基于彩色CCD 的煙支鋼印在線檢測(cè)技術(shù)研究

謝光橋 王立春 唐先均 王強(qiáng) 劉和平

四川中煙綿陽(yáng)卷煙廠 四川綿陽(yáng) 621000

卷煙紙是卷煙生產(chǎn)中重要工序組成部分，國(guó)內(nèi)外的香煙制造企業(yè)在其煙支上印刷著由文字、圖案等組合成的特有標(biāo)記，稱為牌號(hào)鋼印。同時(shí)，部分煙支上還印刷了由字母、數(shù)字組合的編碼，稱為編碼鋼印。如果煙支鋼印存在質(zhì)量問(wèn)題流入市場(chǎng)，那么品牌香煙的信譽(yù)，也會(huì)受到巨大的影響。在ZJ17 卷接機(jī)組中，煙支鋼印是預(yù)先填充好各種油墨，使用印模在線印制在卷煙紙上，在長(zhǎng)期生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于油墨供應(yīng)不均勻、印模磨損等原因，存在鋼印印刷圖案模糊、位置錯(cuò)位等鋼印不合格的情況。傳統(tǒng)檢測(cè)方法依靠操作工人眼檢測(cè)，存在效率低，反饋慢等特點(diǎn)，不能很好的滿足現(xiàn)代化印刷企業(yè)大生產(chǎn)的需求。因此，利用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)時(shí)全幅面檢測(cè)煙支鋼印，用計(jì)算機(jī)硬件和圖像處理軟件代替人腦進(jìn)行圖像分析處理、缺陷識(shí)別及信息的反饋，大大提高了印刷質(zhì)量的檢測(cè)效率及檢測(cè)質(zhì)量[1]。

1 工作原理

ZJ17 卷接機(jī)組每分鐘能夠卷制7000 支煙，對(duì)應(yīng)的卷煙紙紙帶線速度達(dá)到7 米/秒。為了實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)全幅面精細(xì)質(zhì)量檢測(cè)，系統(tǒng)采用70k 高速線掃描彩色CCD 相機(jī)和高亮度白色LED，同時(shí)安裝編碼器同步于卷煙紙紙帶速度拍照，并用專用的圖像采集卡采集線掃描CCD 的圖像數(shù)據(jù)。圖像數(shù)據(jù)由雙支煙構(gòu)成，把采集到的雙支煙圖像與存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)圖像，進(jìn)行對(duì)比分析。為了能夠檢測(cè)到多個(gè)圖案的顏色信息和位置信息，可以在采集圖像中設(shè)置多個(gè)感興趣區(qū)域（ROI），再分別對(duì)每一個(gè)區(qū)域進(jìn)行自適應(yīng)模板匹配和色差檢測(cè)，檢測(cè)是否存在鋼印油墨過(guò)濃過(guò)淡，存在墨點(diǎn)、殘缺不良、褶皺、裂口、漿塊、污漬、接頭等缺陷信息；通過(guò)計(jì)算各個(gè)模板與目標(biāo)區(qū)域圖像的相關(guān)性，來(lái)判斷圖案是否存在位置偏移等缺陷信息。一旦檢測(cè)到缺陷，軟件系統(tǒng)與PLC 控制單元通訊進(jìn)行移位后通過(guò)卷接機(jī)剔除機(jī)構(gòu)將對(duì)應(yīng)煙支剔除。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖像處理的核心部分如下圖所示，根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，劃分為如下幾個(gè)功能子模塊：

（1）圖像采集。該圖像采集模塊為線掃描彩色CCD、高亮白色LED 光源和圖像采集卡及其周邊電路組成。

（2）圖像顏色校正。在系統(tǒng)成像過(guò)程中不同機(jī)臺(tái)的機(jī)器，不同的相機(jī)，導(dǎo)致光線環(huán)境也不同，每臺(tái)機(jī)器都需要單獨(dú)的模板以適應(yīng)不同的光線環(huán)境。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們提出了顏色校正算法，其主要思想為直方圖規(guī)定化，有選擇地增強(qiáng)某個(gè)灰度值范圍內(nèi)的對(duì)比度。

