（信号与信息处理专业论文）图像配准算法在印刷质量检测系统中的研究与应用.pdf

摘要 北方交通大学硕士学位论文 摘要 p 7 刀1 2 当前国内印刷行业正在着力于提高行业产品的印刷质量。能够 实现高效的、高速的、高自动化的印刷品生产是整个印刷行业的 呼声。目前，大部分印刷产品的质量检测均依赖人工检查的方法 进行。人工检查速度慢，且导致大量人力、物力和场地的浪费， 更存在着产品质量严重漏检以及产品质量标准良莠不一的问题。 针对印刷行业内最重要的产品印刷人民币的印刷生产来说 作为货币流通的钞票，标志着一个国家的经济发展状况，以及体 现当时的政治背景、时代特征，因而，各个国家的钞票在流通到 市场以前均要经过严格的质量检测，以防止印刷质量低劣的产品 流通到市场。而我国目前所有钞票印刷的质量检测均需要人工完 成，所以，在当前的形势下，开发出自动检测印刷钞票质量的“印 刷质量在线检测系统”已经迫在眉睫。皿，一 论文的主要任务便是开发一套建立在p c 基础上的“印刷质量 在绾捡测丕鲤，其主要工作涉及光电系统的设计、线性图像的采 集、高效图像特征提取、高质量图像模板建立、高精度图像配准、 智能化缺陷识别以及检测结果输出等方面内容。论文围绕高精度 的图像配准算法出发，广泛研究了检测系统中所涉及到的各种问 题。在充分理解消化前人所研究的各种图像配准算法的基础上， 重点提出了两种图像配准算法基于控制点搜索的最大互相关 以及基于最大互信息的图像配准算法，并通过大量的实验数据来 说明每种算法的优缺点。论文还针对模板建立、缺陷识别等相关 问题作了简要的分析说明。论文最终给出了整个印刷质量检测系 统的硬件、软件框图，同时在p c 机上完整地实现了整个软件系统。 本印刷质量检测系统已经在实际印刷生产线上得到了充分的 应用。 关键词印刷质量检测系统，图像配哆宣泸苦) 互碜 垫差 苎查奎望查堂堡主堂焦笙壅 a b s t r a c t i nt h er e c e n ty e a r s ，t h ed o m e s t i cp r i n t i n gi n d u s t r yh a sb e e nr e a d y t oi m p r o v et h ep r i n t i n gq u m i t y a n di th a sb e e nt h ec o m m o nn o t i o nt o r e a l i z et h em o s te 伍c i e n t 、t h em o s tr a p i da n dt h em o s ta u t o m a t i c p r i n t i n gp r o d u c t i o ni np r i n t i n gi n d u s t r y u pt on o w , p e o p l eh a v es t i l l c a r r i e dt h eq u a l i t yi n s p e c t i o no fam a j o r i t yo fp r i n t i n gp r o d u c t s i th a s r e s u l t e di nt h el o w - s p e e dp r o d u c t i o na n dt h eg r e a tw a s t ei n m a n p o w e r 、m a t e r i a ir e s o u r c ea n do c c u p i e dg r o u n d a n di th a sb e e nt h e c r i t i c a lp r o b l e mt h a tt h ee m e r g e n c eo ft h em i s s i n gi n s p e c t i o na n d s k i m b l e s c a m b l ep r o d u c tq u a l i t y w h e nw et a l ka b o u to ft h em o s t i m p o r t a n tr m bp r i n t i n gw o r k ，w es h o u l du n d e r s t a n dt h a tt h er m b b i l li st h er e p r e s e n t a t i o no fp o l i t i c a lb a c k g r o u n da n da g ec h a r a c t 盯j n o u rc o u n t r mn oo n em i s s i n s p e c t e dr m bb i l lc a ne n t e ri u r nt h e c u r r e n c yd o m a i n a n dt h ec u r r e n tr m b - b i i lq u a l i t yi n s p e c t i o nm u s t b ea c c o m p l i s h e d b ym a n p o w e r t h e r e f o r e ，a no n l i n e b i l l q u a l i t