CN105241883A - 一种印刷机图案在线检测和色彩分割的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种印刷机图案在线检测和色彩分割的方法，需配置工业平板计算机及照明光源，并在印刷过程的末端安装接近传感器和工业相机，当完整的印刷成品到来时，触发工业相机拍照，获取印刷成品图像，并把该图像传给工业平板计算机；在工业平板计算机中进行图像形状和色彩分割处理，采用基于主成分分析PCA并结合现有彩色图像分割算法的新图像色彩分割算法；将实时分割后的图像与存储在工业平板计算机中的标准图像对比后，得到印刷实时图像与标准图像在形状和色彩上的差异，同时为了保证印刷过程、相机拍照和计算机处理三者之间的同步，设计了同步控制器。本发明可以实现在线色彩浓度控制和图案形状等印刷质量的故障诊断。
Description
技术领域
本发明涉及印刷图像检测的技术领域，尤其是指一种印刷机图案在线检测和色彩分割的方法，可以对印刷后的印刷品的图像进行在线检测和色彩分割。
背景技术
印刷质量的好坏可以从印刷品的图像得到很好的反映，通过实时检测印刷品的图像并提取其图像形状和分割出色彩可以检测出印刷过程中的某个环节的控制参数的变化和故障诊断，对于一个印刷质量参数如色彩浓度等可以进行在线实时控制，对于无法在线进行实时控制的参数，可以进行故障报警和故障诊断，甚至停机检修，减少故障带来的损失，并方便维修。所有这些的一个前提就是，需要进行在线的印刷品图像检测和色彩分割，提取相关参数，从而提供印刷机的自动化水平，保证印刷质量。
发明内容
为了实现在线色彩浓度控制和图案形状等印刷质量的故障诊断，需要对印刷过程的印刷品进行图像检测和色彩分割，本发明提出了一种印刷机图案在线检测和色彩分割的方法。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种印刷机图案在线检测和色彩分割的方法，首先，需配置有具有通信和图像处理能力的工业平板计算机及照明光源，并在印刷过程的末端安装接近传感器和工业相机，当完整的印刷成品到来时，触发工业相机拍照，获取印刷成品图像，并把该图像传给工业平板计算机；在工业平板计算机中进行图像形状和色彩分割处理，采用基于主成分分析PCA并结合现有彩色图像分割算法的新图像色彩分割算法，该算法是：首先利用PCA算法把图像分解为主特征分量和残特征分量两分量图，然后采用二次分水岭算法对残特征分量图进行分割，利用K-Means算法对主特征分量图进行聚类初分割，接着对聚类初分割后的图像进行相似色彩区域融合，最后把分割后的两分量图的进行融合，得到最终的分割结果图；接着将实时分割后的图像与存储在工业平板计算机中的标准图像对比后，得到印刷实时图像与标准图像在形状和色彩上的差异，为后续的印刷质量故障诊断和色彩浓度实时控制提供依据，为了保证印刷过程、相机拍照和计算机处理三者之间的同步，设计了同步控制器，同步控制器通过RS422通信接口与工业平板计算机通信，获得图像处理软件工作状态并把相机状态告知图像处理软件；同步控制器通过接近传感器感知印刷过程中印刷品接近状态，并结合图像处理软件的工作状态决定是否触发相机拍照；同步控制器通过I/O输出方式触发相机拍照，通过I/O输入方式获取相机工作状态，并把相机工作状态通过RS422方式告知图像处理软件；同步控制器通过功率开关电路控制照明光源；工业相机采用1000M以太网与工业平板计算机通信，实现图像数据传输；为了提高图像采集和图像处理速度，采用了多线程机制并使工业平板计算机与工业相机并行工作，结合同步机制，以适合不同印刷机类型和不同印刷速度。
