摘? 要: 介紹一種基于計算機視覺和模糊控制技術的彩色印刷對版系統。給出了計算機視覺圖像處理和對偏差及偏差的變化量進行模糊處理的方法及系統的控制框圖。
關鍵詞: 彩色印刷? 計算機視覺? 圖像處理? 模糊控制
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在凹版印刷過程中，不同色版之間套印的準確性對印刷質量的影響非常大。筆者設計了一種基于計算機視覺和模糊控制技術的凹印彩色自動對版系統，取得了很好的效果。
1 系統概述
彩色印刷時，在每一個色版畫面的邊緣都印有一條標志線。不同色版之間兩條標志線的距離為20mm。檢測兩條標志線套印的實際距離，就可以測得兩色套印的對版誤差，并可進一步利用它進行對版。
圖1是系統的原理框圖。版輥1和2是兩個不同顏色的版輥。裝在版輥2上的光電編碼器、頻閃燈、彩色CCD攝像機和插在工控機內的圖像采集卡組成同步圖像采集裝置。版輥2每轉一周，頻閃燈閃亮一次。亮的時刻和時間長短均可根據需要設定。亮時攝取圖像，暗時圖像保持。可以精確地采集到對版標志線的圖像。攝像機采集到的圖像信號送入計算機。計算機對標志線圖像進行處理和分析，確定兩色套印得是否準確以及誤差量的大小，然后驅動電機M使版輥3上下移動。它的移動改變了版輥l、2之間的紙張長度，也就調整了兩條標志線之間的距離，完成了自動對版功能。
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2 基于計算機視覺的圖像處理
攝像系統采集的圖像信號是24位的真彩色數字信號。圖像中每一個象素都是由紅(R)、綠(G)、藍(B)三個八位的字節組成?？梢苑謩e用0～255級數值表示某一色從深到淺的程度。采用計算機視覺技術處理彩色圖像時，計算量大，花費時間多。為了適應對版過程的實時控制要求，必須考慮一些特殊的算法，大幅度減少計算時間。
首先，把對版過程需要處理的信息放在一個200×360象素的矩形窗口中，只需對這一窗口中的圖像進行處理，不必考慮其他畫面。這樣可使計算量減少70%以上。
其次，針對圖像的特點，采用雙閾值的二值化處理方法。設第一色的閾值范圍為C11～C12，記為C1;第二色的閾值范圍為C21～C22， 記為C2。C=C1∩C2。經過處理后，某一象素點的值為:
這里，f(x，y)是變換前某一象素的值，g(x，y) 是變換后的值。變換的關鍵是閾值C11，C12，C21，C22如何選取。
按照色度學的理論，任何一種顏色都可以由RGB三色以不同的比例混合而成，這叫相加混色法。CRT顯示器等主動發光的器件就是采用這種方法。在彩色印刷中，是利用油墨顏料的吸色性質而產生色彩的。在白光的照射下，青色油墨吸收紅色而反射青色(綠、藍色合成);黃色油墨吸收藍色而產生黃色(紅、綠色合成);品紅色油墨吸收綠色而產生品紅色(紅、藍色合成)。這種方法叫做相減混色法。因此，在印刷中基本的顏色是黃色、品色、青色和黑色。從理論上說，這四色的RGB分量分別是黃(0，0，255);品(0，255，0);青(255，0，0);黑(0，0，0)。確定某一色的閾值時，要在理論值的基礎上，考慮油墨的色差，光線的變化等因素，選定一組閾值的大小范圍。這要通過多次試驗才能確定。二值化處理以后，24位的彩色圖像變成了每個象素只占l位的二值圖像。數據存放在一個25×45字節的矩陣中。信息量大大減少，而且有效地去掉了原始圖像中的大量噪聲信號。圖2(a)是原始圖像，圖2(b)是二值化后的圖像。
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從圖2(b)中可以看出，兩條標志線都是120×lO象素的矩陣色塊。這樣，可以一行一行地對象素進行判斷。在某一行中，如果值為0的象素首次連續超過100個，這一行即可認為是第一色標志線的第一行。記下行號為L1。以同樣的方法找出第二色標志線的第一行，行號記為L2。兩條標志線的距離:
式中，LK是1mm中包含的象素數。
3 模糊控制的實現
計算出兩條標志線的距離后，就可以進行對版調整了。若對版偏差在±5mm～±20mm時，偏差量很大。這時需要盡快減小偏差，不必考慮超調量的問題。采用恒定量調節的方式，即在紙張允許的范圍內，電機M以一個恒定的較大的導通角轉動，快速調整使誤差很快降下來。當偏差<±5mm時，偏差量已經比較小了。這時，一方面要繼續減少偏差量，另一方面要降低調整速度，避免產生振蕩和過大的超調量。在這個區域內，采用了模糊控制方式，較好地兼顧了控制器的靜態和動態控制特性。
圖3是模糊控制器的框圖。模糊控制器設計為雙輸入單輸出型。輸入量為對版偏差e和偏差變化量Δe。輸出量是一個周期內電機的轉動時間T。從圖3可以看出，要實現上述模糊控制，必須完成輸入量e和Δe的模糊化;建立模糊關系矩陣;進行模糊判決和輸出量的精確化等步驟。
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偏差量e是兩條標志線之間的對版誤差。將它分為8個模糊子集，即:PLe(正大)，PMe(正中)，PSe(正小)，POe(正零)，NOe(負零)，NSe(負小)，NMe(負中)和NLe(負大)。把±20mm的偏差范圍不均勻地劃分為12個區間，對應-5～+5，分別確定出它們對8個模糊子集的隸屬度。
偏差變化量Δe是相鄰兩次測量值之差。把它分為5個模糊子集，即:PLc(正大)，PSc(正小)，0c(零)，NSc(負小)和NLc(負大)。將每周期±lmm偏差變化量均勻分為11個區間，對應-5～+5，確定出隸屬度。
輸出量T是一個周期內電機轉動的時間，把它分為7個模糊子集，即:PLT(正大)，PMT(正中)，PST(正小)，OT(零)，NST(負小)，NMT(負中)和NLT(負大)。把每個周期的時間均勻分為11檔，對應-5～+5，確定出隸屬度。
雙輸入單輸出型模糊控制器，其控制規則為:
根據模糊運算規則可知:
是一個12×11×14的矩陣。事先計算出這個矩陣，然后用最大隸屬度原則進行判決，再經人工修正，可得到模糊控制表。把該表存入程序中去。在運行時，通過查表即可完成相應的模糊運算，求出輸出量的模糊值。然后再乘上相應的比例因子，就可得出精確的輸出控制量。
本系統經過實際運行表明，系統穩定，調整速度快，自動對版最大調整時間小于10s，對版誤差不大于±0.05mm，超調量非常小，具有很強的魯棒性。對于規格差異較大的幾種印刷機均能很好地適應。因此，本系統具有較高的推廣價值。
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參考文獻
1 李士勇. 模糊控制和智能控制理論與應用.哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，1990
2 王學慧，田成方.微機模糊控制理論及其應用.北京:電子工業出版社.1987
3 趙榮椿.數字圖像處理導論.西安:西北工業大學出版社.1995