y a u t o i n s p e c ts y s t e mm u s tb ee x p l o i t e dt om e e tt h ea c t u a la p p l i c a t i o n s i nt h ep r i n t i n gi n d u s t r y i n t h i s p a p e r , i t i st h em a i nt a s kt h a t w o r k i n go v e ra n c o m p u t e r - b a s e d “o n l i n eb i l l - q u a l i t ya u t o i n s p e c ts y s t e m ”o nt h e b a s i so fs t u d y i n go fb r o a di m a g er e g i s t r a t i o na l g o r i t h m ，t h ea u t h o r p r e s e n t st w oe m p h a s i z e di m a g er e g i s t r a t i o na l g o r i t h r a s ：t h eo n ei sa n m a x i m a lc r o s s c o r r e l a t i o nw h i c hi sb a s e d0 nm u l t i r e s o l u t i o n a n dt h e o t h e ri sa l lm a x i m a lm u t u a l i n f o r m a t i o n ( m i ) r e g i s t r a t i o na l g o r i t h m i nt h ep 印e r , s o m em l a t i v ep r o b l e m ss u c ha sm o d a lc r e a t i n ga n dt h e q u a l i t yi n s p e c t i o nh a v eb e e ng e n e r a l l ya n a l y z e da n de x p l a i n e d i nt h e l a s tp a r to ft h ep a p e r t h eo v e r a l lf r a m ed i a g r a mo fh a r d w a r ea n d s o f t w a r ei s p r e s e n t e da n dt h ew h o l es o f t w a r e s y s t e m h a sb e e n c o m p l e t e do nt h eb a s eo fp e r s o n a lc o m p u t e r k e y w o r d o n l i n e b i l l q u a l i t y r e g i s t r a t i o n ，c r o s sc o r r e l a t i o n ， a u t o i n s p e c ts y s t e m ， i m a g e m u t u a li n f o r m a t i o n 蔓二皇堡垄 ! ! 查奎望盔兰翌主兰堡! 竺星 第一章综述 1 1开发e p 届l j 质量检测系统的意义 在商品经济高度发达的今天，各种票证、票据在经济流通过程 中起着举足轻熏的作用，而且中国加入世界贸易组织之后，对于 印刷品的质量要求越来越高。目前国外的现代印刷机械及印后加 工设备都是机电一体化的高度自动化设备，印刷、印张折叠、切 割、配页、粘接都是高度综合自动化操作，缩短工装准备时间、 在线质量监控、提高操作舒适性、方便操作、环境保护等均已成 为提高系统效率的重要因素。对于我国印刷行业来讲，目前最重 要的任务之一是要提高现有产业质量和可靠性。如果质量差，可 靠性低，采用的自动化技术越多问题也会越大，效率会越低。因 此搞好现有中低档印刷产品质量，并适当提高印刷技术和自动化 质量检测水平，不仅在国内有广阔市场而且出口前景也很乐观l l j 。 作为印刷行业生产系统的重要组成部分之一，印刷质量检测系 统的国产化和国有化是提高印刷行业系统效率的重要环节，比如 邮票、护照、钞票等产品的印刷质量检测。其中，作为货币流通 的钞票，更标志着一个国家的经济发展状况，体现着当时的政治 背景、时代特征，因而，各个国家的钞票在流通到市场以前均要 经过严格的质量检测，以防止印刷质量低劣的产品流通到市场， 给伪造钞票带来可乘之机。而目前国内尚无成熟的钞票印刷质量 自动检测系统，钞票印刷质量的检测都是靠人工进行，这是种 高强度的工作，需要耗费大量的人力，而且容易出现误检和漏检。 据了解，长期以来，为了保证人民币的出厂质量，历来依靠人海 战术进行反复检查，上海印钞厂的检封人员占到全厂职工的四分 之一。 印刷质量利用人工检查速度慢，且导致大量人力、物力和场地 的浪费，更有下列致命缺陷： ( 1 ) 漏检。人眼进行长期的肉眼检查，极易疲劳，就很难保 证检测质量和精度，造成误检和漏检。