所述工业平板计算机采用研华的酷睿双核工业平板电脑PPC-177T，具有1000M以太网和RS422接口，工作频率高达2.16MHz；所述工业相机采用堡盟的彩色工业相机SXG21C，具有1920×1080分辨率；所述照明光源为D65标准光源，由同步控制器通过功率开关电路控制照明光源；所述同步控制器通过接近传感器感知印刷成品的到来，通过RS422与工业平板计算机进行通信，实现工业相机和工业平板计算机的同步；所述同步控制器通过输出I/O触发工业相机拍照和获得工业相机拍照结束状态信号；所述工业平板计算机通过1000M以太网与工业相机通信，获取印刷品图像数据、设置工业相机的触发延时和曝光时间这些工作参数。
所述同步控制器接收工业平板计算机的工作参数配置和计算机容许拍摄触发信号，接收工作参数在印刷过程前，所述工业平板计算机首先初始化同步控制器和工业相机，配置印刷成品到来和拍照之间的触发时间这些工作参数，同步控制器打开照明光源；在印刷过程中，同步控制器通过其接近传感器感知印刷成品的到来，同步控制器的单片机电路采用基于Cortex-M3内核的STM32F100C8。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、采用基于机器视觉的印刷过程印刷质量检测方法，为后续色彩浓度控制和印刷过程故障诊断提供基础数据，色彩浓度的闭环控制可以提高印刷质量和印刷速度，印刷过程故障诊断降低了废品率、提高了设备维修效率。
2、采用同步控制器感知印刷成品接近和控制标准光源照明，协调印刷过程、工业相机和工业平板计算机之间的同步，适合不同的印刷速度，同时使图像数据采集和数据处理并行工作，提高系统检测效率。
3、采用D65标准光源灯管照明，减少光源对彩色照片的色彩影响。
4、充分利用标准图像的色彩数量已知信息，给实时图像一个良好的初始值，获得快速图像处理算法。
5、针对彩色图像的印刷过程中目标图像的色彩分割问题，提出了基于主成分分析并结合经典图像处理算法的新图像色彩分割算法，具有内建抗噪声滤波能力，能对目标彩色印刷图像的色彩和轮廓进行自动分割。
6、可以投资少，减少印刷机的初始配墨调节时间，方便检测实时报警，减少废品，提高质量，该方法适用面广、运营成本低，有利于推广。
附图说明
图1为印刷机图像检测原理框图。
图2为同步控制器组成结构图。
图3为印刷机图像检测过程活动图。
图4为新的印刷图像色彩分割算法。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本实施例所述的印刷机图案在线检测和色彩分割的方法，首先，需配置有具有通信和图像处理能力的工业平板计算机及照明光源，并在印刷过程的末端安装接近传感器和工业相机，当完整的印刷成品到来时，触发工业相机拍照，获取印刷成品图像，并把该图像传给工业平板计算机；在工业平板计算机中进行图像形状和色彩分割处理，采用基于主成分分析(PCA)并结合现有彩色图像分割算法的新图像色彩分割算法，该算法是：首先利用PCA算法把图像分解为主特征分量(具有较大特征值的投影图)和残特征分量(主要为图像的纹理特征)两分量图，然后采用二次分水岭算法对残特征分量图进行分割，利用K-Means算法对主特征分量图进行聚类初分割，接着对聚类初分割后的图像进行相似色彩区域融合，最后把分割后的两分量图的进行融合，得到最终的分割结果图；接着将实时分割后的图像与存储在工业平板计算机中的标准图像对比后，得到印刷实时图像与标准图像在形状和色彩上的差异，为后续的印刷质量故障诊断和色彩浓度实时控制提供依据。为了保证印刷过程、相机拍照和计算机处理三者之间的同步，设计了同步控制器，同步控制器通过RS422通信接口与工业平板计算机通信，获得图像处理软件工作状态并把相机状态告知图像处理软件；同步控制器通过接近传感器感知印刷过程中印刷品接近状态，并结合图像处理软件的工作状态决定是否触发相机拍照；同步控制器通过I/O输出方式触发相机拍照，通过I/O输入方式获取相机工作状态，并把相机工作状态通过RS422方式告知图像处理软件；同步控制器通过功率开关电路控制照明光源；工业相机采用1000M以太网与工业平板计算机通信，实现图像数据传输；为了提高图像采集和图像处理速度，采用了多线程机制并使工业平板计算机与工业相机并行工作，结合同步机制，以适合不同印刷机类型和不同印刷速度。
