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機器視覺在印刷質(zhì)量檢測中的應用

2010-04-21 00:00 來源：《廣東印刷》2009年第5期責編：Quincy

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小C專訪｜正博總經(jīng)理范

小C專訪·煒岡股份董事

　　【CPP114】訊：一、機器視覺檢測系統(tǒng)的工作原理
　　1.機器視覺的含義
　　機器視覺（Machine Vision），顧名思義就是將自動控制機器的能力和視覺傳感結(jié)合起來。形象的說，人通過眼睛感知外部世界的變化，然后通過大腦進行分析處理、作出判斷，最后由手和腳完成動作。機器視覺就是將這一過程通過具有運算能力的自動化控制設(shè)備來完成的。具體來說，機器視覺是用攝像機代替人眼，用計算機代替人的大腦來進行測量與判斷的。機器視覺系統(tǒng)（Machine Vision System）是指通過機器視覺產(chǎn)品(即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種)將被攝取目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，如：面積、長度、數(shù)量、位置等；再根據(jù)預設(shè)的容許度和其他條件輸出結(jié)果，如：尺寸、角度、偏移量、個數(shù)、合格/不合格、有/無等；最后根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。
　　機器視覺技術(shù)，是一門涉及人工智能、神經(jīng)生物學、心理物理學、計算機科學、圖像處理、模式識別等諸多領(lǐng)域的交叉學科。其特點是速度快、精度高、自動化及智能化程度高、非接觸、客觀性強、可靠性高、信息量大、功能多、生產(chǎn)效率高。正是由于機器視覺具有這些特點，因此在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中，人們將機器視覺系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗和質(zhì)量控制等領(lǐng)域，廣泛應用于食品和飲料、化妝品、制藥、建材和化工、金屬加工、電子制造、包裝印刷、汽車制造等行業(yè)中。
　　機器視覺用于印刷、包裝行業(yè)中的質(zhì)量檢測，其基本的工作原理是用攝像機拍攝（采集）印刷品上的圖像，在計算機中與該印品的標準圖像（模板）相匹配比較，如果發(fā)現(xiàn)差異并超出設(shè)定的公差范圍，即判定為不合格產(chǎn)品。而實際的機器視覺系統(tǒng)要復雜得多。
　　2.視覺檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理
　　視覺檢測系統(tǒng)主要由照明光源、光學鏡頭、攝像機、圖像信息的處理與執(zhí)行機構(gòu)四大部分所組成。
　　①光源及照明系統(tǒng)
　　照明光源及照明系統(tǒng)是整個視覺檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，起著十分重要的作用，它并不是簡單的照亮物體而已。首先，照明光源要能夠真實地再現(xiàn)印品的色彩，不能夠造成顏色的失真，這就要求光源的發(fā)光光譜要接近于日光，同時應保證有足夠的亮度，并在整個照明區(qū)域內(nèi)的亮度要均勻一致；其次，光源和照明系統(tǒng)的設(shè)計要避免印品上的一些高反射率的特殊區(qū)域，如：燙金、激光防偽標志等使采集的圖像溢出，造成檢測精度降低或根本無法檢測；最后，在某些應用場合，還要考慮光源與照明方案的配合應盡可能地突出物體特征量，在物體需要檢測的部分與那些不重要部分之間應盡可能地產(chǎn)生明顯的區(qū)別，以增加對比度，同時還應保證足夠的整體亮度，物體位置的變化不應該影響成像的質(zhì)量。在機器視覺應用系統(tǒng)中一般使用透射光和反射光。對于反射光情況應充分考慮光源和光學鏡頭的相對位置、物體表面的紋理、物體的幾何形狀、背景等要素。總之，在選擇光源和設(shè)計照明系統(tǒng)時，要根據(jù)印品的具體情況，確定所需光源的幾何形狀、照明亮度、均勻度、光譜特性、發(fā)光效率及使用壽命等。
