（机械制造及其自动化专业论文）基于机器视觉的印刷品质量在线检测系统研究.pdf

山东理 大学硕士学位论文摘要 摘要 本论文以高档彩色印刷品的质量检测为研究对象，在研究机器视觉技术在印刷品质 量检测方面的工业应用以及小波变换在图像处理方面的独特优势的基础上，提出了基于 机器视觉的印刷品质量在线检测系统。 论文首先对印刷品质量在线检测系统的图像采集部分做了研究，确定了以线阵c c d 为中心的印刷品图像采集系统，并介绍了各硬件设备的原理及在系统中的应用。为了消 除噪声、微小几何失真等误差因素对检测精度的影响，在分析各种降噪方法的基础上， 建立和完善了基于小波阈值的图像去噪法，有效地滤除噪声，同时尽量保留了图像的边 缘信息。图像经去噪处理后进行空间对准，为后续的匹配做好准备。 论文在分析各种图像匹配算法优劣的基础上，结合双模板匹配与小波多分辨率分析 的优点，提出了一种新的基于小波变换的多分辨率双模板匹配算法，有效地避免了因微 小缩放导致的误匹配，大大减少了匹配计算量，兼顾了匹配的精度和效率，提高了检测 系统的速度和准确性。 论文提出了基于图像自身信息的套准检测算法，即对c c d 采集的图像进行预处理、 分色处理和图像匹配处理，根据匹配数据获得套准误差。通过实验表明，套准检测的研 究达到了预期目标，从而验证了系统的可行性与优越性，为印刷品质量在线检测系统的 进一步研究和应用提供了理论基础和实验数据。 关键词：机器视觉，图像采集，图像降噪，小波变换，图像匹配 山东理下大学硕七学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t b ys t u c l i n go nt h ea d v a n t a g e so f m a c h i n ev i s i o na p p l i e dt oi n d u s t r yd e t e c t i o na n dw a v e l e t t r a n s f o r ma p p l i e dt 0i n l a g ep r o c e s s i n g , t h cr e a l - t i m ep r i n t i n gq u a l i t yd e t e c t i o ns y s t e mi s d e v e l o p e da i m e da td e t e c t i n gt h ep r i n t i n gq u a l i t y f i r s t l y , t h i st h e s i ss t u d i e st h ei m a g ec a p t u r eo f p r i n t i n gq u a l i t yd e t e c t i o ns y s t e mw h i c hi s f o c u s e do nl i n e rc c d , a n di l l l l o d u c e st h ep r i n c i p l e sa n d 恤a p p l i c a t i o n so f l 斌1 w a r eu s e dt o c a p t u r ei n l a g e , 3 i no r d e rt oa v o i dt h ei n f l u e n c eo fe 玎_ o rf a c t o r ss u c ha sn o i s ea n dg e o m e t r y d i s t o r t i o n , am e t h o do fi m a g ed e - n o i s i n gb a s e do nw a v e l e tt h r e s h o l ds h l i n k a g ei sp r o p o s e d a f t e ra n a l r z i n gv a r i o u sd e - n o i s i n gm e t h o d s 仳m e t h o dc 锄d e - n o i s ee f f i c i e n t l ya n d 豫s e e t h ee d g ei n f o r m a t i o na sm u c he i sp o s s i b l e a t t e rd e - n o i s i n g , t h ei m a g es h o u db e g i s 删f o r t h ei m a g em a t c h i n g s e c o n d l y , t h i st h e s i sc o m p a r e ss e v e r a li r a d i t i o n a lm a t e l 崦a l g o r i t h m sa n da n a l y z e st h e i r r e s p l 碰v em e r i t sa n d d e m e r i t s c o n s i d e r e db o t ha c c u r a c ya n d e f f i c i e n c yf o rm a t c h i n g , f t n e w m a