基于UDP的套準誤差視覺檢測系統通信網絡設計

摘 要：針對紙張印刷的套準誤差檢測系統在網絡傳輸上精度不足、效率低、實時性差等問題，提出了基于用戶數據報協議（UDP）的傳輸策略，設計并構建了套準誤差檢測系統通信網絡。首先，結合印刷套準檢測系統的特點及網絡傳輸需求，創建了套準色標圖像傳輸和套準誤差數據傳輸2個獨立線程；其次，在色標圖像傳輸方面，解析BMP格式的位圖圖像數據，定義傳輸機制，解決了圖像數據報亂序和丟失問題；在誤差數據傳輸方面，定義套準誤差報文格式，搭建了套準誤差數據傳輸線程用于套準控制機構實時調整；最后，通過網絡抓包，對構建的套準誤差檢測系統通信網絡進行測試。結果顯示，構建的雙線程通信網絡在圖像數據傳輸過程平均傳輸速率達120 Mbps，端到端延遲控制在5.2 ms 以內，丟包率低于0.01%。

關鍵詞：套準誤差；通信網絡；數據傳輸；UDP

中圖分類號：TS736+. 2 文獻標識碼：A DOI：10. 11981/j. issn. 1000?6842. 2025. 02. 183

套準控制精度是評價紙張印刷設備性能的關鍵指標，生產過程中對套準誤差檢測系統準確性的依賴性較重［1］。實現套準誤差檢測系統的高可靠性和高效性，不僅需要精確的圖像分析技術，還需要穩定且快速的網絡傳輸［2］。網絡傳輸的主要內容是色標圖像和套準誤差［3］；其中，色標圖像傳輸數據量龐大，需要在發送方的網絡層對圖像數據包進行分片，并在接收方的網絡層進行重組，該過程中必須解決數據包亂序和丟失的問題。

目前，紙張印刷設備控制領域的研究主要集中在系統糾偏［4］、同步控制［5］、干燥過程能效分析［6］等方面，在控制數據傳輸領域的研究較少。在數據傳輸領域中，用戶數據報協議 （user datagram protocol，UDP） 因具有操作靈活性［7］、傳輸實時性［8］、支持多種通信方式［9］ 等優勢，可應用于圖像和視頻流的傳輸領域。在傳輸層協議優化方面，許多學者針對UDP的高效性進行了研究與改進。張宏海等［10］ 提出基于Gossip協議的集群數據同步方案，通過UDP傳輸，可以減少節點間的交互次數，提高系統的整體通信效率；為適應嵌入式環境，孟祥興等［11］ 構建了基于OpenCV的圖像采集與UDP數據傳輸系統，實現了輕量級的圖像通信機制；相比之下，Amany 等［12］ 采用更可靠的TCP/IP協議搭建視頻監控系統，強調系統穩定性，但犧牲了部分實時性。針對延遲敏感的圖像傳輸 場 景，Mood 等［13］ 通 過 UDP 構建 低 延 遲 熱 成 像系統，有效提升了響應速度；在此基礎上，Yan等［14］嘗試引入量子密鑰分發機制，在密鑰交換階段對快速UDP網絡連接（quick UDP internet connections，QUIC）進行改進，使其兼顧安全性與傳輸效率；此外，王悅然等［15］研究了Matlab與Unity3D之間的通信問題，其基于UDP實現了虛擬現實交互數據的實時傳輸，體現了 UDP 在高交互性應用中的優勢。為彌補 UDP 缺乏可靠性的問題，譚黎立等［16］ 在應用層中嵌入傳輸控制機制，實現了對UDP數據包內容的完整性校驗。在系統優化層面，Zhang等［17］ 提出將FastUDP用于多核系統環境下的UDP通信，并進行用戶級網絡堆棧的優化設計，提高了系統可擴展性與傳輸效率。綜上所述，現有研究分別從傳輸效率、實時性、安全性及系統可擴展性等方面，對UDP進行了擴展與優化，UDP在圖像通信與高交互系統中展現出廣泛的應用潛力。

為了提高套準誤差數據傳輸的實時性和可靠性，本課題以機組式柔印機套準誤差檢測系統為研究對象，探究套準誤差視覺檢測系統組成及網絡傳輸架構，構建基于UDP的色標圖像與套準誤差獨立雙線程通信網絡，以滿足基于機器視覺的套準誤差檢測系統通信需求。

1 套準誤差檢測系統通信網絡設計

本課題提出的視覺套準誤差檢測系統主要由4個核心組件構成：CCD攝像機、視覺處理服務器、觸控顯示屏及柔性印刷機的傳動裝置，結合實際需求對視覺套準誤差檢測系統通信網絡進行設計，構建的機組式柔印機視覺套準誤差檢測系統通信網絡如圖 1所示。

安裝成像模塊色組的伺服驅動器可通過電動機動力線驅動伺服電機運轉，柔印機各色組聯動跑料，版輥電機向與之同軸的編碼器傳遞相位等參數，料帶每行進1次到達色標位置，編碼器就會將脈沖信號通過電動機編碼線向色組伺服驅動器發送。伺服驅動器將編碼器脈沖信號通過 RS-485 工業現場總線輸入可視服務器，由可視服務器觸發CCD攝像機，根據脈沖信號完成曝光；CCD攝像機將采集到的色標圖像以光纖為物理介質傳輸到視覺服務器上，一方面通過HD接口在主站人機上顯示色標圖像，另一方面通過基于UDP 的 LAN 線的交換機從站人機上傳輸顯示色標圖像；同時，可視化服務器采用內嵌的可視化檢測算法，根據色標圖像計算各種顏色的組套誤差，向主站人機、從站人機、柔印機傳動系統分別發送縱橫方向的組套誤差，并通過連接HD接口在主站人機上顯示。經交換機傳送套準誤差，并通過基于 UDP 的 LAN 線在從站人機上顯示；通過 RS-485 總線連接主站伺服驅動器，以UDP為基礎，向主站伺服驅動器發送套準誤差值，主站伺服驅動器經 GLink-Ⅱ現場總線，以UDP為基礎，向各站伺服驅動器交付套準誤差，由站伺服驅動器按套準誤差驅動套準調整機構補償誤差，做到平順快速的套準操控，最終獲得高品質的打印。

綜上所述，本課題設計的基于UDP的視覺套準誤差檢測系統通信網絡，以視覺服務器為主節點，可向操作界面發送色標圖像和套準誤差數據以供顯示，并向柔印機傳動系統發送誤差數據以進行控制。

2 套準色標圖像和套準誤差數據傳輸

2. 1 套準色標圖像傳輸線程搭建

本課題將色標圖像傳輸線程的視覺服務器認定為服務端，從站人機認定為客戶端。客戶端工作時服務端向客戶端傳輸圖像數據包，客戶端接收到數據包后向服務端發送響應包進行確認。其中圖像數據包的傳輸過程包含以下步驟：①定義報文；②創建線程；③廣播尋址；④圖像傳輸；⑤關閉線路。

為有效應對數據包亂序和丟失的問題，本課題搭建了套準色標圖像傳輸線程，如圖2所示，圖像幀被分割后，每個數據包均附有1個序號。接收緩沖區采用鏈表結構，將接收的數據包依次添加到鏈表的尾部。通過檢查數據包的序號，可以判斷數據包是否按順序到達，從而有效應對數據包亂序和丟失的問題。對客戶端接收緩沖區接收到的數據包進行校驗，確認其是由視覺服務器發送的圖像報文后，以接收緩沖區可能存在的2種情況設計相應的存儲機制。

第 1 種情況為接收緩沖區收到數據包數量為 0，當接收緩沖區收到1個數據包后開始處理。若接收到的當前包序號為 1，則將其加入到接收緩沖區鏈表；若接收到的當前包序號為2，說明在此之前有1個數據包丟失，記錄丟失的數據包后，將當前包存入接收緩沖區；若接收到的當前包序號≥3，說明在此之前至少有 2 個數據包丟失，客戶端向服務端返回終止信號。

第2種情況為接收緩沖區已存在數據包，則將接收到的包序號與之前的包序號進行對比。若當前包序號?上一包序號lt;0，說明當前包應在上一包之前，則根據序號插入鏈表指定位置；若當前包序號?上一包序號=0，說明已經重復，則丟棄當前數據包；若當前包序號?上一包序號=1，說明數據包連續，自行存入接收緩沖區鏈表；若當前包序號?上一包序號=2，說明在此之前有1個數據包丟失，記錄丟失的數據包后將當前包存入接收緩沖區鏈表；若當前包序號?上一包序號≥3，說明在此之前至少丟失2個數據包，客戶端向服務端返回終止信號，并且最多只能容忍丟失2個圖像數據包。

