机器视觉在印刷质量检测中的应用
2010-04-21 00:00:00.0 来源：《广东印刷》2009年第5期 责编：Quincy
【CPP114】讯：一、机器视觉检测系统的工作原理
1.机器视觉的含义
机器视觉（Machine Vision），顾名思义就是将自动控制机器的能力和视觉传感结合起来。形象的说，人通过眼睛感知外部世界的变化，然后通过大脑进行分析处理、作出判断，最后由手和脚完成动作。机器视觉就是将这一过程通过具有运算能力的自动化控制设备来完成的。具体来说，机器视觉是用摄像机代替人眼，用计算机代替人的大脑来进行测量与判断的。机器视觉系统（Machine Vision System）是指通过机器视觉产品(即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种)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，如：面积、长度、数量、位置等；再根据预设的容许度和其他条件输出结果，如：尺寸、角度、偏移量、个数、合格/不合格、有/无等；最后根据判别的结果来控制现场的设备动作。
机器视觉技术，是一门涉及人工智能、神经生物学、心理物理学、计算机科学、图像处理、模式识别等诸多领域的交叉学科。其特点是速度快、精度高、自动化及智能化程度高、非接触、客观性强、可靠性高、信息量大、功能多、生产效率高。正是由于机器视觉具有这些特点，因此在现代自动化生产过程中，人们将机器视觉系统广泛地用于工况监视、成品检验和质量控制等领域，广泛应用于食品和饮料、化妆品、制药、建材和化工、金属加工、电子制造、包装印刷、汽车制造等行业中。
机器视觉用于印刷、包装行业中的质量检测，其基本的工作原理是用摄像机拍摄（采集）印刷品上的图像，在计算机中与该印品的标准图像（模板）相匹配比较，如果发现差异并超出设定的公差范围，即判定为不合格产品。而实际的机器视觉系统要复杂得多。
2.视觉检测系统的结构与工作原理
视觉检测系统主要由照明光源、光学镜头、摄像机、图像信息的处理与执行机构四大部分所组成。
①光源及照明系统
照明光源及照明系统是整个视觉检测系统的关键部件之一，起着十分重要的作用，它并不是简单的照亮物体而已。首先，照明光源要能够真实地再现印品的色彩，不能够造成颜色的失真，这就要求光源的发光光谱要接近于日光，同时应保证有足够的亮度，并在整个照明区域内的亮度要均匀一致；其次，光源和照明系统的设计要避免印品上的一些高反射率的特殊区域，如：烫金、激光防伪标志等使采集的图像溢出，造成检测精度降低或根本无法检测；最后，在某些应用场合，还要考虑光源与照明方案的配合应尽可能地突出物体特征量，在物体需要检测的部分与那些不重要部分之间应尽可能地产生明显的区别，以增加对比度，同时还应保证足够的整体亮度，物体位置的变化不应该影响成像的质量。在机器视觉应用系统中一般使用透射光和反射光。对于反射光情况应充分考虑光源和光学镜头的相对位置、物体表面的纹理、物体的几何形状、背景等要素。总之，在选择光源和设计照明系统时，要根据印品的具体情况，确定所需光源的几何形状、照明亮度、均匀度、光谱特性、发光效率及使用寿命等。
②光学镜头
光学镜头相当于人眼的晶状体。光学镜头的品质会影响视觉检测系统分辨物体的能力，影响图像的对比度以及清晰成像的范围。一个镜头的成像质量优劣，即其对像差校正的优良与否，可通过像差大小来衡量，常见的像差有球差、彗差、像散、场曲、畸变、色差等六种。
③摄像机
我们知道，光学镜头通过的是被拍摄物体的光学信息，而在计算机中处理的是被拍摄物体的电信息，那么摄像机就是完成从光学信息到电信息转换的装置。
A.工作原理
在摄像机中，关键的器件是被称为视觉传感器的芯片。在芯片上整齐地排列着像小水池一样的单元，但它们盛的不是水，而是电荷。携带被拍摄物体光学信息的光线通过镜头而到达芯片的表面上，光信息就变成了电荷信号，即曝光。光强的地方电荷多，光弱的地方电荷少，对应着印品上不同区域的明暗程度。不同的颜色分解为红、绿、蓝三种基色，存放在不同的单元之中。曝光所产生的电荷信号，按扫描顺序依次经过放大和模数转换等处理，最后从摄像机中输出。
B.分类
印品质量检测所使用的摄像机根据实际情况的不同可分为两大类，线阵式摄像机和面阵式摄像机。线阵式摄像机一次只能获得图像的一行信息，被拍摄的物体必须以直线的形式从摄像机前来回通过，才能获得完整的图像，因此非常适合于对以一定速度匀速运动的物体的图像检测。而面阵式摄像机则可以一次获得整幅图像的信息，因此摄像速度更快。比如我们日常使用的数码相机。