而漏检的产品一旦进入流 第一章综述 北方交通大学硕士学位论文 通领域，社会影响极坏。 ( 2 ) 无法保证统一的质量标准。人工检查全凭判断者的经验， 但是人眼能够判断的灰度级别大约只有二十几种，而且每个检查 者的眼睛和主观因素的不同，所掌握的标准难免参差不齐，质量 标准难以统一。 因此对钞票印刷质量的自动检测技术进行研究已经迫在眉睫， 其意义在于： ( 1 ) 为印刷出高质量的国际流通的人民币做准备。 ( 2 ) 统一产品质量标准，实现客观检测。 ( 3 )自动化检测代替人工检测，解放劳动力。 ( 4 ) 解决人眼不能检测的内容，如：红外图像、全息图像、 隐藏图像等。 ( 5 ) 实现高精度、高速度、范围广、稳定可靠的检测，降低 生产成本，提高生产率。 目前，国外的印刷质量检测系统已经得到大范围的应用，其中， 德国是印刷技术的强国f l 】。我们国家在人民币印刷行业也只是引进 了为数不多的几台设备。由于引进系统成本比较高，而且进口系 统也不完全适用于国内的工艺水平。为了弥补这项国内空白，我 们实验室参与了研制与开发“凹印印刷质量在线检测系统”，主要 工作是设计整个印刷质量检测系统的硬件与软件系统，同时结合 硬件系统实现高精度质量检测的软件系统。 1 2 图像配准算法理论及当前研究进展 图像配准( i m a g er e g i s t r a t i o n ) 在图像处理领域中是一项非常 基本的工作。它一般用于匹配( m a t c h ) 不同时间、不同传感器或 不同视角基础上采集的两幅或多幅图像。图像配准是一种在空间 域匹配两幅图像的处理方法，它可以使得同一场景两幅图像中对 应像素对准到同一物理位置，是许多图像处理应用中不可避免的 研究问题。许多年过去了，人们已经针对不同类型数据和问题的 配准技术和方法进行了广泛的研究。不同领域内的各种实际问题 都要求将图像进行配准i z i 。 第一章综述 北方交通大学硕士学位论文 图像配准算法广泛应用于计算机视觉技术的不同领域中。比如 目标跟踪、运动分析、对象识别、自动视觉检测以及视频马赛克 等，而且在生物医学图像的处理中也得到了非常频繁的应用，如 磁共振( m r ) 、x 射线断层摄影( c t ) 以及正电予发射摄影( p e t ) 等。目前图像配准领域的算法有很多；s c l a r o f f 和p e n t l a n d 的模 板匹配方法【3 1 是一种建立两个形状中鲁棒特征点匹配的有效方法。 这种方法一般对所匹配的形状进行轮廓取样，然后分析与描述每 一形状轮廓的相关点集，以及其虚拟弹性形体的抖动行为( 模板 扩张) ：相似的抖动点则成为一对匹配点。 m e c o c c i 和b u s s o t t i 则认为两幅图像的点特征匹配问题非常重 要，而且已经在立体视觉、运动结构以及图像序列中运动对象跟 踪等各方面得到广泛应用。因此，利用模板匹配方法，他们提出 了一种两幅图像间的大量点特征匹配的可靠算法来实现图像配准 f 4 1 。新加坡的y a oj i a n c h a o 则将图像配准方法分为两类1 5 】：( 1 ) 基 于特征的图像匹配；( 2 ) 基于强度( i n t e n s i t y ) 的图像匹配；他同时 研究了基于特征与强度的算法优缺点，进而提出了一种同时结合 特征与强度匹配的新的图像配准算法。 l o hk o rh e n g 等人利用分层方法实现了旋转和位移图像的高 精确性配准。这种算法与传统的基于空间域或频域的插值或相关 算法相比非常有效，而且具有很好的鲁棒性，并可以获得亚像素 图像配准精度嘲。而p r a m o dk v a r s h n e y 的方法和前面算法类似， 但他采取了小波变换来实现图像的金字塔分层，在图像分区同时 实现了图像灰度级别重新分级，大大增加了处理的可靠性1 7 1 。 在图像配准算法领域内还有许多算法是基于互信息( m u t u a l i n f o r m a t i o n ，m i ) 基础的研究。最新的基于互信息的方法已成为 一种比较适合的相似度量手段，适用于许多具有多传感器的图像 配准问题 8 - 1 0 1 , 基于互信息的图像配准算法已成功应用于许多方 面1 0 - 1 “，但这些算法大多不能保证全局最优化收敛。j o s i e n p w p l u i m 等提出一种将梯度与最大化互信息相结合的图像配准算 法，算法不仅配准梯度幅值较高的位置，而且力求对梯度位置进 行相似性定位运算”“。l f r e i r e 等已经成功应用互信息最大化的配 准方法进行了交叉确认方面的研究f i 引。 综上所述，当前的配准算法主要集中在以下三个领域中： 1 ) 计算机视觉和模式识别领域一一大量的不同性质的任务。 塑二兰堡鲨 些互銮望查兰望主堂垡造兰 比如分割、对象识别、形状重建、运动跟踪、立体匹配以 及特征识别等方面。 2 ) 医学图像分析领域一一医学图像诊断方面，如脑瘤检测和 病因定位；生物医学研究方面，如血细胞显微图像分类等。 3 ) 遥感数据处理领域一一民用和军用系统中。农业、地质、 海洋学、石油和矿产探测、城市和森林污染、目标定位等 方面。 这三个领域中的配准技术都己得到大量深入的研究，在其他一 些领域内也进行了许多特殊匹配算法的研究，比如语言理解、机 器人技术、自动检测、c a d c a m 、天文学等领域。所有的配准问 题中所涉及到的“变形”类型包括： 1 ) 传感器噪声； 2 ) 传感器视角或观察平台变动等观察点改变； 3 ) 对象改变，如运动、变形或增长等； 4 ) 光照或者空气条件改变，如阴影和云状覆盖； 5 ) 不同的传感器因素； 图像配准技术的基本思想是寻找某种空间几何变换或映射类 型，使得图像可以达到适当配准。尽管图像中可能有种种变形， 但图像配准算法必须选择一种变换关系，使得图像中由于采集差 异引起的空间形变得到消除1 2 j 。 图像配准中常用的空间几何变换可以分为刚体变换( r i g i d t r 鲫s f o r m a t i o n ) 、仿射变换( a f f i n et r a n s f o r m a t i o n ) 、透视变换 ( p e r s p e c t i v et r a n s f o r m a t i o n ) 、投影变换( p r o j e c t i v et r a n s f o r m a t i o n ) 和非线性变换( c u r v e do rn o n l i n e a rt r a n s f o r m a t i o n ) 等。 结合上述变换，可以将当前主要的图像配准方法分为以下几 种： 1 ) 相关法 互相关是配准中的一种基本统计性方法，经常用于模板匹配和 图案识别应用中。互相关本身是一种匹配度测量准则，它可以测 量图像与模板之间的相似程度。 2 ) 傅立叶方法 傅立叶变换中有几种特性可以用于研究图像配准问题，因为位 移、旋转、映象、分布性与比例问题等在傅立叶域中均有相应的 对照。而且对于频率相关的噪声，使用频域方法可以获得非常好 4 第一章综述 北方交通大学硕士学位论文 的鲁棒性。 3 ) 点映射方法 点殃射或者l a n d m a r k 映射技术是当前用于配准两幅错位类型 未知图像的主要方法。一般包括三个步骤：a ) 捕捉图像特征；b ) 使得参考图像中的特征点( 一般称为控制点) 与采集图像的特征 点相吻合；c ) 最后一步是利用这些特征点进行空域映射，通常是 使用最小二乘配准或其他方法确定一个二维多项式函数；通过空 域映射和插值方法可以实现- - n 图像到另一副图像的重抽样运 算。 4 ) 基于模板的弹性匹配方法 图像配准最新的研究是以弹性模板为中心。这些方法并不直接 应用分段插值来计算得出某种变换，而是将图像的变形模型化为 某种弹性物质的形变，从而实现一幅图像的控制点映射到另一幅 图像。 1 3基于图像配准算法的印刷质量检测系统 根据课题要求，本论文的主要任务是研究图像配准算法在印刷 质量检测中的应用。主要工作是研究当前人民币印刷的特点，针 对印刷过程中可能出现的各种印刷质量错误，设计一套人民币质 量自动化检测系统，将印刷质量检测系统的要求与具体的数字图 像处理方法相结合，实现人民币出厂之前的质量检测，减小钞票 漏检与误检的概率，提高印刷系统生产率。 如前所述，国内的人民币印刷行业的印刷质量自动化检测系统 非常少，大量的工作需要人工来完成。在1 9 9 8 年，国内首次引入 了德国的n o ，i a s a v e 系统实现凹印印刷质量的在线检测。但是 引入的这套设备并不能完全适应国内目前印刷的特点，比如人民 币中金属线印刷位置允许变动范围比较大，而n o t a - - s a v e 会将 一些金属线变动大的印刷产品作为错误印刷品对待。而且引进的 设备我们国家没有修改系统检测性能的权限，引进系统各方面成 本也是居高不下，所以国外引进系统并不能完全适应我国的具体 国情。因此，中国印钞造币总公司和中国印制科学技术研究所共 第一常综述 北方交通大学硕士学位论文 同决定开发国内自己的印刷质量在线检测系统。 我们开发的印刷质量在线检测系统目前主要应用于印钞厂现 有的印刷机械设备上，根据系统要求设计出基于图像处理的软、 硬件系统。各个部分需要解决的问题如下： ( 1 ) 通过分析当前印刷系统的要求与特点，对印刷质量检 测系统要解决的问题进行定性、定量分析，同时进行检测系统的 分辨率分析以及数据量分析等工作。 ( 2 ) 根据系统的分辨率要求设计图像采集部分，主要是 c c d 相机与图像采集卡等计算机视觉相关硬件的选择与连接实现 工作： ( 3 ) 针对采集到的图像数据利用图像处理的各种算法进行 分析，主要包括采集图像的预处理、图像模板建立、高精度图像 配准、图像质量缺陷识别、检测结果分类以及数据输出等几个部 分。 ( 4 ) 按照要求在p c 机上结合软硬件技术实现整个印刷质 量检测系统。 本论文实现的印刷质量检测系统结构图如下： 图i1 印刷质量检测系统结构图 图像采集系统 图像采集系统的设计是计算机视觉最前沿的工作。图像采集就 好比人的眼睛，图像采集质量的好坏、分辨率的大小以及采集图 像的数据量等因素直接决定整个计算机视觉系统后面的处理操 作。 本系统的图像采集部分采用加拿大d a l s a 公司生产的线阵 c c d 摄像机与加拿大的c o r e c o 公司生产的v i p e rd i g i t a l 图像采 墨二童堡堕 j ! 查奎望奎兰皇堕苎型! i ! 兰 集卡配合进行图像采集工作。图像的帧同步与行同步信号由外部 的欧姆龙旋转编码器提供，以实现图像采集与外部印刷机械运动 速度严格同步。采集系统简图如下： 采集线 图1 , 2采集系统框图 设计图像采集系统的重点是印刷质量检测系统采集精度的确 定，并根据要求精度选择摄像机的种类，确定摄像机的参数，因 此需要了解c c d 相机的特性及工作原理。同时需要确定高速的图 像采集卡与相机搭配完成系统采集工作。 图像预处理算法 图像预处理部分主要目的是消除图像采集中带来的种种噪声 干扰，同时对摄像机的响应度进行补偿等。对图像进行预处理一 定要综合分析，因为预处理均意味着图像信息量的丢失，而且势 必增加整个系统的处理时间。 图像配准算法 本论文中充分考察了印刷系统产品的变形因素，确定了采集图 像的畸变是由于物体运动的不确定性引起的，因此确认了物体的 刚性改变情况。论文中通过比较基于互相关和基于互信息的两种 图像配准算法来完成检测系统的要求。一种算法为基于控制点搜 笙二兰堡堕 些查奎塑查兰堡主兰堡堕苎 索的最大互相关图像配准算法，另一种为基于最大互信息的图像 配准算法。所有的质量检测的前提必须是高精度的图像配准。这 两种算法均认为印刷产品在生产中只产生刚体形变。每一种算法 均进行了大量的实验验证，确保能够满足当前的印刷质量检测系 统精度于速度的要求。 图像畸变矫正及图像模板建立 图像配准算法研究以后，由于变形、运动以及照明引起的图像 畸变的特征参数便可以获取到。从而可以实现畸变( 位移、旋转 等) 图像的矫正。一般的畸变矫正的算法有双线性插值算法等i l ”， 可以根据质量检测的要求精度选择图像畸变矫正算法。 模板建立部分使得检测模板可以具有将来采集到图像的各种 特征，同时去掉图像个体显著的寄生效应，并提取图像的共性特。 从图像特征变化角度可以属于图像平滑化处理范畴。一个较好的 平滑方法应该是既能消除个体的寄生效应，同时又不会使得图像 的边缘轮廓和线条变得模糊。常用方法有低通滤波法、多图像平 均法等。由于模板中要去掉图像的“个性化”的边缘、跳跃部分 以及颗粒噪声这些不具有整体共性的特征。这些特征均代表图像 的高频分量，而大面积的背景区则代表图像信号的低频分量。多 图像平均法便是把一系列有噪声的图像迭加起来，然后取平均值 达到建立模板的目的i 坞) 。实际操作中一般采用统计平均法以及改 良平均法等1 1 6 。平均处理的结果可以使得噪声造成的像素灰度值 偏差减。参与平均处理的噪声图像数目越多，其统计平均值就越 接近原始无噪声图像。这种模板建立方法的难点就是需要把多幅 图像进行准确配准，这样才能使相应的像素能够正确配准从而进 行统计平均。 论文中图像模板统计建立部分利用畸变矫正后的图像进行模 板的统计建立。同时为了保证所有参与建立模板的图像均为“非 严重印刷错误”图像，模板建立过程中必须加入“坏张剔除”功 能，将不合格的图像及时排除在外。 图像缺陷识别及检测结果输出 图像缺陷识别部分是将在线实时采集到的图像与完备的模板 图像进行配准与检测。配准算法前面已经粗略介绍。设采集的图 第一蕈综述 北方交通大学硕士学位论文 像为厂( x ，y ) ，经过配准和矫正后的图像为厂( z ，y ) ，模板图像为 m ( x ，y ) ，检测错误的闽值为正，检测警报的阈值为疋，则一般有 下式： f 如果l f ( x ，y ) 一g ( x ，y ) l 五 则为错误； 如果疋 1 厂( x ，y ) 一m ( x ，y ) i 互 则为警告； ( 1 1 ) l 其他情况 则为正常 、 因此缺陷识别算法中最重要的是检测阈值的确立。对图像进行 阈值分析是将灰度图像划分成两类或多类的处理方法。利用灰度 直方图是图像分类中最基础的方法1 1 5 1 。灰度直方图的形状可以用 来解决许多实际的困难问题【l 7 _ 1 ”。为了有效利用直方图中的信息， 可以在直方图数据中采取某种准则而避免直接利用直方图形状。 平均信息量( 熵，e n t r o p y ) 也可以用作取阈值的准则函数【1 9 i 。但有时 采取熵阈值方法得到的结果往往存在偏差现象 - 1 9 1 。m a h b o o b h c h o w d h u r y 等提出了一种基于发散函数的阈值化算法。该算法 利用目标和背景之间的发散函数来构建目标函数1 2 0 i 。当发散函数 达到全局最小值时，便可以获得要求的阈值1 2 1 1 。 所有图像检测的结果需要经过统计分析之后在显示器上实现 分类显示。所有采集到的图像均实时刷新，如果当前采集图像的 检测结果划分为“e r r o r ”级别，则显示部分必须在相应的错误 区域显示相应错误标志，并且输出“e r r o r ”信号给外部机械 p l c 系统。如果当前采集图像的检测结果为“w a r n i n g ”级别， 则相应区域显示警告标志，同时输出“w a r n i n g ”信号给p l c 系统。检测结果中的错误如果是由于计算机视觉系统外部设备发 生错误导致( 比如灯光照明太亮) 时，系统应当反馈相应的信息 到图像采集环节，这样就可以在以后的图像采集部分采取相应措 施进行调节( 比如自动降低灯光输出亮度) 。系统的检测信息经过 统计存储后自动采集下一幅图像，实现印刷质量在线实时检测。 系统中，所有的中间处理部分所允许的处理时间在印刷质量检 测系统中必须小于连续采集两幅图像之间的时间间隔。