1幀圖像傳輸完成后，接收緩沖區會將所有數據包遷移至指定內存區域，并更新接收數據的大小，然后發送響應。若鏈表中數據量與首部的差值等于圖像大小，則標志著UDP圖像傳輸成功。

2. 2 套準誤差數據傳輸線程搭建

本課題設定視覺服務器為套準誤差傳輸線程的服務端，柔印機的主站伺服驅動器為客戶端，如圖3所示。

首先，定義 IP 地址和端口號。服務端的 IP 地址固定為192.168.1.10，端口不固定，客戶端的IP 地址與服務端設在同一網段，固定為192.168.1.2，套準誤差基于數據傳輸端口 1234 完成傳輸。其次，定義套準誤差數據格式。使用結構體設計并定義套準誤差報文格式，視覺服務器每通過光纖接收1幀圖像就計算1次套準誤差，以16色機組式柔印機為例，套準誤差報文格式設計如式（1）所示，共 62 個字節 （Bytes），如圖4所示。

2 Bytes + 15 × 4 Bytes + （2 Bytes - 2 Bytes） = 62 Bytes（1）

其中，Flag （unit 類型） 為標志位，1 個色組占1 Bit，共占 2 Bytes （16 Bits），當某一色組 Flag 置于0，則不會識別該色組指向的縱橫向套準誤差值，當Flag置于1時，則自動識別該色組指向的縱橫向套準誤差值；Rx與Ry（short類型）分別為橫、縱向套準誤差值，每個色組橫縱向套準誤差各占2個字節，除首色外，從第2色組到第16色組共60個字節。

創建套準誤差數據包線程，通過do-while語句執行事件循環，在循環中，初始化1個網絡接口，獲取其 MAC 地址并轉化為十六進制存儲到數組，用標識符unitID=0表示柔印機主站伺服驅動器，當unitID=0，經關鍵字校驗和長度校驗后，若為廣播包，則柔印機主站伺服驅動器回傳廣播響應包，建立連接；若為套準誤差包，則對套準誤差報文進行解析，將對應橫縱向套準誤差交付給從站伺服驅動器，完成套準機構的誤差補償。

3 測試實驗

3. 1 套準色標圖像傳輸線程測試

采用 WireShark 抓包工具捕獲網絡數據包，對圖像傳輸過程進行測試。圖像廣播包及其響應包、圖像數據包及其響應包分別如圖5和圖6所示。

圖5為客戶端處于空閑狀態時，服務端在局域網內進行廣播尋址的過程。圖5（a）為圖像廣播包，報文中顯示源IP地址為192.168.1.10（服務端IP），目的IP地址為192.168.1.255（同網段所有主機），源端口號任意，目的端口號1234，總報文長度50 Bytes，數據長度為8 Bytes，僅包含首部信息。圖5（b）為客戶端接收到圖像廣播包后返回的廣播響應包，報文中顯示源IP地 址 為 192.168.1.11 （客 戶 端 IP），目 的 IP 地 址 為192.168.1.10 （服務端IP），源端口號1234，目的端口任意，總報文長度194 Bytes，數據長度為152 Bytes，包含了響應包首部及該色組從站人機標識符 unitID、MAC 地址、IP 地址、廠家、生產系列號等該主機信息，其余部分以0填充。這個過程的結束標志著服務器和客戶端之間已經成功建立了UDP連接，并開始正常工作。

圖6為客戶端處于工作狀態時，接收服務端的圖像數據包并回傳圖像數據響應包的過程。其中，圖6（a）為服務端發送的圖像數據包，報文中顯示源IP地址為192.168.1.10（服務端IP），目的IP地址為192.168.1.11（客戶端IP），源端口號任意，目的端口號1235，報文總長度1458 Bytes，數據長度1416 Bytes，首部36 Bytes，小于MTU限制的1500 Bytes，因此可順利傳輸。圖6（b）為客戶端接收到圖像數據包后回傳的響應包，報文中顯示源IP地址為192.168.1.11（客戶端IP），目的IP地址為192.168.1.10（服務端IP），源端口號1235，目的端 口 號 任 意，報 文 總 長 度 62 Bytes，數 據 長 度 20Bytes，首部42 Bytes，對接收到的圖像數據包進行確認。結果顯示，本課題構建的套準色標圖像傳輸線程在數據傳輸過程平均傳輸速率達120 Mbps，端到端延遲控制在5.2 ms內，表明圖像數據包基于UDP可迅速而有序地進行傳輸。