　　②光學鏡頭
　　光學鏡頭相當于人眼的晶狀體。光學鏡頭的品質(zhì)會影響視覺檢測系統(tǒng)分辨物體的能力，影響圖像的對比度以及清晰成像的范圍。一個鏡頭的成像質(zhì)量優(yōu)劣，即其對像差校正的優(yōu)良與否，可通過像差大小來衡量，常見的像差有球差、彗差、像散、場曲、畸變、色差等六種。
　　③攝像機
　　我們知道，光學鏡頭通過的是被拍攝物體的光學信息，而在計算機中處理的是被拍攝物體的電信息，那么攝像機就是完成從光學信息到電信息轉(zhuǎn)換的裝置。
　　A.工作原理
　　在攝像機中，關(guān)鍵的器件是被稱為視覺傳感器的芯片。在芯片上整齊地排列著像小水池一樣的單元，但它們盛的不是水，而是電荷。攜帶被拍攝物體光學信息的光線通過鏡頭而到達芯片的表面上，光信息就變成了電荷信號，即曝光。光強的地方電荷多，光弱的地方電荷少，對應著印品上不同區(qū)域的明暗程度。不同的顏色分解為紅、綠、藍三種基色，存放在不同的單元之中。曝光所產(chǎn)生的電荷信號，按掃描順序依次經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理，最后從攝像機中輸出。
　　B.分類
　　印品質(zhì)量檢測所使用的攝像機根據(jù)實際情況的不同可分為兩大類，線陣式攝像機和面陣式攝像機。線陣式攝像機一次只能獲得圖像的一行信息，被拍攝的物體必須以直線的形式從攝像機前來回通過，才能獲得完整的圖像，因此非常適合于對以一定速度勻速運動的物體的圖像檢測。而面陣式攝像機則可以一次獲得整幅圖像的信息，因此攝像速度更快。比如我們?nèi)粘Ｊ褂玫臄?shù)碼相機。
　　而光電轉(zhuǎn)換器件是構(gòu)成攝像機的核心器件。目前，典型的光電轉(zhuǎn)換器件主要有CCD、CMOS圖像傳感器兩種。CCD是目前機器視覺最為常用的圖像傳感器。它集光電轉(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移、信號讀取于一體，是典型的固體成像器件。CCD的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其器件是以電流或者電壓為信號。這類成像器件通過光電轉(zhuǎn)換形成電荷包，而后在驅(qū)動脈沖的作用下轉(zhuǎn)移、放大輸出圖像信號。典型的CCD攝像機由光學鏡頭、時序及同步信號發(fā)生器、垂直驅(qū)動器、模擬/數(shù)字信號處理電路組成。CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）圖像傳感器的開發(fā)最早出現(xiàn)在20世紀70 年代初。90 年代初期，隨著超大規(guī)模集成電路 (VLSI) 制造工藝技術(shù)的發(fā)展，CMOS圖像傳感器得到迅速發(fā)展。CMOS圖像傳感器將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號處理器及控制器集成在一塊芯片上，還具有局部像素的編程隨機訪問的優(yōu)點。目前，CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、寬動態(tài)范圍和輸出圖像幾乎無拖影等特點而得到了廣泛的應用。
　　C.印品檢測對攝像機的要求
　　從以上攝像機的工作原理可以看出，若要使系統(tǒng)能夠正確地進行判斷與決策，必須要求：a、首先原始圖像信息的質(zhì)量要高；b、攝像機要有足夠的動態(tài)范圍，即印品上的很亮和很暗的部位都能準確地反映；c、攝像機要有足夠的分辨率，即印品上的微小細節(jié)都能夠清晰地再現(xiàn)；d、攝像機要能夠真實地再現(xiàn)印品的色彩；e、攝像機的讀出速度要與印品的前進速度相一致，以保證足夠的精度和100%的采集。
　　④圖像信息的處理與執(zhí)行機構(gòu)
　　圖像信息的處理與執(zhí)行機構(gòu)，即計算機，是機器視覺系統(tǒng)的核心，它相當于人的大腦。整個圖像信息的處理過程通常包括：