比如一般 的人民币印刷速度大概为9 0 0 01 0 0 0 0 张，j 、时，每秒钟约采集3 帧图像，因此每帧图像的处理时间必须控制在3 0 0 m s 范围之内， 9 第一馥综述 北方交通大学硕士学位论文 这也正是实现印刷质量检测系统需要解决的一个难点。 系统实现程序由v i s u a lc + + 语言编程，在p 1 3 8 0 0 m h zc p u 的主机上实现印刷质量的实时在线检测。整个软件操作界面简洁 明了，并已经通过了长期的稳定性与可靠性测试。目前已经安装 在上海印钞厂的印刷机上用于实际钞票印刷的在线质量检测。 1 4论文的工作内容及结构安排 论文的工作主要是对图像配准算法在印刷品质量检测中的应 用进行研究，对印刷生产的人民币进行印刷质量的检测，以防止 印刷质量低劣的产品流通到市场，给假、冒、伪钞票带来可乘之 机。作者在论文工作期间，主要在图像采集系统的设计、图像配 准算法的选择与改进、图像模板建立算法以及软件系统整体实现 等方面进行了大量的理论与实践的研究。并在此基础上，实现了 一套以高精度图像配准为基础理论的印刷质量检测系统，目前已 经应用于实际生产申，并取得了比较满意的效果，填补了国内人 民币质量检测系统研制开发的空白。 本论文的结构安排如下： 第一章综述 介绍本论文的研究背景与研究目标。论文首先介绍了当前国内 印刷行业中印刷质量基本上依靠人工检测的现状，说明了国内自 主开发在线、实时质量检测和监控系统的重要性、迫切性与意义。 然后针对图像配准算法的理论以及当前国内外的研究进展状况进 行阐述。本章第三部分简要介绍了基于图像配准算法的印刷质量 检测系统的结构、特点，并且对于其中重点研究的几个部分进行 了介绍。最后一部分介绍本论文的工作与结构安排。 第二章印刷质量检测系统参数与结构的选定、设计 介绍论文研究的印刷质量检测系统的结构设计。首先明确系统 整机的性能参数，并且和国外同类引进系统做对比；然后针对系 统中的难点进行理论分析，并选择计算机视觉相关硬件，适当介 绍其工作原理，最后进行比较，完成印刷质量检测系统的结构设 第一章综述 北方交通大学硕士学位论文 计。 第三章印刷质量检测系统中的图像配准算法 本章首先介绍各种图像配准算法理论，并且分别比较其优劣； 而后论文结合印刷质量检测系统的要求分别用两种图像配准算法 来完成系统配准要求。一种算法为基于控制点搜索的最大互相关 图像配准算法，另一种为基于最大互信息的图像配准算法。论文 中讨论了两种算法的优缺点，并针对每种算法在印刷质量检测系 统中的应用情况做了相应的比较。论文中采用了大量的试验数据 来验证每种图像配准算法的特性。 第四章印刷质量检测系统的实现 本章首先讨论了印刷质量检测系统中的模板建立算法：作者讨 论了多图像平均法以及基于图像配准的多图像平均法；然后本章 讨论了印刷质量检测系统的硬件流程与软件流程，并针对系统中 的软件实现的功能与界面进行了阐述。 第五章结束语 对论文的工作进行总结，并指出进一步需要研究的工作。 苎三兰嬖型堕里蝗型墨竺堕塑塑生塞：塑盐 ! ! 塑壅望查兰堡主兰堡! 垒苎 第二章印刷质量检测系统结构的选定、设计 作为印刷行业生产系统的重要组成部分之一，印刷质量检测系 统的国产化是提高印刷行业系统效率的重要环节，如针对邮票、 护照、钞票等产品的e p , 罹j j 质量检测等。其中，作为货币流通的钞 票，更标志着个国家的经济发展状况，体现当时的政治背景、 时代特征，因而，各个国家的钞票在流通到市场以前均要经过严 格的质量检测，以防止印刷质量低劣的产品流通到市场，给伪造 钞票带来可乘之机。目前国内尚无成熟的钞票印刷质量自动检测 系统，钞票印刷质量的检测都是靠人工进行，这是一种高强度的 工作，需要耗费大量的人力，而且容易出现产品质量误检和漏检 的问题。据了解，长期以来，为了保证人民币的出厂质量，历来 依靠人海战术进行反复检查，上海印钞厂的检封人员占到全厂职 工的四分之一。 因此对钞票印刷质量的自动检测技术进行研究已经迫在 眉睫，其意义在于： ( 1 ) 为印刷出高质量的国际流通的人民币做准备。 ( 2 ) 统一产品质量标准，实现客观检测。 ( 3 ) 以自动化检测代替人工检测，解放劳动力。 ( 4 ) 解决人眼不能检测的内容，如：红外图像、全息图像、 隐藏图像等。 ( 5 ) 实现高精度、高速度、范围广、稳定可靠的检测，降低 生产成本，提高生产率。 2 1国内外几种印刷质量检测机的对比 目前，国外的印刷质量检测系统已经得到大范围的应用，其中， 德国是印刷技术的强国。1 9 5 1 年举办首届d r u p e 展览会，每四年 举办一次，2 0 0 0 年是d r u p e 展览会5 0 周年，又恰逢千禧年，因此 规模更大，更引人注目。这次有来自4 2 个国家和地区的2 1 4 2 家 厂商参展，有1 8 个展厅，展览面积1 5 8 万平方米，参观者达4 0 第二章印刷质量检测系统结构的选定、设计北方銮通大堂塑主兰垡堡兰 万人，其中约5 0 来自德国以外。d r u p a 展览会被称为印刷媒体 的“奥运会”。从d r u p e 展览会上可以很强烈地感受到德国是国际 上印刷技术地强国，它不单是单项冠军，而且是全能冠军。 