DE69913274T2

DE69913274T2 - Automatische Überwachung der Druckqualität durch ein elastisches Modell

Info

Publication number: DE69913274T2
Application number: DE1999613274
Authority: DE
Inventors: Luigi Stringa
Original assignee: KBA Giori SA
Current assignee: KBA Notasys SA
Priority date: 1998-09-07
Filing date: 1999-08-23
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2019-08-24
Also published as: CN1250195A; US6665424B1; CA2281113A1; EP0985531B1; MC2479A1; JP2011020455A; UA58539C2; AU4467999A; CA2281113C; AU761615B2; RU2237922C2; ATE255503T1; EP0985531A1; KR20000022946A; JP2000113198A; KR100668029B1; CN1122246C; DE69913274D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur sehr sorgfältigen Kontrolle der Qualität eines Drucks auf verformbarem Material, wie Bogen aus Papier, Kunststoff oder Gummi. Genauer gesagt betrifft die Erfindung ein Verfahren, um in Realzeit während der Inspektion die Bezugsmodelle zu modifizieren, welche gewöhnlich bei der automatischen Kontrolle der Druckqualität verwendet werden, so dass korrekt geprüft werden kann, selbst in Fällen, in denen die Verformung der Bogen Verzerrungen erzeugt, wie die daraus resultierenden gedruckten Muster, die sich vom Modell sehr unterscheiden, aber dennoch für das menschliche Auge akzeptabel sind. In der Tat verwenden alle bis heute bekannten Verfahren starre (nicht verformbare) Modelle, und um Verformungen der Bogen (Papier, Kunststoff, Gummi) zu berücksichtigen, müssen die Toleranzen beträchtlich gelockert werden, um die Gefahr einer falschen Erfassung zu verringern, wodurch insbesondere die Sorgfalt der Inspektion in oft nicht akzeptabler Weise herabgesetzt wird.
Man kennt im allgemeinen mehrere Verfahren zur Beurteilung der Druckqualität: einige Beispiele sind in der Referenz-Liste angegeben. Selbst wenn mehrere Autoren eine grosse Vielfalt von Verfahren vorgeschlagen haben, beruhen nahezu alle Lösungen auf demselben Grundgedanken, der sich wie folgt zusammenfassen lässt.
Eine Menge (Training Set, TS) von einem oder mehreren Probeobjekten (Bogen usw.) mit einer "guten" Druckqua lität wird dazu verwendet, damit das Inspektionssystem das Bezugsmodell und (oder) die relativen Drucktoleranzen, ausgedrückt in densitometrischen Masseinheiten, "lernt". Im allgemeinen besteht das Verfahren in einer Erfassung des (der) Bildes (Bilder) der Probe(n) des TS mittels eines elektronischen Abtastsystems und in der Konstruktion eines "Bezugsmodells" (manchmal "golden template" genannt), welches der Mittelwert der Bilder des TS (oder irgendeine wünschenswerte Transformation davon) sein kann. Zusätzlich zum densitometrischen Bezugswert (das heisst dem Wert im Bezugsbild) wird für jedes Pixel des analysierten Bildes ein Paar von Grenzwerten (z. B. zu schwarz TD und zu hell TL) berechnet. Mehrere Methoden wurden vorgeschlagen, um diese Grenzen zu gewinnen. Beispielsweise verwenden bestimmte Autoren das Minimum (auf TS) der Dichten des Pixels wie TD, und sein Maximum wie TL; andere Autoren verwenden den Gradienten des Bildes; andere die Standardabweichung; usw. In jedem Falle ist das Bezugsmodell eine Beschreibung der Toleranzen des Drucks, welche jedem Pixel des Bildes die densitometrischen Grenzen TD und TL zuordnet. Diese Beschreibungen sind "starr", d. h. es gibt keine Möglichkeit, Verformungen einzubeziehen, welche eine relative Verschiebung der gedruckten Strukturen erzeugt. Daher sind bei allen früheren Lösungen – trotz der Einführung einiger schlauer Verfahren zum Lockern der Schwellentoleranzen (TD und TL) – die Verformungen des Trägers (Papier, Kunststoff, Gummi) die Hauptquelle für die Erfassung "falscher Fehler", das heisst von Drucken, die für einen menschliche Kontrolleur keine Fehler aufweisen, aber trotzdem vom System verworfen werden. Darüber hinaus macht eine solche Vergrösserung der Toleranzen die Inspektion eher grob und ungenau, wodurch die Standardqualität verringert wird.
Gemäss der vorliegenden Erfindung werden die zu kontrollierenden Objekte (Bogen aus Papier, Kunststoff. Gummi usw.) optisch mit bekannten optoelektronischen Mitteln analysiert, wie beispielsweise einer CCD-Kamera (lineare oder Matrix-Kamera, schwarz und weiss oder farbig), und zwar mit einer gewünschten Auflösung, um elektronische Bilder der bedruckten Bogen zu erzeugen.
Ein elektronisches Bild besteht aus einer diskreten Menge von Dichtewerten, die im allgemeinen wie eine rechteckige Matrix geordnet ist. Jedes Matrixelement (Pixel) ist ein Mass für die Intensität des von einem Teil des entsprechenden Bildes reflektierten Lichts. Diese Dichtewerte sind häufig in Form von 256 Graupegeln digitalisiert (z. B. entspricht Schwarz dem Wert 0 und Weiss dem Wert 256).
Im Falle von Farbbildern besteht die Beschreibung im allgemeinen aus drei den Komponenten Rot, Grün und Blau des von jedem Bildpixel reflektierten Lichts entsprechenden Matrizen.
Im folgenden wird der Ausdruck "Bild" stets anstelle des Ausdrucks "elektronisches Bild" verwendet, sei es für den Fall von Schwarz-Weiss-Bildern (einer einzigen Matrix der Dichtewerte), sei es für den Fall von Farbbildern (der drei Matrizen).
Wie bei zahlreichen Lösungen anderer Autoren ist der erste Schritt des Verfahrens die Definition einer Lern anordnung (Training Set TS), die aus einem oder mehreren "gut gedruckten" Bildern des Bogens besteht (das heisst ohne unakzeptable Fehler), welche zur Konstruktion eines "Modells" guter Bogen verwendet werden.
Man verfährt gemäss folgenden Schritten:

– Man gewinnt aus dem TS ein Bild, das als Bezugsbild verwendet wird (welches eines der Bilder des TS, deren Mittel oder irgendeine geeignete Transformation sein kann, wie z. B. das Bild der Ränder der auf den Bogen gedruckten Muster);
– man teilt das Bezugsbild in eine grosse Zahl von Unterbildern, beispielweise durch Überlagerung eines Gitters (regelmässig oder nicht), wie Zeichnungsblatt I/4 bei b) zeigt;
– man wählt in jeder Gittermasche eine für das gedruckte Muster sehr charakteristische Struktur (siehe Zeichnungsblatt II/4), deren Position zum Messen der Verformung des Trägers verwendet wird. Im folgenden werden die Positionen der erwähnten Strukturen Knoten des Models genannt.
– Diese Strukturen können von gewissen ausgekügelten topologischen Eigenschaften bis zu anderen, ziemlich einfachen variieren, wie das Maximum des Gradienten des Bildes im Inneren der Masche. Einige Methoden zur automatischen Bildung der charakteristischen Strukturen und damit der Knoten des Modells werden später als bevorzugte Varianten veranschaulicht;
– man definiert für jeden Knoten eine Schwelle der Verformung, wie die maximale akzeptable Verschiebung des Knotens aus seiner Position im Bezugsbild.

Man kann schliesslich (aus den Bildern des TS) für jedes Pixel des Modells die densitometrischen Schwellen konstruieren (beispielsweise zu schwarz TD und zu klar TL), und zwar nach irgendeiner Methode, insbesondere nach den zu diesem Zweck verwendeten Methoden (max–min; Standardabweichung; Variation des Gradienten, usw.); vor ihrer Berechnung jedoch führt man auf jedem Bilde des TS folgendes durch:

– Man misst die Verschiebung jedes Knotens im TS-Bild in bezug auf den entsprechenden Knoten im Bezugsbild;
– man erzeugt eine elastische Verformung des TS-Bildes, so dass alle seine Knoten dieselbe Position wie im Bezugsbild haben. Das kann mit der gewünschten Genauigkeit erfolgen, indem irgendein bekannter Algorithmus der Verformung von Bildern verwendet wird, wie beispielsweise der "2-pass mesh warping" genannte (Siehe Referenz 1).

Gemäss der vorliegenden Erfindung wird das Verfahren zur Konstruktion des Modells auf den geeignet verformten TS-Bildern durchgeführt, so dass die Knoten dieselbe Position wie im Bezugsbild haben.
Während der Inspektion werden die zwecks Prüfung ihrer Druckqualität zu bewertenden Bilder zunächst genauso bearbeitet wie die TS-Bilder und dann mit den Grenzen (Schwellen) des Modells verglichen, wie bei anderen Methoden. Ein solches Verfahren stellt sicher, dass die Verformungen, die kleiner sind als die anderswo definierten Verformungsgrenzen, korrigiert werden, um eine sehr sorgfältige Inspektion zu garantieren, sofern die übertrieben stark verformten Bogen als fehlerhaft verworfen werden.
Es ist klar, dass man dasselbe Resultat erhalten kann, indem das Modell (mit seinen Grenzen, z. B. den Schwellen TD und TL) verformt wird, anstatt die zu prüfenden Bilder zu korrigieren.
Zeichnungsblatt I/4 zeigt bei a) den Buchstaben "A" als Beispiel eines gedruckten Musters und bei b) die Überlagerung mit einem Gitter 3 × 3.
Zeichnungsblatt II/4 zeigt bei a) fünf charakteristische Strukturen des Musters auf Zeichnungsblatt I/4 und bei b) die diesen Strukturen zugeordneten fünf Knoten (K1 bis K5).
Zeichnungsblatt III/4 zeigt bei a) ein Beispiel der Verformung des Buchstabens "A" auf dem Zeichnungsblatt II/4 und bei b) die Positionen der Knoten auf dem verformten Muster sowie für jeden Knoten die entsprechende Verschiebung. Genauer gesagt: Wenn Ki [i ∊ (1,5)] die Position des i^te Knotens im Originalbild und K'i seine Position im verformten Bild ist, dann stellt man fest, dass alle Verschiebungen Δxi und Δyi null sind, ausgenommen Δ × 2 und Δ × 5.
Zeichnungsblatt IV/4 zeigt eine typische Anordnung des im Text beschriebenen Inspektionssystems.
Als Beispiel der vorliegenden Erfindung wird eine bevorzugte Variante anhand der Zeichnungen beschrieben.
Zeichnungsblatt IV/4 zeigt eine Anordnung des Inspektinssystems, in welchem eine lineare CCD-Kamera 1 mit ihren Linsen 2 und ihrem Beleuchtungssystem 3 verwendet wird, um die Bilder der zu prüfenden Bogen 4 zu erfassen, welche sich auf dem drehenden Zylinder 5 befinden.
Die von der Kamera abgetasteten Linien werden aufeinander folgend in einer ersten Pufferschaltung (Speicher) des Untersystems zur Verarbeitung des Bildes 6 gespeichert, um ein (elektronisches) Bild jedes Bogens zu erzeugen.
Das Untersystem zur Verarbeitung des Bildes 6, welches entweder auf einer speziellen Hardware oder auf einem programmierbaren Rechner, wie einem DSP (Digital-Signal-Prozessor) der sehr schnellen PC, usw., beruhen kann, führt verschiedene Operationen während der Phase zur Konstruktion des Modells und der Inspektionsphase aus.
Während der Phase zur Konstruktion des Models führt das erwähnte Untersystem folgendes aus:

– es erfasst die Bilder der Bogen des TS und speichert sie in einem geeignet Speicher;
– es gewinnt aus dem TS das Bezugsbild (entweder automatisch oder mit Hilfe des Operateurs mittels der Interface-Operateur-Konsole 7);
– es überlagert dem Bezugsbild ein Gitter. Die Anzahl der Zeilen und Spalten desselben kann entweder vorbestimmt sein oder vom Operateur mittels der Konsole 7 eingegeben werden;
– es identifiziert in jeder Gittermasche die Position eines Knotens, wie die Koordinaten des Pixels oder die Grösse q an ihrem Maximum in der Masche, wobei

In der Gleichung [1] bedeutet I(P) den Wert des elektronischen Bildes an der Position des Pixels P, und A ist eine sehr kleine quadratische Fläche (wenige Pixel), deren Mittelpunkt bei P liegt.
Indem das Produkt der über A summierten Summe der Absolutwerte der partiellen Ableitungen maximiert wird, stellt man sicher, dass der Knoten eine Struktur hat, deren vertikale und horizontale Position leicht erfasst werden kann.
Danach wird jedes TS-Bild vom Untersystem zur Verarbeitung des Bildes 6 gemäss den folgenden Schritten verarbeitet:
– Identifizierung der Verschiebung Δx, Δy jedes Knotens des TS-Bildes in bezug auf den entsprechenden Knoten im Bezugsbild. Bei dieser Varianten wird die Operation ausgeführt, indem die Methode der maximalen Korrelation verwendet wird: ein kleiner rechteckiger Teil So des Bezugsbildes mit dem Mittelpunkt auf den Koordinaten xo, yo des Knotens wird mit einem Teil S1 mit denselben Abmessungen verglichen, dessen Mittelpunkt Schritt für Schritt auf jede Position (Pixel) des TS-Bildes verschoben wird, um die Position x1, y1 zu finden, wo der Korrelationskoeffizient sein Maximum hat. Die Verschiebung ist dann gegeben durch Δx = x1 – xo, Δy = y1 – yo;

– Verformung des TS-Bildes derart, dass seine Knoten dieselbe Position wie auf dem Bezugsbild einnehmen. Bei dieser Varianten wird die Operation durchgeführt, indem der schon erwähnte, "2-pass mesh warping"-Algorithmus (siehe Referenz 1) verwendet wird;
– Berechnung des Mittels Avg(P) und der Standardabweichung Sgm(P) jedes Bildpixels in den verformten Bildern.

Während der Inspektionsphase führt das Untersystem zur Verarbeitung des Bildes 6 gemäss der vorliegenden Varianten folgendes aus:

– es bewirkt zunächst auf jedem zu kontrollierenden, von der Kamera 1 erfassten Bild dieselben Verformungen, welche während der Phase zur Konstruktion des Modells verwendet wurden. Das zu kontrollierende Bild wird also derart verformt, dass seine Knoten dieselben Positionen wie im Bezugsbild haben;
– dann berechnet es die Differenz Δ(P) zwischen dem Wert I(P) jedes Pixels P des zu kontrollierenden Bildes und dem entsprechenden Wert des Mittels Avg(P);
– schliesslich verwirft es die zu stark verformten Bogen als fehlerhaft (das heisst die Bogen, auf denen die Verschiebung wenigstens eines Knotens grösser ist als die schon definierten Schwellen). Es verwirft auch die Bogen, deren Δ(P) > KSgm(P) auf wenigstens M Pixel im Inneren eines Bereichs mit dem Mittelpunkt bei P und dem Radius R. Die Parameter K, M und R können vom Operateur gewählt werden, um die Sorgfalt der Inspektion zu definieren (mittels des Operateur-Interface 7).