t e h i a gm e t h o di sp r e s e n t l , w h i e l ac o m b i n e st h ed o u b l e - t e m p l a t em a t c h i n ga n dw a v e l e t m u l d - r e s o l u d o nl a y e rm a t c h i n g 憾l l l e l h o dc 趾e f l f i e i e n t l ya v o i dm i s m a t c h i n ga n dg r e a t l y r e d u c et h ec a l c u l a t i o n , s ot h ee t t e i e n e ya n dt h ea c c u r a c yo fp r i n t i n gq u a l i t yd e t e c t i o ns y s t e m c a nb es a t i s f i e d f i n a l l y , t h et h e s i sp u t sf o r w a r d f i l lo v e r p r i n t i n gd e t e c t i o na l g o r i t h mb a s e do i li m a g e i n f o r m a t i o n mi m a g ee a p t u r e db yl i n e rc c ds h o u l db ep r e - p r o e e s s e d , e o l o r - s e p e r a t e da n d i m a g e - m a t c h e d , t h e nt h eo v e r p t i l 衄e r r o r 锄b ec o m p u t e db yt h ei m a g e - m a t c h i n gd a t a a s t h ee x p e r i m e n ts h o w n , t h eo v e r p l j l 衄s y s t e mh a st h ep o s s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t yo ft h e r e a l - t i m ep i 缸血l gq u a l i t yd e t 枷o ns y s t e m , s oi tc 雒s a t i s f yt h ea n t i c i p a t e dg o a l s i ts u p p o r t s l n o r et h e o r i e sa n de x p e r i m e n td a t at of u r t h e rr e s e a r c ho f t h er e a l - t i m ep r i n t i n gq u a l i t yd d e c d s y s t e m k e y w o r d s ：m a c h i n ev i s i o n ，i n 3 a g ec a p t u r e ，i m a g ed e - n o i s i n g ，w a v e l e ti r 珊l s f o r m , i m a g em a t c h i n g 山东理工大学硕十学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近二十年来，我国印刷工业稳步高速发展。进入2 1 世纪后，电子媒体和因特网更强 的时效性和更多的个性化内容使印刷媒体和印刷技术面临发明以来最严峻、最重大的技 术挑战，但信息资料印刷品以其独有的魅力，不仅没有消失或需求量减少，相反印刷品 需求量却越来越大，在信息传播中依然具有重要地位和广阔的前景。 随着科学技术的发展和人们对印刷品的要求日渐提高，现代印刷行业的自动化程度 越来越高，印刷速度和印刷质量大大提高，这对印刷品质量的在线检测提出了更高要求， 只有快速、准确地检测印刷品，才能保证印刷品的合格率，节省印刷时间，提高效率， 节约成本。印刷品质量检测具有高度重复性和智能性，通常人工检测完成，因此，虽然 工厂增加巨大的人工成本和管理成本，仍然不能保证1 0 0 的检验合格率，而当今企业 之间的激烈竞争已经不允许哪怕是o 1 的缺陷存在，而且有些印刷品质量评价参数如形 状匹配、颜色辨识等，用人工方式检测根本无法保证连续稳定地检测。针对这种情况， 人们开始考虑将计算机的快速性、可靠性、结果的可重复性与人类视觉的高度智能化和 抽象能力相结合即机器视觉，应用于印刷品的质量检测方面。 1 2 课题的背景与研究现状 1 2 1 课题背景与来源 常见的印刷品缺附m 】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。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。 传统的印品质量检测方法，都要借助印刷控制条分析和印刷质量工人的技术经验。 