德国印刷行业长期保持国际领先地位，其原因可归结为：一是 注意技术不断创新，并具有创新的传统：二是重视教育和印刷人 才的培训；三是重视共性关键技术的开发研究工作；四是有若干 历史悠久、实力雄厚、管理严格的开发、经营、研究和制造印刷 机的现代化公司。d r u p e 展览会既是向世界展示德国印刷技术和设 备、扩大产品出口的重要窗口，同时也获得了国外同行的最新、 最先进的技术信息，促使了德国印刷媒体技术的发展。德国印刷 技术的发展经验，有很多值得我们借鉴i l l 。 我们国家在人民币印刷行业历史上都是采取人工进行产品质 量的抽查和检测。1 9 9 9 年以来，国家指定了几个印钞厂引进了德 国生产的n 0 1 a s a v e 印刷质量检测系统设备。由于引进系统成 本比较高，而且进口系统也不完全适用于国内的工艺水平，n o t a s a v e 系统不能很好地完成国内人民币印刷质量检测的任务。 n o t a - - s a v e 系统中关于安全线检测部分与当前实际情况脱离比 较严重，且所有地调试改动均需要国外地技术人员来中国进行操 作，且从国外引进系统其成本非常高。在知识产权日益重要的今 天，开发属于中国人自己的印刷质量检测系统是必然的，也是必 要的任务。因此中国印钞造币总公司和中国印制科学技术研究所 共同决定开发国内自己的印刷质量在线检测系统。 囤2 1德屋进nn o t a - - s a v e 系统 n o t a - - s a v e 系统是采取黑白c c d 相机作为采集硬件研制 兰三兰塑型堕墨丝塑墨竺堕塑塑垄塞：堡生 ! ! 查銮望查兰堡主兰焦笙苎 的系统；基于彩色图像处理方面的先进质量系统有瑞士的n o t a - - c h e c ki 系统，最近又发展为n o t a - - c h e c k i i 系统。 圈2 2n o t a c h c c k i i 系统简图 针对检测性能方面，我们将国外的设备与我们设计开发的“印刷 质量检测系统”的性能参数做了对比，如下表 】 型号 德国瑞士美国“印刷质 n o t a s 甜e n o t a c h o c ki i s t e v e n s 量检测系 1 9 9 5 笠 ( 9 9 - - 2 0 0 0 年) ( 9 5 年) 统” 2 纸速f 大附小时) 1 0 0 0 01 0 0 0 05 0 0 01 0 0 0 0 3 空间分辨率( r n m 2 ) 0 9 6 x 09 60 2 8 x 0 2 80 2 8 0 2 804 0 4 4 废晶漏检率f 9 铈 00 00 5 临界品漏检率( ) 1 1 0 0 0 0 0 6 摄像机 面阵黑白线阵彩色c c d 每纵列一台黑线阵黑白 c c d 相机 相机正反各3 台白c c d 相机c c d 相机 1 台 黑白线阵c c dl 台 相机3 台 7 计算机硬件 工作站工作站2 台s u n 工作1 台工控 站 计算机 s 操作系统 0 s 9w i 口n t u n i xw j n n t 9 功能 印刷质检 黑白 彩色黑自黑白 测量 安全线检有有有 有 测 标志斑点有有有有 检铡 检测面单面 双面双面单面 表2 1国内外捡测系统性能对比表 从上面的对比中可以看出，在黑白c c d 系统中，论文中的“印 刷质量检测系统”的整体空间分辨率比当前国内引进的德国n o t a 4 第二章印刷质量检测系统结构的选定、设计 北方交通大学硕士学位论文 一s a y e 系统高出了很多( 由0 9 6 r a m 0 9 6 m m 提高到0 4 m m 0 4 r a m ) ，大约是它们的6 倍精度。由于系统的分辨率要求比较高， 同样大小的产品我们所采集到的图像数据量也要高出很多。这便 对论文中各种软件处理算法提出了时间和精度上的要求。 2 2系统结构设计原理 由于检测系统首先需要将运动中的产品进行图像采集，因此我 们应根据检测要求的精度，选择和设计摄像系统。摄像系统由c c d 摄像机和光学系统组成。系统中采用现在已经成熟的c c d 摄像机 作为采集工具。 2 1 2 - 1c c d 摄像机 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) ，即电荷耦合器件，是一种新 型的固体成像器件，是近代光电成像领域里非常重要的一种高新 技术产品。作为一种先进的图像传感器，c c d 器件具有灵敏度高、 光谱相应宽、。动态范围大、操作容易等特点。它已经在工业自动 化等技术和科学领域内发挥了很重要的作用。 c c d 是在大规模硅集成电路工业基础上研制而成的模拟集成 电路芯片。这种c c d 借助于必要的光学系统和合适的外围驱动与 处理电路，可以将景物图像通过输入面空域上逐点的光电信号转 换、存储和传输，在其输出端产生时序视频信号，并经末端监视 器同步显示出一幅人眼可见的图像。所以，c c d 是种微型传感器， 可以用于模拟信号处理、数字信号存储等技术领域。 从结构上讲，c c d 可以分为线阵c c d 和面阵c c d 两种。由 于我们主要采用线阵c c d 摄像机，因此下面简要介绍线阵c c d 的结构和原理。 c c d 结构和原理 1 ) c c d 的单元结构 塑三童墅型堕墨丝型墨竺堕塑盟垄塞：堡盐 些查奎望查兰堡主兰垡! 