而光电转换器件是构成摄像机的核心器件。目前，典型的光电转换器件主要有CCD、CMOS图像传感器两种。CCD是目前机器视觉最为常用的图像传感器。它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。CCD的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其器件是以电流或者电压为信号。这类成像器件通过光电转换形成电荷包，而后在驱动脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。典型的CCD摄像机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）图像传感器的开发最早出现在20世纪70 年代初。90 年代初期，随着超大规模集成电路 (VLSI) 制造工艺技术的发展，CMOS图像传感器得到迅速发展。CMOS图像传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上，还具有局部像素的编程随机访问的优点。目前，CMOS图像传感器以其良好的集成性、低功耗、宽动态范围和输出图像几乎无拖影等特点而得到了广泛的应用。
C.印品检测对摄像机的要求
从以上摄像机的工作原理可以看出，若要使系统能够正确地进行判断与决策，必须要求：a、首先原始图像信息的质量要高；b、摄像机要有足够的动态范围，即印品上的很亮和很暗的部位都能准确地反映；c、摄像机要有足够的分辨率，即印品上的微小细节都能够清晰地再现；d、摄像机要能够真实地再现印品的色彩；e、摄像机的读出速度要与印品的前进速度相一致，以保证足够的精度和100%的采集。
④图像信息的处理与执行机构
图像信息的处理与执行机构，即计算机，是机器视觉系统的核心，它相当于人的大脑。整个图像信息的处理过程通常包括：
A.预处理。高速运动的印品在通过摄像机时，与模板图像相比，往往会产生位置上的移动、旋转，有时甚至有飘动，使采集的图像发生变形失真；光源的不稳定和外界环境的影响，使采集的图像亮度不均匀，颜色发生变化；其它外部设备、供电电源和采集设备本身也会引入一定的干扰和噪声。为此，在安装视觉系统的过程中，一方面要消除这些不利的因素，另一方面还要通过图像预处理来排除和淡化它们的影响。常见的图像预处理操作主要包括图像增强、数据编码和传输、平滑、边缘锐化、分割等内容。经过这些处理之后，图像的质量得到了相当程度的改善，既改善了图像的视觉效果，又便于计算机对图像进行分析、处理与识别。
B.特征的提取与识别；
C.测量。用简洁的一句话来说即是“与模板相比，找出差异”。
综上所述，机器视觉是集光、机、电、计算机于一身的技术，极适用于大批量生产过程中的重复性测量、检查与辨识。
二、机器视觉在印刷包装行业中的应用
1.在线检测与离线检测
视觉检测系统按其安装的载体的不同可分为在线检测系统和离线检测系统两种。
在线检测系统安装在胶印机、凹印机、柔印机、印码机等印刷设备之上，用来实时检测印刷质量。印品可以是单张纸，也可以是卷筒纸。在线检测系统与离线检测系统的视觉检测部分在功能上基本相同，区别主要在于对不合格品的处理方式上。当发现缺陷时，在线检测系统通常会记录下缺陷的位置（卷筒纸：长度，单张纸：张数），或使用喷码机、贴标机、打标机在纸边上做出标记，号码检测记录出错号码或相邻张的号码。
离线检测系统通常装在检品机或复卷机上。除可实现在线检测系统的位置记录与标记功能外，检品机通常还具有分仓功能，即根据检测结果将好、坏品自动分配到不同的仓中去。
2.质量分析、跟踪与管理
采用检测系统进行质量检测除可以提供检测全过程的实时报警和详尽、完善的分析报告外，现场操作者还可以根据全自动检测系统的实时报警及分析报告，对工作中出现的问题进行相应的调整。并且管理者还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。也就是说，质量检测设备不仅可以提升成品的合格率，还能够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。
三、机器视觉检测在印刷包装行业中的推广与普及
目前，尽管我国是一个印刷大国，但还不是印刷强国。我们要走向世界，就必须要采用先进的印刷设备和检测设备。安装自动化的视觉检测系统，前期虽然要一定量的投入，但其在质量检测方面的优势，将会给企业在质量和人工成本上带来长期的效益。
视觉质量检测可以应用在印前、印刷过程和印后加工中，但目前多数应用主要集中在印后质量检查中。中国有数万家的印刷企业，但真正使用检测系统的却很少，除印钞、票证等特殊行业外，主要是在包装行业。包装行业对印刷要求较高，对质量和色彩的要求比较特殊。这就要求包装印刷厂必须具备独特的产能优势、技术优势和质量优势，才能满足客户对印量、周期和质量的全面要求。
推广机器视觉检测，首先要使印刷包装企业更多地了解机器视觉。装在哪里、怎么安装、如何达到最好效果、能带来什么具体效益，这一切都需要进行不断地普及与宣传。印刷包装行业的从业者要提出自己的具体需求，学习和掌握机器视觉检测的概念和操作；机器视觉行业的从业者要了解印刷的工艺，生产流程，操作方式和质量标准，只有两者紧密结合，才能产生真正符合中国国情的自动化视觉质量检测系统，才能达到提高质量、提高效率、降低成本的根本目的。
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1.机器视觉的含义
机器视觉（Machine Vision），顾名思义就是将自动控制机器的能力和视觉传感结合起来。形象的说，人通过眼睛感知外部世界的变化，然后通过大脑进行分析处理、作出判断，最后由手和脚完成动作。机器视觉就是将这一过程通过具有运算能力的自动化控制设备来完成的。具体来说，机器视觉是用摄像机代替人眼，用计算机代替人的大脑来进行测量与判断的。机器视觉系统（Machine Vision System）是指通过机器视觉产品(即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种)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，如：面积、长度、数量、位置等；再根据预设的容许度和其他条件输出结果，如：尺寸、角度、偏移量、个数、合格/不合格、有/无等；最后根据判别的结果来控制现场的设备动作。
机器视觉技术，是一门涉及人工智能、神经生物学、心理物理学、计算机科学、图像处理、模式识别等诸多领域的交叉学科。其特点是速度快、精度高、自动化及智能化程度高、非接触、客观性强、可靠性高、信息量大、功能多、生产效率高。正是由于机器视觉具有这些特点，因此在现代自动化生产过程中，人们将机器视觉系统广泛地用于工况监视、成品检验和质量控制等领域，广泛应用于食品和饮料、化妆品、制药、建材和化工、金属加工、电子制造、包装印刷、汽车制造等行业中。
机器视觉用于印刷、包装行业中的质量检测，其基本的工作原理是用摄像机拍摄（采集）印刷品上的图像，在计算机中与该印品的标准图像（模板）相匹配比较，如果发现差异并超出设定的公差范围，即判定为不合格产品。而实际的机器视觉系统要复杂得多。
2.视觉检测系统的结构与工作原理
视觉检测系统主要由照明光源、光学镜头、摄像机、图像信息的处理与执行机构四大部分所组成。
①光源及照明系统
照明光源及照明系统是整个视觉检测系统的关键部件之一，起着十分重要的作用，它并不是简单的照亮物体而已。首先，照明光源要能够真实地再现印品的色彩，不能够造成颜色的失真，这就要求光源的发光光谱要接近于日光，同时应保证有足够的亮度，并在整个照明区域内的亮度要均匀一致；其次，光源和照明系统的设计要避免印品上的一些高反射率的特殊区域，如：烫金、激光防伪标志等使采集的图像溢出，造成检测精度降低或根本无法检测；最后，在某些应用场合，还要考虑光源与照明方案的配合应尽可能地突出物体特征量，在物体需要检测的部分与那些不重要部分之间应尽可能地产生明显的区别，以增加对比度，同时还应保证足够的整体亮度，物体位置的变化不应该影响成像的质量。在机器视觉应用系统中一般使用透射光和反射光。对于反射光情况应充分考虑光源和光学镜头的相对位置、物体表面的纹理、物体的几何形状、背景等要素。总之，在选择光源和设计照明系统时，要根据印品的具体情况，确定所需光源的几何形状、照明亮度、均匀度、光谱特性、发光效率及使用寿命等。
②光学镜头
光学镜头相当于人眼的晶状体。光学镜头的品质会影响视觉检测系统分辨物体的能力，影响图像的对比度以及清晰成像的范围。一个镜头的成像质量优劣，即其对像差校正的优良与否，可通过像差大小来衡量，常见的像差有球差、彗差、像散、场曲、畸变、色差等六种。
③摄像机
我们知道，光学镜头通过的是被拍摄物体的光学信息，而在计算机中处理的是被拍摄物体的电信息，那么摄像机就是完成从光学信息到电信息转换的装置。
A.工作原理
