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)計和印刷工藝越來越復雜，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。隨著印刷工藝的復雜化和多樣化，對成品檢驗的要求也越來越高。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，并將其與一個完好無缺的基準作比較，當二者差異超出了設(shè)定的范圍時，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警，同時控制貼標機對有缺陷的紙張進行貼標。
最早用于印刷品質(zhì)量檢測的是將標準影像與被檢測影像進行灰度對比的技術(shù)，現(xiàn)在普遍采用的技術(shù)是以RGB三原色為基礎(chǔ)進行對比。從實際使用上來說，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)備波動造成的紙張蛇形跑動問題
在印刷過程中，隨著張力和速度的波動，紙張在前進過程中會產(chǎn)生蛇形跑動現(xiàn)象，表現(xiàn)在運動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)量標準達成一致，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生產(chǎn)，及時杜絕連續(xù)廢品的發(fā)生;同時也應(yīng)當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、燙金機、分切機等所有生產(chǎn)設(shè)備上，但對于多數(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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，進而為生產(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)鍵問題對印刷企業(yè)對檢測設(shè)備的選型極為重要。本文研究了一種對高速印品進行在線缺陷檢測的機器視覺檢測系統(tǒng)。通過獨特的光學系統(tǒng)，檢出較明顯缺陷并做標記，提示下一道工序和用戶;并且對連續(xù)缺陷提示機組人員及時處理，避免更大的損失;通過C/S網(wǎng)絡(luò)化并行結(jié)構(gòu)，對圖像數(shù)據(jù)進行分布式處理和集中統(tǒng)計管理。
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)采用多個彩色線陣攝像頭對大幅面印刷品進行同步采集，圖像數(shù)據(jù)通過FPGA/DSP采集卡進行輔助處理，由對應(yīng)處理單元進行圖像比較、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)器進行統(tǒng)計和管理，輸出報警信號和缺陷位置信息，并通過光電編碼器與生產(chǎn)線保持同步。
2)成像設(shè)計
檢測系統(tǒng)的硬件核心器件是CCD相機，它將影響到系統(tǒng)的檢測方式、檢測能力以及后續(xù)圖像處理的運算量和數(shù)據(jù)處理方式等。常用到的CCD相機按照成像方式來分有面陣和線陣兩種類型。
面陣相機是對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行處理。面陣相機的缺陷是當版周長越大，拍攝所需的相機數(shù)量也越多，使用和維護不太方便。
線陣相機每次曝光只對被攝物體的一行進行數(shù)據(jù)采集，通過物體的連續(xù)運動，相機連續(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相機由于其成像系統(tǒng)占用空間小，光源設(shè)計簡單等原因，在表面檢測中應(yīng)用很廣泛。
線陣CCD相機的線掃描操作與傳統(tǒng)的掃描儀非常相似，相機中的傳感器在運動物體通過它時每次掃描一行圖像，然后通過一個圖像采集卡將所有采集到的行合并成為一個完整的二維圖像。
3)照明設(shè)計
印刷品攝像對照明系統(tǒng)的要求是:①亮度足夠;②防止炫光進入攝像頭;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，但存在維護費用高的問題;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，但價格低廉，維護方便，本系統(tǒng)選用此類光源。
光源結(jié)構(gòu)設(shè)計采用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，高角度光補償整體亮度。為防止鏡面反射光射入鏡頭，對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，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)，對不同區(qū)域進行同步并行處理，處理結(jié)果通過高速以太網(wǎng)傳送至服務(wù)器進行數(shù)據(jù)管理和統(tǒng)計。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�。采集和處理的同步通過脈沖編碼器實現(xiàn)，各處理器由脈沖編碼信號同時觸發(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)生的固定時序來保證。
3 系統(tǒng)特點
1)燙金和全息商標的檢測技術(shù)
通過獨特的鐳射全息照明技術(shù)，能實現(xiàn)對燙金和全息商標特征的準確提取，而且可以同時檢測印刷缺陷，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的信號定位處理技術(shù)，能自動跟蹤印刷紙張的蛇形串動，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)檢測精度的自動調(diào)整技術(shù)
根據(jù)印刷機的波動狀態(tài)，能自動調(diào)整檢測精度，以到達最優(yōu)的檢測效果。
5)缺陷趨勢的預報技術(shù)
任意設(shè)定缺陷報警門限和貼標機動作門限，預報缺陷發(fā)生的趨勢，及時標識重大缺陷。
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、顯示、查詢歷史缺陷數(shù)據(jù);保存時間可根據(jù)需要達到任意年限。
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)和實時圖像，方便操作員隨時查看質(zhì)量狀況和系統(tǒng)運行狀況。
9)友好的人機界面
操作員設(shè)置好參數(shù)后，能自動探測開機、停機、換卷和設(shè)備波動狀態(tài)，從印刷開始到結(jié)束都無需人工干預，不同缺陷可以設(shè)置不同的報警聲音以提醒操作員注意。
4 使用效果
本研究采用兩臺橫向分辨率為4K，縱向分辨率為15K的彩色線陣CCD攝像頭對820mm寬的印刷版面進行檢測，通過千兆以太網(wǎng)進行并行處理和分布式控制，通過客戶機/服務(wù)器方式進行集中數(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，實現(xiàn)了單指令多數(shù)據(jù)的并行處理。當生產(chǎn)線的速度最大(300m/min)時，檢測系統(tǒng)采集完整一版圖像的周期為211ms，處理時間(128ms)已經(jīng)足以滿足實時性的要求，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。
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;例如使用上述相機觀測410mm的幅面，印刷速度在200m/min時，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;
檢測等級是本系統(tǒng)一個重要的功能。由于印品的每個位置檢測要求的嚴格程度不同，例如條碼區(qū)最嚴格，而粘膠區(qū)或裁剪區(qū)最寬松，因此對所有區(qū)域采用相同等級是不現(xiàn)實的，會造成很多不必要的報警。因此區(qū)域等級的設(shè)置實際上對不同的區(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，有時肉眼都不易檢出，在本例中，通過對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)界最先進的硬件設(shè)備(包括攝像頭、采集卡和處理器)、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件(登記號：2008SR12259)和發(fā)明專利(200410061396.7和200410061395.2)，可以有效地對高速印刷生產(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、套印偏差等印刷缺陷進行檢測與報警，并在大理美登印務(wù)有限公司安裝使用，運行穩(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大于套印系統(tǒng)檢測精度，因此本系統(tǒng)對低于0.2mm的套印跑動不敏感，結(jié)合靜止畫面裝置則能達到較好的檢測效果。另外對低對比的色差不敏感，需配合色差計進行色彩抽查。
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