機器視覺在印刷質量檢測中的應用
2010-04-21 00:00 來源：《廣東印刷》2009年第5期 責編：Quincy
【CPP114】訊：一、機器視覺檢測系統的工作原理
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（Machine Vision System）是指通過機器視覺產品(即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種)將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號；圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，如：面積、長度、數量、位置等；再根據預設的容許度和其他條件輸出結果，如：尺寸、角度、偏移量、個數、合格/不合格、有/無等；最后根據判別的結果來控制現場的設備動作。
機器視覺技術，是一門涉及人工智能、神經生物學、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、生產效率高。正是由于機器視覺具有這些特點，因此在現代自動化生產過程中，人們將機器視覺系統廣泛地用于工況監視、成品檢驗和質量控制等領域，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、汽車制造等行業中。
機器視覺用于印刷、包裝行業中的質量檢測，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，如果發現差異并超出設定的公差范圍，即判定為不合格產品。而實際的機器視覺系統要復雜得多。
2.視覺檢測系統的結構與工作原理
視覺檢測系統主要由照明光源、光學鏡頭、攝像機、圖像信息的處理與執行機構四大部分所組成。
�、俟庠醇罢彰飨到y
照明光源及照明系統是整個視覺檢測系統的關鍵部件之一，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印品的色彩，不能夠造成顏色的失真，這就要求光源的發光光譜要接近于日光，同時應保證有足夠的亮度，并在整個照明區域內的亮度要均勻一致；其次，光源和照明系統的設計要避免印品上的一些高反射率的特殊區域，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生明顯的區別，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量。在機器視覺應用系統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�？傊�，在選擇光源和設計照明系統時，要根據印品的具體情況，確定所需光源的幾何形狀、照明亮度、均勻度、光譜特性、發光效率及使用壽命等。
�、诠鈱W鏡頭
光學鏡頭相當于人眼的晶狀體。光學鏡頭的品質會影響視覺檢測系統分辨物體的能力，影響圖像的對比度以及清晰成像的范圍。一個鏡頭的成像質量優劣，即其對像差校正的優良與否，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。
�、蹟z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換的裝置。
A.工作原理
在攝像機中，關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。曝光所產生的電荷信號，按掃描順序依次經過放大和模數轉換等處理，最后從攝像機中輸出。
B.分類
印品質量檢測所使用的攝像機根據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。比如我們日常使用的數碼相機。
而光電轉換器件是構成攝像機的核心器件。目前，典型的光電轉換器件主要有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。它集光電轉換及電荷存貯、電荷轉移、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換形成電荷包，而后在驅動脈沖的作用下轉移、放大輸出圖像信號。典型的CCD攝像機由光學鏡頭、時序及同步信號發生器、垂直驅動器、模擬/數字信號處理電路組成。CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）圖像傳感器的開發最早出現在20世紀70 年代初。90 年代初期，隨著超大規模集成電路 (VLSI) 制造工藝技術的發展，CMOS圖像傳感器得到迅速發展。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、模數轉換電路、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點。目前，CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、寬動態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量要高；b、攝像機要有足夠的動態范圍，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都能夠清晰地再現；d、攝像機要能夠真實地再現印品的色彩；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。
�、軋D像信息的處理與執行機構
圖像信息的處理與執行機構，即計算機，是機器視覺系統的核心，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，往往會產生位置上的移動、旋轉，有時甚至有飄動，使采集的圖像發生變形失真；光源的不穩定和外界環境的影響，使采集的圖像亮度不均勻，顏色發生變化；其它外部設備、供電電源和采集設備本身也會引入一定的干擾和噪聲。為此，在安裝視覺系統的過程中，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、數據編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割等內容。經過這些處理之后，圖像的質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，極適用于大批量生產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中的應用
1.在線檢測與離線檢測
視覺檢測系統按其安裝的載體的不同可分為在線檢測系統和離線檢測系統兩種。
在線檢測系統安裝在膠印機、凹印機、柔印機、印碼機等印刷設備之上，用來實時檢測印刷質量。印品可以是單張紙，也可以是卷筒紙。在線檢測系統與離線檢測系統的視覺檢測部分在功能上基本相同，區別主要在于對不合格品的處理方式上。當發現缺陷時，在線檢測系統通常會記錄下缺陷的位置（卷筒紙：長度，單張紙：張數），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。
離線檢測系統通常裝在檢品機或復卷機上。除可實現在線檢測系統的位置記錄與標記功能外，檢品機通常還具有分倉功能，即根據檢測結果將好、壞品自動分配到不同的倉中去。
2.質量分析、跟蹤與管理
采用檢測系統進行質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，現場操作者還可以根據全自動檢測系統的實時報警及分析報告，對工作中出現的問題進行相應的調整。并且管理者還可以依據檢測結果的分析報告，對生產過程進行跟蹤，更有利于生產技術的管理。也就是說，質量檢測設備不僅可以提升成品的合格率，還能夠協助生產商改進工藝流程，建立質量管理體系，達到一個長期穩定的質量標準。