这样，在检测印刷质量时，带有较大的主观性，容易受到个人因素的影响，造成印刷质 量检测存在许多不合理的人为因素f 4 j 。另外印刷控制条有它的弊端，一是使印刷过程复 杂，增加了成本：二是当印刷幅面较大时，控制条所反映的信息与实际印刷画面的信息 偏差增大。这些检测都是在印刷完成后的抽样检测，一旦出现印刷质量问题，往往就是 几百张，甚至可能会达到上千张，不能及时发现印刷过程中存在的问题，从而造成印刷 材料和工时的浪费。所以，印刷品质量的在线实时检测成为目前印刷机械行业迫切需要 解决的难题。机器视觉是一门完美地结合计算机的快速性、可靠性、结果的可重复性与 山东理t 大学硕士学位论文第一苹绪论 人类视觉的高度智能化和抽象能力等的技术，借助机器视觉技术完全可以实现印刷品质 量在线实时检测。 本文的研究来源于“十一五”国家科技支撑计划重点项目“数字化、智能化印刷机 械关键技术与装备”的子课题“四开高速单张纸多色胶印机的攻关与开发”。课题的研 究内容主要包括光机电一体化自动化控制技术、墨色遥控技术、自动套准技术、整机稳 定性与可靠性技术等。 1 2 2 国内外研究现状 在过去二十年内，印刷品质量自动检测系统已经得到了很大的发展。国内外很多学 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【5 6 】，并逐步提出各种图像处 理算法和质量检测方法，使印刷品自动质量检测理论到了很大发展。 1 9 9 0 年，日本东京的r , a t s u y u k t a n i m i z u 等进行了印刷工业自动质量检测的研究1 7 】， 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c l n d e xs 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 n n i 也进行了这方面的研究工作阿。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，具有速度快、参数输出多等特点，但它需要专门的 硬件设备，同时要通过示教才能完成自动质量检测的任务。 在这些算法的基础上，又提出了很多改进的算法，主要有人工神经网络法、形态图 像处理法【9 】、傅里叶变换法、阈值比较法及模板比较法i l o j 。但这些方法都只能检测有限 的缺陷，具有一定的局限性，给实际应用带来困难，在实际应用中需要根据实际情况选 用适合的算法。 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【l “，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。 在印刷品质量检测系统方面，自1 9 7 2 年德国罗兰公司成功的先后研制出了多色胶印 机遥控装置和质量控制系统以后的三十多年中，印刷机的自动化控制系统得到了迅猛的 发展，几乎世界上所有的印刷机制造商都推出了自己的自动化控制系统。有些印刷品质 量检测系统己经产品化，如德国海德堡公司的计算机印刷控制系统即c p c 系统【瑚。c p c 系统是海德堡应用于平版印刷机上，用来预调给墨量、遥控给墨、遥控套准以及检控印 刷质量的一种可扩展式的系统，包括墨量和套准控制装置c p c i 、印刷质量控制装置 2 山东理工大学硕士学位论文 第一覃绪论 c p c 2 、印版图像阅读装置c p c 3 、套准控制装置c p c 4 和数据管理系统c p c 5 。c p c 2 3 是海德堡公司新近推出，世界首创的单张纸胶印机联机在线图像控制系统。c p c 2 3 系统 采用专门设计的高分辨率c c d 检测扫描头对整个印张进行数据扫描采样，并将采样数 据传送至专用计算机处理，并与预设值进行比较分析，发现错误时，会立即对印刷工进 行提示。以色列a v t ( a d v a n c e dv 塔i o nt e c h n o l o g yl t d ) 公司己经生产出了用于检测印刷品 质量的p r 删伽脚d o o n t ，p d n t v t s i o n g e n e s i s ，p r i m v m 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印刷机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 n e x p e r t 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。e 述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 外受到很大重视并得到了飞速发展。 目前国内研究机构和高校对高档印刷机的印刷品质量检测系统的研究还刚刚起步， 仍处于研究的初级阶段。