基于计算机视觉和模糊控制技术的自动对版系统

    摘要：介绍一种基于计算机视觉和模糊控制技术的彩色印刷对版系统。给出了计算机视觉图像处理和对偏差及偏差的变化量进行模糊处理的方法及系统的控制框图。

    关键词：彩色印刷 计算机视觉 图像处理 模糊控制

在凹版印刷过程中，不同色版之间套印的准确性对印刷质量的影响非常大。笔者设计了一种基于计算机视觉和模糊控制技术的凹印彩色自动对版系统，取得了很好的效果。

1 系统概述

彩色印刷时，在每一个色版画面的边缘都印有一条标志线。不同色版之间两条标志线的距离为20mm。检测两条标志线套印的实际距离，就可以测得两色套印的对版误差，并可进一步利用它进行对版。

图1是系统的原理框图。版辊1和2是两个不同颜色的版辊。装在版辊2上的光电编码器、频闪灯、彩色CCD摄像机和插在工控机内的图像采集卡组成同步图像采集装置。版辊2每转一周，频闪灯闪亮一次。亮的时刻和时间长短均可根据需要设定。亮时摄取图像，蝉时图像保持。可以精确地采集到对版标志线的图像。摄像机采集到的图像信号送入计算机。计算机对标志线图像进行处理和分析，确定两色套印得是否准确以及误差量的大小，然后驱动电机M使版辊3上下移动。它的移动改变了版辊1、2之间的纸张长度，也就调整了两条标志线之间的距离，完成了自动对版功能。

2 基于计算机视觉的图像处理

摄像系统采集的图像信号是24位的真彩色数字信号。图像中每一个象素都是由红（R）、绿（G）、蓝（B）三个八位的字节组成。可以分别用0～255级数值表示某一色从深到浅的程度。采用计算机视觉技术处理彩色图像时，计算量大，花费时间多。为了适应对版过程的实时控制要求，必须考虑一些特殊的算法，大幅度减少计算时间。

首先，把对版过程需要处理的信息放在一个200×360象素的矩形窗口中只需对这一窗口中的图像进行处理，不必考虑其他画面。这样可使计算量减少70%以上。

其次，针对图像的特点，采用双阈值的二值化处理方法。设第一色的阈值范围为C11～C12，记为C1；第二色的阈值范围为C21～C22，记为C2。C=C1∩C2。经过处理后，某一象素点的值为：

按照色度学的理论，任何一种颜色都可以由RGB三色以不同的比例混合而成，这叫相加混色法。CRT显示器主动发光的器件就是采用这种方法。在彩色印刷中，是利用油墨颜料的吸色性质而产生色彩的。在白光的照射下，青色油墨吸收红色而反射青色（绿、蓝色合成）；黄色油墨吸收蓝色而产生黄色（红、绿色合成）；品红色油墨吸收绿色而产生品红色（红、蓝色合成）。这种方法叫做相减混色法。因此，在印刷中基本的颜色是黄色、品色、青色和黑色。从理论上说，这四色的RGB分量分别是黄（0，0，255）；品（0，255，0）；青（255，0，0）；黑（0，0，0）。确定某一色的阈值时，要在理论值的基础上，考虑油墨的色差，光线的变化等因素，选定一组阈值的大小范围。这要通过多次试验才能确定。二值化处理以后，24位的彩色图像变成了每个象素只占1位的二值图像。数据存放在一个25×45字节的矩阵中。信息量大大减少，而且有效地去掉了原始图像中的大量噪声信号。图2（a）是原始图像，图2(b)是二值化后的图像。

从图2（b）中可以看出，两条标志线都是120×10象素的矩阵色块。这样，可以一行一行地对象素进行判断。在某一行中，如果值为0的象素首次连续超过100个，这一行即可认的是第一色标志线的第一行。记下行号为L1。以同样的方法找出第二色标志线的第一行，行号记为L2。两条标志线的距离：

L=(L1-L2)/Lk

式中，Lk是1mm中包含的象素数。

3 模糊控制的实现

计算出两条标志线的距离后，就可以进行对版调整了。若对版偏差在±5mm～±20mm时，偏差量很大。这时需要尽快减小偏差，不必考虑超调量的问题。采用恒定量调节的方式，即在纸张允许的范围内，电机M以一个恒定的较大的导通角转动，快速调整使误差很快下来。当偏差<±5mm时，偏差量已经比较小了。这时，一方面要继续减少偏差量，另一方面要降低调整速度，避免产生振荡和过大的超调量。在这个区域内，采用了模糊控制方式，较好地兼顾了控制器的静态和动态控制特性。

图3是模糊控制器的框图。模糊控制器设计为双输入单输出型。输入量为对版偏差e和偏差变化量Δe。输出量是一个周期内电机的转动时间T。从图3可以看出，要实现上述模糊控制，必须完成输入量e和Δe的模糊化；建立模糊关系矩阵；进行模糊判决和输出量的精确化等步骤。

偏差量e是两条标志线之间的对版误差。将它分为8个模糊子集，即：Ple(正大)，PMe(正中)，PSe(正小)，POe(负大)。把±20mm的偏差范围不均匀地划分为12个区间，对应-5～+5,分别确定出它们对8个模糊子集的隶属度。

偏差变化量Δe是相邻两次测量值之差。把它分为5个模糊子集，即：PLc(正大)，PSc(正小)，0c(零)，NSc(负小)和NLc(负大)。将每周期±1mm偏差变化量均匀分为11个区间，对应-5～+5，确定出隶属度。

输出量T是一个周期内电机转动的时间，把它分为7个模糊子集，即：PLT（正大），PMT（正中），PST（正小），OT（零），NST（负小），NMT（负中）和NLT（负大）。把每个周期的时间均匀分为11档，对应-5～+5，确定出隶属度。

双输入单输出型模糊控制器，其控制规则为：

IF e AND Δe THEN T

其中e为偏差的模糊值，Δe为偏差变化量的模糊值，T为输出控制量的模糊值。模糊控制规则如表1所示。该表量左面一列出偏差变化量Δe，最上面一行为偏差量e，中间是输出量T。用该表可以查行T值。

模糊关系矩阵R为：

R=e×Δe×T

由上式可得：

T=(e×Δe)×R

根据模糊运算规则可知：R是一个12×11×14的矩阵。事先计算出这个矩阵，然后用最大隶属度原则进行判决，再经人工修正，可得到模糊控制表。把该表存入程序中去。在运行时，通过查表即可完成相应的模糊运算，求出输出量的模糊值。然后再乘上相应的比例因子，就可得出精确的输出控制量。

本系统经过实际运行表明，系统稳定，调整速度快，自动运载版最大调整时间小于10s，对版误差不大于±0.05mm，超调量非常小，具有很强的鲁棒性。对于规格差异较大的几种印刷机均能良好地适应。因此，本系统具有较高的推广价值。