生生 c c d 单元部分，就是一个由金属一氧化物一半导体组成的电容 器，简称m o s ( m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r ) n 。如下图所示： 图2 3c c d 单兀( a ) 和c c d 阵列( b ) 结构捌 如果衬底接地，突然给金属极板加一个正电压u c ( 栅极电压) ， 则金属极板和衬底之间就会产生一个电场。这个电场就要迫使半 导体表面部分空穴离升表面入地，从而在表面附近形成一个带负 电荷的耗尽区，这个耗尽区也称为表面势阱。表面势阱深度近似 与极板上所加的电压成正比( 在形成反型层之前) 。这时，电子 在表面处的势能为e 。一q u ；，这个u 。称为表面势，即半导体表面 对于衬底的电势差。如果以某种方式( 电注入或光注入) 向势阱 中注入电子，则这些电子将要聚集于表面附近，称为电荷包。 2 ) 电荷包的存储 因为每个c c d 单元都是一个电容器，所以它能储存电荷。但 是，当有电荷包注入时，势阱深度将随之变浅，因为它始终要保 持极板上的正电荷总量恒等于势阱中自由电荷加上负离子的总 和。每个极板下的势阱中所能储存的最大信息电荷量q 为 q = c ，x ( 2 1 ) 其中c i2 i 占0 8 _ 1 为单位面积氧化层电容 3 ) 电荷包的转移 第二章印刷质量检测系统结构的选定、设计j 堕通大鲎堡主堂垡堡兰 从半导体理论中知道，对于以个m o s 电容来说，它可以由下 面的方程来加以描速： 1 一 = 一4 2 9 0 9 , q n 一( 一) ( 2 2 ) l 其中：比一s j 表面电势；一外加偏置电压； 口 一个电子的电荷量；一一修正电压； c = 单为单位面积氧化层电容；。一掺杂浓度； d 晶一真空介电常数 毛一s i 介电常数： 从该式可以看出，当很大时，即偏置电压很大，m o s 二 极管处于深耗尽状态，表面势坎特别大，则表面处电子的静电 势能一g k 特别低，形成了电子的深势阱g k 。而后面的两项通 常很小，所以有k “，说明k 与基本上成线性关系。 c c d 中电荷包的转移是由各极板下面的势阱不对称和势阱耦 合引起的。将线阵列各极板分为三组，然后分别加以相位不同的 时钟脉冲驱动，这即是所谓的三相c c d 。这时，由于同一时刻三 相脉冲的电平不同，各极板下面所造成的势阱深度也就不同。从 而电荷包就要沿着表面从电势能高的地方向电势能低的地方流 动。下图说明了转移过程 f “ 、 f广。 ，i i 飞。 、 广 q -t ，_ _ 。售套鞲肖考，鹳# 爨# 羁毒知磅赫鸳鞘叠垮 “i = r e = 厂 j 门罨：丁一 “t r 芒 广c 口弋i 了一 “t r e 厂 口1 了一 图2 4三相c c d 的时钟波形图 兰三皇塑型堕墨堡型墨竺丝塑堕垄塞：塑生旦堕竺型望墅坠竺型! j ! 苎 三相c c d 的时钟波形刚好互相错开t 3 周期，因此时钟 电压波形每变化t 3 周期，电荷包就要转移过一个极板， 每变化一个周期，即转移过三个极板。同理，除了有三相 c c d 外，还有二相的、四相的c c d 。 线阵c c d 摄像机 1 ) 线阵c c d 摄像器材 图2 5c c d 固体摄像器件基本结构图 对于线阵c c d 摄象器件来说，不论是三相的还是二相的，都有 单侧传输和双侧传输两种结构形式。单侧传输的特点是结构简单， 但电荷包转移所经过的极板数多，传输效率低。双侧传输的特点 是结构复杂一些，但电荷包转移所经过的极板数只是单侧传输的 一半，所以损耗小，传输效率高。一般光敏元位数少的片子，多 采用单侧传输结构，而位数多的片予，则多采用双侧传输结构。 光电二极管阵列和c c d 移位寄存器统一集成在一块半导体硅 片上，分别由不同的脉冲驱动。设衬底为p s i ，光电二极管阵列 中各单元彼此被s i o ：隔离开，排成一行，每个光电二极管即为一 个像素。各光电二极管的光电变换作用和光生电荷的存储作用， 与分立元件时的原理相同。如图中中，( 行扫描电压) 为高电平时， 各光电二极管为反偏置，光生的电子空穴对中的空穴被p n 结的内 电场推斥，通过衬底入地，而电子则积存于p n 结的耗尽区中。在 第二章印剐质量检测系统结构的选定、设计 北方交通大学硬主堂垡堡苎 入射光的持续照射下，内电场的分离作用也在持续地进行，从而 即可得到光生电荷的积累。 转移栅( o ：) 由铝条或多晶硅构成，转移栅接低电平时，在它 下面的衬底中将形成高势垒，使光电二极管阵列与c c d 移位寄存器 彼此隔离。转移栅接高电平时，它下面衬底中的势垒被拆除，成为 光生电荷( 电荷包) 流入c c d 的通道。这时，电荷包并行地流入 c c d 移位寄存器，接着，在驱动脉冲的作用下，电荷包按着它在c c d 中的空间顺序，通过输出机构串行地转移出去。 对于二相c c d ，时钟电压波形，每变化? 2 ，电荷包将转移过 一个极板，变化一个周期，则转移过二个极板。因为二相c c d 是二 个极板对应着一个光敏元，所以时钟波形变化一个周期，电荷包所 转移过的空间距离也是一个光敏元的中心距。对于三相c c d ，时钟 电压波形每变化t 3 周期，电荷包就要转移过一个极板，每变化一 个周期，即转