DE102018211922A1

DE102018211922A1 - Automatisierte Bildsensorkalibrierung

Info

Publication number: DE102018211922A1
Application number: DE102018211922.8A
Authority: DE
Inventors: Jan Krieger; Frank Muth
Original assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Current assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2018-07-18
Publication date: 2019-03-14
Also published as: US20190077143A1; CN109484045B; CN109484045A; US10500842B2; JP2019051707A; JP7150530B2

Abstract

Verfahren zur automatisierten Bildsensorkalibrierung und Justage von Druckköpfen in einer Inkjet-Druckmaschine (4) durch einen Rechner (2, 7), mit den Schritten des Druckens eines Testdruckmusters (19, 20), der Erfassung des gedruckten Testdruckmusters (19, 20) mittels mindestens eines Bildsensors (5) zur Erstellung eines digitalen Bildes, des Bestimmens einer Koordinatentransformation zwischen den Koordinaten auf dem Testdruckmuster (19, 20) und den Koordinaten des mindestens einen Bildsensors (5) und der Druckköpfe durch den Rechner (2, 7), wobei zur Bestimmung der Koordinaten auf dem Testdruckmuster (19, 20) ein rechnergestütztes Auswerteverfahren des digitalen Bildes durchgeführt wird, des Ableitens von Korrekturwerten für die Druckkopfjustage und die Kamerakalibrierung aus den Ergebnissen der Koordinatentransformation und/oder deren Vergleich mit den ermittelten Messwerten des Testdruckmusters (19, 20) durch den Rechner (2, 7) und des Durchführens der Druckkopfjustage und Kamerakalibrierung mit den Korrekturwerten durch den Rechner (2, 7), welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das Testdruckmuster (19, 20) aus gefüllten Kreisscheiben (16) besteht und die gefüllten Kreisscheiben (16, 18) einen Mindestdurchmesser aufweisen, der so gewählt ist, dass sie auch beim Auftreten fehlerhafter Druckdüsen optimal funktionieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Bildsensorkalibrierung und Justage von Druckköpfen in einer Inkjet-Druckmaschine durch einen Rechner.
Die Erfindung befindet sich im technischen Gebiet des Digitaldrucks.
Im Digitaldruck, genauer gesagt im Bereich des Inkjetdrucks, ist die genaue Ausrichtung der Druckköpfe einer Inkjet-Druckmaschine eine absolute Notwendigkeit um nicht nur den Betrieb der Druckmaschine, sondern auch die geforderte Druckqualität sicher zu stellen. Die Ausrichtung der Inkjet-Druckköpfe in ihrer Arretierung kann handgesteuert geschehen; wird jedoch heutzutage bevorzugt automatisiert mittels kleinerer Elektromotoren durchgeführt. Um dies mit hinreichender Genauigkeit tun zu können, ist daher von Vorteil die hierfür notwendigen Informationen ebenfalls automatisiert durch ein rechnergestütztes Kalibrierverfahren zu ermitteln.
Bei vielen Druckmaschinen ist es zudem üblich, die erzeugte Druckqualität durch ein automatisiertes, kameragestütztes Bilderfassungssystem zu überprüfen. Dieses Bilderfassungssystem besteht in den meisten Fällen aus Bildsensoren, d.h. einer oder mehreren Kameras, welche in der Druckmaschine, nach dem letzten Druck- oder Lackwerk installiert sind. Es verfügt zudem über einen Bildverarbeitungsrechner, welcher die erfassten Bilder auf mögliche Druckfehler, Passer- und Registerprobleme, sowie die erreichten Druckfarbwerte untersucht. In Inkjet-Druckmaschinen wird das Bilderfassungssystem zudem verwendet, um sogenannte „Missing Nozzles“, also ausgefallene oder fehlerhaft druckende Druckdüsen, zu detektieren. Diese verursachen sogenannte „White Lines“ im Druckbild, d.h. an der Stelle wo die fehlerhaften Druckdüsen gar keine oder zu wenig Tinte abgeben oder dies abgelenkt an falscher Stelle tun, sind sichtbare streifenförmige Artefakte im Druckbild sichtbar. Diese können im Fall nur einer aufzubringender Farbe an dieser Stelle weiß sein, oder sich durch eine Farbverzerrung, im Fall von mehreren eingesetzten Farben, bemerkbar machen.
Für diese Aufgaben ist es für den Einsatz eines automatisierten, kameragestützten Bilderfassungssystems in Inkjet-Druckmaschinen notwendig, eine Koordinatentransformation zwischen dem Druckkoordinatensystem (also den Druckdüsen des Druckkopfes) und den erzeugten Kamerabildern zu berechnen, um Bereiche im Druckbild wiederzufinden, die zu verschiedenen Auswertungen herangezogen werden sollen (z.B. Auffinden von Nozzle-Testmustern im Kamerabild). Damit kann dann eine automatisierte Bildsensorkalibrierung für die verwendeten Kameras durchgeführt werden. Mit den Informationen Koordinatentransformation zwischen Druckkoordinatensystem und den erzeugten Kamerabildern kann dann in einem weiteren Schritt zudem die zielgenaue Justage der Druckköpfe vorgenommen werden.
Grundsätzlich ist die Bestimmung einer Koordinatentransformation zwischen Kamerabild und Weltkoordinaten eine etablierte Technik in der Bildauswertung und dort als „Kamerakalibrierung“ bekannt (z.B. auch verfügbar in Bildverarbeitungsbibliotheken wie OpenCV). Typischerweise werden Schachbrettartige Muster oder Punktgitter eingesetzt.
Zur Messung von Registerfehlern in (digitalen) Druckmaschinen werden of Muster eingesetzt, die noch „von Hand“ bzw. mit einem Mikroskop auswertbar sind (z.B. Abfolgen von Linien, die von den zwei zu untersuchenden Druckköpfen/Balken gedruckt werden und deren Abstände vermessen werden, oder spezifische kleine Punktmuster, bei denen die Punkte jeweils von nur einzelnen oder wenigen Druckdüsen gedruckt werden). Solche Muster erfordern eine hohe Genauigkeit und Auflösung bei der Bilderfassung und sind damit nur bedingt zur Benutzung mit einen Inline-Bilderfassungssystem in der Druckmaschine geeignet, oder erfordern sogar ein externes Messmikroskop oder spezialisierte Bildsensoren in der Druckmaschine.
Eine neuere Patentanmeldung US 20150174934 A1 aus diesem Bereich beschreibt spezielle Muster, die durch Überlagerung der Drucke von zwei Druckköpfen auswertbare Intensitätsverläufe ergeben.
Ein ähnliches Verfahren zur Justage und Überprüfung der Justage von Druckköpfen wird in der Patentschrift US 9090058 B2 beschrieben, aber ohne auf spezifische Artefakte aus Digitaldrucksystemen (z.B. missing nozzles) einzugehen, oder die Genauigkeit des Detektion der Testdruckmuster.
In der super-auflösenden Mikroskopie (PALM/STORM) wurden in den letzten Jahren Verfahren entwickelt, um die Position einzelner Lichtemitter auf einem Kamerabild hochgenau aufzufinden.
Weiterhin ist aus der Patentschrift US 8,459,773 B2 ein Verfahren zur Justage von Druckköpfen bekannt, welches gedruckte Testdruckmuster mittels einer HD-Kamera erfasst, und aus diesen Werten dann rechnergestützt Korrekturwerte für die Ausrichtung der Druckköpfe berechnet.
Nachteilig bei all diesen, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist jedoch, dass hier bisher vor allem Testdruckmuster verwendet werden, die nicht für Digitaldruck optimiert sind - z.B. Linienmuster die nur von wenigen oder einzelnen Druckdüsen gedruckt werden und somit leicht von ausgefallenen oder schräg spritzenden Düsen verfälscht werden. Sie sind zudem nicht auf die Auswertung mit automatischen Bildverarbeitungssystemen ausgelegt. So sind die häufig im Stand der Technik verwendeten Linienmuster wesentlich schwerer aufzufinden und zu vermessen als andere Testdruckmuster, wie z.B. Kreisscheiben.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die verwendeten Testdruckmuster nicht für die Bildaufnahme mit typischen Inline-Bilderfassungssystemen, wie dem beschriebenen Kamerasystem, ausgelegt sind, sondern auf die Vermessung mit externen, separaten Messmikroskopen. Sie sind weiterhin oft nicht darauf ausgelegt, die Genauigkeit des Druckprozess zu erreichen - und dass trotz der Verwendung eines niedriger auflösenden Kamerasystems, das die Datenmenge und Verarbeitungszeit in einem vernünftigen Rahmen hält.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zu finden, welches eine verbesserte und effizientere automatisierte Bildsensorkalibrierung und Justage von Druckköpfen in einer Inkjet-Druckmaschine ermöglicht als die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur automatisierten Bildsensorkalibrierung und Justage von Druckköpfen in einer Inkjet-Druckmaschine durch einen Rechner, mit den Schritten des Druckens eines Testdruckmusters, der Erfassung des gedruckten Testdruckmusters mittels mindestens eines Bildsensors zur Erstellung eines digitalen Bildes, des Bestimmens einer Koordinatentransformation zwischen den Koordinaten auf dem Testdruckmuster und den Koordinaten des mindestens einen Bildsensors und der Druckköpfe durch den Rechner, wobei zur Bestimmung der Koordinaten auf dem Testdruckmuster ein rechnergestütztes Auswerteverfahren des digitalen Bildes durchgeführt wird, des Ableitens von Korrekturwerten für die Druckkopfjustage und die Kamerakalibrierung aus den Ergebnissen der Koordinatentransformation und/oder deren Vergleich mit den ermittelten Messwerten des Testdruckmusters durch den Rechner und des Durchführens der Druckkopfjustage und Kamerakalibrierung mit den Korrekturwerten durch den Rechner, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass das Testdruckmuster aus gefüllten Kreisscheiben besteht und die gefüllten Kreisscheiben einen Mindestdurchmesser aufweisen, der so gewählt ist, dass sie auch beim Auftreten fehlerhafter Druckdüsen optimal funktionieren. Gegenüber den bekannten Standardverfahren erfolgt hier eine Anpassung der Auswerteverfahrens an die speziellen Bedingungen in Inkjet-Druckmaschinen:

