专利名称：高速装订机页面在线模糊识别系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及印刷行业中的一种自动装订机自动控制，特别是涉及一种自动装订机 在线模糊识别系统。尤其是涉及一种高速装订机页面在线模糊识别系统。
背景技术：
印刷行业中的自动装订设备，分为骑订线和胶订线两类，机械自动化程度都比较 高，进口设备的装订速度达到1万本/小时以上。但是制约自动线装订质量的技术瓶径问 题之一，是配页过程中的错页、漏页、歪页、多贴等技术问题。随着时代的发展，出版集团对 出版物的质量要求越来越高(错误率为十万分之五以下)，依靠传统人工控制装订质量越 来越困难。而目前无论进口装订设备还是国产的装订设备，都没有自动识别功能，作为印刷 后期重要工序，缺少适时控制、识别系统，直接影响了印刷品的质量。为解决上述问题，国内相关专家进行了长期的探讨。经对17个国内数据库及互联 网相关网站进行查询，检索到相关文献4篇。列举如下1、哈尔滨工业大学的宁焕成撰写 的《基于模糊认识的自动装订机页面检测仪》一文。提出的自动装订机页面检测仪采用光 电反射式传感探头，设计一种驱动电路，可以在一摞相同的页面中识别出其中存在的空白 页、错页、倒页和印刷质量存在严重问题的页。但是，识别速度和纠错问题解决不了。2、北 京工业大学的潘玲珍撰写的《基于模糊识别的书贴检测仪的研制》，与文献1研究的内容基 本相同，都解决不了识别速度和纠错问题。3、北京工业大学机械工程与应用电子技术学院 的王跃宗、李德胜发表的《新型错帖检测仪的设计》，文中提到的仪器的测量精度只能达到 0.5%。远远不能满足当前印刷行业“错误率为十万分之五以下”的要求。4、哈尔滨工业大 学；航天工业总公司第三研究院的周锐、杨涤、王恒霖等人撰写的《复杂背景中目标图像的 提取与跟踪》，介绍一种复杂背景中目标图像的提取与高精度目标形心跟踪算法。也没有提 到具体的识别速度、精度、纠错等关键技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高速装订机页面在线模糊识别系统，对 印刷品页面的进行图像二值化，图像识别等数字化高速处，并准确地将错页、漏页、歪页等 页面自动排出，从而解决印刷品装订过程中错误率高的技术问题。本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案是1、一种高速装订机页面在线模糊识别系统。其特征在于所述高速装订机页面在 线模糊识别系统，采用计算机图像处理与模糊识别技术，ARM嵌入式结构，CCD数字高速摄 像头，适时采集配页机机器手抓取的页面图像(每秒24张)，计算机将该图像与标准图像进 行特征比较，确定配页机抓取的页面是否正确。当出现错误时，控制系统自动报警并将有问 题的书刊从紧急出口排出或停机处理。2、所述高速装订机页面在线模糊识别系统，其特征在于对图像进行二值化处理。 即摄像头读取页面图象后，通过图像二值化处理，将彩色图像转换为黑白图象。将图像按照灰度划分为若干个子块(16块)，每个子块计算一个平均灰度，即确定一个阀值，所有灰度 超过平均灰度的值变换为255 (黑色)，而另一些低于平均灰度值变换到0 (白色)。每个阀 值的选择与设置全部由计算机计算后自动完成。最终得到黑白图像。3、所述高速装订机页面在线模糊识别系统，其特征在于图像特征提取与匹配，即 通过分别提取两个图像的特征(点、线、面等特征)，对图像特征进行参数描述，然后运用所 描述的参数来进行匹配的一种算法。本发明采取特征向量判别方法对两个图像之间进行匹配，匹配过程分为粗匹配和 精匹配两步进行。粗匹配阶段采取了图像投影方法提取特征向量。精匹配阶段采用欧式距 离测量方法。结合最小绝对差度量MAD和Hausdorff距离度量的基本原理，采用像素距离 相似性度量方法的图像匹配算法和自适应模板图像匹配跟踪算法，并对对应像素距离相似 性度量方法的图像匹配算法和匹配跟踪性能进行分析.对这2种算法的匹配跟踪性能参数 的实验结果进行比较。