（信号与信息处理专业论文）彩色显微网点面积率检测系统的开发.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文巾不包含其他人的研究成果。与我 l 司1 = 作的同志对本文所论述的工作的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者箍名：应墼拂3 月胆h 保护知识产权申明 本人完全了解西安理1 二大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期问所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工大学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工大 学。无论何时何地，未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校町以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后，以：申明同样适用) 论文作者签名：士堡超导师签名：剜41 塑1 僻3 月j 明 摘要 彩色显微网点而积率检测系统的开发 学科名称： 顾士生： 导师姓名： 导师职称： 摘要 答辩日期：逊! 竺 签名 签名 目j 刷过科- h 印；协的质量控制是丰h 当重要的只有以印 厕n j 依据，适当峒。t 供水、供墨等，才能进一步改善印i 讯的质姑。 扯文阿允介纠了印刷行业的发腱现状l 发展山，柚。丁现代qs , 9 j | = ；| j 剧，而彩色印刷过程，就是对彩色原稿所进行的颜包分解、转换、 过槲，所以，本艾接着介 “j 7 印刷系统，分析了影啊印w 质嚣与稳定 一步口动化的关键问题印品汕墨的榆测与反馈问题。由此，从弥补目胁印 质 蕈榆i 0 ：i 方法的不足，提高印品的质量垌i 印刷殴备 j 动4 h g t 度的角度山发，综台各触 技术，本文提山 种新的基丁数宁图像处理的彩色【：；_ 1 网点的检测方法。 本文完成了该检测系统的初步探索：根据儿侗光原理，设计了成像光路的方 案；完成所需酬像传感器分辨能力的计算干j w 号的选择；完成j 数字信号处理芯片 的选抒，及对仿真开发系统的学刊和初步麻刚 利川基j t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 出片的 i a m 6 4 m p 仿真7 十发版刊集成升发虾境c c s 22 ，搭建r 个撮微嘲r 鼻处：望系统，从m 蛉j 4 系统怕町行性。 本课题的口的在丁探索开发印刷过利中枪测彩色网点面积率的检0 、j 系统，这个 系统能够减少印刷废i 铺率，i 评低【= _ r = 刷成本，捉高l = | j 删效率，丌儿任真l i 意义1 7 j 目z _ ， 化_ = | j 刷中起一个 卜常畦要的汕墨检测。_ 反馈的门动n j 环控铡的作州，所以将会m 实 | e 汁i 川c j 有肴积极币i 重要的指导作川。 天键词：印删系统，印t w 检测，数字幽像处埋 水课题米i i | ：丁陕| l f 省教育厅“彩色= = r 刷幽像冠微i 叫点检测，识别系统项口。 三h处 息 信敏 屿兆涛授信付胡教 m a j o r ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g d a t e ：舢j ，p a u t h o r f uz h a o m i n s i g n a t u r e ：五么型! t u t o r ：p r o f - h ut a o g i g n a t u r e ： 拉! 丑丝 a b s t r a c t i “t h ep r i n t i n g ，t h eq u a l i t yi sf a i r l yi 叩0 r t a n t i ti so n l yb a s e d o nt h ed r i n t i n g p 1 。t “。8 “dt h 。8 p 。i ”。“p i 。t “。t h a tw ee o u i da d j u s tw a t e ra n di n ks u i t a b l yt oi m p r o v e t h eq u a li t yf a r t h e r f i r s t ，t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no np r i n t i n g t h em a i n 口r e s s o f ”o d a r ni sc o l o rp r i n t i n g , i ti sap r o c e s so f d e c o m p o s i n g , t r a n s f o n i l i n g ，t r a n s m i t t i n g a n dr e p r o d u c i n gc o l o ri n f o r m a t i o n s ot h e n ，i t i n t r o d u c e st h ep r i n t i n gs y s t e m ，a n d 8 “a j y z e st h e k e vt oi m p r o v et h eq u a l i t ya n d s t a b i l i t yo fp r i n t i n g t om a k eu pt h e 。