• Formulieren spezieller Algorithmen zum Auffinden einzelner Kreisscheiben in einem Druckmuster, sodass sie auch bei Vorhandensein einer begrenzten Anzahl von WhiteLines/Schrägspritzern noch eine Genauigkeit erreichen, die genügt, um einzelne Druckdüsen exakt zu positionieren (d.h. besser als 0.5 Druckdüsen oder im Falle der PrimeFire besser als 0.3 Kamerapixel
• Entwurf von automatischen Prüfverfahren, sodass die Auswertung auch ohne Überwachung durch einen Menschen robust abläuft.
• Automatische Erkennung und Ausschluss von Ausreißern in den Daten, z.B. auch von ganzen verstellten Druckköpfen).
• Ableiten von spezifischen Informationen über die einzelnen Druckköpfe, gleichzeitig mit der Kalibrierung der Koordinatentransformation (keine zwei Drucke nötig).
• Entwurf des Druckmusters (Kreisgröße, Verteilung auf dem Bogen für mehrere Farben), sodass die obigen Algorithmen erfolgreich sein können und die geforderte Genauigkeit über den gesamten Bogen eingehalten wird
• Entwurf der Druckmuster, sodass die spezifischen Gegebenheiten der digitalen Druckmaschine (Aufteilung in unabhängig montierte Druckköpfe in jedem Balken) berücksichtigt werden und sodass die Parameter der einzelnen Druckköpfe bestimmt werden können (mehrere Punkte pro Druckkopf, keine Punkte im Stitchingbereich ...)

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet gegenüber dem Stand der Technik mehrere Vorteile. So ist nur ein Testdruckmuster nötig, um verschiedene Parameter in einem Schritt zu berechnen, was Makulaturbögen und Zeit einspart. Die Koordinatentransformation muss in jedem Fall täglich bestimmt werden sodass das erfindungsgemäße Verfahren Mehrnutzen aus diesem Vorgang zieht. Weiterhin sind keine speziellen Registersensoren nötig, was bzgl. der Inkjet-Druckmaschine Einsparungen bzw. Reduktion der hinsichtlich der Komplexität der Druckmaschine erlaubt. Zudem wertet hier ein einziges Kamerasystem viele Aspekte aus. So kann das System Synergien zwischen den unterschiedlichen Auswertungen nutzen und Daten aus verschiedenen Quellen einfach kombinieren, um die Ergebnisse zu verbessern und gegeneinander zu prüfen.
Der ideale Mindestdurchmesser der gefüllten Kreisscheiben hängt dabei im Wesentlichen von der Kameraauflösung ab. Die Scheibengröße lässt sich experimentell mit Hilfe einer Simulation bestimmen. Für Bilder von hoher Qualität aus dem unten beschriebenen Kamerasystem genügt eine Zielgröße von 60 Kamerapixeln oder bei 670dpi Kamerauflösung >2.2mm Durchmesser.
Vorteilhafte und daher bevorzugte Weiterbildungen dieser Erfindung ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen.
Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei, dass für alle verwendeten Farbauszüge ein Testdruckmuster bestehend aus gefüllten Kreisscheiben gedruckt wird, wobei jeder Druckkopf mindestens zwei vollständige Zeilen von mindestens drei Kalibrierpunkten in Form der gefüllten Kreisscheiben druckt die nicht im Stitching-Bereich des Druckkopfes liegen und wobei die mindestens zwei vollständige Sätze so über das Drucksubstrat verteilt sind, dass ein möglichst großer Bereich in Papiertransportrichtung aufgespannt wird. Auf einem Druckbogen werden Zeilen von gefüllten Kreisscheiben angeordnet, sodass jeder Druckkopf Scheiben erzeugt. Pro Druckkopf sind dabei mindestens drei Scheiben so verteilt, dass sie nicht im Stitching-Bereich gedruckt werden. Jeder Druckkopf sollte mindestens zwei vollständige Sätze von nebeneinanderliegenden Kreisscheiben drucken. Die Scheiben sind dabei so über den Bogen zu verteilen, dass ein möglichst großer Bereich in y-Richtung aufgespannt wird. Dies garantiert eine hohe Auflösung in Beiden Koordinatenrichtungen (x: Druckbalkenrichtung, y: Papiertransportrichtung). Dieses Testdruckmuster wird dabei für alle verwendeten Farbauszüge gedruckt und entsprechend ausgewertet.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei, dass ein Testdruckmuster bestehend aus gefüllten Kreisscheiben gedruckt wird, wobei jeder Druckkopf mindestens zwei vollständige Blöcke aus Zeilen von mindestens zwei Kalibrierpunkten in Form der gefüllten Kreisscheiben druckt, die nicht im Stitching-Bereich des Druckkopfes liegen, wobei jeder Block mindestens eine Zeile von mindestens zwei Kalibrierpunkten für jeden verwendeten Farbauszug enthält und wobei die Zeilen von mindestens zwei Kalibrierpunkten so über das Drucksubstrat verteilt sind, dass ein möglichst großer Bereich in Papiertransportrichtung aufgespannt wird. In dieser Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält das zu druckende, bereits beschriebene Testdruckmuster Zeilen von Kalibrierpunkten eines jeden verwendeten Farbauszuges. Vorteil ist, dass somit lediglich ein Testdruckmuster gedruckt werden muss, welches sämtliche Farbauszüge und damit alle für das Verfahren notwendigen Informationen über alle zu benutzenden Druckköpfe enthält. Es muss nicht für jeden Farbauszug, bzw. Druckkopf ein eigenes Testdruckmuster gedruckt und ausgewertet werden. Dafür ist in dieser Ausführung das zu druckende Testdruckmuster etwas komplexer und enthält pro Farbauszug weniger Kalibrierpunkte als in der Ausführung mit einem Testdruckmuster pro Farbauszug.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei, dass der zu bedruckende und von mindestens einen Bildsensor erfasste Bereich auf dem Drucksubstrat in, der Anzahl der verwendeten Bildsensoren entsprechende, Bildsensorbereiche aufgeteilt wird und in jedem der mindestens einen Bildsensorbereiche mittig oberhalb der Kalibrierpunkte ein Referenzpunkt in Form einer gefüllten Kreisscheibe gedruckt wird, welcher zur Referenzierung innerhalb eines einzelnen Bildsensorbereichs dient. Mit etwas Abstand zu den großen Zeilen und möglichst nahe am Beginn des Druckmusters wird pro Kamera ein zusätzlicher, abgesetzter Punkt angeordnet, der eine Referenzierung („Aufpunkt“) für die Punktsuche ermöglicht.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei, dass für das Erfassen des gedruckten Düsentestmusters mittels mindestens eines Bildsensors ein Kamerasystem bestehend aus mehreren nebeneinander angeordneten Zeilenkameras verwendet wird, wobei die Zeilenkameras das gedruckte Düsentestmusters mit einer Auflösung von mindestens 40-60% der Druckauflösung erfassen. In Vorlaufrichtung sind die Kameras mit dem Druckzeilentakt synchronisiert, sodass die Bilder verzerrungsfrei aufgezeichnet werden - auch bei vorgespannten Papierbahnen auf einer Rollen-Inkjetdruckmaschine. Die Kameras sind mit einem schnellen Datenauswerterechner verbunden, auf dem das Verfahren ausgeführt wird. Die Ergebnisse werden dann über eine Netzwerkschnittstelle an die Maschinensteuerung und eine Anzeige für den Anwender, z.B. auf einem Wallscreen weitergereicht.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei, dass das rechnergestützte Auswerteverfahren zur Bestimmung der Koordinaten auf dem Testdruckmuster mittels der Detektion des Zentrums der Kalibrierpunkte erfolgt, die folgenden Schritte umfasst:

