（机械电子工程专业论文）印刷品几种质量缺陷的视觉检测方法研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 印刷品已经成为人类生存和发展的重要组成部分。随着人民生活水平的 不断提高，越来越多的高品质、多样化、符合消费者需求的印刷品占领了市 场。印刷界因此也面临着这样一个问题：如何更快、更准确地评定印刷质 量。传统的利用人工来检测印刷品表面质量的方法由于受主观因素的影响， 不能保质保量地完成检测任务。随着计算机软硬件的发展，利用机器视觉来 进行印刷品表面图像质量的自动检测已变得切实可行。 本文从图像处理技术出发，在总结分析图像质量检测方法的基础上，针 对比较常见的印刷品点缺陷，提出了分层检测的改进算法。改进后的算法对 缺陷点要求的阈值可以设定，可以检测出不同大小的点缺陷，适用范围更 广。同时讨论了针对线缺陷的检测算法，对于宽度小于点缺陷闽值的线型缺 陷，可以利用本文给出的线缺陷检测算法来进行检测，能够检测出线缺陷的 起始和终止像素坐标以及线缺陷的长度。给出了利用模板匹配进行图像偏移 缺陷的检测方法，能够准确地检测出待检印刷品偏移量的大小和偏移的方 向，该结果可以用来提供对印刷设备的调整控制。根据投影法，直方图均衡 化等图像处理方法，对缺陷位置、大小、轮廓等，也相应地给出了检测方 法。 针对本文讨论的各种检测算法，用v i s u a lc + + 6 0 作为软件平台，编写 了各种检测程序，并对印刷品质量缺陷检测进行了实验研究，实验结果验证 了算法的正确性和快速性，证明算法在印刷品质量自动检测中是可行的。 关键词印刷品；缺陷检测；机器视觉 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t p r i n th a sb e c o m ea r t i m p o r t a n tp a r t o fh u m a nl i f e w i t ht h ec o n t i n u o u s i m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n g s t a n d a r d s ，m o r ea n dm o r ep r i n to c c u p i e st h e m a r k e t ，w h i c hm e e t st h en e e d so f c u s t o m e r sw i t hh i 曲q u a l i t ya n d d i v e r s i t y t h e n ap r o b l e mc o m e so u ti nt h ep r i n tf i e l d t h a ti sh o wt od e t e c tt h ed e f e c t so f t h e p r i n tm o r eq u i c k l ya n do b j e c t i v e l y t r a d i t i o n a lm e t h o d s w h i c hd e t e c tt h ed e f e c t s o ft h ep r i n tw i t he y e sc a nn o tc o m p l e t et h ec h e c k i n gw o r kw e l lb e c a u s eo ft h e s u b j e c t i v ea s p e c t s w h i l e w i t ht h ea i do fc o m p u t e rs c i e n c e ，a na u t o m a t i c d e t e c t i o nm e t h o dw h i c hb a s e do nm a c h i n ev i s i o nb e c o m e sf e a s i b l e b a s e do ni m a g ep r o c e s s i n g ，t h i st h e s i sa n a l y s e sa n ds u m m a r i z e ss o m ek i n d so f p r i n tq u a l i t yd e t e c t i o nm e t h o d s ，a i m e da tt h ed o td e f e c t ，a m e l i o r a t e st h el a y e r d e t e c ta l g o r i t h m a t i e rt h i sa m e l i o r a t i o nt h ed o td e f e c ts i z et 1 1 r e s h o l dc a nb e c h a n g e a b l e ，a n dc a nc h e c ko u t d o td e f e c to fd i f f e r e n t s i z e ，t h ea m e l i o r a t i o n a l g o r i t h mc a nm e e tm o r e n e e d s a tt h es a m et i m e ，t h et h e s i sb r i n g so u tam e t h o d a i m i n ga ti