（机械设计及理论专业论文）印刷网点图像显微检测仪系统开发与检测算法研究.pdf

摘要摘要为了提高印刷品质量，精确检测和控制印刷工艺过程成为重要课题。传统的检测仪器已经不能满足生产的需要，国外公司推出的同类产品，价格高昂。因此，开发自主产权的高精度检测仪器已经追在眉睫。本课题的工作内容如下：参照类似的显微图像采集分析系统，确定检测原理，制定系统开发研制的实施方案；选择系统硬件中的通用部件，设计加工或外协加工非通用部件，完成仪器的配置和安装；通过图像采集控件的二次开发，实现软硬件的通讯，并设计出比较友好的用户界面；分析比较灰度图像二值化的多种算法，提出适于检测印刷网点图像网点面积率的算法；针对实际印刷灰度梯尺图像，与国外同类检测仪器比较检测结果，分析误差原因，提出后续的改进方向。样机检测试运行，网点图像显示达到预期的清晰度，证实该系统设计和制作的有效性。虽然该仪器只能检测灰度图像，但是为其后续研究开发提供了有意的经验。关键词：e p 品f j 网点图像，显微检测仪，网点面积率，pa b s t r a c ta c c u r a t ed e t e c t i o na n dp r o c e s sc o n t r o la r eo fv i t a li m p o r t a n c et oi m p r o v ep r i n t i n gq u a l i t y t r a d i t i o n a ld e t e c t i o ni n s t r u m e n t sa r cl a g g i n gb e h i n dt h es t a t eo ft h ea r t d e v e l o p i n gt h eh i g l l - p r e c i s i o ni n s t r u m e n to fo u ro w ni sa nu r g e n tn e c e s s i t y , d u et oe x p e n s i v e n e s so ft h ef o r e i g np r o d u c t s f o l l o w i n ga r et h ew o r kc o n t e n t s ：d e t e r m i n et h ed e t e c t i o np r i n c i p l ea n dd e v e l o p m e n ts c h e m eb yr e f e r r i n gt h es i m i l a rk i n do fm i c r o - i m a g ec o l l e c t i o ns y s t e m ；a c c o m p l i s ht h es y s t e md e s i g na n di n s t a l l a t i o nb ys e l e c t i n gt h eg e n e r a l p u r p o s em a c h i n ep a r t sa n dm a n u f a c t u r et h es p e c i f i cp a r t s ；i m p l e m e n tc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eb yr e - d e v e l o p i n gt h ei m a g ec o l l e c t i o nc o n t r o l l e ra n dau s e r s f i i e n d l yi n t e r f a c e ；p r o p o s ea p p r o p r i a t ea l g o r i t h mf o rp r i n t i n gd o t - a r e ai m a g ed e t e c t i o nb ya n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gd i f f e r e n tk i n d so fa l g o r i t h m sf o rb i n a r i z a t i o no fi m a g e g r a y ；p o i n to u td i r e c t i o n sf o rf u r t h e ri m p r o v e m e n t ，i na c c o r d a n c ew i t ht h eg r a yg r a d i e n to ft h ep r i n t i n gi m a g e ，b ye r r o ra n a l y s i sa n dd e t e c t i o nr e s u l t sc o m p a r e dw i t ht h a to ft h ef o r e i g ni n s t r u m e n t e f f e c t i v e n e s s0 ft h en e w l yd e s i g n e di n s t r u m e n ti sv e r i f i e db yt h et e s t - m no ft h