• Umwandlung des erfassten Düsentestmusters in ein kontrastreiches Graustufenbild
• Ausschneiden einer Bildregion aus dem digitalen Gesamtbild
• optional das Durchführen einer Kantendetektion
• optional das Umwandeln der Bildregion in ein Binärbild und Herausfiltern von Linienartefakten aus dem Binärbild
• optional das Erweitern des Binärbildes um ein Kreuz durch den Mittelpunkt der Kreisscheibe zur Erzeugung einer Binärmaske
• optional das Verbreitern der Binärmaske durch Dilatation
• Bestimmung der Parameter eines Modells des Druckpunktes aus dem Originalbild, optional unter Verwendung der Binärmaske
• Überprüfen der Ergebnisse, insbesondere ob sich das Zentrum und der Radius der Kreisscheibe im erwarteten Bereich befinden

Für das Verfahren zur Koordinatentransformation ist ein Verfahren nötig, das den Mittelpunkt einer Kreisscheibe sub-pixel genau bestimmt. Dieser Algorithmus funktioniert auch noch, wenn die Kreisscheibe nicht komplett im ROI liegt, sondern nur ein Anteil >50-60% sichtbar ist. Allerdings leidet dann evtl. die Genauigkeit. Die kann aber über eine Gewichtung oder ein Scoring der Ergebnisse berücksichtig werden. Einige Verfahrensschritte sind optional. Ihre Durchführung ermöglicht jedoch einen schnelleren oder genaueren Verfahrensablauf.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei, dass die Koordinatentransformation durch den Rechner die folgenden Schritte umfasst:

• Suchen des Referenzpunktes im aktuell ausgewerteten Bereich des Düsentestmusters mittels bereits vorliegender theoretisch berechneter Koordinatentransformation
• Bei Existenz mehrerer Farbkanäle der Kamera, Auswahl des kontrastreichsten Farbkanals
• Verfeinern der initialen Koordinatentransformation mit den Zentrumskoordinaten des Referenzpunktes
• Bestimmen der Positionen der vorhandenen Kalibrierpunkte durch Ausschneiden von Bildregionen jeweils um die Kalibrierpunkte und Durchführung des zuvor beschriebenen Auswerteverfahrens
• Herausfiltern abweichender Kalibrierpunkte und Fehler
• Ermitteln der Parameter eines Modells der Koordinatentransformation mit den verbleibenden Kalibrierpunkten, wenn nach der Filterung genügend Kalibrierpunkte verbleiben
• Bestimmen der Abweichung der Kalibrierpunkte von ihrer erwarteten Idealposition
• Zusammenfassen der Abweichungen als Ergebnisse für die einzelnen Druckköpfe

Mit diesem Verfahren wird die notwendige Koordinatentransformation zwischen den Koordinaten auf dem Testdruckmuster und den Koordinaten des mindestens einen Bildsensors und der Druckköpfe durchgeführt. Mit dieser können dann die Korrekturwerte für die Druckkopfjustage und die Kamerakalibrierung aus den Ergebnissen der Koordinatentransformation durch den Rechner abgeleitet werden und die Druckkopfjustage und Kamerakalibrierung mit diesen Korrekturwerten durchgeführt werden.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei, dass die für mehrere Farbauszüge berechneten Koordinatentransformationen verwendet werden, um Passer- und Registerabweichungen in Form von Positionsabweichungen der einzelnen Druckfarben zueinander zu ermitteln und zu korrigieren. Die Ermittlung von Passer- und Registerabweichungen mittels des Bilderfassungssystems und des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht den Verzicht auf eine separate Bestimmung dieser Abweichungen mittels Sensoren und/oder eines eigenen Verfahrens aus den Daten des Bilderfassungssystems.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei, dass die Berechnung der Passerabweichungen an verschiedenen Stellen im Testdruckmuster verteilt vorgenommen und so ein gemittelter Wert für die Passerabweichungen bestimmt wird. Die Bestimmung der Passer- und Registerabweichungen mittels des Bilderfassungssystems wird idealerweise an verschiedenen Stellen über den Bogen verteilt vorgenommen und ein gemittelter Fehler zurückgegeben.
Die Erfindung als solche sowie konstruktiv und funktionell vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen anhand wenigstens eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In den Zeichnungen sind einander entsprechende Elemente mit jeweils denselben Bezugszeichen versehen.
Die Zeichnungen zeigen:

1: einen strukturellen Aufbau eines Bilderfassungssystems
2: einen radialen Intensitätsverlauf in einer Kreisscheibe
3: die Filterung von Streifenartefakten in den Bildmasken
4: ein Beispiel eines verwendeten Testmusterbogens für einen Farbauszug
5: ein Beispiel eines verwendeten Testmusterbogens mit allen Farbauszügen
6: den schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens

Das erfindungsgemäße Verfahren ist als Teil einer Kamera-Auswertesoftware in einer Inkjet-Druckmaschine 4, bevorzugt in einer Bogeninkjet-Druckmaschine 4 und einer weiteren bevorzugten Ausführung in gleicher Struktur auch in einer Rolleninkjet-Druckmaschine 4, implementiert. Das hierfür notwendige Bilderfassungssystem 1 besitzt ein Kamerasystem 5 bestehend aus einer oder mehreren nebeneinander angeordneten Zeilenkameras, die den Bogen/das Etikett nach dem Druck mit hoher Auflösung einlesen. Der schematische Aufbau ist in 1 dargestellt. Die Auflösung der Kameras 5 beträgt dabei etwa 40-60% der Druckauflösung. In Vorlaufrichtung sind die Kameras 5 mit dem Druckzeilentakt synchronisiert - oder mit einem Takt, der von der Bahn abgenommen wird (Drehgeber, Laufrad, ...) - sodass die Bilder verzerrungsfrei aufgezeichnet werden - dies gilt auch bei vorgespannten Papierbahnen auf einer Rolleninkjet-Druckmaschine 4. Die Kameras sind mit einem schnellen Datenauswerterechner 7 verbunden, auf dem das Verfahren ausgeführt wird. Es ist auch möglich, das Verfahren auf dem Steuerungsrechner 2 der Druckmaschine 4 durchzuführen, jedoch wird die Ausführungen über den Datenauswerterechner, bzw. Bildverarbeitungsrechner 7 bevorzugt. Die Ergebnisse werden dann über eine Netzwerkschnittstelle an die Maschinensteuerung und eine Anzeige für den Bediener 6 (z.B. am Wallscreen/Display 3 der Druckmaschine 4) weitergereicht.
Zunächst wird im Folgenden das für das erfindungsgemäße Verfahren benötigte Testdruckmuster 20 beschrieben, welches in einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante in 5 für mehrere Farbauszüge dargestellt ist und damit Daten für alle entsprechend verwendeten Druckköpfe generiert. Es ist jedoch auch möglich, in einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ein Testdruckmuster 19 zu verwenden, welches Daten nur für einen Farbauszug enthält. Ein solches Testdruckmuster 19 ist in 4 dargestellt. In diesem Fall muss dann natürlich das Testdruckmuster 19 für jeden Farbauszug gedruckt und ausgewertet werden.
Auf einem Druckbogen werden Zeilen von gefüllten Kreisscheiben 16, 18 angeordnet, sodass jeder Druckkopf Schreiben erzeugt. Pro Druckkopf sind dabei mindestens drei Scheiben 16, 18 so verteilt, dass sie nicht im Stitching-Bereich gedruckt werden. Jeder Druckkopf sollte mindestens zwei vollständige Sätze von nebeneinanderliegenden Kreisscheiben 16, 18 drucken. Die Scheiben 16, 18 sind dabei so über den Bogen zu verteilen, dass ein möglichst großer Bereich in y-Richtung aufgespannt wird. Dies garantiert eine hohe Auflösung in Beiden Koordinatenrichtungen (x: Druckbalkenrichtung, y: Papiertransportrichtung). Die Scheiben 16, 18 müssen groß genug sein, dass sie für das erfindungsgemäße Verfahren gute Ergebnisse auch beim Vorliegen von White Lines oder schräg spritzenden Düsen bringen. Die Scheibengröße lässt sich experimentell mit Hilfe einer Simulation bestimmen. Für Bilder von hoher Qualität aus dem oben beschriebenen Kamerasystem 5 genügt eine Zielgröße von 60 Kamerapixeln oder bei 670dpi Kamerauflösung >2.2mm Durchmesser. Mit etwas Abstand zu den großen Zeilen und möglichst nahe am Beginn des Druckmusters wird pro Kamera 5 ein zusätzlicher, abgesetzter Punkt 15, 17 angeordnet, der eine Referenzierung („Aufpunkt“) für die Punktsuche ermöglicht. Die Anforderungen sind die gleichen, wie bereits beschrieben.
Für die folgenden Verfahren ist ein Teilverfahren nötig, das den Mittelpunkt einer Kreisscheibe 16, 18 sub-pixel genau bestimmt. Das hierfür verwendete Verfahren läuft folgendermaßen ab:
Da die Druckfarbe für den zu untersuchenden Punkt bekannt ist, kann das Bild mit Hilfe dieser Information, z.B. durch Auswahl des Kanals R,G oder B mit höchstem Kontrast zum Bedruckstoff, ideal in ein kontrastreiches Graustufenbild gewandelt werden. Eine Region (ROI) etwa 2x größer als der eigentliche Punkt 16, 18 wird aus dem in Graustufen gewandelten Gesamtbild ausgeschnitten. In der ROI mit der Kreisscheibe 9 wird eine Kantendetektion durchgeführt, sodass der Rand des Punktes als 1-Pixel breite Linie in einem Binärbild 10 stehen bleibt. Um nun Linienartefakte 9, 10 in den Kreisscheiben 16, 18 herauszufiltern, die sich jetzt als Doppellinien 11, 12 abzeichnen wird ein weiterer Filter angewendet, der zunächst vertikale Linien 11, 12 im Binärbild findet, die aus einem Pixel bestehen und mind. 9 Pixel hoch sind und diese dann von der Maske abzieht, was in einer fehlerfreien Kreisscheibe 13 nach der Kantendetektion resultiert. Die Grenze von mind. 9 Pixeln ist zur Anpassbarkeit des Verfahrens an andere Kameraauflösungen konfigurierbar ausgelegt. Das Binärbild wird um ein Kreuz durch den approximativ als Massenschwerpunkt bestimmten Mittelpunkt der Kreisscheibe erweitert. Das Ergebnis wird als MASKE 13 bezeichnet. Die MASKE 13 wird schließlich durch Dilatation auf 3-5 Pixel verbreitert 14. Dies ist in 3 entsprechend dargestellt. Um wieviel Pixel genau erweitert wird, ist abhängig von der Abbildungsleistung, bzw. der Sprungantwort des verwendeten Kamerasystems. Nun wird ein nicht-linearer Least-Squares-Fit an die maskierten ROI-Daten durchgeführt, wobei die Parameter eines Modells des Druckpunktes bestimmt werden. Das Modell wird definiert durch einen radialen Intensitätsverlauf f(r) 8 vom Mittelpunkt (x0,y0) der Kreisscheibe nach außen. Dies ist in 2 gut zu sehen. Der radiale Intensitätsverlauf f(r) 8 ist im Wesentlichen ein Sprung vom zentralen Farbwert (A0+A1) auf den Hintergrundwert A0 beim Radius r0 definiert, der noch auf eine Breite w aufgeweitet wird, um die begrenzte Abbildungsleistung des Objektivs zu berücksichtigen. Außerdem kann ein Asymmetriefaktor a berücksichtigt werden, um z.B. ungleiche Auflösungen in x- und y-Richtung zu berücksichtigen. Dies betrifft auch z.B. eine Reduktion der Auflösung in einer Richtung, um höhere Druckgeschwindigkeiten auszugleichen.
Für all diese Parameter werden zunächst sinnvolle Startparameter gewählt. Solche Parameter sind z.B. der Massenschwerpunkt des Bildes für x₀, y₀, der aus dem Druckbild erwartete Radius für r₀, Maschinen-Erfahrungswerte für w, etc. Dann wird der Fit mit einem Standard-Verfahren der Numerik, wie z.B. einem Levenberg-Marquardt-Verfahren ausgeführt.
Die Ergebnisse werden auf Sinnhaftigkeit überprüft. So muss z.B. der Radius, bzw. das Zentrum im erwarteten Bereich liegen. Ist dies nicht der Fall, so wird der entsprechende Punkt 16, 18 im Zweifel verworfen und nicht für die Koordinatentransformation herangezogen. Dieser Algorithmus funktioniert auch noch, wenn die Kreisscheibe 16, 18 nicht komplett im ROI liegt, sondern nur ein Anteil >50-60% sichtbar ist. Allerdings leidet dann evtl. die Genauigkeit. Die kann aber über eine Gewichtung oder ein Scoring der Ergebnisse berücksichtig werden.
Das eigentliche erfindungsgemäße Verfahren besonders hinsichtlich der Koordinatentransformation zwischen Druckbild und den erfassten Kamerabildern ist in 6 schematisch aufgezeigt und gliedert sich in mehrere Schritte:

1. Startend mit einer groben - theoretisch bestimmten - initialen Koordinatentransformation wird der große „Aufpunkt“ 15, 17 gesucht. Außerdem wird die Druckfarbe dieses Punktes aus dem RGB-Farbwert der Pixel im Punkt klassifiziert. Der Punkt wird gefunden, indem eine große ROI um die erwartete Punktposition ausgeschnitten und dann in x- und y-Richtung aufsummiert wird. In diesen so entstandenen zwei Vektoren wird von außen nach innen, von Beiden Rändern ausgehend ein Intensitätssprung gesucht, der einen mehr als 3 Pixel breiten Bereich einleitet. Für diesen Bereich wird der Farbkontrast bestimmt. Dieser Schritt wird für alle drei Farbkanäle wiederholt und somit der Kontrastreichste Kanal ausgewählt. Außerdem kann im erwarteten Punktzentrum, welches hierdurch auf einige Pixel genau bekannt ist, die Druckfarbe gegen eine hinterlegte Tabelle von Druckfarbcharakteristika klassifiziert werden. Basierend auf dieser groben Positionierung wird dann das oben beschriebene Verfahren angewendet, um die Ergebnisse zu verfeinern.
2. Mit den Zentrumskoordinaten des großen Punktes wird die initiale Koordinatentransformation verfeinert, bzw. referenziert.
3. Mit der verfeinerten Koordinatentransformation können jetzt ROIs um die Einzelpunkte 16, 18 ausgeschnitten werden und ihre Positionen mit dem bereits beschriebenen Verfahren bestimmt werden. Zu jedem Punkt 16, 18 sind jetzt die Fit-Ergebnisse, also seine Koordinaten in Kamerapixeln x_m, y_m und seine Idealposition in Druckdots x_d, y_d bekannt.
4. Nun werden aus der Punktliste Ausreißerpunkte und Fehler herausgefiltert. Dazu werden mehrere der folgenden Kriterien herangezogen:
1. a. Ein minimaler und maximaler Kontrast zwischen RGB-Werten im Punkt und im Hintergrund muss vorliegen
2. b. Der Punktdurchmesser muss im erwarteten Bereich liegen
3. c. Die Punktasymmetrie muss in einem begrenzten Bereich um den erwarteten Wert liegen, was bei unverzerrten Bildern dem Wert 1 entspricht
4. d. Die Kantensteilheit muss in einem erwarteten Bereich liegen
5. e. Die Zentrumsposition darf nicht zu weit außen liegen, sodass möglichst der ganze Punkt noch im Bereich liegt
6. f. In jeder Zeile des regelmäßigen Gitters muss eine Druckmotiv-abhängige Mindestzahl von Punkten gefunden worden sein, sonst wird die ganze Zeile aussortiert
7. g. In jeder Spalte des regelmäßigen Gitters muss eine Druckmotiv-abhängige Mindestzahl von Punkten gefunden worden sein, sonst wird die ganze Zeile aussortiert
5. Mit den verbleibenden Punkte-Wertpaaren (x_m, y_m, x_d, y_d) werden dann die Parameter eines Modells der Koordinatentransformation mit einem nicht-linearen Least-Squares-Algorithmus, z.B. dem Levenberg-Marquardt- Algorithmus, bestimmt. Dieses Modell besteht zum einen aus einer linearen Koordinatentransformation mit Scher-Term und zum anderen aus einem Korrekturterm für die Verzerrung der Optik, einem Polynom 3. Grades und weiterer Artefakte der Kamera 5, wie z.B. geteilten Sensoren (sh. z.B. den „Spalt“ in 6), und weiteren Parametern, wie in 6 ersichtlich ist.
6. Schließlich werden mit dem Modell aus dem letzten Schritt zur Überprüfung die Punkte 16,18 x_m, y_m in Druckdots umgerechnet und ihre Abweichung der erwarteten Idealposition bestimmt. Diese wird als Fehler angesehen.
7. Nun können die so ermittelten Abweichungen druckkopfweise geprüft werden, um evtl. deutlich verstellte Druckköpfe zu detektieren. Die Punkte 16, 18 dieser Köpfe werden dann, falls es sich nicht um zu viele Punkte 16,18 handelt, aus der Liste entfernt oder ihnen wird ein niedrigeres Bemessungsgewicht zugewiesen. Ein hierfür geeignetes Statistik-Verfahren für Regression ist z.B. das IRLS (iteratively reweighted leastsquares). Das Verfahren springt zu Schritt 5 zurück. Evtl. kann diese Schleife auch mehrfach wiederholt werden, innerhalb einer vom Anwender anzugebenden Maximalwiederholungszahl. Die so detektierten Ausreißer-Druckköpfe werden dem Anwender der Druckmaschine zur Kontrolle, bzw. Nachjustage der Druckköpfe gemeldet. Zur Nachjustage kann eine Verstellung berechnet werden, indem die Abweichungen der tatsächlichen Druckkopf-Positionen von der durch die korrigierte Koordinatentransformation erwarteten Position ausgegeben werden.
8. Die Berechnung erfolgte bis hierhin jeweils pro Kamera 5. Daher werden diese Einzelergebnisse anschließend zu einem Gesamtergebnis zusammengefügt. Dazu werden Punkte benutzt, die zu mehr als 50% im Überlappbereich zweier benachbarter Kameras 5 liegen. Evtl. werden die Positionen x_m, y_m vorher auf die Scherung korrigiert, die für jede Kamera 5 separat bestimmt wurde, siehe z.B. die Koordinatentransformationsparameter. Um diesen Schritt zu ermöglichen kann es sinnvoll sein, im Überlappbereich der Kameras 5, in dem sich kein Überlappbereich von Druckköpfen befinden darf, mehr Kreisscheiben 16, 18, als in den anderen Bereichen zu drucken.
9. Anschließend werden Ergebnisse der Kalibrierung für die einzelnen Druckköpfe zusammengefasst und ausgewertet. Für jeden Druckkopf kann so eine mittlere Abweichung der Position seiner Drucke in x- und y- Richtung von der erwarteten Position aus der Koordinatentransformation, oder z.B. der Position der Punkte im nächsten, bzw. vorherigen Druckkopf berechnet werden. Dies entspricht den Registerfehlern der Einzeldruckköpfe, die zur Kontrolle der Einstellung und evtl. der Nachjustierung innerhalb einer Farbe herangezogen werden können.
10. Registerfehler: Bei Vorliegen von Koordinatentransformationen für mehrere Druckfarben können diese zudem in einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante verwendet werden, um die Positionsabweichungen der einzelnen Druckfarben zueinander zu bestimmen. Dazu wird eine feste Koordinate in Kamerapixeln nacheinander in die Druckpixel-Positionen der einzelnen Farben gewandelt. Bei einer ideal eingestellten Maschine müssen sich, bis auf einen kleinen Fehler von < 1 Druckpixel, die gleichen Koordinaten ergeben. Ist dies nicht der Fall, so kann die Abweichung zu einer Referenzfarbe als Registerfehler ausgegeben werden. Diese Bestimmung wird idealerweise an verschiedenen Stellen über den Bogen verteilt vorgenommen und ein gemittelter Fehler zurückgegeben.

Bezugszeichenliste

1: Bilderfassungssystem
2: Steuerungsrechner der Inkjet-Druckmaschine
3: Display
4: Inkjet-Druckmaschine
5: Bildsensor/Kamerasystem
6: Anwender
7: Bildverarbeitungsrechner
8: radialer Intensitätsverlauf in einer Kreisscheibe
9: Kreisscheibe mit streifenförmigem Artefakt
10: Kreisscheibe mit streifenförmigem Artefakt nach Kantendetektion
11: streifenförmiges Artefakt in Form einer Doppellinie nach Kantendetektion
12: streifenförmiges Artefakt in Form einer Doppellinie nach Kantendetektion invertiert
13: Umriss der Kreisscheibe nach Kantendetektion und Artefaktentfernung (Maske)
14: erstellte Maske nach Verbreiterung des Umrisses der Kreisscheibe
15: Aufpunkt zur Referenzierung für einen Farbauszug
16: Kalibrierpunkte/Kreisscheiben eines Farbauszuges
17: Aufpunkte zur Referenzierung für weitere Farbauszüge
18: Kalibrierpunkte/Kreisscheiben weiterer Farbauszüge
19: Testdruckmuster für einen Farbauszug
20: Testdruckmuster für mehrere Farbauszüge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20150174934 A1 [0008]
US 9090058 B2 [0009]
US 8459773 B2 [0011]