　　A.預處理。高速運動的印品在通過攝像機時，與模板圖像相比，往往會產(chǎn)生位置上的移動、旋轉(zhuǎn)，有時甚至有飄動，使采集的圖像發(fā)生變形失真；光源的不穩(wěn)定和外界環(huán)境的影響，使采集的圖像亮度不均勻，顏色發(fā)生變化；其它外部設(shè)備、供電電源和采集設(shè)備本身也會引入一定的干擾和噪聲。為此，在安裝視覺系統(tǒng)的過程中，一方面要消除這些不利的因素，另一方面還要通過圖像預處理來排除和淡化它們的影響。常見的圖像預處理操作主要包括圖像增強、數(shù)據(jù)編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割等內(nèi)容。經(jīng)過這些處理之后，圖像的質(zhì)量得到了相當程度的改善，既改善了圖像的視覺效果，又便于計算機對圖像進行分析、處理與識別。
　　B.特征的提取與識別；
　　C.測量。用簡潔的一句話來說即是“與模板相比，找出差異”。
　　綜上所述，機器視覺是集光、機、電、計算機于一身的技術(shù)，極適用于大批量生產(chǎn)過程中的重復性測量、檢查與辨識。
　　二、機器視覺在印刷包裝行業(yè)中的應用
　　1.在線檢測與離線檢測
　　視覺檢測系統(tǒng)按其安裝的載體的不同可分為在線檢測系統(tǒng)和離線檢測系統(tǒng)兩種。
　　在線檢測系統(tǒng)安裝在膠印機、凹印機、柔印機、印碼機等印刷設(shè)備之上，用來實時檢測印刷質(zhì)量。印品可以是單張紙，也可以是卷筒紙。在線檢測系統(tǒng)與離線檢測系統(tǒng)的視覺檢測部分在功能上基本相同，區(qū)別主要在于對不合格品的處理方式上。當發(fā)現(xiàn)缺陷時，在線檢測系統(tǒng)通常會記錄下缺陷的位置（卷筒紙：長度，單張紙：張數(shù)），或使用噴碼機、貼標機、打標機在紙邊上做出標記，號碼檢測記錄出錯號碼或相鄰張的號碼。
　　離線檢測系統(tǒng)通常裝在檢品機或復卷機上。除可實現(xiàn)在線檢測系統(tǒng)的位置記錄與標記功能外，檢品機通常還具有分倉功能，即根據(jù)檢測結(jié)果將好、壞品自動分配到不同的倉中去。
　　2.質(zhì)量分析、跟蹤與管理
　　采用檢測系統(tǒng)進行質(zhì)量檢測除可以提供檢測全過程的實時報警和詳盡、完善的分析報告外，現(xiàn)場操作者還可以根據(jù)全自動檢測系統(tǒng)的實時報警及分析報告，對工作中出現(xiàn)的問題進行相應的調(diào)整。并且管理者還可以依據(jù)檢測結(jié)果的分析報告，對生產(chǎn)過程進行跟蹤，更有利于生產(chǎn)技術(shù)的管理。也就是說，質(zhì)量檢測設(shè)備不僅可以提升成品的合格率，還能夠協(xié)助生產(chǎn)商改進工藝流程，建立質(zhì)量管理體系，達到一個長期穩(wěn)定的質(zhì)量標準。
　　三、機器視覺檢測在印刷包裝行業(yè)中的推廣與普及
　　目前，盡管我國是一個印刷大國，但還不是印刷強國。我們要走向世界，就必須要采用先進的印刷設(shè)備和檢測設(shè)備。安裝自動化的視覺檢測系統(tǒng)，前期雖然要一定量的投入，但其在質(zhì)量檢測方面的優(yōu)勢，將會給企業(yè)在質(zhì)量和人工成本上帶來長期的效益。
　　視覺質(zhì)量檢測可以應用在印前、印刷過程和印后加工中，但目前多數(shù)應用主要集中在印后質(zhì)量檢查中。中國有數(shù)萬家的印刷企業(yè)，但真正使用檢測系統(tǒng)的卻很少，除印鈔、票證等特殊行業(yè)外，主要是在包裝行業(yè)。包裝行業(yè)對印刷要求較高，對質(zhì)量和色彩的要求比較特殊。這就要求包裝印刷廠必須具備獨特的產(chǎn)能優(yōu)勢、技術(shù)優(yōu)勢和質(zhì)量優(yōu)勢，才能滿足客戶對印量、周期和質(zhì)量的全面要求。
　　推廣機器視覺檢測，首先要使印刷包裝企業(yè)更多地了解機器視覺。裝在哪里、怎么安裝、如何達到最好效果、能帶來什么具體效益，這一切都需要進行不斷地普及與宣傳。印刷包裝行業(yè)的從業(yè)者要提出自己的具體需求，學習和掌握機器視覺檢測的概念和操作；機器視覺行業(yè)的從業(yè)者要了解印刷的工藝，生產(chǎn)流程，操作方式和質(zhì)量標準，只有兩者緊密結(jié)合，才能產(chǎn)生真正符合中國國情的自動化視覺質(zhì)量檢測系統(tǒng)，才能達到提高質(zhì)量、提高效率、降低成本的根本目的。

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