如图1所示，所述工业平板计算机采用研华(Advantech)的酷睿双核工业平板电脑PPC-177T，具有1000M以太网和RS422接口，工作频率高达2.16MHz，满足所需的通信和图像处理能力；工业相机采用堡盟(Baumer)的彩色工业相机SXG21C，具有1920×1080分辨率；照明光源为D65标准光源，由同步控制器通过功率开关电路控制照明光源。同步控制器通过接近传感器感知印刷成品的到来，通过RS422与工业平板计算机(IPPC)进行通信，实现工业相机和IPPC的同步；同步控制器通过输出I/O触发工业相机拍照和获得工业相机拍照结束状态信号。工业平板计算机通过1000M以太网与工业相机通信，获取印刷品图像数据、设置工业相机的触发延时和曝光时间等工作参数。
图2为同步控制器组成结构图，接收IPPC的工作参数配置和计算机IPPC容许拍摄触发信号。发送在印刷过程前，工业平板计算机首先初始化同步控制器和工业相机，配置印刷成品到来和拍照之间的触发时间等工作参数，同步控制器打开标准光源。在印刷过程中，同步控制器通过其接近传感器感知印刷成品的到来，同步控制器的单片机电路采用基于Cortex-M3内核的STM32F100C8。
图3为印刷机图像检测过程活动图；由同业平板计算机、同步控制器、工业相机和印刷过程4个活动主体构成，图3给出了主体内部的信号流和主体之间的消息，采用活动图的设计方法较好地处理了主体时间的同步关系。当完整的印刷成品到来时，同步控制器通过其接近传感器感知印刷成品的到来；同步控制器通过RS422通信接口与工业计算机通信，获得图像处理软件工作状态并把相机状态告知图像处理软件；同步控制器通过接近传感器感知印刷过程中印刷品接近状态，并结合图像处理软件的工作状态决定是否触发相机拍照；同步控制器通过I/O输出方式触发相机拍照，通过I/O输入方式获取相机工作状态，并把相机工作状态通过RS422方式告知图像处理软件；工业相机采用1000M以太网与计算机通信，实现图像数据传输。采用了多线程机制并使计算机与相机并行工作，结合同步机制，提高图像采集和图像处理速度，使得能适合不同印刷机类型和不同印刷速度。
图4为新的印刷图像色彩分割算法，可以实现对被印刷图像(原模板图像)和印刷加工后成品图像的色彩提取和区域分割，这是实现自动彩色油墨配置和色彩浓度控制的前提(少数情况下标准图像色彩已经给出，如标准图像是自行在计算机上设计出)。印刷图像中包含有丰富的色彩和轮廓及纹理特征，同时，通过成像设备获取图像不可避免含有噪声，分割算法必须对噪声有很好的滤除能力。典型的图像分割算法各有优缺点，单独使用并不能适合印刷图像分割。例如，K-Means算法存在易受噪声和孤立点影响的问题；分水岭算法对图像的梯度变化很敏感，可以用于色彩渐进过渡的印刷图像分割，但是容易造成过分割；基于图论的分割算法，由于需要人工参与确定前景和背景，不满足自动分割的要求；基于区域生长和区域分裂合并的分割算法也存在需要人工确定种子点的缺陷。针对彩色图像的印刷过程中，原图像的色彩分割问题，提出了基于PCA(主成分分析)并结合其它典型彩色图像分割方法的新分割算法。STEP401为彩色印刷品图像输入，之后进行STEP402完成PCA算法的图像分解；该算法首先利用PCA算法把图像分解为主特征分量和残特征分量两分量图，最后剩余的为高斯白噪声，在融合过程中进行剔除，因此具有内建的去噪能力；分解后的两个分量图像给经典算法的应用提供了非常合适的条件，发挥了不同类型算法的优点，避免了其缺点；在分解的基础上，STEP411利用K-Means算法对主特征分量图进行聚类初分割，STEP421采用二次分水岭算法对残特征分量图进行分割，二次分水岭算法是在初次分水岭分割图的基础上，对分割后的梯度图做形态学闭开平滑，然后再进行第二次分水岭分割，最后对二次分水岭的结果进行适当的小区域合并，该方法较好地解决了过分割的问题；接着对聚类初分割后的图像进行相似色彩区域融合STEP412和STEP422；最后把分割后的每种颜色的两分量图再进行融合STEP403，得到通过STEP404得到原图像的最终分割图。