（3）彩色空間變換。為定量分析產(chǎn)品色差差異，系統(tǒng)使用了Lab 顏色空間，并使用了單層及綜合色差分析方法。

（4）圖像多級(jí)搜索定位。圖像多重搜索定位模塊是為了保證全幅面檢測(cè)精度，允許卷煙紙伸縮變形（非嚴(yán)重變形）和在不同的印次過(guò)程中有一定套印公差，因此需要對(duì)圖像分區(qū)域進(jìn)行精細(xì)多級(jí)搜索定位。不同印層（紙張、印次1、印次2）實(shí)現(xiàn)由粗到精的定位。首先通過(guò)紙張的紙邊定位區(qū)域進(jìn)行粗定位，然后通過(guò)區(qū)域定位核進(jìn)行不同印層的精確定位，設(shè)定鋼印有無(wú)閾值表示檢測(cè)區(qū)域圖像與定位核圖像的相關(guān)系數(shù)，當(dāng)檢測(cè)區(qū)域圖像與定位核圖像的內(nèi)容相似或一致，則相關(guān)系數(shù)越大。

（5）印次分離和全幅面檢測(cè)。印次分離是根據(jù)不同區(qū)域定位核按照印刷順序區(qū)分為不同的檢測(cè)區(qū)域，系統(tǒng)按照不同的印次順序建立了彩色模型。全幅面檢測(cè)模塊包括：實(shí)時(shí)生產(chǎn)時(shí)，將當(dāng)前采集鋼印圖像與之前建立的彩色模型進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)采用OCR 算法對(duì)編碼鋼印圖像分析，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量全面檢測(cè)。

（6）色差檢測(cè)。色差檢測(cè)模塊是將實(shí)時(shí)鋼印圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行色差對(duì)比，根據(jù)預(yù)設(shè)的色差參數(shù)，采用單層及綜合色差分析方法實(shí)現(xiàn)鋼印缺陷分類。

（7）BLOB 分析輸出結(jié)果。BLOB 分析輸出模塊是實(shí)時(shí)圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像對(duì)比檢測(cè)后，對(duì)有缺陷區(qū)域進(jìn)行聚類分析。根據(jù)預(yù)設(shè)的判廢標(biāo)準(zhǔn)，比較聚類結(jié)果的面積和能量等指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)鋼印缺陷分類和判廢。

2.2 圖像處理流程

采集的煙支鋼印圖像首先進(jìn)行顏色校正和LAB 空間變換預(yù)處理，然后通過(guò)卷煙紙的紙邊定位區(qū)域進(jìn)行粗定位，接著通過(guò)不同區(qū)域定位核進(jìn)行不同印層的精確定位，設(shè)定鋼印有無(wú)閾值表示檢測(cè)區(qū)域圖像與定位核圖像的相關(guān)系數(shù)，當(dāng)檢測(cè)區(qū)域圖像與定位核圖像的內(nèi)容相似或一致，則相關(guān)系數(shù)越大。牌號(hào)鋼印區(qū)域和編碼鋼印區(qū)域分別采用自適應(yīng)模板匹配和OCR 算法來(lái)檢測(cè)。

2.3 色彩檢測(cè)

色彩檢測(cè)就是將采集鋼印圖像與標(biāo)準(zhǔn)模板圖像進(jìn)行色差對(duì)比。L＊a＊b＊彩色空間的a＊分量和b＊分量反映的是色度的信息，而L分量反映的是明度的信息。

①首先將采集鋼印圖像與標(biāo)準(zhǔn)模板圖像進(jìn)行色差對(duì)比，如標(biāo)準(zhǔn)模板圖像彩色空間變換為，采集鋼印圖像彩色空間變換為。則：

③CIELab 彩色空間中a＊分量和b＊分量反映的是色度的信息，而L 分量反映的是明度的信息。因此把綜合色差計(jì)算公式定義為：

④綜合考慮 ΔL 、 Δa 、 Δb 、 ΔC2，采用單層及綜合色差分析方法實(shí)現(xiàn)鋼印色差檢測(cè)。

2.4 檢測(cè)效果

系統(tǒng)對(duì)連續(xù)印刷的卷煙紙表面及鋼印實(shí)時(shí)進(jìn)行全幅面質(zhì)量檢測(cè)，其檢測(cè)范圍包括墨點(diǎn)、油墨污漬、鋼印錯(cuò)無(wú)、鋼印殘缺、鋼印模糊、鋼印顏色不符、鋼印位置不對(duì)、接頭等[2]。

3 使用效果

利用高速機(jī)器視覺(jué)實(shí)現(xiàn)的煙支鋼印外觀檢測(cè)系統(tǒng)，在ZJ17 卷接機(jī)組進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了煙支鋼印及卷煙紙的實(shí)時(shí)全幅面檢測(cè)，煙支誤剔率在0.1%以下，避免了鋼印不合格的煙支流入后續(xù)工序。