i n e a rd e f e c t w h e ni t c o m e st ot h e1 i n e a rd e f e c tw h o s ew i d mi sl e s s t h a nt h ed o td e f e c tt h r e s h o l d ，i tc a nb ed e t e c t e dw i t ht h el i n e a rd e f e c td e t e c t i o n m e t h o d a sf a ra sl i n e a rd e f e c ti sc o n c e r n e d t h et h e s i sg i v e st h el o c a t i o no f t h e s t a r t i n ga n de n d i n gp i x e l sa n d t h el e n g t ho ft h el i n e a rd e f e c t a n dt h et h e s i sp u t s f o r w a r dam o v e di m a g ed e t e c t i o na l g o r i t h mw i t ht e m p l a t em a t c h i n gm e t h o d ， w h i c hc a na c c u r a t e l yd e t e c to u tt h ed i r e c t i o na n ds i z eo ft h eo f f s e t ，t h er e s u l t s c a ni n s t r u c tt h e p r i n t i n g m a c h i n ea u t o r e c t i f i c a t i o n t h e n i t b r i n g s o u tt h e m e t h o d st od e t e c tt h el o c a t i o n s i z ea n do u t l i n eo ft h ed o td e f e c tw i t ht h eh e l po f i m a g ep r o c e s s i n gm e t h o d so fp r o j e c t i o nm e t h o d ，h i s t o g r a me q u a l i z a t i o na n ds o o n a c c o r d i n gt ot h ed e t e c t i o nm e t h o d sd i s c u s s e d ，t h ed e t e c t i o np r o g r a m m e i s c o m p i l e d o nt h eb a s i so fv i s u a lc + + 6 0 t h ev a l i d i t ya n dr a p i d i t yo ft h e d e t e c t i o nm e t h o d sa r ep r o v e dw i t he x p e r i m e n t s ，w h i c hs h o wt h a tt h ed e t e c t i o n m e t h o d s b r o u g h to u ti nt h e t h e s i sa r ef e a s i b l ea n de r i e c t i v e k e y w o r d s p r i n t ；d e f e c td e t e c t i o n ；m a c h i n ev i s i o n - i i 堕堡堡三些查兰三兰堡圭兰堡丝兰 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究的目的和意义 随着科学技术的发展，人们对印刷品的要求越来越高，印刷品也越来越精 细，这样也导致了印刷品的生产难度不断增加。当前印刷生产已经达到了自动 化和数字化，印刷速度也越来越高，而图案复杂且细节丰富繁多的印刷品往往 会由于印刷过程中印刷机械和印刷材料的不完善以及一些不易避免的随机因素 而出现各种弊病。这就要求我们在印刷的过程中能对印刷品出现的各种缺陷进 行准确地识别和判断，并把得到的信息及时地反馈给印刷机，并对印刷机进行 适当地调整，以实现对印刷过程的实时控制和印刷品质量的在线检测。为了保 证与印刷生产和质量检测的自动化相适应，需要快速的高精度印刷图像检测识 别算法来满足印刷图像检测的高速度和高精度的特点，在高分辨力、大量数据 的情况下实现实时检测【l j 。 由于印刷技术的不完善以及一些不易避免的随机因素，在e p b 0 过程中常会 出现各种缺陷【2 1 ，常见的印刷品缺陷主要有颜色失真、油墨溅污黑点、文字模 糊、起皱、漏印、刮伤、套印不准等。因以上情况导致废品率过高会严重地影 响生产质量。为了使印刷品的废品率得到严格的控制，需要在印刷的时候对印 刷品进行检测，尽量把每一件废品消灭在出厂之前。传统上的视觉检测和质量 控制是通过有经验的专家来完成的【3 4 】，印刷单位是靠人工检查挑除废品的， 然而与机器自动检测相比，人工检测存在着以下几个致命的缺附5 j ： ( 1 ) 人工检测速度慢，需要占用大量的人力、物力和场地资源。 ( 2 ) 人工检测容易出现漏检的情况。由于长时间的重复劳动，人眼极易出现 疲劳的情况，此时甚至会将一些严重的废品放过去，给印刷厂家及使用单位带 来严重损失，造成极坏的社会影响。 ( 3 ) 人工检测时，无法保证统一的质量标准。对于墨色深浅的情况，合格与 否是检查者根据感觉主观判断的【6 ，不同的人甚至同一人在不同状态下的判断 标准很难做到统一，这样也常常会导致错检和漏检的情况。 ( 4 ) 人工检测都是在印刷品印刷完毕后进行的，如果在一次印刷中整体出现 废品，印刷完毕后进行人工检测，即使能够全部检测出来，也会造成印刷过程 中的大量浪费。 因此，提高印刷品质量的检测效率，尤其是能将不合格印刷品在印刷的过 程就检测出来，这对于提高印刷品生产的效率有着极为重要的现实意义。利用 机器视觉进行印刷品质量缺陷的自动检测一方面对一些渐变性偏差问题如色 偏、走版等能够进行质量自动控制。轻微的质量偏差人眼看不出来，是允许 的，而机器视觉检测系统能够检测出偏差量，指出随时间而变坏或出现缺陷问 题的趋势，从而在质量达到不允许程度之前进行及时纠正，就避免了次品。另 一方面，对于版损伤等能够造成连续多个次品的情况能够及时检出，减少浪 费，对于偶发次品可以及时全部剔除。 本文讨论的利用机器视觉采用图像处理来实现印刷品质量检测的方法，与 传统的采用手工方法进行印刷品质量检测相比，大大提高了印刷品质量检测的 效率，检测速度快，准确率高，检测结果客观，能够迅速而精确地检测出印刷 品的外观缺陷，并对缺陷程度进行综合分析，从而判断印刷品是否为次品或废 品 7 】。 1 2 机器视觉技术及其在印刷品质量自动检测中的应用 1 2 1 机器视觉的系统构成和分类 机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判蝌8 1 。视觉系统在工业上的应 用大致可以分为两类：检查和测量【”。机器视觉系统通过图像摄取装置将被摄 取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、 颜色等信息，转变成数字化信号：图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目 标的特征，进而根据判别的结果来进行检查、测量或判断。机器视觉系统具有 长期连续、无疲劳【l 们、大大提高生产的柔性和自动化程度的特点，它为工业自 动化领域提供了革命性的解决方案】。在一些不适合于人工作业的危险工作环 境或人工视觉难以满足要求的场合，机器视觉可以有效地替代人工视觉【i2 】；同 时在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高【1 3 1 ， 用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度；在缺陷检测 方面用机器视觉系统可以大大提高自动化水平来改善产品质量【l4 1 。而且机器视 觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术。 一个典型的工业机器视觉应用系统包括如下部分i l5 j ：光源，镜头，摄相 机，图像处理单元( 或图像捕获卡) ，图像处理软件，监视器，通讯，输入输出 单元等。首先采用摄像机获得被测目标的图像信号，然后通过a d 转换变成数 堕查鎏三些查兰三兰堡圭兰堡篓耋 字信号传送给专用的图像处理系统，根据像素分布、亮度和颜色等信息，进行 各种运算来抽取目标的特征，然后再根据预设的判别准则输出判断结果，去控 制驱动执行机构进行相应处理。机器视觉是一项综合技术，其中包括数字图像 处理技术、机械工程技术、控制技术、光源照明技术，光学成像技术、传感器 技术【”i 、模拟与数字视频技术、计算机软硬件技术、人机接口技术等。 视觉系统的输出并非图像视频信号，而是经过运算处理之后的检测结果， 如尺寸数据。上位机如p c 或p l c 实时获得检测结果后，指挥运动系统或i o 系统执行相应的控制动作，如定位和分选。从视觉系统的运行环境分类，可分 为基于p c 的系统和基于p l c 的系统。基于p c 的系统利用了p c 的开放性、 高度的编程灵活性和良好的用户界面，同时系统总体成本较低。以美国d a t a t r a n s l a t i o n 公司为例，系统内含高性能图像捕获卡，一般可接多个镜头， 配套软件方面，从低到高有几个层次，如w i n d o w s9 5 9 8 小t 2 0 0 0 环境下 c c + + 编程用d l l ，可视化控件a c t i v e x 提供v b 和v c + 十下的图形化编程环 境，甚至w i n d o w s 下的面向对象的机器视觉组态软件，用户可用它快速开发 复杂高级的应用。在基于p l c 的系统中，视觉的作用更像一个智能化的传感 器，图像处理单元独立于系统，通过串行总线和i o 与p l c 交换数据。系统硬 件一般利用高速专用a s i c ( 特定用途集成电路) 或嵌入式计算机迸行图像处 理，系统软件固化在图像处理器中，通过类似于游戏键盘的简单装置对显示在 监视器中的菜单进行配置，或在p c 上开发软件然后下载。基于p l c 的系统体 现了可靠性、集成化、小型化、高速化、低成本的特点，代表厂商为日本松 下、德国s i e m e n s 等。 