近年來，國內(nèi)煙包印刷競爭日趨激烈，精美煙包產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，煙包設(shè)計(jì)和印刷工藝越來越復(fù)雜，所用材料也越來越講究，凹印、膠印、柔印、絲印、UV印刷、UV上光、全息燙印、鐳射鋁箔紙等技術(shù)紛紛上陣，多種印刷技術(shù)組合的煙盒隨處可見。隨著印刷工藝的復(fù)雜化和多樣化，對(duì)成品檢驗(yàn)的要求也越來越高。各道工序出現(xiàn)缺陷產(chǎn)品(如飛墨、刀絲、套印不正等)后，最終流入到最后檢驗(yàn)工序，若全部由人工完成，工作量極大，且依靠人的視力檢測很難保持持久和穩(wěn)定，容易產(chǎn)生疲勞和漏檢現(xiàn)象，流入到煙廠或用戶手中，將造成質(zhì)量事故。

　　根據(jù)印刷的重復(fù)性原理，印刷缺陷在線檢測系統(tǒng)通過高速攝像頭連續(xù)拍攝印刷圖案，并將其與一個(gè)完好無缺的基準(zhǔn)作比較，當(dāng)二者差異超出了設(shè)定的范圍時(shí)，檢測系統(tǒng)即判定印刷缺陷產(chǎn)生，保存缺陷圖案并聲光報(bào)警，同時(shí)控制貼標(biāo)機(jī)對(duì)有缺陷的紙張進(jìn)行貼標(biāo)。

　　最早用于印刷品質(zhì)量檢測的是將標(biāo)準(zhǔn)影像與被檢測影像進(jìn)行灰度對(duì)比的技術(shù)，現(xiàn)在普遍采用的技術(shù)是以RGB三原色為基礎(chǔ)進(jìn)行對(duì)比。從實(shí)際使用上來說，影響檢測能力的因素如下。

　　1)印刷材質(zhì)的問題

　　印刷材質(zhì)除了常見的白卡紙、銅版紙外，還存在很大比例的轉(zhuǎn)移紙(包括金銀卡紙、鐳射紙);紙上除了印刷外，還有素面燙金、全息定位燙金等印后工藝，其強(qiáng)反射特性給普通照明條件下的檢測帶來難度;而且壓凸圖案由于低色差特性也給檢測帶來困難。

　　2)設(shè)備波動(dòng)造成的紙張蛇形跑動(dòng)問題

　　在印刷過程中，隨著張力和速度的波動(dòng)，紙張?jiān)谇斑M(jìn)過程中會(huì)產(chǎn)生蛇形跑動(dòng)現(xiàn)象，表現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)方向的不同程度的拉伸，以及寬度方向的不同程度的偏移，給圖像的采集和比對(duì)造成困難。

　　3)檢測精度的問題

　　基于攝像的檢測系統(tǒng)其檢測依據(jù)是圖像的色彩信息，如果缺陷的尺寸或色差超出攝像的觀測范圍，這種缺陷理論上檢測不出，或者稱不可信檢測，如何使檢測精度與企業(yè)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成一致，是檢測設(shè)備商面臨的主要問題。

　　4)檢測后的處理問題

　　檢測只是質(zhì)量管理的手段，檢測的目的是為了指導(dǎo)生產(chǎn)，及時(shí)杜絕連續(xù)廢品的發(fā)生;同時(shí)也應(yīng)當(dāng)為成品出廠提供判斷依據(jù)。目前在這方面國內(nèi)外多數(shù)在線檢測系統(tǒng)均未提出較好的方案。

　　5)在線檢測設(shè)備的安裝工位問題

　　條件允許的情況下，在線檢測設(shè)備可以裝在印刷機(jī)、燙金機(jī)、分切機(jī)等所有生產(chǎn)設(shè)備上，但對(duì)于多數(shù)企業(yè)而言，選裝在最合適的工位上，既能降低成本，又能提高設(shè)備利用率。

　　6)檢測數(shù)據(jù)與企業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量管理系統(tǒng)的結(jié)合問題

　　如何將檢測數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)絡(luò)在企業(yè)內(nèi)部建立數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，進(jìn)而為生產(chǎn)管理、質(zhì)量控制提供正確的依據(jù)，是檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理的主要內(nèi)容。

　　這些關(guān)鍵問題對(duì)印刷企業(yè)對(duì)檢測設(shè)備的選型極為重要。本文研究了一種對(duì)高速印品進(jìn)行在線缺陷檢測的機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)。通過獨(dú)特的光學(xué)系統(tǒng)，檢出較明顯缺陷并做標(biāo)記，提示下一道工序和用戶;并且對(duì)連續(xù)缺陷提示機(jī)組人員及時(shí)處理，避免更大的損失;通過C/S網(wǎng)絡(luò)化并行結(jié)構(gòu)，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式處理和集中統(tǒng)計(jì)管理。