ep r o t o t y p e i te x h i b i t st h a tt h ed o ti m a g ec l a r i t ya c h i e v e st h ev a l u ee x p e c t e d s o m ee x p e r i e n c e sa r ev a l u a b l ef o rf u r t h e ri m p r o v e m e n t ，a l t h o u g ht h i si n s t r u m e n ti so n l yc a p a b l eo fd e t e c t i n gg r a yi m a g e k e yw o r d s ：p r i n t i n gd o ti m a g e ，m i c r od e t e c t i o ni n s t r u m e n t ，d o ta r e an 关于硕士学位论文使用授权的说明论文题目：印旦圈壶图像显微捡测邀丕统珏筮皇检测篡洼班塞本学位论文作者完全了解大连轻工业学院有关保留、使用学位论文的规定，大连轻工业学院有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。是否保密( 伤) ，保密期至年月日为止。学生签名：6 年牛玛1 日第1 章前言第1 章前言1 1 研制印刷网点检测仪的目的及意义随着社会发展，人们对印刷品质量要求越来越高。而印刷品的生产过程是一个复杂的工艺过程，印刷品质量受到来自众多因素的影响。当然，印刷品最终是供人们阅读或观看的，在某种意义上讲，印刷品的质量往往以阅读者的主观感觉和判断为主，即所谓主观评价。然而，主观评价容易受评价人员自身素质和喜爱等因素影响，没有统一标准，因此存在着主观性、局限性和不一致性“对印刷品的生产管理和质量检验，如果一直停留在凭借生产者和接受者双方各自的主观感受和判断来完成，没有一个客观的产品质量评价标准，也就无法进行标准化的印刷生产，更不能进行技术工艺和质量管理。这样显然不利于生产，更不利于印刷向现代化发展。为了保证产品质量及生产的稳定，势必引入印刷品质量的客观评价方法，要求印刷复制过程标准化、规范化、数据化。所谓数据化，就是通过必要的测试手段，对印刷质量的必要控制因素以数据的形式测定并记录，作为质量控制的依据。质量是否符合要求，主要不凭感觉，而是靠质量参数的数据说话。所谓规范化，就是通过大量数据，综合归纳出一系列能够指导生产的规律和规范。所谓标准化，就是确定符合印刷复制原理和客观规律、反映客观质量标准的指标项目和标准规范数据口。】。数据来自于检测仪器，故先进的测试仪器对控制印刷品质量非常重要。通常的印刷机是典型的二值设备，通过在承印物( 例如纸张) 上着墨或不着墨的方式实现图像文字复制，即采用所谓的半色调技术( 加网技术) ，用离散的网点图像来模拟再现连续调的原稿图像。“们。图1 - 1 为调幅加网复制单色连续调图像的原理图。一幅具有明暗层次的黑白印刷图像，看起来像照片一样层次是连续的，但在放大镜下，却都是由大大小小、或离或聚的墨块( 网点) 构成的。彩色图像通常则通过青、品红、黄和黑四色油墨网点的叠印而成。印刷品图像的评价指标主要有阶调反差、层次再现、色彩再现、清晰度、分辨率、网点的微观质量等。所有这些指标都与印刷复制过程中网点的形成、转移、变化有关，各色油墨的网点大小( 调幅网) 或数量( 调频网) 、加第1 章前言网线数( 网点间距) 、网点的虚实、网点的形状、网点上着墨的厚度和均匀性等等，决定上述各项质量指标的优劣，也就决定印刷品的质量。检测网点的质量参数是检测印刷品质量的本质和要害。尤其是网点大小，一直是印刷品质量检测的重点。长期以来，人们无法直接检测网点的大小。目前印刷过程中，印刷网点图像质量检测主要有以下三种方式“。”：原印刷品灰度图像局部放大后的网点图像图1 - 1调幅加网复制单色连续调图像的原理图f i g 1 1p r i n c i p l em a po fa m p l i t u d em o d u l a t i o nh a l f t o n i n gg r a yi m a g e同卢成敬l2345图豳1imame l圜 一：l 一天删区区一jl 一天l i i ) ( 1 一x 一一i ) ( i删匕型l 一一i 一一一盈圈强32- 5i 2 5图1 - 2 目测法识别网点成数f i g 1 - 2i l l u s t r a t i o no f h o wt om e a s u r et h ed o ta r e ab ye y e s第1 章前言1 ) 直接观察法。如图卜2 所示，工人采用简单手持式放大镜，观察印刷品测控条的网点形状，大致估算网点大小( 实为网点的相对大小，称为网点面积率，习惯上叫网点成数，1 成点子即意味网点面积率为1 0 ，余类推) ，再根据经验与样张进行比较后，适当地调节给墨量。这种方式完全由人工操作完成，调墨的准确度完全取决于工人的经验。2 ) 密度测量法。印刷呈色原理就是印刷在纸张上的油墨，从照射光线中选择性的吸收一定波长的光，反射其余的光，从而在人眼中形成颜色感觉。在一定范围内，墨层对光的吸收量大小与墨层厚度和浓度成正比，所以密度值反映了墨层的状况。