印刷检测体系设计及运用

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本文作者：周淑宝杨永才作者单位：上海理工大学光电信息与计算机工程学院

近年来，随着数字成像技术和计算机软硬件技术的飞速发展，利用数字照相结合计算机处理形成的视觉检测技术已经被广泛用于工业监视、成品检验与质量控制等领域，并取得了一定的成功。视觉检测系统可以提高生产的柔性和自动化程度，可以代替人工视觉，提高生产效率和自动化程度，是实现工业自动化的基础技术。在印刷质量检测中，视觉检测系统可以随机对印刷品色彩进行控制，也方便对印刷图像的瑕疵区域、墨皮蹭脏或套印误差等进行精确检测。但是，视觉检测系统在检测印刷品质量时，要求印刷系统要有良好的稳定性，才能得到满意的检测效果。本文应用机器视觉原理，建立印刷质量视觉检测系统，通过CCD摄像机获取图像并转化为数字信号，再采用计算机对信号进行处理、分析，最终实现实际的检测、测量和控制。这样不仅能减轻工人的劳动强度，而且能减少次品率和提高印刷生产效率。

一、印刷质量视觉检测系统设计

1.系统理论设计及模型

视觉检测系统采用CCD摄像机获取图像并转化为数字信号，再采用计算机对信号进行处理、分析，最终实现实际的检测、测量和控制。本系统主要由三大部分组成：图像采集系统、图像处理系统、显示与控制系统。视觉检测系统的运行流程如图1所示。视觉检测系统硬件主要由光源和光学系统、CCD摄像机、图像采集卡、图像处理软件、计算机及其外设、控制执行模块等组成，如图2所示。

2.图像采集系统

图像采集系统负责将印刷品图像与色彩信息转换为能被计算机处理的一系列数字信号。由于视觉检测系统强调速度和精度，因此图像采集系统需要及时、准确地提供清晰的数字图像信号。图像采集系统由光源、镜头、CCD摄像机、图像采集卡组成。

3.图像处理系统

图像处理系统是对图像采集系统采集到的数字图像信号，根据像素分布、亮度和颜色等信息，进行各种运算，抽取目标特征，然后再根据预设的判别准则输出判断结果。在印刷品质量检测系统中，标准图像和待测图像都是经过图像采集系统在不同时间获得的。图像处理系统通过对待测图像进行处理，使之与标准图像进行匹配定位，然后再对待测图像进行检测，找出有质量问题的图像，并给出该图像所对应的印刷品质量问题。在图像处理系统中，运用的主要是现代数字图像处理技术，各种算法的应用使得图像检测成为可能。图像处理和分析可定义为应用一系列方法获取、校正、增强、变换或压缩可视图像的技术。在印刷品质量检测中主要用到的图像处理方法有灰度量化、图像的二值化、图像的平滑与锐化、图像边界检测等关键图像处理技术。

4.显示与控制系统

图像处理系统的处理结果通过显示与控制系统输出。显示系统输出的并非是图像视频信号，而是经过运算处理后的检测结果。输出设备一般与过程相连，包括监视界面、过程控制器和报警装置等。

二、印刷质量视觉检测系统的应用

印刷质量视觉检测系统在印刷包装行业中可以应用在印前、印刷和印后各环节，但目前多数的应用集中在印后质量检查。印刷质量视觉检测系统目前主要可以应用在票据印刷、烟包印刷及标签印刷等领域，也可以推广到包装印刷、商业印刷以及印后复卷终检等。

1.票据印刷

票据成为人们生活中不可缺少的一部分，其印刷质量要求越来越高，不仅要求画面质量精准无误，而且在标签、票据中含有的数字、中英文字符、条形码、图案等可变信息也是极其重要的，因此在印刷过程中必须实时监控。通过计算机离线模拟试验，印刷质量视觉检测系统完全能够满足票据印刷质量检测的要求，如果在印刷生产线的不同位置安装图像采集设备，也可以实现票据印刷质量的在线检测。因此，在票据印刷领域应用印刷质量视觉检测系统，可以方便有效地对票据产品进行质量检测，提高质量检测的效率和准确性，从而进一步提高票据印制企业的市场竞争优势。

2.烟包印刷

在烟包印刷领域，目前大多数企业还只能采用离线的人工检验方式，检验的时效差、质量低，而且不能克服印后加工（上光、模切、烫金等）对烟包产品的质量所造成的影响。因此，在烟包印刷中引进自动质量检测系统，提高质量检测的效率和准确性，对企业印刷质量的稳定和提高将会有很大的帮助。印刷质量视觉检测系统应用于烟包印刷领域，可以采用在线质量检测和离线质量检测两种方式。不管是在线检测还是离线检测，检测系统的应用原理基本相同，都需要利用图像采集系统来获取印刷好的图像，通过图像处理系统对获取到的图像和已经存储的标准模板图像进行对比，及时发现印刷的质量问题，从而通过显示与控制系统来显示错误，分析缺陷类型，并控制缺陷印品的剔除。此外，在烟包印刷领域，印刷质量视觉检测系统还可以应用于烟标的自动检测，生产线上剔除包装不合格烟条的检测，烟包上印刷条码质量检测，检验烟包外包装膜是否破损以及烟包包装外观质量检测等。