h 。k o u tm e t h o d ，t or a i s et h e q u a l i t ya n dt h ea n t e m a t i o n l e v e l ，t os y n t h e s i z e t e c h n o l o g i e s ，i to f f e r san e wm e t h n dt oc h e c ko u to fi n k i n gr a t e w eh a v ea c c o m p l i s h e da p r i m a r ye x p l o r eo ft h ec h e c k o u ts y s t e m ，s u c ha s t b e d e s i g no fi m a g i n go p t i c sr o a d ，t h ec a l c u l a t i o na n ds e l e e t i o no fs e n s o r t h es e l e c t i o no fd i g i t a lp r o c e s s i n gc h i p w eu t i li z ed n 6 4 1 6 pb o a r da n d c c s 2 2s o f t w a r et op u tu pam i c r o d o t s i m u l a t i o ns y s t e m i tv e r i f i e st h e f e a s i b i l i t yo ft h es y s t e m t h ep u r p o s eo ft h es u d j e c ti st oe x p l o r ea n dt or e s e a r c ha c b e c k o u t s y s t e m i tc o u dr e d u c es p o i i ，c u td o w np r e s sc o s t ，a n dr a i s ed r i n t i n g e f f i c i e n c y - a n di ti sa na u t o c l o s e dl o o pi na u t o m a t i o np r i n t i n gi ng e n u i n e m e a n s s oi tw o u l dp l a ya ni m p o r t a n td i r e c t i v ea n dp o s i t i v er o l ei n a p d l v k e yw o r d ：p r i n t i n gs y s t e m , c h e c k o u to n p r i n t i n gp i c t u r e ， d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g 绪论 1 绪论 本章从印刷的发展趋势入手，首先介绍了印刷系统，提出了完全自 动化印刷( f u l la u t o p r e s s ) 的概念，并分析了国内外彩色印刷图像的 色彩检测与控制系统的现状。接着介绍了数字图像处理方法及其在印刷 领域的应用。最后阐述了本课题的研究目的与主要内容。 l - 1 印刷业的发展现状与趋势以及印刷系统概述 l 。1 1 印刷业发展现状与趋势 印刷术起源于中国。作为中国古代四大发明之一，印刷术在人类文 明的传播与继承中，都起着举足轻重的作用。伴随着科学技术的不断发 胜，印刷业也不断汲取科技进步的成果，这爿发展为现在多彩多样| q 印 刷行业。1 1 现代科学技术飞速地发展，这对印刷行业提供了附所未有的发展机 遇，但同时也提出了一定的挑战。比如，纸张媒介曾经以其携带方便、 价格便宜、质量稳定、可长期保存等优点，而作为最常见的记载媒体， 但是随着科学技术的发展，纸张介质的这些优点与电磁存储介质相比就 几乎没有什么优势了：尽管如此，但电磁存储介质也存在很多缺点，如 必须借助某种特殊的显示设备才能阅读，而且从易读的角度来看，目前 电磁显示设备的分辨率远低于纸张的分辨率，查看的时间长了容易疲劳， 而且会损害视力。所以，在电磁显示设备的分辨率没有提高到一定水平 之前，电磁媒介还不可能取代纸张媒介，纸张媒介必然长期存在，这也 就是洗，印刷业必将会长期存在下去。 西安理工大学硕士学位论文 谈到印刷，必然还要涉及到印刷固有的问题，l p , 女h 印刷的废品率， 印刷成品的质量问题等。现代的印刷的主流是彩色印刷，而且小批精、 矩版活( 如各种精美的彩邑广告等) 越来越多。彩包印刷复制过程就足 颜色的分解、转换、传播和再现的过程。