在印刷品质量控制过程中，用密度计测量检测光孔范围内印刷墨层对光线的反射状况，由平均反射率推算出密度值，由密度值间接反映印刷墨层状况和印刷品颜色。有了密度值后，可借助于玛瑞一戴维斯公式( m a r r y - d a v i e s ) 计算网点大小。但由于印刷条件的影响，计算误差较大。后来人们设法修正，提出尤尔一尼尔森( y u l e n i e l s o n ) 公式啪，检测精度虽有一定提高，然而修正参数n 值的大小至今没有统一，即便统一了n值，对于不同的材料也是在一个范围内变化，不可能准确确定，由此导致了通过密度计测量的网点面积率误差较大。再者，即使密度检测十分准确，也只是反映密度计检测光孔范围内光强的平均大小，根本不可能直接看到网点的大小、分布和形状。此外，研究表明，被测表面的反差高低，对密度计检测的网点面积率有较大影响，由于印版底色呈灰色，晒版后图像反差小，用密度计无法精确检测印版上的网点面积率。本来计算印刷时的网点扩大，应计算印张和印版两者的网点面积率之差，由于印版上的网点面积率无法检测，印刷界只好将印刷网点扩大值定义为印张与晒版胶片的网点面积率之差西”。3 ) 色度测量法。色度测量所用的仪器是光电色度计和分光光度计，色度计在原理上类似于密度计，采用三色滤色片，通过直接测量得到与颜色的三刺激值成比例的仪器响应数值，再换算出颜色的三刺激值。分光光度计则将整个可见光谱范围分若干个光谱点，测量各点的光谱反射率，再经积分计算得三刺激值，也可得到密度值【1 1 。色度测量结果与人眼视觉更接近，然而色度计和分光光度计测量的并不是网点，同样不第1 章前言显示网点图像。直接检测包括印版、印张在内的网点显微图像，求出网点的各项质量参数，显示网点图像，一直是人们追求的目标。随着计算机技术和图像传感器技术的发展，采用图像传感器和计算机图像处理技术的印刷网点图像检测仪应运而生。1 2 国内外研究现状与发展趋势二十世纪六、七十年代，随着光电技术和计算机技术的不断提高和普及，图像传感器和数字图像处理技术进入高速发展时期。所谓图像传感器就是把光学图像的光信号转变成电信号，并通过模数转化转换成数字信号，以实现图像的存储、处理和显示。所谓数字图像处理就是利用数字计算机或者其他数字硬件，对从图像信息转换得到的电信号进行某些数学运算，以提高图像的实用性。例如从卫星图片中提取目标物的特征参数n ，。伴随这两种技术发展起来的图像采集分析系统，至今已广泛应用于科技、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域，印刷领域也不例外。印刷图像显微检测仪就是图像采集分析系统在印刷检测领域的一种应用。这就是基于图像传感器和数字图像处理技术的电子像素量化法( e l e 碰r o n i cp i x e lq u a n t i z a t i o nm e t h o d ，简称e p q m ) 嘲，该方法首先采用光学系统和图像传感器捕捉图像，然后通过图像处理分析软件计算得到网点面积率。但是，e p q m 中仅仅提出了测量的原理，并没有给出采集图像所需硬件的组成，各部件的型号和硬件的结构，也没有详细阐明网点面积率的检测算法和其他相应软件等内容。带有显微光路的图像采集分析系统，借助数字图像处理技术，能够检测印刷网点，同时可以解决低反差的印版网点检测问题。最近有四种国外商品在国内市场面市，它们是瑞士格林塔- 玛格贝斯( g r e t a g m a c b e c h ) 公司的i c p l a t e ( 图1 3 ) 、德国德强( t e c h k o n )f i g 1 - 3i c p l a t ef i g 1 - 4d m s 9 1 0第1 章前言公司的d m s 9 1 0 ( 图1 - 4 ) ，瑞士f a g 公司的v i p f l e x 3 3 4 ( 图1 - 5 ) ，美国爱色丽( x - r i t e )目前尚t 。一f i g 1 - 5v i p f l e x 3 3 4f i g 1 - 6x - r i t e d o t无法精确检测四色网点面积率和油墨叠印面积率，价格也相当昂贵。国内虽有一厂家生产显微图像采集系统，但仅用于检测分析金属晶像，不适于检测印刷品。另一家的产品虽能显示网点图像，但是由于光源等多方面原因，不能进行数据检测。真正适用的印刷网点图像显微检测仪，国内尚属空白。研究具有自主知识产权、并且具有多种检测功能的印刷网点图像显微检测仪，是发展我国印刷检测技术的迫切需要。该仪器的研制成功，必将有力地推动印刷质量检测的数据化和规范化，促使印刷过程标准化，进而推动我国印刷技术的发展。1 3 本课题主要研究内容本课题来源于大连市科学技术委员会“印刷图像显微检测仪的开发研究”项目。其旨在完成印刷网点图像显微检测仪的系统设计，并对网点面积率的检测算法作基础性研究。研制可与电脑接口的样机，能够显示网点图像，并能测量网点面积率。研究开发过程中不但要完成上述功能，还要考虑到仪器的便携性、经济成本以及仪器的扩展性。仪器要尽可能的轻便小巧，最好采用即插即用的接口与电脑连接。同时通过选择合理的系统方案，按照生产规模设计，多采用标准件和通用等措施，尽可能地降低成本。此外，仪器的软硬件设计还要考虑到功能的扩展性，为进一步的研究、开发更多功能奠定基础。本课题的主要研究内容有：第1 章前言1 ) 检测仪的系统设计。