3. 2 數據傳輸線程測試

采用 WireShark 抓包工具捕獲網絡數據包對數據傳輸過程進行測試。數據廣播包及其響應包如圖7所示。圖7的數據傳輸過程結束標志著服務器和客戶端之間已經成功建立了UDP連接，并開始正常工作。

圖 8 為客戶端處于工作狀態時，接收服務端的誤差數據包并回傳誤差數據響應包的過程。其中，圖 8（a）為服務端發送的套準誤差包，報文中顯示源IP 地址為 192.168.1.10 （服務端 IP），目的 IP 地址為192.168.1.2 （客戶端 IP），源端口號任意，目的端口號 1234，報文總長度 104 Bytes，數據長度 62 Bytes，首部42 Bytes，依據所定義報文格式存儲套準誤差信息；圖8（b）為客戶端接收到誤差數據包后回傳的誤差數據響應包，報文中顯示源IP地址為192.168.1.2（客戶端IP），目的IP地址為192.168.1.10（服務端IP），源端口號1234，目的端口號任意，報文總長度60 Bytes，數據長度12 Bytes，首部48 Bytes，通過回傳誤差數據響應包對接收套準誤差數據包進行確認。這一過程的完成表明誤差數據包基于UDP可迅速而準確地進行傳輸，平均傳輸速率達 120 Mbps，端到端延遲控制在5.2 ms內，丟包率低于0.01%。

4 結 論

本課題基于UDP設計構建了視覺套準誤差檢測系統通信網絡，分別創建了色標圖像傳輸和誤差數據傳輸雙線程通信網絡；在圖像傳輸方面，解析了 BMP格式的位圖圖像數據，定義了不同情況下的傳輸機制解決分片后圖像數據報的亂序和丟失問題；在誤差傳輸方面，定義了套準誤差報文格式，使套準誤差數據能快速而準確地傳輸至柔印機主站伺服驅動器，主站伺服驅動器解析報文并分發給各從站伺服驅動器。通過網絡抓包，對所構建套準誤差檢測系統通信網絡進行測試；結果表明，所設計的色標圖像和誤差數據雙線程通信網絡可實現迅速而有序的傳輸，平均傳輸速率達120 Mbps，端到端延遲控制在5.2 ms內，丟包率低于0.01%。。

參考文獻

［1］ HAN Z， SHAN H L， XIAN J W， et al. Research on High Precision

Detection Method of Register Error Based on Machine Vision［C］//

Lecture Notes in Electrical Engineering. London： Springer，2024，

1144：69-73.

［2］ 張學乾，武建飛，李 洋. 基于FPGA的墻紙印刷色標誤差檢測

的設計［J］. 電子測量技術，2012，35（8）：75-77.

ZHANG X G， WU J F， LI Y. Design of Wallpaper Printing Color

Mark Error Detection Based on FPGA［J］. Electronic Measurement

Technology，2012，35（8）：75-77.

［3］ 謝志萍 . 基于圖像模式識別與 PLC 控制的印刷套準自適應

系統［J］. 計算機應用研究，2011，28（9）：3404-3406.

XIE Z P. Printing Registration Adaptive System Based on Image Pat?

tern Recognition and PLC Control［J］. Computer Application Re?

search，2011，28（9）：3404-3406.

［4］ 張繼紅. 基于RBF神經網絡滑模控制的卷紙糾偏系統［J］. 中國

造紙學報，2024，39（1）：107-113.

ZHANG J H. Rolling Paper Correction System Based on RBF Neural

Network Sliding Mode Control ［J］. Transaction of China Pulp and

Paper，2024，39（1）：107-113.

［5］ 李 超，徐 凱，孫馥明，等. 造紙機壓光機下輥頂升過程同步

控制及優化［J］. 中國造紙學報，2024，39（3）：160-167.

LI C， XU K， SUN F M， et al. Synchronous Control and Optimiza?

tion of Lower Roller Lifting Process in Calendering Machine ［J］.

Transaction of China Pulp and Paper，2024，39（3）：160-167.

［6］ 戴景波，陳曉彬，方子言，等. 基于T-PLS-GRA的造紙干燥過程

能耗非優原因追溯模型［J］. 中國造紙學報，2024，39（1）：91-99.

DAI J B， CHEN X B， FANG Z Y， et al. Tracing Model of Non

optimal Energy Consumption in Paper Drying Process Based on

T-PLS-GRA ［J］. Transaction of China Pulp and Paper，2024，

39（1）：91-99.

［7］ 荊俊峰，蒯 亮，房志奇，等. 一種基于UDP和FTP協議的遠程

瀏覽系統的設計［J］. 電子技術應用，2023，49（12）：127-131.

JING J F， KUAI L， FANG Z Q， et al. Design of a Remote Browsing

System Based on UDP and FTP ［J］. Application of Electronic Tech?

nology，2023，49（12）：127-131.

［8］ GONZALEA T J， RIVERA R， TCHERNYKH A， et al. A Novel

Strategy for Computing Routing Paths for Software-defined Networks

Based on MOCell Optimization ［J］. Applied Sciences， DOI：10. 3390/

app122211590.

［9］ 李 森，唐 建，袁 強. 基于國產FPGA的UDP協議棧IP核設

計與實現［J］. 空天預警研究學報，2024，38（5）：348-352.

LI S， TANG J， YUAN Q. Design and Implementation of UDP Proto?

col Stack IP Core Based on Domestic FPGA ［J］. Journal of Aero?

space Early Warning Research，2024，38（5）：348-352.

［10］ 張宏海，崔斌豪，李一鳴，等. 基于Gossip協議的高效集群數據

同步方案［J］. 北京航空航天大學學報，2024，12（2）：1-10.

ZHANG H H， CUI B H， LI Y M， et al. Efficient Cluster Data Syn?

chronization Scheme Based on Gossip Protocol ［J］. Journal of Bei?

hang University，2024，12（2）：1-10.

［11］ 孟祥興，宋宇飛，顧橋磊. 基于OpenCV和嵌入式的工業圖像檢

測系統［J］. 物聯網技術，2018，8（10）：106-107.

MENG X X， SONG Y F， GU Q L. Industrial Image Detection Sys?

tem Based on OpenCV and Embedded ［J］. Internet of Things Tech?

nology，2018，8（10）：106-107.

［12］ AMANY M， MAYSAM S， ZAINAB G. Design and Simulation of

Video Monitoring Structure over TCP/IP System Using MATLAB［J］.

Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science，

2021，24（3）：1840-1845.

［13］ MOOD M， ABDUL M， KAIMUJJAMAN M， et al. Seamless Real-time

Thermal Imaging System with ESP8266： Wireless Data Transfer and

Display Using UDP［J］. SN Applied Sciences，2023，5（11）：1-10.

［14］ YAN P， YU N K. The QQUIC Transport Protocol： Quantum-assisted

UDP Internet Connections［J］. Entropy， DOI：10. 3390/e24101488.

［15］ 王悅然，孔屹剛，李兆鵬. 利用用戶數據報協議數據驅動的液壓

六自由度并聯機構虛擬現實技術.［J］. 科學技術與工程，2024，

24（18）：7760-7768.

WANG Y R， KONG Y G， LI Z P. Virtual Reality Technology of Hy?

draulic 6-DOF Parallel Mechanism Using User Datagram Protocol

Data Drive［J］. Science Technology and Engineering，2024，24（18）：

7760-7768.

［16］ 譚黎立，李迎博，丘岳詩，等. 基于UDP超時重傳與快速校驗的

可靠傳輸設計［J］. 計算機仿真，2024，41（7）：45-49.

TAN L L， LI Y B， QIU Y S， et al. Reliable Transmission Design

Based on UDP Timeout Retransmission and Fast Check ［J］. Com?

puter Simulation，2024，41（7）：45-49.

［17］ ZHANG H， ZHANG H， ZHANG L， et al. FastUDP： A Highly Scal?

able User-level UDP Framework in Multi-core Systems for Fast Packet

I/O［J］. The Journal of Supercomputing，2020，77（5）：1-28.