印刷的最终目的是尽量忠实地 复制和再现原稿。所以，如果能够在提高印刷质量的i 司时，尽量降低印 刷废品率，那么印刷的成本势必会进一步降低，也就会进一步提i 备纸张 媒介的竞争力。“1 ” 1 1 2 印刷系统概述 一个稳定的系统是指给系统一个理想的输入，经过定时m 后系统 丛到稳定的输出，如图卜l 所示，对该划缘给个的输入，经过执 机 构，达到一个输出，只有当系统中有检测环1 ，并反馈剑控制器州，也j 成 是只有系统闭环时，浚系统的输出 有可能达到稳定。j 1 图卜l 闭环控制系统简图 这早所说的印刷指的是狭义印刷过程，也就是印刷机印刷过程。印刷 机印刷系统一般包括：给纸系统、压印系统、供水系统、供墨系统、收 纸系统以及印品检测系统等( 如图卜2 所示) 。纸张经出输纸机构引导从 输纸台输入到第一个印刷机组印刷，而同时每个印刷机组又均有渊压帆 构、套准机构、供水系统与供墨系统等几个部分组成，经过第一个机组 印刷之后，又由导纸机构把纸张引导输入到第二个机组进行印刷，如此 直到最后一个机组印刷完毕，最后由收纸机构把纸张输送到收纸台，这 绪论 其中工人可以随时从收纸台抽取印张，对印张进行观察并检测，阿与样 张进行比较后，适当调整各个机组的供水与供墨等，以使印张的印刷效 果与样张尽量一致。”“二 图l 一2 印刷机印刷流程图 现在的印刷系统除了在印品墨量检测之外，魑本 j ：可以做到l j 功化拎 制，所以印品检测成了印刷过程进一步自动化的瓶颈。股一l f 况f _ ，叫 刷过程中的印刷压力、印刷速度等是不变的，由此，我们提m 金自动化 印刷( f u i la u t o p r e s s ，f a p ) 的概念：在一定的印删速度、印刷压力、 色彩套印等条件下，对系统给一个标准的给墨量和给水量，经过一定的 时间后，给墨、给水达到自动平衡，并能使印刷效果达到预期样张的效 果的印刷系统。 1 2 数字图像处理概论 1 2 1 数字信号( 图像) 处理技术 数字信号处理( d s p ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术通常指利 用计算机、专用处理设备器件等，以数字的形式对信号进行采集、滤波、 监测、均衡、变换、调制、压缩、去嗓、估计等处理，以得到符合人们 需要的信号形式。这里所指的信号，指各种可以数字化和复原的物理量； 西安理工大学硕士学位论交 处理，是指为了达到某个目的而对数字化后的信号施加的某种数学运算， 例如对视频信号的压缩与去噪处理的目的是去除信号中的冗余信息，滤 除混杂在信号中的噪声干扰，将信号变换成易于以别和理解的形式，便 于存锗、传输等。 数字信号处理是相对于模拟信号处理i 而南的，它比模拟信号处理仃 更多显著的优点。如：处理功能强，处理精度高，处理灵活性强；稳定 性好，抗干扰能力强，设备体积小等。因此更易于大规模集成化垌i 实现 多维处理，所以应用领域越来越广泛。例如，在幽像处婵领域， 【立 陶像、红外图像、超声图像、遥感图像等进行分析、处理，实现图掾的 增强和复原等：在通信领域，特别是多媒体通信，更少4 i 了数字信i j 处 理技术；在生物医学上， x 射线图像、显微镜图像、放射性同位豢图像、 电阻抗断层图像等，运用计算机对这些图像进行处理，可以有效地辅助 病理分析和病情渗断。此外，数字信号技术还应用于地质勘查、自动控 制、电力分句安排、坏境检测以及用于军事上的目标检测系统、导航系 统、制导系统等等。 1 2 2 数字图像处理技术在印刷领域的应用 随着计算机技术的迅猛发展，数字图像处理所具有的易于存储与传 输、处理方便灵活、精度高等的优点逐渐显示出来，加上计算机处理速 度和处理能力的不断提高，数字图像处理技术在印刷工业各个部门和环 节都得到了深入的应用，主要集中在以下几个方面： 第一、在印前工序中的应用 数字图像处理技术在印前工序中的应用主要是在原稿数掘的数字化 采集、原稿的设计、排版、计算机直接制版以及输出打样等。例如，目 i 甜大多数印刷厂在印前采用扫描仪( 滚筒式扫描仪或高档印刷缎平版扛f 绪论 描仪) ，在扫描原稿时，扫描仪自带的光源照射到图像区域上，光线经 过光学系统反射或透射到达光电传感器件( 一般是电荷耦合器件，c o p ) 上，光电传感器将光信号转换成电信号，再经过模数转换器转换成l ( ；b 数字化信息，即图像的数字化采集；又如计算机直：接制版( c t p ) ，简单 说就是将数字图像的原稿通过计算机转化成不同光强的激光束，照射 到版材上，再经过进一步处理得到印版。”“ 第二、印刷质量的检测与控制 印刷质量的检测与控制是印刷坏节的重要组成部分，主要针对的是 印品和凋水调墨，只有对印品的检测精确、调水调墨及时准确，印品的 质量爿可能得到保证。目前数字图像技术在这方面的应用，主要足f ij t 铺 质量的检测仪器上，如色度计，通过光电传感器感应并转化得与颜色的 三刺激值成比例的仪器响应值，最后通过换算得出颜色的三刺激值：又 如分光光度计，先照射被检测物体，再利用光电传感器和数字i 乜踏对其 光线进行分光采集与处理，最后显示处理结果。“”3 第三、数字半色调加网技术 由于印刷设备是二值设备，所以，要用印刷二值输出来表现图像的 阶调层次，就需要采用半色调技术。