3.标签印刷

在标签印刷领域，目前印刷质量视觉检测系统已经得到广泛应用。特别是以大恒图像为代表的国产医药标签检测设备已经完全能满足医药标签印刷企业对缺陷检测的需求。在标签印刷领域，除了传统印刷质量检测外，越来越多的标签采用了可变信息印刷。可变信息印刷检验的关键是对可变信息的检验。如果两个以上标签具有相同的编码或某一编码漏印就属于印刷质量缺陷。这种缺陷在高速印刷过程中靠人工检验是不可能实现的，因此，必须应用印刷质量视觉检测系统来控制印刷质量。

三、印刷质量视觉检测系统

对检测环境的要求在利用印刷质量视觉检测系统检测印刷品质量时，必须详细了解检测系统所采用的图像采集技术及处理技术，以及检测环境。印刷系统要有良好的稳定性，才能得到满意的检测效果。

1.要求印刷墨色稳定

印刷墨色的稳定性是印刷质量检测顺利开展的首要条件。检测系统对于所提供的检测产品有一定的要求，否则很难达到高效率生产，这就给印刷车间提出了新的要求，即应该将产品质量的要求从合格品向精品提升，而构成精品的一个重要条件是墨色的稳定性。墨色稳定即要求墨色必须在一定的公差范围之内。墨色的稳定在检测系统中主要体现在灰度变化的波动上。灰度波动较小的产品说明其墨色正常。衡量某一机台产品墨色的好与坏是通过较长时间的检测效率来判断的。在实际生产过程中，通常会出现胶印墨色时深时浅，而且同一车产品的变化也较大，给检测工作带来很大的难度。如果提供的印刷品墨色存在问题，检测系统是不能将这些严格说来算不合格的产品也检测为合格品的，否则将会造成相当多的漏废，这对于质量工作的开展也是不利的。因此，从源头上解决问题是根本。

2.对检测光源的要求

在视觉检测系统中，光源的照射方式主要有直射和散射两种，即透射面光源和反射面光源。直射光方向性强，光能量相对集中，有较强的明暗对比，对光源的要求相对较低，但照射的均匀性较差。散射光光线比较柔和，照射的均匀性比较好，没有强烈的明暗对比，但其亮度也相对较低，需要较长的曝光时间。当曝光时间较长时，光源的亮度相应增加（在允许的曝光时间范围内），这样可以清晰明亮地拍摄到实际的图像。而透射面光源曝光时间较短的原因之一，是较短的曝光时间已经能够达到检测的需要；其二，如果曝光时间较长的话，将纸张照得过于明亮对于纸边检测是相当不利的，很容易造成纸边图像信息的损失，从而导致检测系统误认为纸张出现边界错误而报错，使生产不能顺利进行。

3.印刷串色问题

串色是印刷过程中常见的问题，在一定程度上给图像检测带来了困难，因为有些区域虽然颜色不同，但其灰度极为相近，以至于检测系统无法正确地识别。通过对串色问题的分析，可以将串色分为两大类。

一类为允许轻度串色的情况，一般发生在颜色的边缘区域，但是这种出入又在允许范围之内，也就是说，两种颜色在其交界处可以互相串入一定的范围。此时至少有两种解决方案：一是在不更改光谱优化设置的情况下，通过对交界处设置特定的宏区，将该处的阈限范围适当地放宽。此方案仅适合于较小的串色区域。二是对交界处单独设置光谱优化值。一般情况下，采用的是两种颜色的均衡比重，比如串色的是红色和蓝色，该处的光谱优化值可设置为127、0、128。当然所印刷的图像中红色和蓝色不可能是比较纯的颜色，因此光谱优化设置必然会有一些变化。

另一类则为不允许串色的情况，即在某一颜色的中心区域决不允许有另一不同颜色的存在。如在人物图像的脸上经常会出现蓝色或黑色的墨点，而人物图像在整个印刷版面中的重要性是比较靠前的，与其他如底纹区域的小墨点不一样，需要根据实际生产情况来确定合适的光谱优化值，因此有必要向印刷车间和检封车间了解有关重要区域串色的基本情况，做到对模型有针对性的调整。

印刷质量视觉检测系统的应用，极大地提高了自动化检测水平，具有广泛的应用前景。