三、機器視覺檢測在印刷包裝行業中的推廣與普及
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備和檢測設備。安裝自動化的視覺檢測系統，前期雖然要一定量的投入，但其在質量檢測方面的優勢，將會給企業在質量和人工成本上帶來長期的效益。
視覺質量檢測可以應用在印前、印刷過程和印后加工中，但目前多數應用主要集中在印后質量檢查中。中國有數萬家的印刷企業，但真正使用檢測系統的卻很少，除印鈔、票證等特殊行業外，主要是在包裝行業。包裝行業對印刷要求較高，對質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能優勢、技術優勢和質量優勢，才能滿足客戶對印量、周期和質量的全面要求。
推廣機器視覺檢測，首先要使印刷包裝企業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。印刷包裝行業的從業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；機器視覺行業的從業者要了解印刷的工藝，生產流程，操作方式和質量標準，只有兩者緊密結合，才能產生真正符合中國國情的自動化視覺質量檢測系統，才能達到提高質量、提高效率、降低成本的根本目的。
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機器視覺技術，是一門涉及人工智能、神經生物學、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、生產效率高。正是由于機器視覺具有這些特點，因此在現代自動化生產過程中，人們將機器視覺系統廣泛地用于工況監視、成品檢驗和質量控制等領域，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、汽車制造等行業中。
機器視覺用于印刷、包裝行業中的質量檢測，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，如果發現差異并超出設定的公差范圍，即判定為不合格產品。而實際的機器視覺系統要復雜得多。
2.視覺檢測系統的結構與工作原理
視覺檢測系統主要由照明光源、光學鏡頭、攝像機、圖像信息的處理與執行機構四大部分所組成。
�、俟庠醇罢彰飨到y
照明光源及照明系統是整個視覺檢測系統的關鍵部件之一，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印品的色彩，不能夠造成顏色的失真，這就要求光源的發光光譜要接近于日光，同時應保證有足夠的亮度，并在整個照明區域內的亮度要均勻一致；其次，光源和照明系統的設計要避免印品上的一些高反射率的特殊區域，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生明顯的區別，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量。在機器視覺應用系統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�？傊�，在選擇光源和設計照明系統時，要根據印品的具體情況，確定所需光源的幾何形狀、照明亮度、均勻度、光譜特性、發光效率及使用壽命等。
�、诠鈱W鏡頭
光學鏡頭相當于人眼的晶狀體。光學鏡頭的品質會影響視覺檢測系統分辨物體的能力，影響圖像的對比度以及清晰成像的范圍。一個鏡頭的成像質量優劣，即其對像差校正的優良與否，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。
�、蹟z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換的裝置。
A.工作原理
在攝像機中，關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。曝光所產生的電荷信號，按掃描順序依次經過放大和模數轉換等處理，最后從攝像機中輸出。
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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量要高；b、攝像機要有足夠的動態范圍，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都能夠清晰地再現；d、攝像機要能夠真實地再現印品的色彩；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。
�、軋D像信息的處理與執行機構
圖像信息的處理與執行機構，即計算機，是機器視覺系統的核心，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，往往會產生位置上的移動、旋轉，有時甚至有飄動，使采集的圖像發生變形失真；光源的不穩定和外界環境的影響，使采集的圖像亮度不均勻，顏色發生變化；其它外部設備、供電電源和采集設備本身也會引入一定的干擾和噪聲。為此，在安裝視覺系統的過程中，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、數據編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割等內容。經過這些處理之后，圖像的質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，極適用于大批量生產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中的應用
1.在線檢測與離線檢測
視覺檢測系統按其安裝的載體的不同可分為在線檢測系統和離線檢測系統兩種。
在線檢測系統安裝在膠印機、凹印機、柔印機、印碼機等印刷設備之上，用來實時檢測印刷質量。印品可以是單張紙，也可以是卷筒紙。在線檢測系統與離線檢測系統的視覺檢測部分在功能上基本相同，區別主要在于對不合格品的處理方式上。當發現缺陷時，在線檢測系統通常會記錄下缺陷的位置（卷筒紙：長度，單張紙：張數），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。
離線檢測系統通常裝在檢品機或復卷機上。除可實現在線檢測系統的位置記錄與標記功能外，檢品機通常還具有分倉功能，即根據檢測結果將好、壞品自動分配到不同的倉中去。
2.質量分析、跟蹤與管理
采用檢測系統進行質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，現場操作者還可以根據全自動檢測系統的實時報警及分析報告，對工作中出現的問題進行相應的調整。并且管理者還可以依據檢測結果的分析報告，對生產過程進行跟蹤，更有利于生產技術的管理。也就是說，質量檢測設備不僅可以提升成品的合格率，還能夠協助生產商改進工藝流程，建立質量管理體系，達到一個長期穩定的質量標準。
三、機器視覺檢測在印刷包裝行業中的推廣與普及
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備和檢測設備。安裝自動化的視覺檢測系統，前期雖然要一定量的投入，但其在質量檢測方面的優勢，將會給企業在質量和人工成本上帶來長期的效益。
視覺質量檢測可以應用在印前、印刷過程和印后加工中，但目前多數應用主要集中在印后質量檢查中。中國有數萬家的印刷企業，但真正使用檢測系統的卻很少，除印鈔、票證等特殊行業外，主要是在包裝行業。包裝行業對印刷要求較高，對質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能優勢、技術優勢和質量優勢，才能滿足客戶對印量、周期和質量的全面要求。
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