在摄像机中，关键的器件是被称为视觉传感器的芯片。在芯片上整齐地排列着像小水池一样的单元，但它们盛的不是水，而是电荷。携带被拍摄物体光学信息的光线通过镜头而到达芯片的表面上，光信息就变成了电荷信号，即曝光。光强的地方电荷多，光弱的地方电荷少，对应着印品上不同区域的明暗程度。不同的颜色分解为红、绿、蓝三种基色，存放在不同的单元之中。曝光所产生的电荷信号，按扫描顺序依次经过放大和模数转换等处理，最后从摄像机中输出。
B.分类
印品质量检测所使用的摄像机根据实际情况的不同可分为两大类，线阵式摄像机和面阵式摄像机。线阵式摄像机一次只能获得图像的一行信息，被拍摄的物体必须以直线的形式从摄像机前来回通过，才能获得完整的图像，因此非常适合于对以一定速度匀速运动的物体的图像检测。而面阵式摄像机则可以一次获得整幅图像的信息，因此摄像速度更快。比如我们日常使用的数码相机。
而光电转换器件是构成摄像机的核心器件。目前，典型的光电转换器件主要有CCD、CMOS图像传感器两种。CCD是目前机器视觉最为常用的图像传感器。它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。CCD的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其器件是以电流或者电压为信号。这类成像器件通过光电转换形成电荷包，而后在驱动脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。典型的CCD摄像机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）图像传感器的开发最早出现在20世纪70 年代初。90 年代初期，随着超大规模集成电路 (VLSI) 制造工艺技术的发展，CMOS图像传感器得到迅速发展。CMOS图像传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上，还具有局部像素的编程随机访问的优点。目前，CMOS图像传感器以其良好的集成性、低功耗、宽动态范围和输出图像几乎无拖影等特点而得到了广泛的应用。
C.印品检测对摄像机的要求
从以上摄像机的工作原理可以看出，若要使系统能够正确地进行判断与决策，必须要求：a、首先原始图像信息的质量要高；b、摄像机要有足够的动态范围，即印品上的很亮和很暗的部位都能准确地反映；c、摄像机要有足够的分辨率，即印品上的微小细节都能够清晰地再现；d、摄像机要能够真实地再现印品的色彩；e、摄像机的读出速度要与印品的前进速度相一致，以保证足够的精度和100%的采集。
④图像信息的处理与执行机构
图像信息的处理与执行机构，即计算机，是机器视觉系统的核心，它相当于人的大脑。整个图像信息的处理过程通常包括：
A.预处理。高速运动的印品在通过摄像机时，与模板图像相比，往往会产生位置上的移动、旋转，有时甚至有飘动，使采集的图像发生变形失真；光源的不稳定和外界环境的影响，使采集的图像亮度不均匀，颜色发生变化；其它外部设备、供电电源和采集设备本身也会引入一定的干扰和噪声。为此，在安装视觉系统的过程中，一方面要消除这些不利的因素，另一方面还要通过图像预处理来排除和淡化它们的影响。常见的图像预处理操作主要包括图像增强、数据编码和传输、平滑、边缘锐化、分割等内容。经过这些处理之后，图像的质量得到了相当程度的改善，既改善了图像的视觉效果，又便于计算机对图像进行分析、处理与识别。
B.特征的提取与识别；
C.测量。用简洁的一句话来说即是“与模板相比，找出差异”。
综上所述，机器视觉是集光、机、电、计算机于一身的技术，极适用于大批量生产过程中的重复性测量、检查与辨识。
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离线检测系统通常装在检品机或复卷机上。除可实现在线检测系统的位置记录与标记功能外，检品机通常还具有分仓功能，即根据检测结果将好、坏品自动分配到不同的仓中去。
2.质量分析、跟踪与管理
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目前，尽管我国是一个印刷大国，但还不是印刷强国。我们要走向世界，就必须要采用先进的印刷设备和检测设备。安装自动化的视觉检测系统，前期虽然要一定量的投入，但其在质量检测方面的优势，将会给企业在质量和人工成本上带来长期的效益。
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