一種判斷印品套準偏差的插值亞像素檢測方法

(上海市電站自動化技術重點實驗室1，上海 200072；國網上海市電力公司2，上海 200025)

0 引言

隨著印刷技術水平的提高，現代印刷機正在向高效率、高精度、高質量方向發展[1]。印刷機工作時速更高,并采用更多的自動化操作與調整來滿足印刷需要[2]。在這個發展過程中，快速準確地檢測印刷機套準標記對提高印刷機的自動化水平和印刷質量發揮了重要的作用。

在彩色印品印制過程中，常采用Y(黃色)、M(品紅色)、C(藍色)、BL(黑色)4種顏色來印刷[2]。印刷后工作人員通過估計在印品邊緣附近的套準標記偏差大小來調節套準機構，最終希望四色盡可能重合，印品清晰度達到最佳。套準精度直接影響著印刷品的視覺效果，是印刷品質量評價的重要指標[3]。因此，套準標記的檢測方法是四色印刷技術的關鍵環節[4-5]。

1 四色印品的套準標記設計

目前，國外主要印刷機品牌多采用自動套準檢測技術，如德國海德堡公司的自動套準控制系統CPC4[6]，其自動套準精度為0.05 mm，但其核心技術保密。我國目前也開展了相關技術的研究，但多集中在檢測裝置的設計、控制方式的選擇等方面，這就對我國研究高速印品在線檢測系統提出了新的課題[7]。在高速印品在線檢測系統的研究過程中,采用什么形式的套準標記是最基本的,也是最先需要解決的問題。

市場上常采用一種十字形線套準標記來計算套準偏差，但該套準標記在最后一個印刷單元工作完成以后，4種顏色的十字形線會重疊在一起，這會使采集的圖像處理較為復雜，耗時較長。根據套準標記簡單、便于快速處理的需要，本文研究主要針對一種實心圓套準標記進行分析處理。該套準標記如圖1所示，標記的圖形包括：2個黑色實心圓、1個黃色實心圓、1個品紅色實心圓、1個藍色實心圓。2個黑色實心圓標記圖形作為套準標記的基準色標，形狀為直徑等于1 mm的實心圓，2個黑色實心圓標記圓心相距30 mm；其他色標均為直徑等于1 mm的實心圓，色標圓心間距為5 mm。

圖1 套準標記示意圖

印刷機一啟動，在印刷品上首先印出套準標記圖案，然后通過工業攝像頭獲取套準標記圖形，通過圖形處理算法計算出各實心圓標記圖形圓心。分別判斷各實心圓標記圖形圓心橫軸坐標、縱軸坐標之間的間隔。如果實際間隔在預定的范圍之內，說明套印準確；如果實際間隔超過了預定的范圍(一般為0.10 mm[8-9])，則說明套印出現偏差，將該套印偏差信號反饋給伺服機構，以作出相應調整。

2 四色印品套準標記偏差檢測方法

2.1 去除干擾圖像

通常，在印刷品上印刷套準標記圖案的過程中，由于抖動等因素造成的一些干擾圖像如圖2所示。

圖2 套準標記干擾圖像示意圖

為了便于后續插值亞像素法對邊緣進行提取，首先需要去除這些干擾圖像。以黑色圖像為例，采用的去除方法步驟如下。

① 對圖像按照從左向右、從上往下的順序進行逐個像素掃描。

② 判斷掃描到的像素點是否為黑點，如果是，則執行下面的進一步判斷，否則跳轉回步驟①。

③ 按優先級依次降低判斷順序，分別對當前像素點的右上、正上、左上及左前點判斷連通性。其中，右上點的優先級最高，左前點的優先級最低。

④ 若右上點與左前點(或左上點)標記值不相同，則置當前點為與右上點相同的值。然后從頭到尾掃描圖像，把所有跟左前點(或左上點)標記相同的像素點置為與右上點相同的標記值。

⑤ 若當前像素點的正上點為黑點且不屬于步驟④中描述的情況，即當前點與其正上點屬于同一區域且其鄰域不存在多種區域標記的可能性，則將當前點與其正上點作同一標記，并置當前點為與正上點相同的值。

⑥ 若當前像素點的左上點為黑點，且不屬于步驟⑤中描述的情況，即當前點與其左上點屬于同一區域，且其鄰域不存在多種區域標記的可能性，則將當前點與其左上點作同一標記，并置當前點為與左上點相同的值。

⑦ 若當前像素點的左前點為黑點，且不屬于步驟⑥中描述的情況，則當前點與其左前點屬于同一區域，所以將當前點與其左前點作同一標記，并置當前點為與左前點相同的值。

⑧ 若當前像素點的右上、正上、左上及左前共4個像素點均為白點，表示該點與這4個像素點不連通，那么可認定此點是一個新區域中的點。這時將區域數加1，并置該點為黑色點，即該點RGB值為(0,0,0)。

⑨ 通過前面8個步驟，可以將標記圖像中相同顏色的圖案進行分塊，得到分塊后每塊圖案的像素點總數。當分塊后某一圖案的像素點總數大于設定值時，則該圖案為所需要的套準標記圖案，其余圖案全部置為白色，即RGB值置為(255,255,255)。

2.2 套準標記邊緣提取

在提取各套準標記圖像邊緣時，可以通過編碼器等機械機構將套準標記圖像限定在一定的搜索范圍內，以減小圖像處理區域。

邊緣提取的實質是通過一些算法來提取圖像中灰度不連續的邊緣像素。為了提高邊緣的檢測精度，從 20世紀70年代起,就有不少專家提出了一些有效的亞像素方法，使圖像的邊緣定位達到亞像素級[10]。常用的亞像素方法有最小二乘法、空間矩法和插值法[11]。最小二乘法、空間矩法有很高的定位精度，但計算時間較長。插值算法計算時間相對較短，采用改進的樣條插值法后，可以有效提高檢測速度。

插值法亞像素邊緣檢測的理論依據是:像素邊緣特征點處于光強函數斜率最大的地方。用插值函數近似恢復像邊緣過渡區的一維連續光強函數,再根據亞像素邊緣檢測的理論,求出像素邊緣特征點的坐標。

改進樣條插值函數S(w)的表達式為：

(1)

式中：w為樣條節點。

二維空間的樣條插值用矩陣表示，即：

F(m,n)=ABC

(2)

(3)

式中：F(m,n)為插值后的圖像；f(i,j)為輸入的插值前像素點;u=m-[m]，v=n-[n]，其中，[·]表示取整。

通過改進樣條插值亞像素法對標記圖像進行處理后，可以得到清晰連續的邊緣圖像。該邊緣圖像定位精度為0.3左右像素級，且提取速度快，確保后續偏差計算的準確性與高效性。

2.3 套準標記偏差計算

套準標記邊緣提取后，通過每種顏色標記邊緣坐標計算出對應顏色標記的圓心坐標，再通過圓心坐標分別計算出每種顏色實心圓標記圓心坐標相對于基準黑色圓心坐標橫軸、縱軸的偏差。將該偏差與標準圖像間隔進行比較，即可判斷該次印刷是否準確，若不準確，可將該套印偏差信號反饋給伺服機構做出相應調整。計算圓心坐標橫軸、縱軸偏差的方法如下。

設過兩黑色實心圓標記圓心坐標的直線方程為：

y=kx+b

(4)

將黑色實心圓標記圓心坐標值代入式(4)，可得：

(5)

式中：(xbl1,ybl1)和(xbl2,ybl2)分別為黑色標記1與黑色標記2的圓心坐標。

3 試驗測試和結果

3.1 試驗測試

本文檢測方法是利用C#語言在 VS2005平臺上編寫程序,用該軟件程序在開發的套準檢測實驗平臺系統上進行試驗。檢測平臺系統結構框圖如圖3所示。

圖3 套準檢測平臺系統結構框圖

針對印刷機多色套準的需求，開發了用于高速機器視覺套色檢測的實驗平臺。實驗平臺包含高速以太網CCD攝像頭、機器視覺光源、光電傳感器、I/O卡、編碼器信號邏輯處理模塊、計算機、調速皮帶等。

實際的套準檢測平臺系統包括照明光源、位置傳感器、鏡頭、工業相機、PC機、警報及剔除等裝置。實際生產線套準標記圖像和采用本文方法得到的套準標記邊緣檢測結果如圖4所示。

圖4 采集的試驗套準標記圖像

由圖4可以看出，采用本文偏差檢測方法，不僅能有效去除套準標記圖像邊緣周圍的干擾圖像與微小噪聲，移除的圖像精度可達到1個像素點，而且使檢測出的邊緣圖像比較連續，減少了邊緣中的斷點，使得套準標記圖像的邊緣清晰可見。同時，該方法能夠確保檢查的實時性和精確性。如對一幅大小為1 000×450像素的圖像進行檢測，檢測時間低于40 ms，速度最大能夠達到每秒25幀圖像。

3.2 偏差定位精度與檢測時間測試

采用本文檢測方法、空間矩法、質心法、Canny算子檢測方法對實際生產線套準標記圖像進行檢測。為了保證測試的公平性，將每個算法迭代測試50次取平均值。實際測試結果如表1所示。

從表1可以看出，求取質心參數的檢測方法檢測速度快，但定位精度低，抗噪能力弱。空間矩法定位精度高且抗噪能力好，但檢測速度過慢。Canny算子檢測方法定位精度與檢測速度均不理想。本文的檢測方法檢測迅速，定位精度較高，能較好地顧及高速印品套準標記所需要的運行速度與定位精度，具有較高的實用性。

4 結束語

本文基于插值亞像素技術，采用改進區域分塊算

法去除套準標記的干擾圖像，然后采用改進樣條插值亞像素算法提取標記邊緣，再通過邊緣參數來計算出每種顏色標記的圓心參數及對應的套準標記偏差。

試驗證明，將該機器視覺方法應用于四色印品的套準標記檢測過程中，能有效地提高檢測速度與定位精度，而且在有噪聲干擾的情況下,該算法也能較快速、精確地實現偏差檢測，優于傳統的偏差檢測方法。

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