根据仪器功能和检测原理，研究确定系统方案、硬件的组成、各部件的型号和检测仪的总体结构。对于非通用部件( 如光源、显微光路等) ，进行研究设计，并外协加工。2 ) 检测仪软件设计。编写检测网点面积率等参数的图像处理程序模块、显示程序模块，并对图像传感器图像采集软件包进行二次开发，设计编制出友好的应用软件界面。3 ) 检测仪的关键算法研究。如灰度模式印刷显微网点图像二值化算法研究等4 ) 检测实验和结果分析。针对实际印刷灰度梯尺图像，与国外先进的同类检测仪器比较检测结果，分析误差，提出进一步完善系统，提升功能的研究课题。第2 章系统方案设计2 1 系统框图第2 章系统方案设计印刷网点图像显微检测仪作为显微图像采集分析系统在印刷检测领域的一种应用，必然具有显微图像采集分析系统的共性。整个系统有显微光学成像系统、图像数字化采集模块以及图像的处理分析和显示模块三部分组成n ”。本系统利用特制的照明光源对被测物进行照明，再通过显微光学系统把图像放大，成像在图像传感器平面上。图像传感器把图像的光信号转化成电信号，而后利用图像采集卡及u s b 接口等把图像传感器输出的信号转化成计算机能够处理的数字信号，最后，利用数字图像处理分析软件求出目标参数，在微机显示器上显示输出。如图2 - 1 所示。图2 1 印刷网点图像显微检测仪框图f i g 2 - 1 i u u s u a t i o n o f m i c r od e t e c t i o n i n s t r u m e n t f o r p r i n t i n g d o t i m a g e本节根据系统的功能性、便携性、经济性和扩展性的标准，分析几种方案的优缺点，确定可行的系统方案，并确定硬件的组成等具体实施方案。根据检测功能和显微图像采集分析系统的构成，检测仪可以通过三种方案来实现，如图2 - 2 所示：方案一，利用数码市场上销售的单板数码相机，配备相应的显微光学镜头和照明光源来实现。其特点如下：1 ) 产品化了的数码相机和显微镜头，技术成熟，稳定性高，能够有效地保证仪器的精度；2 ) 硬件后续工作简单，只需配备相应的照明光源即可；3 ) 采集的网点图像通过数据线传入计算机并保存，必须通过手工完成；第2 章系统方案设计4 ) 白行编制的软件不能直接从数码相机中读取视频和抓取图像，必须通过数码相机的存储卡和计算机硬盘转移；5 ) 单反数码相机和显微镜头价格昂贵，大约需要十万元左右；6 ) 单反数码相机比较笨重，便携性较差，不利于仪器的产品化。图2 - 2 三种系统方案框图f i g 2 - 2 b l o c k d i a g r a m o f t h r e e k i n d s o f s y s t e ms c h e m e方案二，通过图像传感器和与之匹配的图像采集卡，并配备专用的显微镜头和照明光源来实现。其特点如下：1 ) 安装在电脑主板上的图像采集卡通过数据线与外部的部件相连，使用过程中移动方便；2 ) 关键部件图像传感器和图像采集卡价格适中；3 ) 系统软件能够直接从硬件中采集视频和抓取图像，图像的采集、保存、处理和分析都在一个软件中完成，系统操作性强；4 ) 图像采集卡必须安装在计算机主板上，需要配备专用的计算机，系统可移植性差：5 ) 某些图像采集卡的兼容性较差，对计算机的要求较高；6 ) 对计算机的依赖性大，安装过程较复杂，仪器的产品化较难。方案三，图像传感器和u s b 接口的集成模块，并配备专用的显微镜头和照明光源来实现，其特点如下：第2 章系统方案设计1 ) 仪器通过u s b 数据线与电脑相连，使用便捷；2 ) u s b 接口即插即用，不需配备专用电脑；3 ) 市场中有图像传感器和u s b 接口集成的模块，其中集成了图像采集卡的功能，检测仪使用前，只需要用u s b 数据线与电脑相连即可；4 ) 各部件集成度较高，仪器体积小，重量轻；5 ) 完成后的系统软件能够直接从硬件中采集视频和抓取图像，图像的采集、保存、处理和分析都在一个软件中完成，系统操作性强；6 ) 各部件的价格适中，产品化后有相当大的利润空间。与其它两种方案比较，方案三不但安装过程简单，不需要与图像采集卡兼容的专用计算机，接口支持热插拔，还具有良好的便携性和经济性，扩展性较好。因此，本文设计采用第三种方案。根据方案三可以得出，检测仪主要有照明光源、显微镜头与光路、图像传感器和u s b 接口的集成模块三部分组成。如图2 3 所示。印刷品照明光源光学镜头图像传感器和u s b 集成模块( 带s d 玛图2 _ 3 系统组成框图f i g 2 - 3b l o c kd i a g r a mo fs y s t e mc o m p o s i t i o n2 2 图像传感器的选择图像传感器是图像采集系统的关键部件。可选择的类型主要有光电耦合器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，c c d ) 和互补性金属氧化物半导体( c o m p l e m e n t a r ym e t a l第2 章系统方案设计- - o x i d es e m i c o n d u c t o r ，简称c m o s ) “”“。c c d 的每个单元都是一个电容器，它能储存电荷。