2 0 0 1 年，清华大学的章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【1 3 】，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【1 4 】，提出了一种基于动态 闺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，这种检钡0 算法可 以根据阈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；胡涛1 1 纠等 提出了一种新的基于数字图像处理和模式识别技术的彩色印品网点图像检测与分色方 法；韩斌【1 6 1 等提出基于数字图像处理的印刷品图像缺陷计算机自动检测系统的设计，该 系统能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。 目前国内也有少量厂家研究生产印刷品质量检测系统，如大恒图像公司的印刷质量 在线检测系统。该系统最高检测速度6 m s ，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，并显示错误类型及相应的图像信息。 上述研究虽然取得了一定的成果，但许多技术难题仍待解决( 如图像采集效果不好， 算法效率不高，对网点的分析、处理等技术还不完善等) 。迄今为止，我国印刷机在印刷 品质量的联机或脱机测控方面仍存在较大空白，还停留在整机引进阶段。实现印刷缺陷 检测的自动化和国产化，逐渐替代国外产品，不断提高我国印刷行业和印刷机械行业的 国际竞争力，必将产生良好经济和社会效益。 1 3 本课题的意义 印刷品质量的快速检测是当今印刷业急需解决的实用难题之一。由于检测仪器和检 山东理t 大学硕士学位论文第一苹绪论 测手段的落后，制约了国产高档印刷机的发展，同时我国关于印刷方面的专利都是印刷 机器和印刷材料方面的，而在印刷品质量检测方面数量相对少，使得国内的高档印刷机 的质量检测系统长期依靠进口。面对如此严峻的形式，我们必须尽快开发出拥有自己的 知识产权的印刷品质量检测系统。 本文的研究属于“十一五”国家科技支撑计划重点项目“数字化、智能化印刷机械 关键技术与装备”课题的一部分。研究重点是将机器视觉技术应用到印刷品的质量检测 过程和小波的多分辨率分析特性在图像处理中的应用研究，最终开发出全自动闭环印刷 品质量检测和控制系统，实现对印刷品质量评定、数据分析和反馈控制。这是高档、全 自动印刷机的关键技术，对保证印刷品的质量有重要意义。 目前，国内在机器视觉用于印品质量检测虽有应用，但是图像处理软件部分存在算 法复杂，精度较差，效率低，且检测范围有限等缺陷，与实际应用有较大差距。基于机 器视觉的印刷品质量在线测控系统，可以有效地填补国产印刷机在测控方面的应用空白， 极大地提高国产印刷机的市场竞争力。因而，如何充分发挥机器视觉在测控方面的优势， 发展更新的、更科学合理的印刷品质量测控系统，是一项十分有意义的工作。 1 4 本文的研究内容和全文安排 本文的主要研究内容是针对彩色印刷品的常见质量缺陷，将机器视觉技术与印刷原 理相结合，对彩色印刷过程中的图像进行图像采集、图像预处理、图像匹配等操作，获 得印刷品质量评价所需的相关信息，并通过与标准印刷品图像的相应数据进行比较得到 差值数据，确定彩色印品的质量是否合格。缺陷信息数据可以转化为印刷机的控制信号， 对印刷机的印版压力、供墨系统、套准机构等进行调整，使整个印刷机系统一直处于最 佳状态，从而可以获得理想稳定的彩色印刷品。 r 。二 图1 - 1 基于机器视觉的印刷品的质量检测框图 4 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 基于机器视觉的印刷品质量自动检测系统如图1 - 1 所示。本文所研究的基于机器视 觉的印刷品质量检测系统包括两大部分。第部分是检测准备，获得标准样本图像( 也 称基准图) 和待测图像( 也称实时图) ；第二部分是实际检测，将待测印品的图像与基准 图进行匹配比较，从而判别是否存在缺陷。如有缺陷，发出报警信号，并利用所得到的 缺陷值计算出调整印刷机相应的控制机构的控制参数。这里需要特别注意的是，印刷品 质量检测系统中所用到的印刷品图像需要用c c d 摄像机在线实时地进行无接触的图像 采集，并且在检测准备时所采集的标准图像的采集条件应尽可能与实际印刷时的采集条 件一致。 全文的主要内容共分为六章，各章节的安排如下： 第一章概述印刷品质量自动检测系统的国内外研究现状以及基于机器视觉的印刷 品质量在线检测系统的提出、特点及研究意义。 第二章介绍基于机器视觉的印刷品质量检测系统的组成硬件，并着重研究硬件中图 像采集模块，分析各组成硬件的原理及应用等，设计出图像采集模拟实验平台，实现印 刷品的在线图像采集。 第三章介绍小波变换的基础知识，研究图像预处理的知识特别是图像去噪、图像几 何校正，图像边缘信息的提取等，利用小波变换兼有时域分析和频域分析的特点，建立 并完善了基于小波阈值的图像降噪算法，将基于小波变换的图像边缘信息提取算法应用 于印刷品质量检测系统。 第四章概述图像匹配的相关知识，介绍两大类图像匹配方法，详细介绍了单模板匹 配法和双模板匹配法，结合小波变换和双模板匹配，提出了基于小波变换的多分辨率双 模板图像匹配方法，并验证了其可行性和优越性。 第五章介绍常用的套准检测方法，分析其存在的弊端，提出了基于图像自身信息的 套准检测方法，并验证了其效率和精度完全满足套准检测要求。 第六章总结了本论文的研究成果和创新之处，并提出进一步研究的主要问题。 山东理工大学硕t 学位论文第二幸基于机器视觉的印刷品质量检测系统 第二章基于机器视觉的印刷品质量检测系统 机器视觉主要是研究用计算机模拟人的视觉功能从客观事物的图像中提取信息，进 行处理并加以理解，最终应用于实际检测和控制。基于机器视觉的印刷品质量检测系统 一般以计算机为中心，由c c d 摄像机、高速图像采集系统和专用图像处理系统等模块 构成，其中图像采集模块整个系统所处理的图像信息的直接来源，主要由一个或者多个 图像传感器和一个光源以及其它辅助设备组成。在印刷品质量检测系统中，印刷品的图 像采集模块是印刷品质量在线检测系统的基础部分，是本章介绍的重点。 2 1 机器视觉综述 机器视觉是一项综合技术，包括数字图像处理技术、机械工程控制技术、光源照明 技术，光学成像技术、传感器技术、模拟与数字视频技术、计算机技术、人机接口技术 等。 2 1 1 机器视觉系统的构成 机器视觉测量系统主要包括光源及光学系统、c c d 摄像机、图像采集卡、图像处理 软件、计算机及其外设、控制执行模块等组成【l 刀，如图2 1 所示。 图2 - 1 机器视觉系统结构框图 机器视觉系统的工作过程为：将被检测对象置于尽可能均匀照明的可控背景前，通 过c c d 摄像机和图像采集卡将被检测对象采集到计算机里，图像处理软件对所得的图 像进行处理分析和解释等，进而做出某些决策，最后通过外设输出检测结果或者直接将 结果用于控制工业过程等。根据检测目的的不同，检测结果可能是检测对象的几何尺寸， 6 山东理_ 大学硕十学位论文第二章基于机器视觉的印刷品质量榆测系统 也可能是缺陷或字符识别结果等。针对不同的检测且的，系统硬件方面几乎无需改动。 而仅需要改变图像处理软件，因此图像处理软件在整个视觉检测过程中有着极其重要的 地位。 2 1 2 机器视觉系统的特点 工业应用中的机器视觉概念与普通计算机视觉、模式识剐、数字图像处理有着明显 区别，其特点是： 1 ) 机器视觉是一项包括诸多技术的综合技术，这些技术在机器视觉中是并列关系， 相互协调应用才能构成一个成功的工业机器视觉应用系统。 2 ) 机器视觉更强调实用性，要求能够适应工业生产中恶劣的环境，要有合理的性 价比。要有通用的工业接口，操作方便，有较高的容错能力和安全性，不会破坏工业产 品，必须有较强的通用性和可移植性。 3 ) 对机器视觉工程师来说，不仅要具有研究数学理论和编制计算机软件的能力，更 需要的是光、机、电一体化的综合能力。 4 ) 机器视觉更强调实时性，要求高速度和高精度，因而计算机视觉和数字图像处理 中的许多技术目前还难以应用于机器视觉。 2 2 印刷品质量检测系统的硬件 由于机器视觉应用非常广泛，不同的系统使用的部件也不尽相同，但是组成机器视 觉系统的硬件主要部分都是一样的。基于机器视觉的印刷品质量检测系统所用到的硬件 如图2 - 2 所示。 图2 - 2 基于机器视觉的印刷品质量检测系统的硬件构成 基于机器视觉的印刷品质量检测系统的硬件包括以下几部分： 1 ) c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 摄像机。这一类通常一个或多个摄像头和镜头( 光 学部件) ，用于拍摄待测印刷品。 7 山东理工大学硕七学位论文第- - 荦基于机器视觉的印刷品质量检铡系统 2 ) 光源。用于照亮待测印刷品，以便从摄像机中拍摄到更好的图像，保证成像环 境的一致性。光源系统可以是不同形状、尺寸和亮度，一般可采用商频荧光灯、l e d 、 白炽灯和石英卤光灯等。 3 ) 图像采集卡。采集卡的作用是建立摄像机与p c 机的连接。它从摄像机中获得数 据( 模拟信号或数字信号) ，然后转换成p c 机能处理的信息，同时可以提供摄像机控制 参数。图像采集卡型号很多，支持不同类型的摄像机和不同的计算机总线。 4 ) p c 平台。计算机是机器视觉的关键组成部分，在检测应用方面，通常使用p e n t i u m 或更高的c p u 。一般来讲，计算机的速度越快，视觉系统处理每一张图片的时间就 越短。由于在制造现场中经常有振动、灰尘、热辐射等，所以一般需要工业计算机。 2 3 图像采集系统的c c d 要进行印刷品质量检测，首先必须把印刷品作为图像输入到计算机中进行处理，这 就是图像采集系统。图像采集系统由高速c c d 摄像机0 s , 1 9 、图像采集卡和其他的控制电 路等组成。它的主要功能是适时地将c c d 摄像机获取的印刷品图像信息转换为数字图 像信号，并将图像直接传送给计算机显示、处理。与其它摄像系统相比，c c d 摄像机不 但具有体积小、重量轻、功耗小、工作电压低和抗烧毁等优点，而且在分辨率、动态范 围、灵敏度、实时传输和自扫描等方面具有较大的优越性刚。 2 。3 1c c d 的工作原理 c c d 是一种光电转换器件，用集成电路工艺制成。它以电荷包的形式储存和传送信 息，主要由光敏元、输入结构和输出结构等部份组成。c c d 的基本功能是电荷的存储和 电荷的转移，因此，c c d 工作过程的关键是信号电荷的产生、存储、传输和检测。 c c d 芯片是由几百甚至上万个光敏微元组成，这些微元组合成线阵或面阵c c d 。 当被测目标的光信号通过光学系统在c c d 光敏元上成像时，c c d 便将光敏元上的光信 号转换成与光强成正比例的电荷量。给c c d 一定频率的时钟脉冲，c c d 的输出端即可 获得被测目标的视频信号，视频信号中的每一个离散信号的大小对应着一个光敏元所接 受光强的强弱，而信号输出的时序则对应着c c d 光敏元的位置顺序，这样c c d 用自身 扫描方式完成了信息从空间域到时间域的转换。 2 3 2c c d 的分类及选用 c c d 从结构原理上可分为线阵c c d ( l i n e a rc c d ) 和面i 阵c c d ( c c da r r a y ) i 两种。线 s 山束理工大学硕士学位论文第二章基于机器视觉的印刷品质量检测系统 阵c c d 每次只拍摄图像的一条线，用于高分辨率的图像采集。线阵c c d 扫描景像时， 分辨率高，但获得一幅完整的图像需要的时间长，而且线阵c c d 无法使用闪光灯，因 为它一闪而过，不可能持续几分钟来等待图像的扫描与记录完毕，所以根据实际应用需 要设置一个恒定的光源。 线阵c c d 与面阵c c d 的最大区别就是成像方式的不同。线阵c c d 一次曝光成像 一条线，c c d 摄像机与目标图像之间呈相对运动状态，一幅图像需经过多次曝光组合而 成，如图2 3 所示。其主要优点是运动方向没有变形，适宜拍摄宽幅面目标，缺点是成 像过程中要保持光源和速度的稳定。 + 运动方向 图2 - 3 线阵c c d 成像方式 图2 - 4i l i i l 蜂c c d 成像方式 使用面阵c c d 采集时，一幅图像经过一次曝光即可成像，单幅成像时c c d 摄像机 和目标图像之间不需要相对运动，如图2 - 4 所示。其主要优点是曝光一次完成，抗干扰 性强，缺点是成像存在球形效应，不适应拍摄宽幅面目标。 具体的应用时，应根据实际的需求选择合适的c c d 。在本课题中，由于要求采集高 速移动的图像且精度要求较高，选用德国b a s l c r 公司的l 3 0 1 k c 线阵c c d ，其主要技术 参数如下： 分辨率彩色3 2 0 9 8 像素 最大线速率 9 2 k h z 像素尺寸 1 4 x 1 4 n 输出接口c a m e r a l i n kl v d s 同步方式外同步 曝光控制边缘控制、水平控制或可编程控制 镜头接口 f 口 2 3 3 线阵c c d 采集图像的要点 以线阵c c d 图像传感器为核心组成的c c d 摄像装置称为线阵c c d 摄像系统，线 阵c c d 摄像机是目前最理想的图像输入系统口1 捌。 9 山东理t 大学硕t 学位论文第二覃摹于机器视觉的印刷品质量检测系统 线阵c c d 图像传感器只能完成一维扫描( 行扫) ，与之垂直的另一维扫描( 帧扫) 需要用机械的方法实现，如图2 - 5 所示。当采用线阵摄像机作为图像输入时，图像本身 是在滚筒的带动下作匀速运动，图像本身的运动可以算作一维扫描( 帧扫) 。图像的采集 是由滚筒的均匀转动和线阵c c d 摄像机的自扫描配合完成，即c c d 完成行扫，滚筒完 成帧扫。然后由c c d 图像传感器将图像信号变成视频电视信号，这一信号经模数转换 器量化和编码之后变为数字信号，并输入到专为图像输入而设计的计算机接口电路，再 由接口电路将数字信号送入计算机内存，经计算机处理后的信号可变成模拟信号，然后 由显示系统显示出按要求处理过的图像。 图2 5 图像采集模块示意图 为了保证图像的质量，在进行图像分解时应满足“正方形原则”，即相邻四个像素应 组成一个正方形，调整行扫描时间和滚筒的转动速度可以满足这一要求。 当c c d 选定后，系统图像分辨率还与光学系统、滚筒的尺寸等因素有关。假定滚 筒的直径为d ，滚筒每周转m 步，光学系统的焦距为f ，物距和像距分别为彳、口， 光敏元的宽度为b ，每一像素所对应的图像实际的宽度为p ，则像的放大倍数为 掰；尝：尝：笺时可保证不产生重叠和漏行。 2 。4 光源的设计 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。在 图像数据采集系统中，由于c c d 图像传感器是感光设备，光照的强弱将直接影响扫描 所得图像的质量，因此对照明装置的要求一般都很高。在不同场合、不同时刻或不同天 气状况，自然光强都会在很大范围内波动，使成像的一致性大大降低，有可能直接导致 识别率的降低。解决该问题主要是要保证成像环境的一致性，在密封环境下可以使用固 定光源保证稳定的光强，在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 i o 山东理工大学硕t 学位论文第二章基于机器视觉的印刷品质量榆铡系统 的影响，提高一致性。值得一提的是，普通光源均存在交流电源的5 0 h z 亮度起伏变化。 不适合采集图像的照明。 本系统中，对印刷品质量进行检测时，要把待测图像与模板图像对应比较，系统要 保证不会由于亮度的变化而引起图像像素灰度值的变化太大而把待测图像判断为不合格 产品，因此要求照明装置亮度稳定，照明强度高。本系统设计采用直流稳压电源驱动摄 像用灯具达到光照要求。 