对于彩色图像印刷时，需要把原图 像分成黄、品、青、黑四色图像，各色分别采用半色调技术，形成二值 图像再进行套印，为了避免龟网的产生，需要采用相应的加网角度，通 常取黄o 。、品红1 5 。、青7 5 。、黑4 5 。所以，半色调技术是印刷领域的重 要技术之一，在印刷行业也被称为加网技术。自从数字半色调技术问世 以来，先后出现了调幅加网( a m ) 算法、调频加网( f m ，也叫随机加网) 算法以及调频调幅混合加网算法等，图卜3 就是把连续调图像通过加网1 处 理的例子。1 西安理工大学硕士学位论文 图卜3 ( b ) 半色调加网处理后的图像 第四、色彩管理 由于各种设备( 如扫描仪、显示器、打印机) 的呈色机理、呈色特 性各不相同，甚至同类设备( 如c r t 显示器与l e d 显示器) 呈色特性也不 同，这就使得同样一幅彩色图像在不同的设备上得到的显示效果不同。 为此，需要对彩色复制设备进行校f 。”3 第五、其它应用 除上述之外图像处理技术在印刷领域的应用还有很多。特别是近几 年来随着网络出版、跨媒体出版以及d t p 、c t p 等新技术在印刷业的出 现，可以预见图像处理技术的应用前景将会越来越好m “。 绪论 1 3 本课题的主要内容 1 3 1 问题的提出 再来看一下印刷机印刷流程图( | 璺| 卜2 ) ，到目前，比较先进的印刷 机，除了印品检洲部分是人工操作以外，其余几个部分基啦可以做剑目 动化。但是在印品检测方而，由于没有实现印品墨量的自动化榆测，所 以墨量控制没能够做到自动化的闭环控制，也就使得整个印刷流程还很 难做到真f 意义的闭环控制，因而也就一赢阻碍着印刷速度和印刷质量 的进一步提高。因此，从这个角度来看，可以说印刷系统还没能做到真 正意义的自动化控制。，所以，本课题的目的就在于探索研究一个检测印 r 吊着墨量的系统。 下面从包彩学的角度来说i 蝈1 7 1j l 惴检测的几个方面。 色光加色法： 颜色是光线经有色物体反射，刺激人的l l i g 1 t i ! i ，】：头i j l , q 中所产生的一种反映。色光加色法原理，就是将红、绿、蓝三_ f | | | 心光， 以不同比例混合，基本上可以产生自然界中的全部色彩，由于红、绿、 蓝三种色光是混合产生其它色光的基本成分，三色光中任何一科z 都不能 山其余两种色光混合产生，所以将红、绿、蓝称为色光三原色，将这种 混合产生颜色的方法称为色光加色法，如图卜4 所示。“m 州 图1 4 色光加色示意法 ( 图卜4 和卜5 中：i t 0 1 b c m y k w b k 代表色光或色料 jmm a g e n t a 品红；y ：y e l l o w 黄；w ：w h i t e 自；b k ：酣a e k 黑) 选择性吸收原理：当光线照射到物体时，会产生透射、吸收、反射、 ，镬辩等现象。其中吸收和透射是透明或半透明物体的呈色原幽，吸收译日 愿射是不透明物体呈色的原因，即当光线照射到物体时，物体会吸收冀 ，甄瘴p 蟹光，透射或反射其余色光，这个原理称为选择性吸投原理。司l w 。“ 一? 强料减色法：与色光加色法类似，人们茕将颜料、油漆以及印刷油 墨譬按不同颜色比例混台得出新颜色韵方法，就是色料减包弦其实质 潺基料对光波的选择姓吸收，它的三原色是青、品、黄o i 由物体邋、撵拣 娲袋整色原理可知，青色颜料从照射的白光中吸收其互补氇光等- 缝悲， 颡羲羲蕊光和绿光：品红色颜料从照射的白光串吸收其互补r 良光_ _ _ _ _ o 绦 光二耨反射蓝光和红光；黄色颜料从照射的白光中| j ：亘收其互 笆光一一 蓝糍，而反射红光和绿光，如图卜5 所示。“。1 ”。“ 图卜5 色料减色法示意髑 | 。印刷油墨减色法：彩色印刷主要是根据油墨的选择性吸收雍窦现黝。 印刷韵最小单元是网点，印刷呈色主要依靠网点来实现，如图i 一6 。印融 的特i 殊性是将透明的油墨印到反射率很高的自纸上，所以，油墨减色法， 就蘧将不同比例的青、品红、黄三原色油墨按网点并列或叠会f f i 产生蠡 种舞色的方法。虽然从原理上说，三原色油墨可以混合产生所有颜色， 魍是，实际彩色印刷过程中都是用四色印刷来实现的 2 s 3 啪1 ，即在兰原 琶版鏊础上增加了黑版，其作用在于： 原齄密度不足：增加画面的艺术效果， 弥补三原色油墨在高密度区域还 同时为高速印刷创造有利盼条件； 绪论 且稳定中性狄，使中间调到暗调能克服偏色；还可以降低成本。 幽l 一6 印刷幽像的网点早色效果幽 网点叠加是指不同颜色的油墨在同一区域逐层叠合成色。如图卜7 所 示，最下而的是纸白，首先印的是品红墨，接着印的是黄墨，当光线照 射时，最上面的黄墨层吸收其互补色光蓝光，透射红光和绿光；经 过品红墨层时，吸收其互补色光一一绿光，透射红光，如此光线到达纸 白时，纸白反射剩余的红光。所以，黄墨和品红墨通过网点叠加，所呈 现的就是红色。 y 黄墨 m 品红墨 纸 rgbr 图卜7 网点叠加呈色示意图 嘲点并列成色指相邻不同颜色的网点，各自吸收其互补色光，反射 其余色光后，通过色光加色后呈现颜色的方法。如图卜8 ，在纸白上，相 邻的区域分别印着品红网点和黄色网点，当光线照射时，品红油墨吸收 三 层层自 西安理工大学硕士学位论文 绿强，反射红光和蓝光，而黄油墨吸收蓝光，反射红光和缳光，。丽相遁 瀚绻秘绿、蓝加色成白光，所以最后呈现的还是红息。 rg b rgb 。魈i 丝 rbrg 黄璺层 图卜8 网点并，0 成色不惹图 综上，印届4 呈色原理是基于色料减色原理法的。由于印刷呈色的最 小攀元漫网点，而网点又是一一个微观的概念( 如图1 - 6 ) ，其犬，j 、剩厚度 的囊耽就会影i 悯到颜色的再现。同时，由于人对颜色感观的特殊性，以 羲朗潞检测是印刷自动他控制的前提，所阱，本深题把印弼4 过程。h 印黼 馥徽嗣点闺像作为印晶检测盼对象。1 。= = ”3 1 嗣填矿印刷过程中，印品检测主要有以下三种方式“”： l 、直接观察法：工人采用简单手持式放大镜，观察印品测控条的i 显微网点捩况和印刷图像的宏观颜色，再根据经验，与样张进行比较后， 适当调节给墨量。这种方式完全是人工操作完成的，调墨的准确度究全 取决习= 互人的经验。 2 、密度测量法：印刷呈色原理就是印在纸张上的油墨，从照射光线 臻选择性吸收了一定波长的光，反射其它的光，从而形成颜色。油爨墨 层在一定范围内，光的吸收量大小与墨层厚度和浓度成正比，所以密度 i | 蓖鬣欧了墨层的状况。在印品质量控制过程中，用密度诗测量印刷墨层 巍线韵反射状况，检测者通过检测测控条密度值间接反映印刷曩层状况 稚印品颜色。 一一 绪论 3 、色度测量法：色度测量所用的仪器是色度计，通过直接测量得到 与颜色的三刺激值成比例的仪器响应数值，再换：簿出颜色的三刺激值。 色度计获得三刺激值的方法是由仪器内部光学模拟积分来完成的，也就 是用滤色器来校征仪器光源和探测元件的光谱特性，使输出电信号大小 f 比于颜色的三刺激值。所以，色度计测量的并不是网点，而是通过颜 色空间转换，建立色度值与印品颜色之间的转换关系。 以上这些方法的应用有很大的局限：基本都是离线检测，也就是工人 随机抽取样张后，采用人工观察或仪器检测后，萼适当调整给豢l i i ： 般不能直接检测印品画面，只能检测特殊设计的测控条；而且j 甑接观察 法，在很大程度上依赖于工人的经验与素质，而后两者需要的的测肇仪 器，成本较高。 而从检测的角度来看，有许多国际著名的印刷生产一商已经丌发出了 各自的印刷图像色彩监测和控制系统。海德堡的c p c 系列图像控制系统， 采用分光光度计测量技术扫描图像，色度与密度的双重检测，可在：3 0 秒 内完成一个对丌印张的检测，处理1 6 万个测量点的信息，再与标准数据 比较以后，将墨区信息显示在彩色触摸屏上。三菱公司丌发出的颜色控 制系统也是采用分光光度计，扫描印刷品上特殊的色彩条，该系统可横 向、纵向两个方向自动调节主要颜色的设定，并在智能印刷监测器t 显 示出颜色控制情况。罗兰公司则坚持通过印刷品墨色密度来监测和控制 印刷质量及印刷过程。“”“ 虽然，这些著名印刷厂商的色彩控制系统各有特色，但是，总体来 说还是有很大的局限性，比如，大部分只能检测特殊的检测条：不具有 通用性，都只能整机引进，成本的提高对国内大多数印刷厂商来晓是不 可接受的，而且对工人的素质要求较高。 正是基于以上现状，考虑到显微网点是印刷呈色的最小单元，从控 制和提高印刷品质量、印刷设备自动化程度的角度出发，综合各种技术， 提出一种新的基于数字图像的彩色印品网点检测方式，即利用数字图像 西安理工大学硕士学位论文 的方法对彩色印刷网点图像进行数字化采集、色彩识别等处理过程。这 种方法是基于彩色印刷显微网点图像的，是用计算机视觉的方法来取代 人眼，实现前面所提的直接观察法，而与其它两种方法有本质的区别， 而且本检测方式不仅可以检测测控条，还可以检测印刷画面内的侄何给 定区域的网点。 1 3 2 课题目的和研究内容 本课题主要研究开发用于印刷过程中检测印品显微网点的榆测系 统，主要研究印品网点图像信号的数字化采集，以及通过数字图像的方 法，把采集所得到的图像信号进行输出和存储等处理，课题的内容： a 光学部分，完成光源的选择及从光源经被测色块和一系列成像透 镜，到图像传感器的光路图的设计； b 数字图像处理部分，完成微处理芯片的选择，以及完成如i 、控制 功能：对c c d 输出的视频信号进行高速采集： 0 对捕捉的视频进行显示： 采集视频帧图像数据： 对采集图像进行存储； 对处理的结果进行显示。 本课题是陕西省教育厅“彩色印刷图像显微网点检测与识别系统” 项目。 墨丝查壅垡竺 一 _ - 一一 2 系统方案设计 本课题旨在研究一个应用于印刷过程中质量控制的数字图像分色系 统，所以应当有如下几部分组成：网点的图像的数字化采集，处理以及 结果的显示等。以下将分光学成像系统、光电传感部分和数字图像处理 系统部分等具体阐述系统的设计思路与方案。 系统的总体方案设亡1 思路。“1 ：先利用i 刍然光线或外加光源划- f # 捡 测图像进行照明后，利用光学系统把图像成像剑光电传感器所在的乎i 1 1 ， 即可对光电传感器上的图像信息进行数字化采集，而后对采集到的数字 化图像进行数字图像处理，并把处理结果显示出来，如图2 1 。 p孵h 兰攀 - , 4 图像存储 瓯却缸j 一v g a 输出 一l c 嗡出 图2 一l 检测装置的系统组成框幽 2 1 光学系统部分 光学原理：本系统主要运用的是几何光学原理，光学器件主要是凸 透镜。几何光学三大原理如下：光学在均匀媒质中是沿直线传播的；光 线在媒质中传播遵循独立传播原理：光线在不同的媒质界面上发生折射 与反射，分别遵循折射定律与反射定律，具体可参见文献 4 2 4 7 。 西安理工走学硕士学位论文 由于印品画面在宏观上并不以网点形式呈现，一般需要放大8 倍以上 爿能看到印刷网点，所以需要光学系统部分对被检测印品图像进行放大， 以最终能够观察到显微网点图像，并能获得数字显微网点图像信息，即 需要把网点图像成像于光电传感器所在平面，同时由于尺寸的限制，检 测系统的大小为2 0 0 i 0 0 * 1 0 0 ( 长$ 宽$ 高，m m ) 以内，故，设计光学方案 如下4 ”、。 光学方案：由于系统尺寸的限制以及系统对印品网点图像观察干 采集功能的需要，设计如下光学方案：从光源发出的光线经由凸透镜【仞 步放大成实像，再由分光镜进行分光，一路光线经山分光镜出来后，山 i 凸透镜2 聚焦成像于c c d 传感器所在的平面，另一路光线经过窗口透镜的 再次放大直接进入观察者的眼睛，如图2 2 所示。 其中原始图像大小3 * 3 m m * m m ，c c d 尺寸4 * 4 m m * m m ，像素为1 0 2 4 * 1 0 2 4 ， f i | = f 2 = 1 2 m m ，f j = 1 2 2 2 2 m m ，凸透镜f l 对图像进行2 倍的初步放大，经过分 光镜分成两个实像，像l 经过【刍透镜2 - 自i i 小成2 3 ，最终成像予c c 哪i 作、f 面，像2 经过观察窗凸透镜3 再次放大l o 倍后，最终进入人跟。所以进入 人眼的图像实际放大了2 0 倍，而从图像至q c c d 平面的放大率为1 3 3 3 倍， 但是，实际上得到分辨率1 0 2 4 1 0 2 4 的图像，其物理尺寸大约为 3 6 0 * 3 6 0 m m * m m ，实际放大率为1 2 0 倍，所以从放大倍数完全能够满足要求。 光学误差分析“7 “”1 ： 光学器件属于精密仪器，对器件的参数和相 对位黄要求相当精确，为了便于调节和降低成本，一般需要微调装置， 所以需要对系统进行误差分析。本系统所选用的主要光学器件是凸透镜， 其光学原理就是凸透镜成像原理，即物体和像分别居透镜的两侧，物距u 、 像距v 和凸透镜焦距f 存在如下( 2 一1 ) 式的关系。 系统方案设计 吉+ 吾= ( 2 1 ) h v 厂 。l ， = 等u = 南1 u c z 一2 ， = ，v = = 一= 一lz 一2 l ff 、。 误差分析如下，假设凸透镜加工的很好，焦距的值是准确的，那么 像距v 反比于1 一f l u ，对( 2 - 2 ) 式两边取物距甜微分得： 1 d r = 一乃i 幽一( 2 - 3 ) ( 驯厂一1 ) 2 、7 凸透镜成实像有以下种几情况： l 、当f 2 时，成缩小的实像，可得：d v d z t ： 2 、当f = 2 时，成等大的实像，可得： ( ? _ v = ( ，： 3 、当1 v = 3 3 3 3 = 4 9 5 j u = 3 3 5 6 毪= 5 0 5 j v 2 = 3 3 1 1 得变化量v a u 。 西安理工大学硕士学位论文 寒婪骡嚼f球r蹬铒蠢嗣：i：巫 系统方案设计 2 2 光电传感器部分 光电传感器的作用在于把光图像信号转化成电图像信号，所以光电 传感器的分辨能力与响应速度对数字处理部分有直接关系。叮选jh f 内劁 像传感器类型有几种：一种是电荷耦合器件( c h a r g ec o u pl in gd e v c e ， c c d ) ；另一种是互补会属氧化物半导体( c o m p l e m e n t a r ym e t a 卜0 x i d e s e m i c o n d u c t o r ，c m o s ) ：还有一种是接触式图像传感器( c o n t a c ti m a g e s e n s o r ，c i s ) 等。当然主要还是前两者为主导，虽然从功用上说它们都 能满足要求，但这些图像传感器还是各有优缺点。“” c m o s 图像传感器的突出优点是耗电量小，制作成本低，常将a d 电 路、数字信号处理电路等模块集成在一起。但是，目前普通c m o s 在分 辨率和色彩还原方面还存在缺陷，图像有噪声，存清晰度和扪擞速度i ： 还存在问题，不能提供与c c d 相同质量的图像，所以，一般c m 0 5 蚓像f e 感器多应用于低档的数码相机中。”。“1 彩色面阵c c d ，可以像胶卷一样通过一次瞬间曝光记录整幅画面， 具有拍摄速度快，成像方便的优点，而且技术比较或熟，是本系统图像 传感器的很好选择。 考虑到目前c c d 技术比c n o s 技术成熟，而且在成像技术以及实时 处理等方面都有良好的性能，所以下面就以彩色面阵c c d 图像传感器为 例来进行说明。当然经过技术继续成熟以后，也可能用c m o s 来替代c c d 作为系统的图像传感器。 彩色面阵c c d 的工作机理”“：c c d 像感应器在半导体硅片f = 制有 若干个光敏元，当物体通过物镜成像于半导体硅平面时，这些光敏元就 产生与光强成正比的光生电荷，并能使这些光生电荷有规则地串行输出。 c c d 像感器的功能是把二维光学图像信号转变为一维时序的输出况频信 西安理工大学硕士学位论文 号，分为两种类型：线型和面型。线型器件可以接收一维光信窟、，但不 能直接将二维图像转变为视频信号输出。而面型器件则是把光敏单元和 移位寄存器排列成二维阵列，它可以直接将彩色图像转变为一帧视频信 号输出。 二维面阵像感应器一般由成像区、存储区、串行移位寄存区和输出 电路等构成。它所获取的彩色图像信息是单色数据r c b ，( 即c c d 在每 个像素上只取一种基色，而不是三色都耿) 它将一幅图像按一帧行$ 列的 像素点排列，依次给出每个像素的r g | 3 电压值。以个面像崇为3 1 1 ) 0 0 0 个的i 陨传输型面阵c c d 传感器为倒，灏传感器每帧i bj ( ) o 行 6 8 ( ) 剧纠i 成， 除了每行最左边的2 2 个黑色点和4 行黑线外，其余4 9 6 * 6 5 8 个活动像素 代表了“ l 【； 画面的彩色信窟、。在它的成像区内镶 嵌着一个彩色滤也器( 义 称滤也器) ，彩色光感应即通过它而获得。由于人眼对红色和熵包的分辨 力较低，因此，对3 种基色使用相同的采样频率显然是不合理的。 ：_ ! ff i f ， 在c c l ) 成像区巾多使用一种如下图2 - 3 所示的1 3 a y e r 棋盘格式滤色器。 这种滤色器每行上只有两种滤色单元：乱b 或g 、r ，显然，在媲个滤色 器上g 光的采集单元数是r 光或b 光的两倍。这样做的好处足减少了i 、 b 光的采集数目，增加了g 光的采样点数，提高了g 信号的上眼频率，保 证了图像的彩色均匀性。 r gr grg r g r g g b g b g b g bg b r g rgrg r grg g b g b gbgb g b r gr grg r g r g g b g b g b g bg b r g r gr g r g r g g b g b g b g bg b r g rgrg r g r g g b g b g b g bg b 圈2 - 3b a y e r 滤色器的色结构图 系统万案设计 下面图2 4 是该c c d 的滤色器的色结构图，出图可见除了彩色信息 之外，在成像区左侧还有2 2 列像素被入射光所遮掩，这些像素给后面的 视频处理电路提供了暗色调参照，以便恢复视频的暗色水平线：在成像 区和存储区之阳j 还有四条黑线它们的作用是防止电荷从成像区漏入存 储区。二维面阵传感器的存储区的结构及，牡元数邬和成像r 棚同，帧 彩色数据的存储格式也与上图所示的滤色器格式相同。c c l ) 在捕获图像 后，其原始数据将被一个像素接一个像素地逐个移出，先是四行黑色像 素( 6 8 0 * 4 ) ，接着是第一行的2 2 个黑像素，然后是彩色信息第一行第一 个像素的g 、第一行第二个像素的b 、第一行第三个像素的g 依次如 此输出，如下图2 5 所示。实际得到输出各点的i 、( ；、b 值的换算关系 详见参考文献 5 9 。 像素12 346 5 56 5 66 5 7 6 5 8 2 2 歹u 黑光成像区 rig r gl 行4 9 6 生也 rg 丁陀 ( ；ib i ig ( ；ib g b g b 四条黑线 存储区 图2 4l 帧传输面阵刑c c d 的滤色器结构幽 行4 9 5 行4 9 4 行4 9 3 行4 行3 行2 行1 黼 黼 西安理工大学硕士学位论文 ，gbgb gb rgrg rg rgrg rg f 堇= 红 f 簋三征 - f f 筮4 鳗盈，i 幽2 - 5c c d 原始数据读山顺序 c c d 型号选择： 条件：目标图像大小大致为3 3 m m x m m ，印刷线数l7 5 1 p i ( 线英寸) 要求：能分辨一个网点的( 2 5 6 或以上； 计算：印刷线数为1 7 j l p i ，等价于1 7 5 + 2 = 3 5 0 d p i ( 点英寸) 所以，网点大小为：等等m m 所以，需婴分辨的最小单元为网点n 勺去而i ，f i | | z “矧 假没大正方形为网点大小，则需要分辨1 6 i6 等分后的小i 力彤 ! ! ：! 。! i ：! ：0 0 0 4 5 3 6 0 0 0 4 5 3 6 。， 3 5 0 1 63 5 0y 1 6 即在每l l m m * m m 至少上识别出的点数： ! ! ! ! ! ! 。塑! ! ! 鱼：2 2 0 4 7 。2 2 0 4 7 2 5 4 2 5 4 驭整，即为2 2 1 2 2 1 = 4 8 8 4 1 。 所以，现在就可以根据实际图像处理的能力和速度选择c c d 的型号， 如可以选用。 c 2 5 5 p 或t c 2 2 5 柬采集1 1m m * m m 的图像t c 2 3 7 、 c 2 4 4 、 t c 2 7 7 来采集2 * 2 m m * m m 的图像：而t c 2 1 5 则可以用来采集3 * 3 或4 * 4 m m * m m 的图像。