Die anderen bevorzugten Varianten umfassen:

a) Austausch der linearen Kamera durch eine Matrix-Kamera. In diesem Falle muss das Untersystem zur Be leuchtung Blitzgeräte verwenden, die mit der Bild-Frequenz der Kamera synchronisiert sind, um ein korrektes Erfassen des Bildes zu gewährleisten.
b) Verwendung des Mittelwerts der TS-Bilder als Bezugsbild.
c) Manuelle Auswahl der Knoten.
d) Verwendung einer Vielzahl von kleinen Masken (templates), jede mit ihren Mittelpunkt auf einem Knoten, um die Verschiebung der Knoten mittels einer Methode zu suchen, wie die so genannte "Methode der besten Überlagerung" (best matching).
e) Die bereits erwähnte Methode, bei der das Modell (Bezugsbild) so verformt wird, dass seine Knoten dieselbe Position haben wie im zu kontrollierenden Bild, anstatt das zu kontrollierende Bild zu verformen, um seine Knoten wie im Modell zu positionieren.
f) Verwendung einer anderen Definition der Schwellen als die der Proportionalität zur Standardabweichung.

Claims

Verfahren zur automatischen Beurteilung der Druckqualität von Bildern, die auf einem verformbaren Träger gedruckt sind, wie Bogen aus Gummi, Kunststoff oder Papier, unter Verwendung einer optoelektronischen Vorrichtung zum Erfassen des Bildes und eines Bildverarbeitungssystems, welches die Verformung des Trägers durch Überlagerung des zu inspizierenden Bildes mit einem geeigneten Gitter misst und danach die Verschiebung der Gitterknoten in bezug auf ihre Position auf einem als nicht verformtes Bezugsbild betrachteten Bild misst, und welches, bevor sie mit Schwellwerten verglichen werden, die zu inspizierenden Bilder verformt, so dass ihre Knoten dieselbe Position einnehmen wie die des Bezugsbilds.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Bezugsbild eines der Bilder eines Training-Sets (TS) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das nicht verformte Bezugsbild das Mittel der Bilder eines Training-Sets (TS) ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 u 3, bei welchem die Knoten manuell durch den Operateur auf Strukturen positioniert werden, die für die gedruckte Form charakteristisch sind.
Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, bei welchem die Gitterknoten automatisch auf das Maximum einer Grösse (q) im Inneren jeder Gittermasche positioniert werden, wobei q durch die Gleichung q = (ΣA|∂I(P)/∂x|)·(ΣA|∂I(P)/∂y|) definiert ist.
Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, bei welchem die Gitterknoten automatisch durch Gewinnen einer charakteristischen Struktur im Innern jeder Gittermasche identifiziert werden, wobei diese Struktur vom topologischen oder geometrischen Standpunkt aus, wie vor allem vom Standpunkt der Umrisse, Ränder, Winkel, Segmente, Löcher usw. charakteristisch ist und wobei irgendeine der wohl bekannten Methoden zum Gewinnen charakteristischer Strukturen verwendet wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5 und 6, bei welchem die Verformung der Bilder mittels eines unter dem Namen "2-pass mesh warping" bekannten Algorithmus erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Verformung der Bilder durch Näherung gemäss anderer Methoden als einem Algorithmus "2-pass mesh warping" berechnet wird, welche elastische Verformungen, bilineare Interpolation oder Interpolation beliebigen Grades und starre Translation der Gittermasche einschliessen, jedoch nicht darauf begrenzt sind.
Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 und 8, bei welchem, anstatt die zu inspizierenden Bilder so zu verformen, dass dieselben Positionen der Knoten wie im Bezugsbild erhalten werden, das Modell, das heisst das Bezugsbild, so verformt wird, dass dieselben Positionen der Knoten wie im zu inspizierenden Bild erhalten werden.
Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9, bei welchem die Knoten in Bereichen des Bogens auf andere Weise als durch Überlagerung des Gitters gesucht werden, einschliesslich der Zufallsrecherche.