当有光线透射镜头照射到c c d 上时，光予被转换成电荷，存储在c c d 的势阱里。然后进行扫描，读出电荷代表的物理信息。c c d 具有体积小、灵敏度高、噪音低的优点。但是由于工艺的原因，敏感元件、信号处理电路和驱动控制电路不能集成在一个芯片上。c m o s 图像传感器的每个单元是一个光电二极管，其光敏单元受到光照后释放电子。信号读出时，c m o s 传感器可以在每个像素基础上进行信号放大，这种方法可以避免无效的输出操作，只需少量能耗就可以进行快速数据扫描，同时噪音也有所降低。c m o s 图像传感器按信号读出方法，可以分为无源像素图像传感器和有源像素图像传感器( a p s ) 。前者的光敏单元驱动能力弱，固定结构噪音大。目前使用较多的是性能优良的a p s 。c m o s 图像传感器在芯片上集成了电子电路，确切地说，c m o s 图像传感器应当是一个图像采集系统。一个典型的c m o s 图像传感器通常将其所有辅助电路集成到同一芯片上与传统的c c d 相比，低压工作，不仅降低了功耗，而且具有较高的性能价格比。c m o s 电路几乎没有静电量消耗，只有在电路接通时才耗电。这就使得c m o s的耗电量只有普通的c c d 的1 3 左右。目前已经比较容易以较低的成本制造大尺寸的c m o s 感光芯片。c m o s 与其所集成的芯片上电子电路( 如接口电路、定时、图像处理、控制逻辑等) 兼容，图像数据随机存取，低成本优势明显1 。c m o s 主要问题是在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而过热，暗电流抑制不好会产生杂点。由于本论文开发的系统用于印刷图像检测，处理的是静止图像，这一问题可不予考虑。目前，在采用c m o s 为感光元器件的产品中，通过采用影像光源自动增益补强技术，自动亮度、白平衡控制技术、色饱和度、对比度、边缘增强以及伽马矫正等先进的影像控制技术，完全可以达到与c c d 摄像头相媲美的效果“。经过比较，本系统决定采用c m o s 图像传感器。像素是衡量摄像头的一个重要指标之一。一般来说，像素较高的产品其图像的品质越好，但也并不是像素越高越好，对于同一个画面，像素越高的产品解析图像的能力越强，为了获得高分辨率的图像或画面，它记录和传输的数据量也必然大得多，占用更多空间，同时降低了传输速度，因而在选择时宜采用当前的主流产品。本仪器采用3 5 万像素的图像传感器，即图像分辨率可达6 4 0 x 4 8 0 。根据检测仪的精度要求，网点图像在图像传感器上，每个网点所在的网格至少占有1 6 x1 6 个像素，如图2 - 4所示，若误算一个像素，网点面积率测量误差为1 2 5 6 ，在允许误差1 以内，否则计算的误差太大。几十个网点基本上就能够消除测量的偶然误差，6 4 0 x 4 8 0 的分辨率可第2 章系统方案设计以显示4 0 3 0 个网点，因此3 5 万像素完全满足了测量的要求。网点所在的单位网格网点图2 4 网点和网格f i g 2 - 4i l l u s t r a t i o no fd o ta n d 鲥d图像传感器的接口方式主要有三种m 1 ；接口卡、并口和u s b 口。接口卡式即通过图像采集卡来实现图像信息采集，厂商都会针对图像传感器优化或添加视频捕获功能，图像画质和视频流的捕获方面具有较大的优势。但由于各厂商接口卡的设计各不相同，产品之间无法通用，加上价钱也不便宜。并口方式的优点在于适应性较强，每台机器都有并口，不过数据传输率较慢，实用性大为下降。u s b 接1 ：3 方式是目前主流的走向，现有的主板都支持u s b 连接方式，方便和强大的扩充能力是u s b 接口的最大优点，而且现在的图像传感器的功耗较小，依靠u s b 提供的电源就可以工作，这样可以省去外接电源。u s b 接口即插即用，使用方便“”。本系统采用u s b 接口。综合考虑各方面的因素，选择一种c m o s 和u s b 接口的集成模块一杭州敏朗光电技术有限公司的d c m 3 5 ( u s b 2 o ) 通用数字目镜适配器，如图2 5 。该部件需要与镜头连接，其机械接口如图2 - 6 所示。爵：夺图2 - 5 通用数字目镜适配器f i g 2 - 5d i g i t a lc a m e r af o rt e l e s c o p e通用数字目镜适配器主要参数如下：1 1 光学系统：视场1 8 m m ；图2 - 6 目镜适配器接口f i g 2 - 6i n t e r f a c eo fd i g i t a lc a 1 l e l a第2 章系统方案设计2 ) 1 1 像传感器：3 5 0 k , 1 3 ”c m o s ，支持彩色图像；3 1 分辨率：6 4 0 x4 8 0 ；4 1 捕获幅面：6 4 0 x 4 8 0 ，3 2 0 x 2 4 0 等；5 1 动态范围： 7 2 d b i帧率；6 4 0 x 4 8 0 格式下3 0 帧，秒；7 ) 接1 ：3 ：u s b 2 0 接1 ：3 ，即插即用，配带2 m 长的u s b 连接线；8 1 电源：计算机u s b 接1 2 1 。2 3 照明光源与光学镜头实施方案2 3 1 照明光源设计方案不同的光源具有不同的光谱分布，当其照射到不同物体上时，会显现出不同的颜色。