以下是t i 公司生产的t c 2 2 5 面阵c c d 图像传感器，浚嘶阵c c d 的物理特征如下“： 实际活动像素2 8 5 * 2 8 5 ( 行 列) ：0 每个像素的大小为9 m m * g p m ： 0 对角线睦度为3 6 3 m m ； 有暗调参照像素： o 响s i l l 电流； o 有比较大的动态范围； 系统方案设计 有比较好的光响应一致性； 高灵敏度； 等一系列特性，其他各型号具体参数与说明参见 6 0 6 6 。 2 3 数字信号处理部分 这个部分是整个系统的核心控制与处理部分，由于本课题研究的是 印品检测系统( 类似于图2 6 ) ，最终应用时既可以独立工作，也可与计 算机通讯，所以需要有一个独立于计算机的微处理器，来完成包括图像 数据的采集接收与处理，以及结果的输出控制等功能。以下是本部分的 简单介绍，具体实现方法将在下章介绍。 幽2 - 6 叩品检捌仪外观图 d s p 是d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( 数字信号处理) 或d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ( 数字信号处理器) 的缩写，从2 0 世纪8 0 年代第一片 数字信号处理芯片问世以来，尤其是近几年处理速度的进步提高，d s p 以其数字器件特有的稳定性，可重复性，可大规模集成，特别是可编程 性和易于实现自适应处理等特点，应用范围越来越广。 正是考虑到d s p 对数字信号优越的处理能力，以及本课题需要处理大 量的数字图像信号，所以选择t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 芯片作为本课题数 西簧理工大学硕士学位论文 字信号处理部分的核心。如图2 7 所示的结构框图，c c d 模拟视频信号输 入，经过a d 转换，进入f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ) 单元；经由处理 单元处理或存储以后，把输出图像信号送入f i f o ，再经d a 转换，输出 到图像显示设备。”“”“。 幽2 7 数字信号处理部分皇占构框i 生| 2 3 1 复位( r e s e t ) 通常d s p 等硬件都工作在包含多个外界异步事件的环境中，当这些事 件发生时，要求d s p 执行这些事件所指定的任务，这就是中断。它要求c p u 暂停当前的工作转而去处理这些事件，之后，再回到原来被中断的地 方，继续原来的工作，这与高级程序里的过程或函数调用类似。 而复位是最高级别的中断，它用来停止c p u i 作，并使整个硬件系统 返回到一个己知的确定的初始状态，所以复位中断是相当重要的。 2 3 2 视频的输入捕捉与输出产生 输入时，模拟视频从摄像头输入到视频解码芯片b t 8 3 5 ，转换成数字信 号y u v 4 ：2 ：2 的格式，再传到视频f i f o 中，d s p 通过d m a 读取数据。f p g a 在回 墨竺查壅堡盐 路中有两个作用：把数据写x 、f i f o ：控制帧的输入比率。输出时，数字视 频信号在存储器中为y u v 4 ：2 ：2 的格式，数据通过d a m 方式写到f i f o 中，再到 视频编码芯片b t 8 6 4 转换成模拟信号( p a l 或n t s c 帝i 式) ，最后输出至i j v g a 显示器，如图2 8 。 v i d e oi n p u p a l n t s c v i d e oo u t p u p a l n t s c i j 丽匦 i。一d s p f p g a_ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - 一 lt m s 3 2 0 c 6 4 1 6 - i f i f o i i l 一一一毡一一一一l 幽2 - 8 视频捕捉与输出原理幽 2 3 3 计算结果的l c d 显示 这个部分就是计算结果的输出部分，可以将计算计算的结果显示到 一个l c 9 ( 数字液晶显示屏) ，可以直观地、感性地看到处理得到的各色 油墨量的面积率。利用r s 2 3 2 接口将数据从t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 发送到单片机 8 9 c 5 1 ，再传送n m s p - g 1 2 8 6 4l c d 液晶显示模块上( 如图2 - 9 ) 。 1 篱c = = r s 2 3 2 童：r8 9 c 5 1 兰_ m s p 恐8 6 4 图2 9 输出结果的液晶显示原理 小结 本章介绍了本系统方案的设计思路，以及方案的设计与选择。光学 系统完成光路方案的设计；光电传感部分完成所需传感器分辨率的计算 和c c d 型号选择；数字处理部分完成视频信号的采集、处理、帧图像信号 的存储、视频的输出以及计算结果的输出显示。 实验与软件设计 3 实验与软件设计 本课题研究的显微网点检测系统将来需要独立运行，并且在短时间 内要处理大量的数字图像信号