德国s i e m e n s 公司在工业图像处理方面拥有2 0 多年的经验积累， s i m a t i cv i d e o m a t 是它的第一个高性能的单色和彩色图像处理系统，并成 为s i m a t i c 自动化系统中极重要的产品。而1 9 9 9 年推出的s i m a t i cv s 7 1 0 是业内第一个智能化的、一体化的、带p r o f i b u s 接口的、分布式的灰度级 工业视觉系统【1 7 】，它将图像处理器、c c d 、i o 集成在一个小型机箱内，提供 p r o f i b u s 的联网方式( 通讯速率达1 2 m b r ) s ) 或集成的i o 和r s 2 3 2 接口。 更重要的是，通过p cw i n d o w s 下的p r ov i s i o n 参数化软件进行组态， v s 7 1 0 第一次将p c 的灵活性、p l c 的可靠性、分布式网络技术和一体化设计 结合在一起，使得西门子在p c 和p l c 体系之间找到了完美的平衡。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 2 2 机器视觉系统在印刷品质量自动检测中的应用 自动印刷品质量检测设备采用的检测系统多是先利用高清晰度的摄像镜头 拍摄标准图像，在此基础上设定一定标准；然后拍摄被检测的图像，再将两者 进行对比，对比之后如果发现被检测图像与标准图像的差别超过一定的范围， 系统则认为这个被检测图像为不合格品【1 8 】。印刷过程中产生的各种错误，对电 脑来说只是标准图像与被检测图像对比后的不同，如污迹、墨点色差等缺陷都 包含在其中，机器视觉系统能够提供图像质量的每个细节信剧旧】。 最早用于印刷品质量检测的是将标准影像与被检测影像进行灰度对比的技 术，现在较先进的技术是以r g b 三原色为基础进行对比。、全自动机器检测与 人眼检测的区别是：以人的目视为例，当我们聚精会神地注视某印刷品时，如 果印刷品的对比色比较强烈，则人眼可以发现的最小缺陷是对比色明显、不小 于0 3 m m 的缺陷，但依靠人的能力很难保持持续的、稳定的视觉效果；换一 种情况，如果是在同一色系的印刷品中寻找缺陷，尤其是在一个淡色系中寻找 质量缺陷的话，人眼能够发现的缺陷至少需要有2 0 个灰度级差；而自动化的 机器则能够轻而易举地发现约o 1 0 m m 大小的缺陷，即使这种缺陷与标准图像 仅有一个灰度级的区别。 但是从实际使用上来说，即便是同样的全色对比系统，其辨别色差的能力 也不同。有些系统能够发现轮廓部分及色差变化较大的缺陷，而有些系统则能 识别极其微小的缺陷。对于白卡纸和一些简约风格的印刷品来说，如各种烟 标，简单的检测或许已经足够了。而多数印刷品，特别是各种标签，具有许多 特点，带有太多的闪光元素，如金、银卡纸，烫印、压凹凸或上光印刷品，这 就要求质量检测设备必须具备足够的发现极小灰度级差的能力，也许是5 个灰 度级差，也许是更严格的1 个灰度级差。这一点对标签市场是至关紧要的。标 准影像与被检印刷品影像的对比精确度是检测设备的关键问题，通常情况下， 检测设备是通过镜头采集影像，在镜头范围内的中间部分，影像非常清晰，但 边缘部分的影像可能会产生虚影，而虚影部分的检测结果会直接影响到整个检 测的准确性。从这一点来说，如果仅仅是全幅区域的对比并不适合于某些精细 印刷品。如果能够将所得到的图像再次细分，比如将影像分为1 0 2 4 d p i 4 0 9 6 d p i 或2 0 4 8 d p i 4 0 9 6 d p i ，则检测精度将大幅提高，同时因为避免了边缘 部分的虚影，从而使检测的结果更加稳定。 采用检测设备进行质量检测可提供检测全过程的实时报告和详尽、完善的 分析报告。现场操作者可以凭借全自动检测设备的及时报警，根据实时分析报 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 告，及时对工作中的问题进行调整，或许减少的将不仅仅是一个百分点的废品 率，管理者可以依据检测结果的分析报告对生产过程进行跟踪，更有利于生产 技术的管理。因为客户所要求的高质量的检测设备，不仅仅是停留在检出印刷 品的好与坏，还要求具备事后的分析能力。某些质量检测设备所能做的不仅可 以提升成品的合格率，还能协助生产商改进工艺流程，建立质量管理体系，达 到一个长期稳定的质量标准。 1 3 印刷品质量检测系统国内外发展现状 在过去二十年内，图像表面质量自动检测系统已经得到了很大的发展。 国外很多学者对印刷品质量检测系统进行了大量的理论研究和实验研究口。川， 并逐步提出各种图像处理算法和质量检测的方法，使印刷品自动质量检测理论 到了很大发展。 1 3 1 国外研究现状及分析 1 9 9 0 年，日本东京的k a t s u y u k it a n i m i z u 等进行了印刷工业自动质量检测 的研究拉“，他提出了一种用于自动检测印刷品表面缺陷的索引空间法( i n d e x s p a c em e t h o d ) ，以x 、y 轴表示各像素点的位置坐标，以z 轴表示像素点灰 度值，建立了空间坐标系，这样每一图像点都能在此坐标中找到其相应的位 置，通过比较坐标系中模板图像和待检图像的对应位置的灰度值，来确定待检 图像中是否存在缺陷点，这种方法的图像处理过程和检测过程相对独立，能够 检测比较复杂的图片。但是其算法比较复杂，应用上有很多不便。 1 9 9 3 年，法国的b m e h e r m i 也进行了这方面的研究工作【2 3 l 。他提出了一 种把n t u p l e 方法和逐像素比较法相结合的方法，这种方法具有速度快、参数 输出多等特点，但它要专门的硬件设备，同时要通过示教才能完成自动质量检 测的任务。 以后，很多学者都在这些算法的基础上进行了改进，提出了很多算法， 主要有中人工神经网络法、形态图像处理法【“1 、傅立叶变换法、闽值比较法及 模板比较法【2 ”。这些方法都有其局限性，都只能检测一定范围内的缺陷，在实 际应用中根据需要选用适合的算法使其在满足生产需要的同时，提高系统的运 行速度，改善图像表面的质量。 2 0 0 3 年，英国埃克塞特大学的j l u o 和z z h a n g 基于图像处理技术，对 复杂彩色印刷品自动检测方法进行了研究【2 “，提出了一种彩色印刷品检测算 法。该算法首先进行照明修正，然后给出色彩三维直方图，进行特征提取，最 后利用神经网络进行图像分类，识别合格图像。 有些印刷品质量检测系统已经产品化。例如以色列的a v t ( a d v a n c e d v i s i o nt e c h n o l o g yl t d ) 公司已经生产出了用于检测印刷品质量的p r i n t v i s i o n 9 0 0 0 n t 、p r i n t v i s i o n g e n e s i s 、p r i n t v i s i o n a p o l l o 等一系列产品，能够探测到 颜色差异、飞溅、误读、起雾、条痕、印刷错误以及斑点，虽然这些问题用裸 眼就能看到，但它的优点在于向人们指出了能够随时间而变坏或出现浪费问题 的趋势。德国v i s i o ne x p e l s 公司也从事印刷品质量检测系统的开发和应用， 它们开发的系统能够在线检测出各种纸张、多种材料表面的印刷错误。加拿大 的d a l s a 公司也研制出了类似的印刷品质量自动检测系统，这些产品都已经 上市，并已经应用在现代化生产线上完成了预期的任务，这些产品的实际应用 充分说明了自动印刷质量检测系统在国外受到很大重视并以得到了飞速发展。 1 3 2 国内研究现状及分析 虽然国外对于自动检测印刷品表面质量的研究已历经多年，得到了飞速的 发展并已经应用在现代化生产线上，但国内对此课题的研究还很少。 2 0 0 1 年，清华大学的张毓晋教授提出了一种利用图像技术实现印刷品缺陷 自动检测的初步方案p ”，他对图像采集和模板制作及图像匹配比较进行了分析 研究；同年，北方交通大学的阮秋琦也进行了相关课题的研究 2 引，他按照高精 度的检测要求，提出了一种基于动态阈值和分层检测方法的高精度印刷品的质 量检测的图像缺陷识别算法，这种检测算法可以根据闽值的设定来对一些像素 点进行免检，从而达到缩短检测时间的目的。 2 0 0 2 年，华东船舶工业学院的韩斌等利用遗传算法技术对印刷缺陷进行计 算机自动检测1 2 9 】，能够从印刷品图像中提取缺陷图像，实现印刷品表面的印后 缺陷自动检测。但是应用遗传算法对准图像存在着一定的误差，还需改进。 2 0 0 3 年，哈尔滨工业大学的李娟硕士研究生，站在前人的基础上，对本课 题进行了相应的研究唧j 。她建立了模拟印刷品印刷过程的实验系统，并对常见 印刷品缺陷进行了初步检测验证。 目前国内也有少量厂家研究生产印刷品质量检测系统。比较著名的是大恒 图像公司的印刷质量在线检测系统【3 l 】，系统最高检测速度6 米秒，检测标准 可以自动学习设定，能够检测出墨色浓淡、线条断线、文字缺残、颜色深浅和 套色精度等。在检测出质量问题时，能发出声光报警信号，并显示错误类型及 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 相应的图像信息。 1 4 课题的主要研究内容 为了保证印刷生产和质量检测的自动化相适应，本文利用机器视觉技术对 印刷品的质量进行检测，研究的主要目的是寻求更有效的检测方法，得到更有 利于自动控制的信息，从而缩短印刷品质量检测时间，推进该技术的实用化。 本文的主要研究工作是： ( 1 ) 改进缺陷点分层检测算法。 ( 2 ) 对印刷品质量线缺陷和图像偏移缺陷给出检测方法，并检测出线缺陷 的起始和终止像素点坐标以及图像偏移缺陷的偏移方向和偏移量。 ( 3 ) 研究缺陷参数的检测方法，并检测出印刷品缺陷的位置，形状轮廓， 大小等参数。 ( 4 ) 在印刷品质量检测系统中，对各种缺陷检测方法进行试验研究，检验 算法的可行性。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 1 引言 第2 章印刷品质量及其组成因素分析 随着人民生活水平的不断提高，越来越多的高品质、多样化、符合消费者 需求的印刷品占领了市场。印刷界因此也面临着这样一个问题：如何更快、更 准确地评定印刷品的印刷质量。 从印刷技术的角度讲，印刷质量是指印刷品各种外观特性的综合效果或对 原稿复制的忠实性【3 2 1 。但是，在实际的印刷品印刷质量评价过程中却存在两个 致命的问题 3 3 】： 1 在实际的印刷品印刷质量评价中，没有原稿、印版，也就是说，没有评 价的参照物。 2 在实际的印刷品印刷质量评价中，不可能跟踪从原稿到成品的整个印刷 过程，也就没有印刷品印刷质量变化的依据。 在这种失去评价依据的情况下得出的评价结果都是模糊的叙述，并且这种 评价结果的得出只能依赖评价者的学识、技术修养、审美观点和爱好，甚至是 一时的心情，而没有客观的量化的标准印刷质量评价指标。 2 2 印刷品质量的概念 印刷品是一种靠视觉仲裁的商品和艺术品。人们在评论印刷品质量的时 候，总是不由自主地联想到审美、技术、正确性和一致性四方面因素。这种思 考问题的方法是把人的视觉心理因素与复制工程中的物理因素综合在一起进行 考虑的，也就是说既考虑印刷品的商品价值和艺术水平，也考虑印刷技术本身 对印刷品质量的影响。 e p , 罹u 品质量一般是指印刷品各种外观特性的综合效果。从印刷技术的角度 考虑，所谓印刷品的外观特性又是一个比较广义的概念，对于不同类型的印刷 产品具有不同的内涵。 对于线条或实地印刷品，应该要求墨色厚实、均匀、光泽好、文字不花、 清晰度高、套印精度好，没有透印和背凸过重等 3 ”。对于彩色网点印刷品，应 该要求阶调和色彩再现忠实于原稿。墨色均匀、光泽好、网点不变形、套印准 堕查鎏三些查竺三耋堡兰耋堡墼塞 确、没有重影、透印、各种条纹、背面粘脏及机械痕迹。 上述这些印刷品外观特性的综合效果，反映了印刷品的综合质量，在印刷 质量评判中，可以作为综合质量评价的依据。 2 3 影响印刷质量的因素分析 印刷质量是印刷生产过程中工艺的技术性优化，是人员素质与质量意识及 其材料间适配等相互作用的产物。在印刷生产中，对印刷品的质量产生影响的 主要因素有正确性因素、美观性因素、技术性因素和一致性因素。 2 3 1 正确性因素分析 文字、图像的正确性是印刷质量的首要问题【3 5 】。正确性指印刷品内容的正 确无误，这方面出现问题就不是一般的印刷品优劣问题，而是差错。对于任何 印刷品，差错是不允许出现的。对于文字、线条类图像为主的印刷品、有些图 像不易辨别方向性的印刷品、地图印刷等，则要特别注意其正确性。 印刷品的正确性，是不能通过视觉检测方法所能检测出的，所以不在本文 讨论范围之内。 2 3 2 美观性因素分析 印刷质量的美观性是指印刷品页面中图文的位置与编排，图像、图形、文 字的色调效果及空间的拓扑关系，水印物、油墨、印刷方式、印后加工的选 择，设计的艺术效果等。 印刷品的美观性不能通过视觉技术检测出，因此不在本文讨论范围之内。 2 3 3 技术性因素分析 印刷质量的技术性是指在图文复制中，在被选定的机械与材料的物理极限 制约内，忠实再现设计好的页面图文信息的状态，它包括图文的色彩、层次、 清晰度、光泽度、质感等。印刷生产中的技术性是确保印刷质量符合目标质量 或有关标准的前提，印刷生产中主要的技术因素可以从以下几方面来描述1 3 6 1 ： 1 几何或位置因素 几何或位置因素是指承印物页面图文的尺寸、多色图文间的套准、双面位 置套准，裁印、折页、模切、装订的精度。它们共同影响原稿与成品几何与位 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 置相符合程度，确定印刷质量的最基本状态。在对印刷品进行质量检测时，图 文的套准可以检测出，与本文的研究方法相关。 2 图像因素 图像因素是指印刷过程中由网点构成的多灰度影像的状态。其基本质量可 分为阶调与色彩再现，图像分辨力，斑点与故障图形等。 阶调与色彩再现是页面中图像画面的阶调平衡与色彩外观，其中黑白( 灰 色) 图像采用密度数值或网点百分比值来表示阶调再现的程度；而彩色图像则 采用色相、饱和度、亮度等色彩三属性数值来表达，它们反映到图像检测则都 归结为灰度问题，彩色的可化为三种色彩的灰度，因此与黑白( 灰度) 图像检 测是一个道理。阶调与色彩的再现在实际生产中应以生产过程中印制设备、工 艺方法、材料适配为基础，符合原稿本身的状态及目标，按照突出主题合理损 失陪衬等原则，通过对生产工艺的逆推，在印前工艺中弥补后工序的各种损 失，以保证阶调与色彩的正确传递，确保色彩的合理压缩与匹配。 图像分辨力是指在一定观察条件下，视觉对图像细节的分辨能力，其中包 括分辨率和清晰度两个方面。印刷生产中分辨率主要由加网线数来决定，加网 线数实际上是由承印物和印刷方法共同制约。清晰度则着重反映图像细节在特 定加网线条件下的反差，相对反差越大，图像清晰度越好。斑点与故障图形是 指印刷生产过程中产生龟纹或杠子等故障图像及砂目、油墨溅污黑点、飞白、 刮伤划痕等随机故障图形，当其降为零时，印刷质量最好。 图像因素包括文字因素，文字因素是指印刷生产过程中文字、符号等的状 态。文字质量的最佳要求是文字复制中没有堵塞、破损的字符、白点、边缘不 清或附加标记等物理缺陷，文字的密度应该很高，笔划与字体的大小必须与原 始字体的笔划与大小相一致。文字的笔划与大小易受墨层厚度的影响。墨层较 厚时，会产生较大的变形。 在图像因素中的油墨溅污黑点、飞白、刮伤划痕是研究的重点，针对这些 缺陷分别给出各种检测方法。 2 3 4 一致性因素分析 e p j 质量的一致性是指在最佳复制状态下，印张之间允许的最大容差，它 包括视觉的辨别能力，生产设备的固有特性所产生的方法控制的变化，容许偏 差的范围等。批量一致性，就是要求同一批量印刷的所有印刷品无论印数多 少，质量是同一个样子。批量一致性不仅在于印刷品本身的质量，还标志着生 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 产过程的稳定性，如果印刷前后过程变化不定，也就没有优等的质量。有一些 印刷品，如大型的报纸、刊物、当代流行的文学名著、普及通用的工具书等， 社会要求他们批量必须一致。 我们讨论的是围绕模板对比检测的方法，与上述正确性、美观性因素无 关，主要检测目标是玷污、飞白等点缺陷，划痕等线缺陷以及图像间的偏移缺 陷。 