2 5 图像数据采集卡 由于c c d 图像传感器与计算机是异步工作，要实时采集c c d 输出的信号，必须在 c c d 输出与计算机之间加上一个高速图像数据缓冲器，即图像采集卡，由于一般计算机 与外设交换数据率很低，所以图像数据采集卡还解决了c c d 高速输出与计算机低速取 数之间的矛盾。通过图像数据采集卡的桥梁作用，计算机就可以根据时序发生器送来的 同步信号，实时采集c c d 输出的数据。图像采集系统实质上是一个图像数据采集系统， 通过图像数据采集卡实现数据的高速模数转换与数据的传输。 实验中采集图像的硬件设备使用的是m a l f o x 公司的s o l i x c l 数字图像采集卡，它 是一款新的标准高性能c a m e r a l i n k 信号图像采集卡。它充分利用了p c i - x 技术，在单板 方案下获得了空前的视频信号采集率并且适用于绝大多数摄像头，选择定制的基于 f p g a 的处理核可以加速或卸载处理任务。 m a t r o xs o l i o sx c l 数字图像采集卡能够采集工业上和科研领域最流行的面阵和线阵 摄像头数据，包括从多头摄像头中传出的完整图像重建。采用p c i - x 接口技术，可以连 接带有显示器的本b l c 机。p c i - x 作为传统的p c i 总线规范的增强，拥有更高的性能和向 下兼容性。p c i - x1 0 版本规定了6 4 - b i t 物理接口，总线时钟1 3 3 m h z ，最高带宽1 g b 愿。 p c i - x 技术建立在p c 标准之上，其内核逻辑芯片来自h 吐c r 和s 惯w o r k s 公司。 其主要特点包括： p c i - x 短卡 处理两个独立基模式或一个中模式c a m e r al i n k 配置 6 6 m 托l 采集速率 6 4 m b 缓冲器 可以采集面阵和线阵摄像机输出数据 可选择定制的基于f p g a 的处理核 串行通信端口与p cc o m 端口映射 本实验图像采集所用的软件为u a 舡o x 提供的u a 臼o xh a g i i l gl i b r a r y 皿，) a c t i v e m 几a n d 蛐匝，l i t e j a c t i v e m i l - l i t e ，可支持m i e r o s o f lw i n d o w s2 0 0 0 和w i n d o w sx p ，采集 软件的界面如图2 - 6 所示。 图2 - 6 图像采集系统的软件界面 基于机器视觉的印刷品质量检测系统所采用的p c 机为l e n o v o 机，具体技术指标如 p c b t i m ( r ) c p u 2 6 c h ；h z 内存：2 5 6 m b 硬盘：8 0 g b 显示器分辨率：1 0 2 4 7 6 8 所用软件主要包括w m d o w sx p 、v m m lc + + 6 娘p h o t o s h o p7 0 、m a t l a b7 o 等。 2 6 图像采集模块的结构原理 印刷品质量检测系统的图像采集原理，如图2 _ 7 所示。在本系统设计的模拟实验时， 将选好的待测印刷品贴在滚筒表面，当电机带动滚筒运动时，滚筒的旋转就实现了印刷 品的不断进给，同时采用线阵c c d 摄像机进行图像扫描，控制摄像机的扫描时间及工 作方式，扫描到的印刷品图像经过图像采集卡输入到计算机中，然后经过编制的软件程 序进行图像处理，输出检测结果。 由于c c d 摄像机与滚筒之间是异步工作，要使c c d 扫描和滚筒的运动同步，保证 c c d 的扫描图像和模板图像进行对应比较检测，就要在c c d 和滚筒之间加上扫描定位 装置，即编码器来控制。编码器与滚简装配在同一轴上实现同步运动，编码器每发出一 个脉冲，就控制摄像机曝光一次，编码器转一周，摄像机同时也完成了一幅图像的扫描， 山东理工大学硕士学位论文第二章基于机器视觉的印刷品质量柃测系统 即实现了图像进给与图像扫描之间的同步。 像 豳2 - 7e p b i j 品质量检测系统的图像采集原理图 在本文的研究中使用c c d 线阵摄像机来采集印刷品的质量，对检测印刷品的质量 和效率有重要影响的因素包括扫描的参数、图像的空间分辨率和印刷品的运动速度等。 1 ) 扫描参数的确定。扫描参数的确定取决于后期检测时对匹配精度的要求。在图像 采集中采集装置与待测印刷品的距离相对固定，而且外界对光照条件的干扰也可以忽略， 所以关键是要选择合适的扫描分辨率。如果分辨率偏低，扫描图像的信息量太少，会影 响后来的检测精度；如果分辨率过高，扫描图像的数据量太多，则会浪费计算机资源、 计算能力和检测时间。 2 ) 图像的空间分辨率。图像的空间分辨率是扫描得到的每幅图像的横向和纵向的像 素数，图像的横向分辨率取决于摄像机的固有参数，是不能更改的，图像的纵向分辨率 取决于编码器每转发出的脉冲数。 3 ) 印刷品的运动速度。印刷品进给速度的改变，可以通过改变电机的转速来改变相 应的滚筒的转速，也可以通过加大滚筒直径的方法来调节，但是后者缺少灵活性，不宜 使用。 2 7 本章小结 本章通过分析机器视觉系统和印刷品质量检测的原理，确定了基于机器视觉的印刷 品质量在线检测系统的组成硬件。本章着重研究硬件设备中的图像采集模块，在分析图 像采集模块的原理的基础上，分析各组成硬件和实际印刷品在线采集模块的需求，确定 了它们的技术参数，设计出印刷品在线图像采集模拟实验平台。 