在日常生活中，可以感受到不同光源或环境下观看同一样物品时，呈现在眼睛里的物品颜色也或多或少会有所不同。平时观察一个受光的圆柱时，迎光的一面为明调，背光的面为暗调，明暗的结合部分为中间调。同一物体，即使在标准光源下是正色，若光线逐渐变强，其色调也随之向明亮的色相转变，光亮增强到一定程度，任何颜色都可以变为白色。黑色的瓷器的反光点也是白色的，因反光点处光集中，并强烈的反射。同理，光线逐渐减弱，各种色彩向明度低的色相转变，光减弱到一定程度，任何颜色都会变成黑色，因为物体不反射任何光就是黑色的n ，。由此可见，要真实的再现印刷网点图像，避免照明光源影响图像质量的情况出现，以保证最终的测量结果精确，就必须充分重视照明光源的设计，最大限度地降低光源对图像质量的影响。2 3 1 1 照明光源需要满足的条件根据图像采集要求，为了保证所得图像的质量，对光源提出一些基本要求：1 ) 发光强度。照明光源的光能量通过一系列的光学系统( 如分光镜和透镜) ，到达图像传感器所在的平面，必然会损失一部分，如果发光强度不够大，光能量不足以刺激图像传感器的感光元件，必然会影响图像的质量。相反，如果发光强度过大，超过了图像传感器感光元件所能识别的范围，图像传感器的信号会饱和溢出，同样也不能获得高质量的图像。另外为保证图像质量的稳定，检测仪的重复性误差要小，发光强第2 章系统方案设计度也必须稳定。因此我们要求发光强度适当而且稳定“”。2 ) 光谱特性。光源发出的光谱往往不是单一波长，而是由于许多波长的光混合而成，各个波长的辐射功率也不相同。光源的光谱辐射功率按照波长的分布称为光谱功率分布。不同的光源，由于发光物质成分的不同，其光谱功率分布有很大的差异。色温是指将一标准黑体加热，温度升高到一定程度时颜色开始由深红一浅红一橙黄一白一蓝，逐渐改变，某光源与黑体的颜色相同时，我们将黑体的绝对温度称为该光源之色温，以绝对温度k 来表示。因相关色温事实上是以黑体辐射接近光源光色时，对该光源光色表现的评价值，并非一种精确的颜色对比，故具有相同色温值的二光源，可能在光色外观上仍有些许差异。光源色温不同，光色也不相同。色温在3 3 0 0 k 以下，光色偏红给以稳重的气氛，温暖的感觉；色温在3 0 0 0 6 0 0 0 k 之间，人在此色调下无特别明显的视觉心理效果，有爽快的感觉，故称为一中性”色温。色温超过6 0 0 0 k ，光色偏蓝，给人以清冷的感觉。光源对物体本身颜色里现的程度称为显色性，也就是颜色逼真的程度。光源的显色性是由显色指数来表明，它表示物体在此光源下的颜色比基准光( 太阳光) 照明时颜色的偏离，能较全面反映光源的颜色特性。显色性高的光源对颜色表现较好，我们所见到的颜色也就接近自然色，显色性低的光源对颜色表现较差，我们所见到的颜色偏差也较大。国际照明委员会c i e 把太阳的显色指数定为1 0 0 ，各类光源的显色指数各不相同，如高压钠灯显色指数r a = 2 3 ，荧光灯管显色指数r a = 6 0 9 0 。显色分为两种：一种是忠实显色，能正确表现物质本来的颜色或需使用显色指数高的光源，其数值接近1 0 0 ，显色性最好；另一种是效果显色：要鲜明地强调特定色彩，表现美的生活可以利用加色法来加强显色效果。考虑到光谱特性的各方面，要求照明光源的光谱特性接近日光。色温要高而且稳定，显色性要好，光谱能量分布要均匀，光谱功率分布尽可能为连续光谱。与各种感光材料或光电元件的光谱灵敏度相适应。此外，还要求光源的光谱特性在工作中保持稳定。3 ) 光照均匀。光源照明印刷网点原稿时，使原稿中心、四角和上下左右保持均匀，要求照度之差不超过1 5 ，这样才能获得清晰的图像。4 ) 光照角度。避免强光直接进入光路( 镜头和图像传感器) ，参考国际标准，要求光照角度与光路的方向之间保持4 5 。，如果光路垂直，则光源向下4 5 。照射“1 。5 ) 发热少，操作方便，安全卫生，节省电能。由于光源发热会损伤印刷网点原稿，并对检测仪中的镜头等其它元器件造成一定影响，因此要求发热要少“ 。第2 章系统方案设计2 3 1 2 照明光源的方案设计光源的种类很多，分类方法也比较多。一般将光源分为两类：即天然光源和人造光源。虽然天然光源具有很好的光谱特性等诸多优点，但是天然光源容易受天气影响，具有很大的局限性。人造光源也有很多种类，如白炽灯、碘钨灯、溴钨灯、氙灯、场制发光灯、发光二极管、各种激光光源等等。从上世纪9 0 年代末到现在，白光发光二极管( 白光l e d ) 快速发展，引起人们极大的热情，白光l e d 具有低压、低功耗、高可靠、长寿命及固体化等优点，有望成为继白炽灯、荧光灯及高强度气体放电灯( h i d )后的第四代照明新光源o ”。按照照明光源的设计要求，找到完全满足条件的光源几乎没有可能，至少目前没有，因此我们不得不从这些可选方案中，找出最接近于设计要求的。在上述几种光源中，l e d 光源最接近于我们的要求。发光强度适当且稳定，光谱特性接近，环形排列的l e d 能够实现光照均匀，采用无散射的l e d 照射角度可以控制，发热少，节能方便。另外，参照d m s 9 1 0 数字显微镜，也应该选择l e d 。确定光源的类型后，在采购过程中，发现仅有日本m o r i t e xc o r p o r a t i o n 出售环形l e d 光源，但是发光体和配件总共需要1 万多人民币，并且该光源的照射角度没有4 5 。