Claims

Verfahren zur automatisierten Bildsensorkalibrierung und Justage von Druckköpfen in einer Inkjet-Druckmaschine (4) durch einen Rechner (2, 7), mit den Schritten des Druckens eines Testdruckmusters (19, 20), der Erfassung des gedruckten Testdruckmusters (19, 20) mittels mindestens eines Bildsensors (5) zur Erstellung eines digitalen Bildes, des Bestimmens einer Koordinatentransformation zwischen den Koordinaten auf dem Testdruckmuster (19, 20) und den Koordinaten des mindestens einen Bildsensors (5) und der Druckköpfe durch den Rechner (2, 7), wobei zur Bestimmung der Koordinaten auf dem Testdruckmuster (19, 20) ein rechnergestütztes Auswerteverfahren des digitalen Bildes durchgeführt wird, des Ableitens von Korrekturwerten für die Druckkopfjustage und die Kamerakalibrierung aus den Ergebnissen der Koordinatentransformation und/oder deren Vergleich mit den ermittelten Messwerten des Testdruckmusters (19, 20) durch den Rechner (2, 7) und des Durchführens der Druckkopfjustage und Kamerakalibrierung mit den Korrekturwerten durch den Rechner (2, 7), dadurch gekennzeichnet, dass das Testdruckmuster (19, 20) aus gefüllten Kreisscheiben (16) besteht und die gefüllten Kreisscheiben (16, 18) einen Mindestdurchmesser aufweisen, der so gewählt ist, dass sie auch beim Auftreten fehlerhafter Druckdüsen optimal funktionieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für alle verwendeten Farbauszüge ein Testdruckmuster (19) bestehend aus gefüllten Kreisscheiben (16) gedruckt wird, wobei jeder Druckkopf mindestens zwei vollständige Zeilen von mindestens drei Kalibrierpunkten (16) in Form der gefüllten Kreisscheiben (16) druckt die nicht im Stitching-Bereich des Druckkopfes liegen und wobei die mindestens zwei vollständige Sätze so über das Drucksubstrat verteilt sind, dass ein möglichst großer Bereich in Papiertransportrichtung aufgespannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Testdruckmuster (20) bestehend aus gefüllten Kreisscheiben (18) gedruckt wird, wobei jeder Druckkopf mindestens zwei vollständige Blöcke aus Zeilen von mindestens zwei Kalibrierpunkten (18) in Form der gefüllten Kreisscheiben (18) druckt, die nicht im Stitching-Bereich des Druckkopfes liegen, wobei jeder Block mindestens eine Zeile von mindestens zwei Kalibrierpunkten (18) für jeden verwendeten Farbauszug enthält und wobei die Zeilen von mindestens zwei Kalibrierpunkten (18) so über das Drucksubstrat verteilt sind, dass ein möglichst großer Bereich in Papiertransportrichtung aufgespannt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zu bedruckende und vom mindestens einen Bildsensor (5) erfasste Bereich auf dem Drucksubstrat in, der Anzahl der verwendeten Bildsensoren (5) entsprechende, Bildsensorbereiche aufgeteilt wird und in jedem der mindestens einen Bildsensorbereiche mittig oberhalb der Kalibrierpunkte (16, 18) ein Referenzpunkt (15, 17) in Form einer gefüllten Kreisscheibe (15 ,17) gedruckt wird, welcher zur Referenzierung innerhalb eines einzelnen Bildsensorbereichs dient.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Erfassen des gedruckten Testdruckmusters (19, 20) mittels mindestens eines Bildsensors (5) ein Kamerasystem (5) bestehend aus mehreren nebeneinander angeordneten Zeilenkameras (5) verwendet wird, wobei die Zeilenkameras (5) das gedruckte Testdruckmuster (19, 20) mit einer Auflösung von mindestens 40-60% der Druckauflösung erfassen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das rechnergestützte Auswerteverfahren zur Bestimmung der Koordinaten auf dem Testdruckmuster (19, 20) mittels der Detektion des Zentrums der Kalibrierpunkte (16, 18) erfolgt, die folgenden Schritte umfasst: • Umwandlung des erfassten Testdruckmusters (19, 20) in ein kontrastreiches Graustufenbild • Ausschneiden einer Bildregion (9) mit einer Kreisscheibe (16, 18) aus dem digitalen Gesamtbild • optional das Durchführen einer Kantendetektion (10) • optional das Umwandeln der Bildregion (10) in ein Binärbild und Herausfiltern von Linienartefakten (11, 12) aus dem Binärbild • optional das Erweitern des Binärbildes um ein Kreuz durch den Mittelpunkt der Kreisscheibe (16, 18) zur Erzeugung einer Binärmaske (13) • optional das Verbreitern der Binärmaske durch Dilatation (14) • Bestimmung der Parameter eines Modells des Druckpunktes aus dem digitalen Gesamtbild, optional unter Verwendung der Binärmaske (14) • Überprüfen der Ergebnisse, insbesondere ob sich das Zentrum und der Radius der Kreisscheibe (16, 18) im erwarteten Bereich befinden
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordinatentransformation durch den Rechner (2, 7) die folgenden Schritte umfasst: • Suchen des Referenzpunktes (15, 17) im aktuell ausgewerteten Bereich des Testdruckmusters (19, 20) mittels bereits vorliegender theoretisch berechneter Koordinatentransformation • Bei Existenz mehrerer Farbkanäle der Kamera, Auswahl des kontrastreichsten Farbkanals • Verfeinern der initialen Koordinatentransformation mit den Zentrumskoordinaten des Referenzpunktes (15, 17) • Bestimmen der Positionen der vorhandenen Kalibrierpunkte (16, 18) durch Ausschneiden von Bildregionen jeweils um die Kalibrierpunkte (16, 18) und Durchführung des Auswerteverfahrens • Herausfiltern abweichender Kalibrierpunkte (16, 18) und Fehler • Ermitteln der Parameter eines Modells der Koordinatentransformation mit den verbleibenden Kalibrierpunkten (16, 18), wenn nach der Filterung genügend Kalibrierpunkte (16, 18) verbleiben • Bestimmen der Abweichung der Kalibrierpunkte (16, 18) von ihrer erwarteten Idealposition • Zusammenfassen der Abweichungen als Ergebnisse für die einzelnen Druckköpfe
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die für mehrere Farbauszüge berechneten Koordinatentransformationen verwendet werden, um Passer- und Registerabweichungen in Form von Positionsabweichungen der einzelnen Druckfarben zueinander zu ermitteln und zu korrigieren.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnung der Passerabweichungen an verschiedenen Stellen im Testdruckmuster (19, 20) verteilt vorgenommen und so ein gemittelter Wert für die Passerabweichungen bestimmt wird