山东理工大学硕十学位论文第三章图像预处理 3 1 引言 第三章图像预处理 基于机器视觉的印刷品质量检测系统是通过将c c d 摄像机实时获得的印刷品图像 ( 即实时图) 与标准印刷品的图像( 即基准图) 进行匹配比对，确定二者的差值信息， 同时根据基准图信息，确定缺陷图像相应的调整参数，指导印刷流程，消除存在的误差， 因此图像采集是印刷品质量检测系统的重要组成部分。但由于采集设备自身的原因和外 界的干扰，并且在图像的传输和存储过程中不可避免地也会有图像噪声和几何畸变存在， 所以在图像信息进行分析之前，需要对图像进行特定目的的预处理，从而增强图像中有 用的信息，减少或去除图像中无用或干扰的成分。 3 2 图像降噪 3 2 1 印刷品图像采集的噪声分析 印刷品质量检测系统中，主要包括以下三类噪声； 1 ) 获取图像过程中产生的噪声。在图像采集过程中，空气中的尘粒、雾、烟等会造 成图像质量的下降，引入噪声；镜头不干净，导致孤立点噪声，聚焦不准引起图像模糊， 等等。这些噪声只要操作认真，就可以最大限度地加以克服。 2 ) 一些随机干扰引起的随机嗓声。 3 ) 其它噪声。采集过程中存在量化噪声，c c d 摄像机系统存在的噪声，等等。 各种因素综合在一起，使噪声的性质比较复杂，噪声恶化了图像质量，影响了图像 分析和图像识别。为了减少或滤除噪声，增强有用信息，提高后续处理的有效性和可靠 性，为印刷品质量检测创造良好的条件，应采用适当的方法进行降噪处理。 图像降噪是图像预处理的一个重要环节。根据图像特点、噪声的统计特性和频率分 布规律等，可以采用不同的图像降嗓，但它们的基本原理都是一样的，都是利用图像的 噪声和信号在频域分布的不同，郎信号主要集中在低频部分而噪声主要分布在高频部分 来进行降噪处理，因此，一般的降噪方法都是通过减弱或消除傅里叶空间中高频分量来 达到降噪目的。然而图像中的各种结构细节信息如边缘信息、轮廓信息等属于高频分量， 因此，如何在滤除有害噪声的同时，最大限度地保留图像中的细节信息，是图像降噪中 的重要研究内容。 1 4 山东理工大学硕士学位论文第三章图像预处理 3 2 2 常用的图像降噪方法 图像降噪方法分为空间域和频域两大类。空间域法，是在原图像上直接进行数据计 算，对像素的灰度值进行处理，如邻域平均法、中值滤波法；频域法是在图像的变换域 上进行处理，增强感兴趣的频率分量，然后进行反变换，得到增强后的图像，如低通滤 波法等。 1 邻域平均法 邻域平均法是利用b o x 模板( 1 l p 模板中所有系数都取相同值的模板) 对图像进行模 板操作，其思想就是通过求一点和邻域内像素点的平均来去除突变的像素点，从而滤除 一定的噪声，其主要优点是算法简单，计算速度快，但其代价是会造成图像一定程度上 的模糊。邻域平均法的数学表达式是 酏y ) = 万1 。丕，f 力 ( 3 - 1 ) 式中，x ，j ，= o ，l ，n - 1 ，s 是以( x ，力为中心的邻域的集合，膨是s 内的点数，厂( f ，_ ，) 为邻域s 内任一点的灰度值，o ，力s 。 ( a ) 原始图像( b ) 邻域平均后的图像 图3 1 图像的邻域平均法 邻域平均法处理后，图像的噪声得到了抑制，如图3 1 所示。邻域平均法对抑制噪 声是有效的，但是随着邻域的加大，图像的模糊程度也越加严重。 2 中值滤波 中值滤波是一种非线性信号处理办法，它在一定程度上可以克服线性滤波器( 如邻 域平滑滤波等) 所带来的图像细节模糊，而且对滤除脉冲干扰及图像扫描噪声最为有效。 图像的一维中值滤波，相当于在图像中开一个一维的小窗口，它包含奇数个像素， 按像素的灰度值从小到大排列起来，用中间灰度值来代替原排列的中间像素的灰度值， 然后窗口从左到右移动，直到边界，完成后窗口下移一行，再从左到右进行。中值滤波 山东理t 大学硕十学位论文第三苹图像预处理 很容易推广到二维，即将一维的小窗v i 改为某种形式的二维窗口。设沈 为数字图像中 各点的灰度值，a 为滤波窗口，n - 维中值滤波可由式( 3 - 2 ) 表示： 帕= 心d 讥j ( 3 - 2 ) 二维中值滤波的窗口形状和尺寸对滤波效果影响较大，不同的图像内容和不同的应 用要求，往往采用不同的窗口形状和尺寸。 ( a ) 原始图像 ( b ) 3 x 3 中值滤波后的图像 图3 - 2 图像的中值滤波去噪 中值滤波对图像灰度的跳跃有平滑效果，如图3 - 2 所示。它和邻域平均法样是以 图像模糊为代价( 特别是边缘、轮廓及线条部分) ，滤波窗口取得越大，滤除噪声的效果 越好，但图像的模糊程度也随之增大。对于不同的噪声，中值滤波效果不同，脉冲噪声 由于是黑图像上的白点，白图像上的黑点，与周围各点的灰度值差异较大，所以容易滤 除，而对于细节较多的图像，中值滤波的处理效果不甚理想。 3 低通滤波法 分析图像信号的频率特性，频率中的高频分量代表图像的边缘、跳跃部分以及颗粒 噪声，而图像信号中的低频分量则代表图像中大面积的背景图像，使用滤波的方法滤除 信号中高频部分，图像即可得到平滑。 低通滤波的数学表达式为： g ( u ，v ) = h ( u ，v ) xf ( u ，v )( 3 - 3 ) 式中，f ( u ，v ) 是含噪图像的