基于DSP的印刷品質(zhì)量檢測系統(tǒng)研究＊

張 媛

（1.太原理工大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原大學(xué) 外語師范學(xué)院，山西 太原 030012）

隨著信息時代的高速發(fā)展，人們在日常生活中越來越離不了各種印刷品，例如書刊、報紙、雜志等，總之人們的生活和這些印刷品息息相關(guān)，因此對印刷品質(zhì)量的要求也越來越高，印刷品的生產(chǎn)難度也不斷加大。現(xiàn)階段，印刷生產(chǎn)已經(jīng)達(dá)到了自動化和數(shù)字化，印刷速度也得到了很大的提高，但是很多印刷品往往會由于印刷過程中印刷技術(shù)的不完善以及一些不易避免的因素而出現(xiàn)各種缺陷［1］。

印刷質(zhì)量缺陷主要有顏色失真、黑點、油墨濺污、漏印、套印不準(zhǔn)、文字模糊等等［2］。由于這些情況會導(dǎo)致廢品率過高而嚴(yán)重地影響生產(chǎn)質(zhì)量。為了使印刷品的廢品率達(dá)到最低，需要在印刷的時候?qū)τ∷⑵愤M(jìn)行檢測。傳統(tǒng)上的視覺檢測和質(zhì)量控制是通過有經(jīng)驗的專業(yè)人員來完成的，印刷企業(yè)是靠人工檢查去除廢品的。然而人工檢查除了速度慢、檢測效率低，需要大量的人力、物力資源和場地資源外，還容易出現(xiàn)漏檢甚至無法保證統(tǒng)一的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，這樣將會嚴(yán)重?fù)p害客戶的利益，進(jìn)而影響到印刷企業(yè)的形象和聲譽［3］。同時傳統(tǒng)印刷質(zhì)量檢測技術(shù)雖在一定程度上解決了印刷品質(zhì)量檢測問題，但是不管是效率還是成本都不符合當(dāng)今快速發(fā)展的印刷行業(yè)的需求。

目前，在自動化領(lǐng)域前景看好的機(jī)器視覺技術(shù)為印刷品質(zhì)量的檢測提供了良好的解決方案。與傳統(tǒng)的印刷品質(zhì)量檢測相比，機(jī)器視覺技術(shù)檢測速度快、準(zhǔn)確率高，能夠迅速而精確地檢測出印刷品的外觀缺陷，并對缺陷參數(shù)進(jìn)行綜合分析，從而判斷印刷品是否為廢品［4］。

1 總體設(shè)計方案

本課題結(jié)合DSP相關(guān)知識，應(yīng)用機(jī)器視覺原理，建立了印刷質(zhì)量檢測系統(tǒng)，其總體設(shè)計方案的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System construction drawing

首先通過CCD攝像機(jī)，對印刷品進(jìn)行連續(xù)拍照，并將拍攝到的每一幀圖像傳輸給計算機(jī)；然后通過圖像處理系統(tǒng)對圖像信息進(jìn)行分析處理，找出有質(zhì)量問題的圖像，并給出該圖像所對應(yīng)的印刷品的質(zhì)量問題；最后通過傳輸線路將信息反饋給操作人員或直接反饋給印刷機(jī)進(jìn)行調(diào)整。總之，該系統(tǒng)主要的任務(wù)是通過攝像頭攝入印刷品圖像，并完成對印刷品質(zhì)量的檢測。

圖像采集由CCD、鏡頭、光源、視頻圖像采集卡和計算機(jī)組成。采集卡是將相機(jī)電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的數(shù)字化裝置，它將電信號分級，形成離散的數(shù)據(jù)值，存儲于計算機(jī)中。

計算機(jī)是圖像處理的硬件基礎(chǔ)，根據(jù)圖像處理算法，計算機(jī)必須能保證在單位時間內(nèi)完成處理、分析等工作。根據(jù)使用目的不同，計算機(jī)有通用和專用之分，圖像處理有專用的處理芯片，其優(yōu)點是處理速度快、針對性強(qiáng)；缺點是適應(yīng)能力不強(qiáng)，開發(fā)周期長。通用計算機(jī)處理圖像的優(yōu)點在于能夠根據(jù)需要編寫相關(guān)的算法，處理實際問題，適應(yīng)性好；缺點是軟件開發(fā)比較復(fù)雜，運行速度比較慢。但隨著通用計算機(jī)處理速度越來越快，其也基本能滿足圖像處理的需要。

結(jié)果輸出是檢測系統(tǒng)的最終環(huán)節(jié)，主要有顯示輸出和執(zhí)行動作兩種形式。顯示輸出是將系統(tǒng)的檢測結(jié)果以各種方式報告給用戶，可以是在計算機(jī)屏幕上的單個缺陷產(chǎn)品顯示，也可以是產(chǎn)品的整體質(zhì)量報告等等；執(zhí)行動作必須根據(jù)實際需要進(jìn)行制定。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 TMS320C5416的結(jié)構(gòu)

TMS320C54X是為實現(xiàn)低功耗、高性能而專門設(shè)計的定點DSP芯片，它的中央處理單元（CPU）采用優(yōu)化的哈佛結(jié)構(gòu)，包含1條程序主線、3條數(shù)據(jù)總線和4條地址總線，具有高度的并行性，且功耗很低。芯片內(nèi)部集成了不同容量的存儲器以及自動緩沖串行口和主機(jī)接口等多種智能外設(shè)，使其與外圍通信更加靈活方便。芯片具有完善的尋址方式和強(qiáng)大指令集，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的性能。此外，芯片采用模塊化設(shè)計以及先進(jìn)的集成電路技術(shù)，功耗小、成本低。TMS320C54XDSP芯片可以滿足多種實時嵌入系統(tǒng)的需要。

TMS320C5416的 程 序 ROM 16kB，128kB RAM，包括64kB雙存取RAM（DRAM），1個并行口，3個多通道緩沖串口，設(shè)備電壓3.3V，核心電壓1.6V，指 令 周 期 為 6.25ns，提 供 了 符 合 IEEE 149.1邊界掃描邏輯接口標(biāo)準(zhǔn)的片上邊界掃描仿真邏輯。TMS320VC5416具有運算速度快、內(nèi)部存儲空間大、外部接口性能好等優(yōu)點。所以本系統(tǒng)選擇了技術(shù)上比較先進(jìn)、價格可以接受的C5416作為硬件開發(fā)對象。

2.2 TMS320C5416的設(shè)計與實現(xiàn)

2.2.1 電源部分 TMS320C5416的片上電壓分為外圍電壓和核心電壓，外圍電壓為3.3V，核心電壓為6V，因此需要電源芯片將輸入5V電壓轉(zhuǎn)換成兩種電壓輸出，TMS320C5416的上電過程應(yīng)該是先外圍電壓然后核心電壓，以此來保護(hù)芯片。

2.2.2 時鐘部分 時鐘發(fā)生器可使用具有內(nèi)部振蕩電路的晶體振蕩器或者使用外部時鐘。本設(shè)計采用外部時鐘20MHz有源晶振，將時鐘信號CLKOX直接連接到X2／CLKIN引腳，并且X1引腳空置不連接，內(nèi)部振蕩器無效。TMS320C5416的時鐘發(fā)生器有一個鎖相環(huán)（PLL），PLL的外部頻率源可以比CPU機(jī)器周期速度低，這個特性可以降低因為高速開關(guān)時鐘帶來的高頻噪聲。TMS320C5416的PLL硬件配置時鐘模式是通過配置CLKMD1，CLKMD2和CLKMD3引腳來實現(xiàn)的。2.2.3 特殊引腳 READY為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備信號，拉高表示外設(shè)為將要完成的總線處理作好準(zhǔn)備。＃HOLD為掛起輸入信號，低電平有效，因此將其拉高，不能被聲明。其他引腳則是TMS320VC5416的Datasheet中建議外接上拉電阻。HPIENA引腳為HPI模塊選擇，接高電平時選擇HPI模塊，接地則不選擇HPI模塊。HPI16為HPI的模式選擇引腳，該引腳允許HPI支持8位主機(jī)（引腳狀態(tài)為0）或16位主機(jī)（引腳狀態(tài)為1）。

以C5416為硬件支持完成了圖像采集和處理系統(tǒng)中圖像采集部分的硬件設(shè)計。

3 印刷品質(zhì)量檢測算法研究

在印刷品質(zhì)量檢測系統(tǒng)設(shè)計中，檢測算法研究也是技術(shù)核心。隨著數(shù)字圖像處理理論的發(fā)展，圖像檢測理論也日趨成熟，本課題針對印刷品質(zhì)量檢測算法采用分圖像差分法。

圖像差分法實際上就是圖像的相減運算（又稱差影法），是指把同一景物在不同時間拍攝的圖像或同一景物在不同波段的圖像相減。差分后得到的結(jié)果圖像提供了圖像間的差異信息，能用于視頻監(jiān)控、運動目標(biāo)檢測和跟蹤、圖像背景消除及目標(biāo)識別等領(lǐng)域的工作。算法流程如圖2所示。

分析表明，利用圖像差分法對印刷品缺陷進(jìn)行檢測時，只要待檢測印刷品圖像與模板圖像達(dá)到了精確定位，它們之間如果存在差別，不論污點還是劃痕，都可以檢測出來。由于模板圖像和待檢印刷品圖像均是由實驗系統(tǒng)采集得到的，它們之間匹配不會存在太大偏差，經(jīng)過前期的圖像定位基本可以確保它們對應(yīng)像素點一一對應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用圖像差影獲得差值信息，進(jìn)而判斷印刷品是否合格。

圖2 算法流程圖Fig.2 Algorithm flow chart

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 軟件系統(tǒng)方案總體設(shè)計

軟件可分為圖像采集及屏幕顯示、圖像處理的常用處理算法、圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和顯示幾個模塊。

整個系統(tǒng)的主要部分是圖像數(shù)據(jù)采集模塊和圖像算法處理模塊。圖像數(shù)據(jù)采集模塊是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，完成圖像數(shù)據(jù)的采集工作。因數(shù)據(jù)的采集速度直接影響后續(xù)處理的進(jìn)程，因此為了滿足實時性的要求，在數(shù)據(jù)采集和存儲之間采用雙緩沖的方式，并且通過EDMA進(jìn)行數(shù)據(jù)搬移。圖像算法處理模塊是整個系統(tǒng)的核心，在獲得視頻信息的前提下，它完成對圖像信息的預(yù)處理、圖像定位和圖像差影，最后顯示在監(jiān)視器上。軟件系統(tǒng)的圖像處理流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Flow chart of image processing

圖4是印刷品質(zhì)量檢測系統(tǒng)的主界面，在系統(tǒng)檢測時，有常用功能按鈕，按照檢測流程進(jìn)行操作。界面最下面一行有各種系統(tǒng)狀態(tài)信息，界面的左上角實時顯示被檢測的圖像；如果發(fā)現(xiàn)缺陷，缺陷圖像將實時在右上角缺陷圖像顯示區(qū)進(jìn)行顯示，并將圖像的信息記錄到缺陷記錄區(qū)，以備以后統(tǒng)計管理。

圖4 印刷品質(zhì)量檢測系統(tǒng)主界面Fig.4 System main interface

4.2 系統(tǒng)界面與檢測指標(biāo)

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置包括各種限差，比如套色限差、污跡大小限差、色彩容許限差等等。在建立標(biāo)準(zhǔn)圖像時要設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)圖像特征的類型、位置、標(biāo)準(zhǔn)圖像的比例尺。

印刷品質(zhì)量的檢測系統(tǒng)雖然已經(jīng)取得了長足的進(jìn)展，但是還有許多問題需要深入的探討和研究，隨著人們對印刷品質(zhì)量要求的不斷提高，印刷企業(yè)必然追求印刷品質(zhì)量檢測的自動化和高效化。機(jī)器視覺是工業(yè)自動化檢測領(lǐng)域很有應(yīng)用前景的高新技術(shù)，因此研究和推廣基于DSP技術(shù)的圖像檢測系統(tǒng)是大勢所趨。

［1］ 張曉東.基于DSP的印刷品缺陷在線檢測系統(tǒng)設(shè)計［D］.西安：西安科技大學(xué)，2009.

［2］ 陳業(yè)軍.基于圖像處理的印刷品缺陷在線檢測系統(tǒng)研究［J］.包裝工程，2005，26（6）：64－66.

［3］ 陳亞軍.基于機(jī)器視覺的印刷品缺陷檢測系統(tǒng)研究［D］.西安：西安理工大學(xué)，2006

［4］ 陶娜娜.基于機(jī)器視覺的印刷品質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)研究［D］.淄博：山東理工大學(xué)，2007.

［5］ ROBERTS J W，ROSE S D，JULLIEN G A，et al.PC－based real－time defect imaging system for hightspeed web inspection［J］.Machine Vision Applications in Industrial Inspection，1993，190（7）：164－176.

［6］ 李展望，黃夢濤.基于機(jī)器視覺的印刷品缺陷在線檢測系統(tǒng)設(shè)計［D］.西安：西安科技大學(xué)，2008.

［7］ 王慶有.CCD應(yīng)用技術(shù)［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2002.

［8］ PRATTV W K.Digital Image Processing［M］.鄧魯華，張延恒，等，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：179－183.

［9］ 韓曉微.彩色圖像處理關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.沈陽：東北大學(xué)，2005.