2 4 印刷缺陷的种类 印刷缺陷一般分两类：形状缺陷和色彩缺陷【3 ”。形状缺陷主要关注形状特 征例如线条形状缺陷。色彩缺陷主要关注颜色特征例如颜色阴影。在多数可用 的图像质量检测中，有一些是适合于评价图像质量的度量指标【3 引。这些检测内 容包括：点质量【3 9 】、线质量、文字质量、中间色质量、色彩质量、超范围的喷 涂和空间分辨率。对于印刷品检测，只考虑是否符合制品的墨迹分布规律，不 关心具体的形状，而彩色印刷品可以归结为三种原色的灰度问题，因此在检测 过程中统一用灰度信息处理。 2 5 本章小结 本章从技术角度对印刷品质量进行了定义，并对影响印刷品质量的各种因 素进行了分析。最后对印刷品缺陷进行了分类，并指出了本文的主要研究对 象。 暗尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 1 引言 第3 章印刷品图像的采集及图像处理 印刷品质量视觉检测的一个重要步骤是获得印刷版面的图像，由于计算机 只能处理数字图像，而自然界提供的图像却是其他形式的，所以进行数字图像 处理的个先决条件是将图像转化为数字形式h 们。在印刷品图像采集中，其中 一个重要的影响因素是光源。当印刷品图像被采集到计算机并对其缺陷进行检 测后，还需要对其检测结果图像进行部分处理，以便于得到印刷品缺陷的更多 信息。 3 2 图像的采集 数字图像采集系统主要包括三个基本单元：检测光线强度的图像传感器 ( 成像系统) ，用来感知和获取图像；对整个景物检测数据进行扫描采集的扫 描驱动硬件( 采样系统) ，用来数字化图像的坐标值；将连续信号进行量化， 以适应计算机处理的模数转换器( 量化器) ，用来数字化图像的幅度值【4 ”。一 幅图像必须要在空间和灰度上都离散化才能被计算机处理。空间坐标的离散化 叫做空间采样，而灰度的离散化叫做灰度量化，数字图像采集系统如图3 - 1 所示。 剖麟h ( x 雾悟i 采需统旧剽量化器鼢 景物l，y )图像ls ( x ，y )l 采样图像l 一“i 数字图像 图3 - 1 数字图像采集系统 f i g 3 - 1d i g i t a li m a g eg a t h e r i n gs y s t e m 对于图像数据采集的基本要求是信号的线性度好、噪声小、分辨率高、转 换速度快。对于可见光成像，一般采用摄像机或数码相机，其中一个重要问题 是光源。在不同场合、一天中的不同时间、不同天气状况，自然光强都会在很 大范围内波动。这使得成像的一致性大大降低，直接有可能导致识别率的降 低。要解决这个问题，主要是要保证成像环境的一致性。可以采用在密封环境 下使用固定光源保证稳定的光强。如果不能密封的情况下，可以采用高强度的 频闪装置以屏蔽自然光的影响，提高一致性。值得一提的是，普通光源均存在 堕垒堡三些奎兰三兰堡圭兰堡篁圣 交流电源的5 0 h z 亮度起伏变化，不适合于采集图像的照明。 3 3 图像处理 数字图像的处理由数字图像处理系统完成【4 2 1 ，数字图像处理系统结构如图 3 2 所示，主要包括图像采集系统、计算机图像处理系统和图像输出系统三个 部分。 榭姻叫图嚣h 髫瓣卜一图裂l 图3 - 2 数字图像处理系统结构 。 f 嘻3 - 2t h es t r u c t u r eo fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m 3 3 ，1 图像的对比度增强 在进行印刷品质量检测时，可以对待检印刷品图像和标准模板图像作差， 得到他们的差别图像，从而来判断缺陷的存在与否。设模板图像的像素灰度值 为r ( i ) ，待检图像的像素灰度值为s ( i ，力，我们按式 d ( f ，) ：曼照掣+ 1 2 8 对待检印刷品图像和模板图像进行匹配相减，得 到差别图像的像素灰度值为d ( ) ，根据差别图像可以很直观地看出它们之间 的差别。但是当待检图像和模板图像之间的灰度值差别很小时，它们的差别图 像各像素灰度值几乎是相同的，图像对比度很低，我们很难通过差别图像看出 待检图像和模板图像之间的差别。为此，我们需要对差别图像进行图像增强处 理。为了得到缺陷的大体轮廓形状，需要对差别图像进行图像增强。增强差别 图像的对比度，使待检印刷品图像和标准模板图像的差异明显地显示出来，直 方图均衡化是一个很好的方法。 灰度直方图的均衡化处理，是指将图像的灰度值按照规定的灰度分布进行 变换和处理。这种变换方法适用于图像对比度较差、过于明亮或者过于黑暗， 以及图像的灰度分布集中在明、暗两端的情况。 直方图均衡方法的基本思想是对在图像中像素个数多的灰度级进行展宽， 面对像素个数少的灰度级进行缩减。从而达到清晰图像的目的。直方图是用来 表达一幅图像灰度级分布情况的统计图表。直方图的横坐标是灰度，一般用， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 表示。纵坐标是灰度值为的像素个数或出现这个灰度值的概率p ， ) 。并 知： 所( t ) = 篙篙 ( 3 - ，) p ，( i ) = 1 ( 3 2 ) 式( 3 ，2 ) 中k 为一幅图像对应的灰度级数。 图像灰度的直方图是反映一幅图像中的灰度级与出现这种灰度的概率之间 关系的图形。设变量，代表图像中像素的灰度级，如果对它做归一化处理，r 的值将在下述范围内：0 ，1 。 在灰度级中，r = 0 代表黑，r = 1 代表白，从r = 0 至，= 1 之间数值的变 化，反映了像素由黑到白的灰度变化。对于一幅给定的图像，每像素取得 ( 0 ，1 ) 区间内的灰度级是随机的，即可以认为它是一个随机变量。假定r 是 连续的，那么可以用概率密度函数b ( r ) 来表示原始图像的灰度分布。对数字 图像来说，灰度级看成是离散的，归一化后的，的取值范围为： 0 s ，1 k = 0 ，1 ，2 ，一，l l( 3 3 ) 这里三为灰度级的数目。 对于一幅给定的图像的灰度级分布在【0 ，1 】区间内的任一个r 值，都可产 生一个j 值，且任一，值可按下式变换： s = 丁( r )( 3 4 ) r ( r ) 为变换函数，在原始图像中，每一个像素灰度值r 都对应产生一个s 值。 假定由式5 = t ( r 1 给定的变换函数满足下面两个条件： ( 1 ) 在0 兰，1 区间内是单值单调增加函数； ( 2 ) 在0 茎r 1 区间内，有0 r ( r ) s 1 。 条件( 1 ) 保证灰度级从黑到白的次序，条件( 2 ) 确保映射后的像素灰度在允许 的范围内。反变换关系为： r = t “( s )( 3 5 ) 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 显然，若r 满足条件( 1 ) 和( 2 ) ，则t 。( s ) 也满足条件( 1 ) 和( 2 ) 。 由概率论理论可知，如果已知随机变量，的概率密度为p ，( r ) ，而随机变 量s 是r 的函数，对于直方图均衡化后的连续图像，变换函数r ( r 1 与原图像概 率密度函数p ，( ，) 之间的关系为： s - - r ( ，) = n ( 国) 如 ( 3 6 ) 假定随机变量j 的分布函数用p ( s ) 表示，t 。( s ) 是单调增长函数，则s 的 概率密度凤( s ) 可以由p r ( ，) 求出，变换后的图像灰度级的概率密度函数见( s ) 可由下式z 0 i ： 小) 刮，) 吲 ( 3 _ 7 ) 因为s = 丁( ，) = r 屏 ) d ，有 故有 或 取定积分： 尘d r ：型d r ：旦d r 陌研( ) d - b ( r )l 山”、7j ”、7 娟h 小蚪州，) | 南i = d s = p r ( r ) 咖 d s = 订( r ) = p r ( r ) e r ( 3 8 ) ( 3 - 9 ) ( 3 - 1 0 ) ( 3 - 1 1 ) 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 s = r ( r ) = p ，( ，矽 ( 3 1 2 ) 对于离散图像，第i 个灰度级i 出现的频数用吩表示，该灰度级像素对应 的概率值b ( i ) 为： p r ( ) = 土 r = o ，1 ，2 ，l - 1 ( 3 - 1 3 ) 珂 n 是图像中像素的总和，上为图像中可能的灰度级总数。r 满足归一化条件。 离散图像的变换函数表达式： t = 丁( ) = e v ( r , i = 等i = o ，l ，2 ，一1 ( 3 1 4 ) j 4 0j = 0 7 因此，已处理的图像( 即输出图像) 是通过式( 3 1 4 ) 将输入图像中灰度 级为l 的各像素映射到输出图像中灰度级为j 。的对应像素得到。式( 3 一1 4 ) 给出 的变换称作直方图均衡化。 直方图均衡化可以大大提高图像的对比度 4 3 1 。但是，它是以减少图像的灰 度等级为代价的。原始图像的某些细节经均衡化以后就有可能完全损失掉，如 果这些细节很重要，就会导致不良结果。为把这种不良结果降低到最低限度， 同时又可提高图像的对比度，可以采用局部直方图均衡化的方法。图3 3 所 示为对图像进行对比度增强处理结果。 a ) 低对比度图像”对比度拉伸的结果 图3 3 对比度增强处理 f i g 3 - 3c o n t r a s te n h a n c e m e n t 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图3 - 3a ) 图灰度分布比较集中，对比度很低，对其进行局部灰度均衡后 的结果如图3 - 3b ) 所示。变换后的图像比原图像清晰，更利于人的观察。在 对印刷品质量检测过程中，利用人的智慧对变换后的图像进行分析处理，可能 会发现原来隐藏的错位等缺陷情况，这样可以预测或自动控制走版现象。 3 3 2 图像灰度值分布与投影分布 图像中包含着位置信息( m ，n ) 和灰度信息，( 坍，h ) ，所谓的灰度分布是指横 坐标表示图像的灰度值，纵坐标表示该灰度出现的频率( 像素个数) 的直方 图，它表示了图像整体( 或是部分图像) 的亮度特征。灰度分布是灰度值的函 数，不考虑位置信息。也就是说丢失了图像中的空间信息。 投影分布是将图像的某个方向作为横轴，与横轴正交的方向上存在的符合 某种特征的图像灰度值的总和作为纵轴的直方图。考虑到图像是用数字量来描 述的，在任意方向直线上的投影分布的计算比较复杂，所以通常将x 轴或y 轴 作为投影分布的横轴。 如图3 4 所示，在印刷品质量检测过程中，对待检印刷品图像与标准模 板图像间的差别图像进行投影分布。 e n d y s t a r r y 图3 - 4 投影分布 f i g 3 - 4p r o j e c t i o nd