的，如果在日本这家公司定制，费用之高可想而知。继而在国内寻找能够定制这种光源的厂家。经过四处寻找和多次协商，江苏昆山一家公司答应以2 2 0 0 元的价格研制，但是该公司不能够提供l e d 的相应参数。鉴于以上情况，不得不考虑自己研制。同时与厂家接触过程中，对l e d 光源有了更多的了解，最终决定研制。由于国内生产的l e d 稳定性太差，发光强度忽大忽小，寿命短。采用国产l e d 试制的第一个环形光源，使用3 0 次左右就有个别l e d 不能正常发光，所以最终采用日本日亚化学公司的l e d 自行制作环形l e d 光源。2 3 2 光学方案设计要使印刷网点图像成像在图像传感器所在的平面上，无疑要由镜头来实现。镜头作为成像系统的关键部件，在一定程度上决定了其成像质量。由于物点发出的光线与系统主轴夹角太大、离轴过远或系统材料的折射率随波长而变化，而产生光学系统摄取的影像与原物不是准确相似的现象，即为像差。作为在复色光中工作的系统，可能产生多种性质不同的像差，如球差、彗差、像差、场曲、畸变、位置色差和倍率像差。在实际的光学系统中，各种像差同时存在，共同影响成像质量。完全消除所有的像差第2 章系统方案设计是不可能的嘲。只能通过良好的设计使残余像差在允许的范围内，从而保证成像的质量要求。为了满足检测的要求，把适当数目的网点图像清晰的成像在图像传感器平面上，并且考虑到检测仪方便使用，我们设计了光路、放大倍率、视场大小和微调装置。具体设计过程和参数将在第三章第二节详细阐述。包括像差校正在内的其它设计由外协厂家辅助完成。2 4 软件开发思路及软硬件接口要使检测仪这一外部设备与计算机相连能够正常工作，就需要相应的程序来实现计算机与设备的正常通信，计算机的操作系统通过相应的程序来控制外部设备检测仪的工作，假如没有相应的程序，检测仪便不能正常工作。本系统采用通用数字目镜适配器自带的u s b 视频采集驱动来完成这项工作。采集到印刷显微图像后，还必须完成网点面积率的检测，为此就必须有相应的软件算法来实现。本系统采用开发周期短，容易上手，适用于应用级程序开发的v i s u a lc 聋n e t ，在该环境下编写自己的代码，生成应用程序来实现这部分功能。具体检测算法的研究将在第四章中阐述。安装好驱动程序的u s b 视频采集设备能够在操作系统中正常工作，但是设备采集的数据并不能自动地送入我们开发的应用程序中，要完成这部分工作，有以下几种途径，如编写代码调用操作系统中的底层函数直接开发，调用视频采集自带的动态链接库，或o c x 等开发包进行二次开发。直接开发不但需要开发者具有扎实的编程基础，而且需要较长的一段时间；设备提供的动态链接库是v i s u a lc + + 6 0 环境下开发的，调用动态链接库的二次开发需要开发者同时熟悉v c 和钟两种编程语言和开发环境；调用设备自带的o c x 过程简单，但是应用程序运行的速度较慢。鉴于课题的任务重时间紧以及研究者的编程基础较差，本系统采用o c x 进行二次开发。考虑到进一步改进检测仪时有可能更换通用数字目镜适配器的需要，我们不选择设备自带的o c x ，而是采用e z v i d c a p o l - x 这一通用的视频采集控件进行二次开发。2 5 数据显示方式的选择系统完成测量后，必须把测量的结果显示出来。本课题开发的系统可选择的显示第2 章系统方案设计方式有两种，1 ) 在系统的应用软件中显示，即显示在工作的计算机屏幕上；2 ) 在系统硬件上加上单片机和l e d ，用来显示结果数据。如果采用第一种方式直接显示在计算机上，只需要在应用程序框架内加上一个文本显示框，来接受检测算法得到的结果数据，最后显示出来即可。如果采用第二种方案，系统的软硬件要通过单片机集成起来，涉及计算机的软硬件各方面的知识，需要的时间也比较长。考虑到本课题时间短、任务重，不宣采用第二种方案；作为第一部试验样机，结果数据显示在计算机上，也能够达到验证和正常使用的目的；国外类似产品d m s 9 1 0 、i c p l a t e 和v i p 3 3 4 也都是显示在计算机屏幕上。因此，本课题采用第一种方案，把数据结果直接显示于计算机屏幕上第3 章系统主要硬件设计3 1 照明光源的设计第3 章系统主要硬件设计3 1 1 所选l e d 的相关参数日本日亚化学公司的l e d 具体型号如表3 - i 所示：表3 - il e d 具体的参数型号规格说明脚翟s ；琶敲指向特性：2 5 度同。月口生产厂家：化日亚化学限。蠹s p w 3 0 0 b s )色度- b 2 ( 自) 。矿第3 章系统主要硬件设计表3 - 2 色度相对坐标说明t a b 3 - 2i l l u s t r a t i o no fc h r o m a t i c i t yr e l a t i v ec o o r d i n a t e日亚化学的色调表示：a = a 0 、b = b l + b 2 、c - - c 0 。3 1 2 照明光源结构设计为了达到视场内的光照强度均匀，选用8 个l e d 从四周向内侧斜下4 5 。方向照射。选择具有一定强度且易加工的呢绒料，加工一个环形装置，用以固定8 个l e d 。环形固定装置外形尺寸如图3 3 所示。