由于实际印刷过程中图像可印刷的色彩种类有限，K-Means算中的分类个数K值取为实际印刷色彩上限。若原图像的实际色彩种类大于上限，则表明该彩色印刷机不能完成原图像的印刷任务，需要更换可印色彩更多的印刷机或者采用在同一印刷机上进行多次印刷。若图像实际色彩种类小于上限，则经过初分割之后，图像中可能还存在色彩相近的区域，因此还需要进行相似颜色区域的融合。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (3)
1.一种印刷机图案在线检测和色彩分割的方法，其特征在于：首先，需配置有具有通信和图像处理能力的工业平板计算机及照明光源，并在印刷过程的末端安装接近传感器和工业相机，当完整的印刷成品到来时，触发工业相机拍照，获取印刷成品图像，并把该图像传给工业平板计算机；在工业平板计算机中进行图像形状和色彩分割处理，采用基于主成分分析PCA并结合现有彩色图像分割算法的新图像色彩分割算法，该算法是：首先利用PCA算法把图像分解为主特征分量和残特征分量两分量图，然后采用二次分水岭算法对残特征分量图进行分割，利用K-Means算法对主特征分量图进行聚类初分割，接着对聚类初分割后的图像进行相似色彩区域融合，最后把分割后的两分量图的进行融合，得到最终的分割结果图；接着将实时分割后的图像与存储在工业平板计算机中的标准图像对比后，得到印刷实时图像与标准图像在形状和色彩上的差异，为后续的印刷质量故障诊断和色彩浓度实时控制提供依据，为了保证印刷过程、相机拍照和计算机处理三者之间的同步，设计了同步控制器，同步控制器通过RS422通信接口与工业平板计算机通信，获得图像处理软件工作状态并把相机状态告知图像处理软件；同步控制器通过接近传感器感知印刷过程中印刷品接近状态，并结合图像处理软件的工作状态决定是否触发相机拍照；同步控制器通过I/O输出方式触发相机拍照，通过I/O输入方式获取相机工作状态，并把相机工作状态通过RS422方式告知图像处理软件；同步控制器通过功率开关电路控制照明光源；工业相机采用1000M以太网与工业平板计算机通信，实现图像数据传输；为了提高图像采集和图像处理速度，采用了多线程机制并使工业平板计算机与工业相机并行工作，结合同步机制，以适合不同印刷机类型和不同印刷速度。
2.根据权利要求1所述的一种印刷机图案在线检测和色彩分割的方法，其特征在于：所述工业平板计算机采用研华的酷睿双核工业平板电脑PPC-177T，具有1000M以太网和RS422接口，工作频率高达2.16MHz；所述工业相机采用堡盟的彩色工业相机SXG21C，具有1920×1080分辨率；所述照明光源为D65标准光源，由同步控制器通过功率开关电路控制照明光源；所述同步控制器通过接近传感器感知印刷成品的到来，通过RS422与工业平板计算机进行通信，实现工业相机和工业平板计算机的同步；所述同步控制器通过输出I/O触发工业相机拍照和获得工业相机拍照结束状态信号；所述工业平板计算机通过1000M以太网与工业相机通信，获取印刷品图像数据、设置工业相机的触发延时和曝光时间这些工作参数。
3.根据权利要求1所述的一种印刷机图案在线检测和色彩分割的方法，其特征在于：所述同步控制器接收工业平板计算机的工作参数配置和计算机容许拍摄触发信号，接收工作参数在印刷过程前，所述工业平板计算机首先初始化同步控制器和工业相机，配置印刷成品到来和拍照之间的触发时间这些工作参数，同步控制器打开照明光源；在印刷过程中，同步控制器通过其接近传感器感知印刷成品的到来，同步控制器的单片机电路采用基于Cortex-M3内核的STM32F100C8。
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |