个系统进行了详细的说明介 绍。 第五章总结了本文所做的工作，并结合对实际状况的分析，给出了论文可能 的进一步研究方向，并提出了展望。 1 0 图像预处理算法在印刷检测系统中的应用 2 图像预处理算法在印刷检测系统中的应用 2 1 引言 检测流程可以分为三个部分：第一个部分是待检测印刷品经图像采集设备被 读入到检测系统转化为印刷品图像的过程；第二部分是对读入的印刷品图像进行 预处理；第三部分是进行待检测图像的缺陷检测。其中在第一个部分使用c c d 等 摄像机把印品文件转化为数字图像输入检测系统中时，因为采集设备本身的影响 和外界环境的干扰( 比如c c d 摄像机的速度、机器震动、扫描分辨率、光照条件 等) ，在图像输入转化的过程中可能会导致噪声的产生、图像分辨率发生改变或图 像位置空间坐标的改变。这直接会影响到后续检测的精度。因此，在进行第三部 分的缺陷检测之前，需对输入的图像做预处理操作，从而减少无用噪声的干扰， 最大程度还原印品原图像的面貌和纠正图像的位置，以实现最优的缺陷检测。印 刷质量检测系统的一般流程如图2 1 所示： 匣科 刷品品 厂_ i 厂厂 掣攀h 图譬叶 图2 一l 印刷检测系统的一般流程图 f i g u r e2 - 1t h eg e n e r a lf l o we h a g to f t h ep r i n t i n gi n s p e c t i o ns y s t e m 2 2 图像预处理在印刷检测中的应用流程 在目前的印刷工业环境下，在采用c c d 等图像采集设备对印刷品进行数据的 输入时，由于受到环境采光条件、印品拍摄位置、机器的震动等影响，采集到的 图像可能会产生各种噪声和图像位置的偏移或变形。为了使后续的工作顺利地进 行，必须对经过采集输入的印刷品图像进行预处理操作。由于现在大多印刷品都 是2 4 位的真彩色图像，而图像处理算法大都是基于灰度图像而设计的，因此首先 需要把输入的彩色印品图像转化为灰度图，以便正确地进行后续的图像处理算法。 之后运用图像增强和图像配准理论对采集过程中图像中出现的噪声和位置的变化 北京交通大学硕士学位论文 进行处理，以消除各种噪声和图像的形状变化对后续检测的影响。图像预处理在 印刷检测系统中的一般步骤如图2 2 所示： 图2 2 图像预处理在印刷检测系统中的一般步骤 f i g u r e2 - 2t h es t e p so fi m a g ep r e p r o c e s s i n gi np r i n t i n gs y s t e m 2 3 图像预处理在印刷检测系统中要解决的问题 2 3 1 印刷彩色图像的灰度化处理 从c c d 等摄像机采集到的印刷品图像一般是以位图的格式存在的。位图图像 通常分为二值图像、灰度图像以及彩色图像。二值图像只有0 和2 5 5 两种数值构 成，反映到人眼视觉上就是黑色和白色。灰色图像不同于二值图像，它是由2 5 6 个数值构成的，即图像的颜色从黑色逐渐过渡到白色，除了黑色和白色外，期间 还有2 5 4 个灰度值。彩色位图中的每个像素点都是由r ( 红色) 、g ( 绿色) 、b ( 蓝 色) 三种单色加权混合产生的。所谓的r g b 三基色原理就是各种颜色的光都可以 由红、绿、篮三种基色加权组合表示。 为了更好地说明彩色图像转化为灰色图像的过程，首先介绍一下位图在计算 机中的存储方式。在w i n d o w s 里位图存储格式一般是以b m p 文件存在的。不同格 式的位图图像在计算机罩的存储格式不一样。b m p 的位图结构表1 所示： 表1b m p 位图结构 t a b l e1s t r u c t u r eo fb m p b i t m a p 位图文件头( f i l eh e a d e r ) 位图信息头( i n f oh e a d e r ) 颜色表( p a l e t t e ) 位图数据( d a t a ) 其中位图文件头用于识别位图文件，包含了关于文件大小、类型、存放位置 等信息。位图信息头包括了描述颜色的格式和单个像素所用的字节数，此外还包 1 2 一分 一差像一 到图一 图像预处理算法在印刷检测系统中的应用 括位图的高度、宽度、目标设备的位平面数和图像的压缩格式。颜色表是针对1 6 位以下的位图图像设置的，对那些等于1 6 和高于1 6 位以上的图像，其位图中的 像素数据中直接对应像素的r g b 颜色来进行描述。不同的位图，位图数据所占据 的字节数不同。例如在8 位位图中，一个像素由一个字节代表；在1 6 位位图中， 一个像素由两个字节代表。 在印刷检测系统中，系统处理的大部分是彩色图像，而检测系统的图像处理 方法都是在狄度图的基础上设计的。因此，在采集图像后，需对那些彩色图像做 狄度化处理。然而真彩色图像是由2 4 位组成的，而狄度图则是由8 位组成的，灰 度图的信息数远远低于真彩色的信息数，在转化的过程中，需要信息数的降维。 根据图像颜色理论原理，我们采用下列方法对彩色图像进行灰度化，其步骤为如 下所示【1 2 】： ( 1 ) 分别计算彩色图像中各个像素的r g b 三个基色的宁竹分量； ( 2 ) 根据转化公式： 转化的灰度值= o 2 9 9 r + 0 5 8 7 g + 0 11 4 b ( 2 。1 ) 计算像素的加权灰度值； ( 3 ) r g b 三个分量都分别等于( 2 ) 式计算的加权灰度值，然后用计算出的这 二个分量来代替原图中的各个像素的r g b 分量。 根据此原理，本文我们以印刷标签的b m p 位图作为实验，实现了彩色图的灰 度化算法，实验结果如图2 3 所示： 法。 ( a ) 原b m p 彩色图 ( b ) 转化后的b m p 耿度图 图2 一：3 彩色印刷品图像的灰度化 f i g u r e2 - 3p r i n t i n gc o l o ri m a g ei n t og r a yi m a g e 对彩色位图进行灰度化处理后，我们就i j 丁以顺利地进行下面的图像预处理算 2 3 2 噪声的处理 由于c c d 等图像采集设备本身的原因和环境的下扰，采集到的图像可能会有 北京交通大学硕士学位论文 噪声的产生。因此有必要对产生的干扰噪声进行处理，从而减少噪声因素带来的 不必要影响。目前在印刷品质量检测系统中由于图像采集而产生的噪声主要分为 以下三类【4 2 】： ( 1 ) 因采集设备的震动和光照条件变化而产生的一些随机干扰噪声。 ( 2 ) 在印刷品图像采集的时候，空气中的烟雾、尘粒等因素会导致图像质量的 下降，从而引入噪声；另外还有采集设备镜头不干净形成一些孤立点的噪 声以及聚焦不太准而导致的图像模糊等。 ( 3 ) 图像采集器要把印刷品转化成数字图像输入到检测系统中，因此，量化噪 声会在图像数字化的时候产生。 由上述( 2 ) 中产生的一些噪声，在操作的过程中，只要认真细致，就可以最大 程度的克服。对于( 1 ) 和( 3 ) 产生的噪声，我们需要利用图像