基于Blackfin的圖像識別式印刷網(wǎng)點測版儀的研制

王琦　高鵬飛　瑚琦

摘要：在印刷工業(yè)中，人們通過測量網(wǎng)點面積、網(wǎng)點距離、網(wǎng)點角度這三個參數(shù)來實現(xiàn)印刷品質(zhì)量的控制。由于傳統(tǒng)測版儀在測量網(wǎng)點面積時是以光學測量為基礎(chǔ)，將光強轉(zhuǎn)換成光照密度值，再間接得到網(wǎng)點密度，其中存在一定的測量誤差與計算誤差，影響印品質(zhì)量。因此在數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)上設(shè)計了基于Blackfin處理器的測版儀，圖像識別式測版儀為直接測量，測量精度高、誤差小，更利于控制印品質(zhì)量，提高網(wǎng)點參數(shù)測量精度。

關(guān)鍵詞：測版儀； Blackfin； 數(shù)字圖像處理； 參數(shù)測量算法

中圖分類號： TP 752.1 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.06.012

Abstract：In the printing industry， printing dot parameters are measured by means of obtaining the values of area， distance，angle of printing dots to control printing quality. Because the traditional measuring instrument in the measuring network area is based on optical measurement and indirect conversion of light into density value， there is measurement error and calculation error which affect the printing quality. In this paper， a printing measuring instrument is designed on the basis of digital image processing whose measuring is direct. Its measuring accuracy is higher and it is more helpful for controlling printing quality.

Keywords： printing measuring instrument； Blackfin； digital image process； parameter calculation algorithm

引 言

印刷網(wǎng)點是組成印制品圖文信息的基本單元，如圖1所示，左側(cè)為實際的印刷版圖樣，右側(cè)是顯微放大后的網(wǎng)點圖（以三成網(wǎng)點為例），網(wǎng)點的大小及密度在印刷中起到?jīng)Q定印品色彩、層次和圖像輪廓的作用，所以為了能保證印刷工藝取得較好的效果，以及能忠實地再現(xiàn)原稿的色彩，在制版時要準確掌握網(wǎng)點的參數(shù)，包括網(wǎng)點距離、網(wǎng)點角度以及網(wǎng)點密度。

測版儀是測量網(wǎng)點參數(shù)的一種儀器，是印版過程中控制質(zhì)量的重要工具。傳統(tǒng)的測版儀以光學測量為基礎(chǔ)，通過測量光照密度間接得到網(wǎng)點面積，其測量原理如圖2所示。

式中：a是一個網(wǎng)點所占面積的百分比；D和d是網(wǎng)點面積為a處的網(wǎng)點密度和實地密度。式（3）相對于式（2）多了一個參數(shù)n，n值用于修正紙張和墨膜由于光滲透產(chǎn)生的漫反射及加網(wǎng)線數(shù)等因素的影響。

由此看來，傳統(tǒng)的光學測版儀在測量網(wǎng)點參數(shù)時，會引入多種誤差源，包括：理論誤差（間接測量推導(dǎo)和經(jīng)驗公式）、測量誤差（光強度測量）、儀器誤差以及環(huán)境影響帶來的誤差（光照均勻性）等，最終造成測量精度下降，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

為克服上述傳統(tǒng)測版儀的問題，提高精度，設(shè)計了基于Blackfin處理器的嵌入式圖像識別的便攜式測版儀（型號為QYF01），此測板儀的硬件結(jié)構(gòu)簡單，體積小，攜帶方便且操作簡單。系統(tǒng)采用Blackfin核心處理器不但運算能力強，且集成度高，由圖像傳感器直接獲取印刷版材的顯微圖像，并通過圖像識別的方式獲得網(wǎng)點的各種參數(shù)值。將傳統(tǒng)間接測量轉(zhuǎn)為直接測量，大大減少了測量過程帶來的誤差。針對網(wǎng)點灰度圖提出的圖像處理算法，經(jīng)多次試驗，得到的二值化閾值分割網(wǎng)點圖像效果良好，進一步提高了參數(shù)測量精度和處理器運算速度。

1 圖像識別式測版儀的結(jié)構(gòu)組成

測版儀的系統(tǒng)框圖如圖3所示，其基本工作原理是：圖像傳感器采集帶測樣版的顯微放大圖像，傳輸給DSP處理器進行二值化等圖像處理，并將處理結(jié)果顯示在系統(tǒng)液晶模塊上，或者通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機等外圍設(shè)備上。

1.1 LED光源

為了攝取清晰的網(wǎng)點圖像，在顯微鏡頭前端設(shè)計一個LED照明光源。在采集圖像的過程中發(fā)現(xiàn)，如果光照不均勻，采集的圖片會有一些較亮或者較暗的區(qū)域，二值化處理以后，較暗的區(qū)域會被處理成黑色，從而影響網(wǎng)點參數(shù)測量的最終結(jié)果。因此，在設(shè)計照明光源時，為了使光照均勻，經(jīng)多次試驗，我們決定采用6個白色LED均勻分布在360°的圓周上，且均以45°角照射到待測網(wǎng)點上，另外，在燈罩下方平鋪一塊亞克力均勻光板，這樣使得圖像清晰度更高，更有利于后續(xù)的圖像處理及參數(shù)測量。LED光源結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

1.2 圖像采集模塊

采集模塊的CMOS采用OmniVision Technologies公司推出的30萬像素的攝像頭芯片OV7725圖像傳感器，其最大成像點陣列為640*480。該產(chǎn)品體積小、工作電壓低，提供單片VGA 攝像頭和影像處理器的所有功能，用戶可以完全控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。

由于網(wǎng)點參數(shù)計算是針對二值化后的網(wǎng)點圖，對于普通的圖像傳感器首先需要將彩色圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖，但是OV7725支持輸出灰度圖像，因此設(shè)計中DSP處理器通過SCCB總線對OV7725寄存器進行配置，控制圖像數(shù)據(jù)格式和傳輸方式，使得圖像Y分量以8位數(shù)據(jù)格式輸出，而UV分量所在通道則為高阻態(tài)。SCL和SDA為SCCB總線的時鐘線和數(shù)據(jù)線，分別與BF533的IO端口PF0和PF1連接，通過IO端口模擬總線時序，實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)存儲到SDRAM中。

1.3 Blackfin處理器

該部分實現(xiàn)了整個系統(tǒng)圖像采集的流程控制，也是實現(xiàn)圖像處理算法的硬件平臺。為了滿足圖像處理的高速度與高精度，本文設(shè)計的DSP采用ADI公司推出的ADSP-BF533作為核心微處理器。Blackfin處理器是ADI公司的一類新型嵌入式處理器，是專門應(yīng)用在圖像處理領(lǐng)域的，其運算速度快，具有多種外設(shè)接口，可以方便的進行各種擴展。

1.4 液晶顯示模塊

本設(shè)計采用的液晶屏為16bit 480*272尺寸真彩TFT液晶屏，其背光亮度通過調(diào)整輸出PWM脈沖的脈寬來改變。由于BF533只有一個PPI口，因此設(shè)計中CMOS和LCD共用一個PPI接口，采用CPLD來切換PPI時鐘。當選通攝像頭時將PPI_SET10位設(shè)置為00，當設(shè)置為01時則選通液晶屏。LCD和CMOS與BF533的硬件連接示意圖如圖5所示。

2 印刷網(wǎng)點的參數(shù)計算

由OV7725傳感器采集到的彩色圖像為了方便后續(xù)的圖像處理，在數(shù)據(jù)輸出時僅保留了亮度信息，所以處理器只需對圖像進行二值化等處理。圖像處理算法的主要任務(wù)是得到目標像素與背景像素明確分離的二值化網(wǎng)點圖，實驗通過分析網(wǎng)點圖像灰度直方圖獲取二值化閾值進行圖像分割，處理后的圖像會產(chǎn)生一些孤立的小黑點，采用圖像腐蝕和圖像膨脹算法去除噪聲，此時得到的網(wǎng)點圖像即是利于網(wǎng)點參數(shù)計算的二值化網(wǎng)點圖。

2.1 網(wǎng)點面積的測量

由于網(wǎng)點數(shù)目比較多，如果每兩個相鄰網(wǎng)點間的距離和角度全部計算，則計算工作量巨大，所以我們首先采用區(qū)域標記的方法來確定網(wǎng)點的中心點，然后計算每個網(wǎng)點到中心點的距離，選出距離最短的三點，即為中心點附近彼此相鄰的三個網(wǎng)點，如圖6所示。因為網(wǎng)點橫向和縱向的距離基本一致，所以我們選取這三個點來反映整幅網(wǎng)點圖的信息。根據(jù)三點的坐標可以得到三個不同的向量BA、CB、AC，其中BA、CB的模長較短，這兩個向量就是網(wǎng)點排列的兩個不同的方向，它們的夾角約為90°。這兩個向量的模代表了兩個方向上網(wǎng)點的距離。計算結(jié)果顯示，|BA|≈|CB|，表明兩個方向上的距離大致相同，因此網(wǎng)點的距離L的值為

2.3 網(wǎng)點角度的測量

網(wǎng)點角度計算示意圖如圖7所示，水平方向與網(wǎng)點的排列方向的最小夾角，就是需要測量的網(wǎng)點角度。按照圖6所示的三個網(wǎng)點計算網(wǎng)點角度，由于BA、CB代表了網(wǎng)點的兩個排列方向，其與水平方向的夾角不同，則其中小于90°的夾角即為網(wǎng)點的角度。因此，若兩個向量與水平方向的夾角分別為θ，φ，則網(wǎng)點的角度為

3 結(jié) 論

待測樣本采用印刷網(wǎng)點標準版，由于不同面積的網(wǎng)點，網(wǎng)點大小及距離均有不同，因此我們僅將網(wǎng)點面積的測量值進行對比，試驗中分別用德國德強（Techkon） 公司的DMS910與自制測板儀QYF01（如圖9所示）測量網(wǎng)點面積，并對QYF01的測量值加以修正，得出的測量結(jié)果如表1所示。

從實驗結(jié)果可知，QYF01儀器在硬件結(jié)構(gòu)和軟件算法上均達到了網(wǎng)點參數(shù)測量的目的。分析表中數(shù)據(jù)得知，對于1%到99%的全階調(diào)網(wǎng)點，QYF01測板儀的測量結(jié)果與標稱值的測量結(jié)果的差值波動范圍基本在2%～3%，測量精度相比較DMS910有了明顯提高。

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（編輯：張 磊）