基于彩色CCD 的烟支钢印在线检测技术研究

谢光桥 王立春 唐先均 王强 刘和平

四川中烟绵阳卷烟厂 四川绵阳 621000

卷烟纸是卷烟生产中重要工序组成部分，国内外的香烟制造企业在其烟支上印刷着由文字、图案等组合成的特有标记，称为牌号钢印。同时，部分烟支上还印刷了由字母、数字组合的编码，称为编码钢印。如果烟支钢印存在质量问题流入市场，那么品牌香烟的信誉，也会受到巨大的影响。在ZJ17 卷接机组中，烟支钢印是预先填充好各种油墨，使用印模在线印制在卷烟纸上，在长期生产过程中发现，由于油墨供应不均匀、印模磨损等原因，存在钢印印刷图案模糊、位置错位等钢印不合格的情况。传统检测方法依靠操作工人眼检测，存在效率低，反馈慢等特点，不能很好的满足现代化印刷企业大生产的需求。因此，利用机器视觉系统实时全幅面检测烟支钢印，用计算机硬件和图像处理软件代替人脑进行图像分析处理、缺陷识别及信息的反馈，大大提高了印刷质量的检测效率及检测质量[1]。

1 工作原理

ZJ17 卷接机组每分钟能够卷制7000 支烟，对应的卷烟纸纸带线速度达到7 米/秒。为了实现在线实时全幅面精细质量检测，系统采用70k 高速线扫描彩色CCD 相机和高亮度白色LED，同时安装编码器同步于卷烟纸纸带速度拍照，并用专用的图像采集卡采集线扫描CCD 的图像数据。图像数据由双支烟构成，把采集到的双支烟图像与存储在数据库中的标准图像，进行对比分析。为了能够检测到多个图案的颜色信息和位置信息，可以在采集图像中设置多个感兴趣区域（ROI），再分别对每一个区域进行自适应模板匹配和色差检测，检测是否存在钢印油墨过浓过淡，存在墨点、残缺不良、褶皱、裂口、浆块、污渍、接头等缺陷信息；通过计算各个模板与目标区域图像的相关性，来判断图案是否存在位置偏移等缺陷信息。一旦检测到缺陷，软件系统与PLC 控制单元通讯进行移位后通过卷接机剔除机构将对应烟支剔除。

2 系统实现

2.1 系统结构

图像处理的核心部分如下图所示，根据系统的功能要求，划分为如下几个功能子模块：

（1）图像采集。该图像采集模块为线扫描彩色CCD、高亮白色LED 光源和图像采集卡及其周边电路组成。

（2）图像颜色校正。在系统成像过程中不同机台的机器，不同的相机，导致光线环境也不同，每台机器都需要单独的模板以适应不同的光线环境。为了解决这个问题，我们提出了颜色校正算法，其主要思想为直方图规定化，有选择地增强某个灰度值范围内的对比度。

（3）彩色空间变换。为定量分析产品色差差异，系统使用了Lab 颜色空间，并使用了单层及综合色差分析方法。

（4）图像多级搜索定位。图像多重搜索定位模块是为了保证全幅面检测精度，允许卷烟纸伸缩变形（非严重变形）和在不同的印次过程中有一定套印公差，因此需要对图像分区域进行精细多级搜索定位。不同印层（纸张、印次1、印次2）实现由粗到精的定位。首先通过纸张的纸边定位区域进行粗定位，然后通过区域定位核进行不同印层的精确定位，设定钢印有无阈值表示检测区域图像与定位核图像的相关系数，当检测区域图像与定位核图像的内容相似或一致，则相关系数越大。

（5）印次分离和全幅面检测。印次分离是根据不同区域定位核按照印刷顺序区分为不同的检测区域，系统按照不同的印次顺序建立了彩色模型。全幅面检测模块包括：实时生产时，将当前采集钢印图像与之前建立的彩色模型进行对比分析，同时采用OCR 算法对编码钢印图像分析，实现质量全面检测。

（6）色差检测。色差检测模块是将实时钢印图像与标准图像进行色差对比，根据预设的色差参数，采用单层及综合色差分析方法实现钢印缺陷分类。

（7）BLOB 分析输出结果。BLOB 分析输出模块是实时图像与标准图像对比检测后，对有缺陷区域进行聚类分析。根据预设的判废标准，比较聚类结果的面积和能量等指标，实现钢印缺陷分类和判废。

2.2 图像处理流程

采集的烟支钢印图像首先进行颜色校正和LAB 空间变换预处理，然后通过卷烟纸的纸边定位区域进行粗定位，接着通过不同区域定位核进行不同印层的精确定位，设定钢印有无阈值表示检测区域图像与定位核图像的相关系数，当检测区域图像与定位核图像的内容相似或一致，则相关系数越大。牌号钢印区域和编码钢印区域分别采用自适应模板匹配和OCR 算法来检测。

2.3 色彩检测

色彩检测就是将采集钢印图像与标准模板图像进行色差对比。L＊a＊b＊彩色空间的a＊分量和b＊分量反映的是色度的信息，而L分量反映的是明度的信息。

①首先将采集钢印图像与标准模板图像进行色差对比，如标准模板图像彩色空间变换为，采集钢印图像彩色空间变换为。则：

③CIELab 彩色空间中a＊分量和b＊分量反映的是色度的信息，而L 分量反映的是明度的信息。因此把综合色差计算公式定义为：

④综合考虑 ΔL 、 Δa 、 Δb 、 ΔC2，采用单层及综合色差分析方法实现钢印色差检测。

2.4 检测效果

系统对连续印刷的卷烟纸表面及钢印实时进行全幅面质量检测，其检测范围包括墨点、油墨污渍、钢印错无、钢印残缺、钢印模糊、钢印颜色不符、钢印位置不对、接头等[2]。

3 使用效果

利用高速机器视觉实现的烟支钢印外观检测系统，在ZJ17 卷接机组进行实际应用，结果表明，系统运行稳定可靠，实现了烟支钢印及卷烟纸的实时全幅面检测，烟支误剔率在0.1%以下，避免了钢印不合格的烟支流入后续工序。