图3 3 环形固定装置尺寸图f i g 3 - 3s t r u c t u r eo fd i g i t a lc i r c u l a r i t ys e t3 1 3 电路和供电方式设计本电路可选择的供电方式有：电池供电和电源供电。虽然超亮发光二极管的耗电第3 章系统主要硬件设计量较少，但是由于检测仪使用频率高，时间长，相对于电池总电量来讲，还是有些大，可能需要经常的更换电池；另外更换电池的过程，也容易对检测仪的精度造成不良影响，因此本检测仪采用电源供电。采用电源供电有两种方式，安装在检测仪内部或置于外部，如果供电模块置于检测仪内部，会因发热引起光学系统的不稳定，影响图像质量。因此本设计系统将光源置于外部如图3 - 6 所示。本仪器采用广州市新英电器有限公司生产的x y - 7 0 0 k 开关稳压电源，输入a c l 0 0 2 4 0 5 0 6 0 h z ，输出d c 5 v1 a 。考虑到l e d 的电阻不够均匀稳定，为了保证8 个l e d 亮度均匀，每个l e d 均加一贴片电阻。由于镜头与光源连接装置的尺寸限制，电路板的尺寸为3 3 5 m i n x 2 9 5 m m 。电路图如图3 - 4 所示。电路板和环形固定装置的装配如图3 5 所示安装调试后如图3 - 6 所示。【二一r l岛a m 萍-岛i i ；= 一占瘁墨：i i = 占萍一l 盘i_ 罢上_ 釉臼图3 - 4 电路原理图f i g 3 - 4c i r c u i td i a g r a m3 2 光学设计图3 - 6 光源照片f i g 3 - 6p h o t o g r a p ho f l i g h t印刷图像在宏观上不是以网点形态呈现的，一般需要放大8 倍以上才可以看到，第3 章系统主要硬件设计光学镜头需要把被检测印刷品图像放大，因此本检测仪采用显微镜头”。1 ) 光路设计。系统工作时，必须迅速而准确的找到被测量的范围。为了完成该功能我们分别设计了硬件上的观测孔和软件中的视频采集窗口。因此光路中必须加装一块分光器件，把光路分为两路，一路光线通过安装有放大镜的观测孔进入人眼，以便确定测量位置；另外一路光线通过光学镜头进入图像传感器，最终以数字图像的形式显示于计算机屏幕上( 如图3 - 7 所示) 。这样，用户通过这两个窗口就很容易确定测量范围。头图3 7 分光光路示意图f i g 3 - 7s k e t c hm a po fs p e c t r o s c o p i co p t i cb l o c k2 ) 放大率。确定放大倍率需要考虑到多方面的因素，如成像质量、视场大小、检测仪的大小和测量误差等等。根据光学工程师的经验，如果放大倍率超过6 倍，图像的质量将会大大的降低，专家建议最好为3 或4 倍。再者，如果放大倍率过大，由于图像传感器本身的尺寸限制，必然会使图像采集系统的视场范围变小，被检测到的网点少，最终影响到网点面积率的测量精度( 偶然误差大) 。从检测仪的外形尺寸上来讲，镜筒不宜太长，因此放大倍率也不能太大。但是在图像传感器的分辨率确定的情况下，放大倍率也不能太小，否则网点面积率的测量误差太大。综合考虑，选用3 倍的显微镜头。3 ) 视场大小。大多情况下，系统的检测对象是印刷梯尺，如果视场过大，系统不能检测较小的印刷梯尺。参考国外产品数据，g r e t a g m a c b e c h 公司的i c p l a t e 的目标尺寸约为1 3 x 11 1 1 1 1 1 ，德国t e c h k o n 公司的d m s 9 1 0 的检测视场为由6 m m ，瑞士f a g 公司的v i p f l e x 3 3 4 的光孔1 5 x 1 1m i l l ，因此视场范围应该在l 6 m m 之间。根据系统测量精度的要求，视场内所能显示的网点个数不能太多，亦不能太少。第3 章系统主要硬件设计最多也不能超过4 0 x 3 0 个，如果超过这个数目，每个网点所在的单位网格就不能占有1 6 1 6 个像素，如图3 8 所示，误算一个像素的误差为2 5 ，测量的误差太大或者说对检测算法的要求过高。网点个数不能少于5 x 5 个网点，因为网点面积率是一个平均值，没有足够多的网点，测量的偶然误差就太大。本系统选择的图像传感器的尺寸为1 3 英寸，放大倍率为3 ，根据图像传感器、放大倍率和视场的大小之间的关系，视场范围为由2 8 r a m 。印刷中常用的加网线数是1 5 0 线英寸。单位网格的边长为0 1 6 9 r a m ，那么由2 8 r a m 范围内就有1 6 x 1 6 个网格和网点，网点个数满足检测的要求，即放大倍率和视场大小符合要求。网点所占有的像素位网格图3 - 8 像素不足的单位网格示意图f i g 3 - 8s c h e m em a po fu n i tg r i dw h i c hi sm a d eu po fs e v e r a lp i x e l s4 ) 微调装置。光学器件属于精密仪器，对于器件的参数和相对位置要求相当精确，为了便于调节和降低成本，镜头的尾部配备微调装置。通过调节微调装置调节c m o s图像传感器到镜头的距离，使系统成像清晰，并固定在该位置。光学部分的设计，特别是复杂的像差校正，以及光路加工等得到福建省福清市英融光学仪器