　　2 系統(tǒng)描述

　　1)系統(tǒng)組成

　　印刷品質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)采用多個(gè)彩色線陣攝像頭對(duì)大幅面印刷品進(jìn)行同步采集，圖像數(shù)據(jù)通過FPGA/DSP采集卡進(jìn)行輔助處理，由對(duì)應(yīng)處理單元進(jìn)行圖像比較、缺陷提取和分類，缺陷數(shù)據(jù)通過高速以太網(wǎng)傳送到服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和管理，輸出報(bào)警信號(hào)和缺陷位置信息，并通過光電編碼器與生產(chǎn)線保持同步。

　　2)成像設(shè)計(jì)

　　檢測系統(tǒng)的硬件核心器件是CCD相機(jī)，它將影響到系統(tǒng)的檢測方式、檢測能力以及后續(xù)圖像處理的運(yùn)算量和數(shù)據(jù)處理方式等。常用到的CCD相機(jī)按照成像方式來分有面陣和線陣兩種類型。

　　面陣相機(jī)是對(duì)被攝物體一次曝光成像，然后將整幅圖像送到圖像處理器進(jìn)行處理。面陣相機(jī)的缺陷是當(dāng)版周長越大，拍攝所需的相機(jī)數(shù)量也越多，使用和維護(hù)不太方便。

　　線陣相機(jī)每次曝光只對(duì)被攝物體的一行進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過物體的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，相機(jī)連續(xù)曝光，最后將多行數(shù)據(jù)組合到一起形成一整幅圖像。線陣CCD相機(jī)由于其成像系統(tǒng)占用空間小，光源設(shè)計(jì)簡單等原因，在表面檢測中應(yīng)用很廣泛。

　　線陣CCD相機(jī)的線掃描操作與傳統(tǒng)的掃描儀非常相似，相機(jī)中的傳感器在運(yùn)動(dòng)物體通過它時(shí)每次掃描一行圖像，然后通過一個(gè)圖像采集卡將所有采集到的行合并成為一個(gè)完整的二維圖像。

　　3)照明設(shè)計(jì)

　　印刷品攝像對(duì)照明系統(tǒng)的要求是:①亮度足夠;②防止炫光進(jìn)入攝像頭;③無頻閃;④光源波長分布均勻;⑤照射幅面大。

　　根據(jù)上述要求，有兩種光源可以選用，白光LED光源和三基色熒光光源。白光LED光源與白熾鎢絲燈泡及熒光燈相比，具有體積小、發(fā)熱量低、耗電量小、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，但存在維護(hù)費(fèi)用高的問題;稀土三基色直管熒光燈是一種高效、節(jié)能的新型光源，顯色性好，是名副其實(shí)的日光型光源，已被廣泛應(yīng)用于電視攝像照明，雖然壽命不及LED光源，但價(jià)格低廉，維護(hù)方便，本系統(tǒng)選用此類光源。

　　光源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用4根熒光燈分別以高角度和低角度入射到輥筒表面，低角度光突出印刷品表面輪廓，高角度光補(bǔ)償整體亮度。為防止鏡面反射光射入鏡頭，對(duì)高角度光采用漫透射面過濾。

　　4)處理器結(jié)構(gòu)

　　在印刷生產(chǎn)時(shí)，印品觀測幅面較大650mm以上，印刷精度要求很高(0.1mm/pixel)，單攝像頭和單處理器無法完成龐大數(shù)據(jù)量的處理(100MBbyte/s以上)，因此采用多攝像頭結(jié)構(gòu)，對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行同步并行處理，處理結(jié)果通過高速以太網(wǎng)傳送至服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和統(tǒng)計(jì)。系統(tǒng)要解決的關(guān)鍵問題是同步問題。

　　同步問題有兩類，一是采集和處理的同步，二是缺陷數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐�步。采集和處理的同步通過脈沖編碼器實(shí)現(xiàn)，各處理器由脈沖編碼信號(hào)同時(shí)觸發(fā)工作。同一版面的印品缺陷數(shù)據(jù)上傳的同步通過脈沖編碼器產(chǎn)生的固定時(shí)序來保證。

　　3 系統(tǒng)特點(diǎn)

　　1)燙金和全息商標(biāo)的檢測技術(shù)

　　通過獨(dú)特的鐳射全息照明技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)燙金和全息商標(biāo)特征的準(zhǔn)確提取，而且可以同時(shí)檢測印刷缺陷，如圖3所示。

　　2)圖像精確定位技術(shù)

　　自主研發(fā)出一種稱為ONE的信號(hào)定位處理技術(shù)，能自動(dòng)跟蹤印刷紙張的蛇形串動(dòng)，這種技術(shù)是檢測系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)。

　　3)分區(qū)域檢測技術(shù)

　　不同區(qū)域可以設(shè)置不同的檢測精度，還可以屏蔽某區(qū)域的檢測。

　　4)檢測精度的自動(dòng)調(diào)整技術(shù)

　　根據(jù)印刷機(jī)的波動(dòng)狀態(tài)，能自動(dòng)調(diào)整檢測精度，以到達(dá)最優(yōu)的檢測效果。

　　5)缺陷趨勢的預(yù)報(bào)技術(shù)

　　任意設(shè)定缺陷報(bào)警門限和貼標(biāo)機(jī)動(dòng)作門限，預(yù)報(bào)缺陷發(fā)生的趨勢，及時(shí)標(biāo)識(shí)重大缺陷。

　　6)高速圖像處理技術(shù)

　　采用自主研發(fā)的多線程處理算法，在300m/min的印刷速度下長時(shí)間穩(wěn)定工作。

　　7)歷史數(shù)據(jù)的管理技術(shù)

　　可打印、統(tǒng)計(jì)、顯示、查詢歷史缺陷數(shù)據(jù);保存時(shí)間可根據(jù)需要達(dá)到任意年限。

　　8)多屏顯示技術(shù)

　　除控制柜外，在關(guān)鍵工位處選裝顯示器，分別顯示操作界面和缺陷數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)圖像，方便操作員隨時(shí)查看質(zhì)量狀況和系統(tǒng)運(yùn)行狀況。

　　9)友好的人機(jī)界面

　　操作員設(shè)置好參數(shù)后，能自動(dòng)探測開機(jī)、停機(jī)、換卷和設(shè)備波動(dòng)狀態(tài)，從印刷開始到結(jié)束都無需人工干預(yù)，不同缺陷可以設(shè)置不同的報(bào)警聲音以提醒操作員注意。

　　4 使用效果

　　本研究采用兩臺(tái)橫向分辨率為4K，縱向分辨率為15K的彩色線陣CCD攝像頭對(duì)820mm寬的印刷版面進(jìn)行檢測，通過千兆以太網(wǎng)進(jìn)行并行處理和分布式控制，通過客戶機(jī)/服務(wù)器方式進(jìn)行集中數(shù)據(jù)查詢和管理。

　　1)算法效率

　　本系統(tǒng)中，圖像處理部分全部采用MMX/SSE優(yōu)化指令集編寫，實(shí)現(xiàn)了單指令多數(shù)據(jù)的并行處理。當(dāng)生產(chǎn)線的速度最大(300m/min)時(shí)，檢測系統(tǒng)采集完整一版圖像的周期為211ms，處理時(shí)間(128ms)已經(jīng)足以滿足實(shí)時(shí)性的要求，最大可以滿足500m/min的印刷速度條件。

　　2)檢測精度

　　本系統(tǒng)的檢測精度取決于檢測分辨率和檢測等級(jí)。

　　CCD是離散采樣器件，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，能檢出最小缺陷尺寸在檢測分辨率的2倍以上;例如使用上述相機(jī)觀測410mm的幅面，印刷速度在200m/min時(shí)，橫向像元分辨率為0.1mm，縱向分辨率為0.22mm，能檢出穩(wěn)定檢出的最小缺陷為0.2mm×0.44mm;

　　檢測等級(jí)是本系統(tǒng)一個(gè)重要的功能。由于印品的每個(gè)位置檢測要求的嚴(yán)格程度不同，例如條碼區(qū)最嚴(yán)格，而粘膠區(qū)或裁剪區(qū)最寬松，因此對(duì)所有區(qū)域采用相同等級(jí)是不現(xiàn)實(shí)的，會(huì)造成很多不必要的報(bào)警。因此區(qū)域等級(jí)的設(shè)置實(shí)際上對(duì)不同的區(qū)域采用不同的閾值，這些閾值在系統(tǒng)檢測開始之前按照質(zhì)量管理的要求預(yù)先設(shè)置。

　　3)檢出缺陷類型

　　圖4演示了4種典型的印刷缺陷和缺陷檢出圖例，實(shí)際圖片均為彩色圖片。印刷缺陷中，飛墨占了80%以上，而最連續(xù)發(fā)生的缺陷是刀絲類缺陷，此類缺陷由于尺寸小，痕跡輕微，有時(shí)肉眼都不易檢出，在本例中，通過對(duì)鄰域象素的分析檢出了0.25mm寬的刀絲。

　　5 小結(jié)

　　印品質(zhì)量在線檢測技術(shù)與系統(tǒng)一直為歐美和日本所壟斷。本系統(tǒng)采用業(yè)界最先進(jìn)的硬件設(shè)備(包括攝像頭、采集卡和處理器)、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件(登記號(hào)：2008SR12259)和發(fā)明專利(200410061396.7和200410061395.2)，可以有效地對(duì)高速印刷生產(chǎn)線上印刷品中出現(xiàn)的刀絲、飛墨、串墨、漏白、臟版、換卷、墨點(diǎn)、套印偏差等印刷缺陷進(jìn)行檢測與報(bào)警，并在大理美登印務(wù)有限公司安裝使用，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

　　另外，印刷缺陷在線檢測技術(shù)并非萬能，也存在技術(shù)瓶頸，例如縱向像元分辨率遠(yuǎn)大于套印系統(tǒng)檢測精度，因此本系統(tǒng)對(duì)低于0.2mm的套印跑動(dòng)不敏感，結(jié)合靜止畫面裝置則能達(dá)到較好的檢測效果。另外對(duì)低對(duì)比的色差不敏感，需配合色差計(jì)進(jìn)行色彩抽查。


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