4、所述高速装订机页面在线模糊识别系统，其特征在于采用图像数据的采集与 外部图像数据的读取同时进行技术，实现图像数据的高速处理。采用双SRAM缓存结构。在 同一时刻，一片可用于存储图像数据，另一片可用于外部ARM对图像数据的读取。两块SRAM 存储区乒乓式切换。当图像数据写满SRAMl时，FPGA向ARM发送一个中断信号，然后，AlRM 响应中断并读取SRAMl中的图像数据，同时将其写入内存中，图像数据将写入SRAM2，当图 像数据写满SRAM2时，FPGA也向ARM发送一个中断信号。ARM响应中断并读取SRAM2中的 图像数据，同时将其写入内存中。之后，图像传感器的数据将再次写入SRAM1，系统结构上， 采用基于ARM&Linux的嵌入式软硬平台。5、所述高速装订机页面在线模糊识别系统，其特征在于对装订中出现的错页、漏 页、歪页等进行自动处理。当图像识别处理判断发现的错页、漏页、歪页时，计算机输出报警 信号，装订生产线自动停机或者从紧急出口排除错误书刊。本发明的积极有益效果在于解决了印刷行业自动装订设备的自动识别控制问 题，代替了传统人工控制装订质量的方法。实现了装订过程的错页、漏页、歪页的自动纠错 处理。其优点主要表现在以下四个方面一是图像识别处理速度快本发明设计目标为处理一幅图像的平均时间小于等于 0. 1秒，满足装订速度在30000张/小时以下的生产线的需求。二是识别误差率低安装本识别系统的马天尼书刊自动装订机，发生错页、歪页现 象的错误率，可以由过去的万分之五，降低到十万分之一以下，产品质量大幅度提高。三是设计装配成本低该识别系统完全自行开发、设计，所用硬件为市场上的通用 件，装配改造一套瑞士进口的马天尼骑订生产线，只需十几万元。四是降低了劳动强度，减少了工作量，降低了生产成本。
如图所示，图1高速装订机页面在线模糊识别系统示意图；图2是图像经二值化处理的前后效果示意图；图3是图像特征提取与匹配的判别流程示意图；4
图4是ARM&Linux的嵌入式系统硬件结构示意图；图5是以C语言和Qt库为图像处理程序示意图；图6是ARM&Linux的嵌入式系统设计示意图；图7是控制系统电路原理图；图8是系统采用的QQM40v3开发板图；图9是高速装订机页面在线模糊识别系统总体设计工艺流程图。
具体实施例方式为更好地理解本发明，下面结合具体实施例作进一步说明1、本发明的设计思路①高速数据采集系统设计本发明设计目标为处理一幅图像的平均时间小于等于 0. 1秒，满足装订速度在30000张/小时以下的生产线的需求。采用ARM嵌入式系统硬件结 构，图像采集芯片将原始图像数据传到FPGA，FPGA将图像原始数据暂存于SRAMl中，当一帧 图像存储完后，下一帧图像数据存于SRAM2中。同时，将SRAMl中的数据送给ARM，ARM在对 原始图像进行必要的处理后，将图像数据以图片文件的方式送入图像识别控制器进行判别 输出，当出现装订故障时，驱动报警灯并控制装订线的停机或错误书刊分流。这样就实现了 嵌入式高速图像采集和识别功能，用户可以很方便地将图片上传到PC机中进行进一步的 分析和处理。②ARM&Linux的嵌入式系统的设计FPGA选择FPGA主要作用是把图像采集芯片 传过来的图像原始数据，采取乒乓操作的方式，暂存于两片SRAM中。当FPGA开始接收第一 帧图像时，把该帧图像根据FPGA内部生成的地址存储在SRAMl中，一帧图像接收完毕后，向 ARM传送。同时，把下一帧图像暂存于SRAM2中，然后传给ARM，依次循环。这样就可以实现 图像的高速采集。本系统选用了 Alter公司的EP1K30TC144-3，它采用EECMOS技术，144引 脚TQFP封装，容量为10万门，具有高密度、低成本、低功耗的特点。FPGA的内部结构包括时 钟驱动模块、SAA7113H控制模块、SRAM控制模块、ARM数据交换模块等。SAA7113H控制模 块主要负责对视频采集芯片SAA7113H的初始化和启停等功能控制；SRAM控制模块则主要 进行读写地址生成、“乒乓”读写控制等。③图像识别算法设计图像匹配是指通过一定的匹配算法在两幅或多幅图像之间 识别同名点，如二维图像匹配中通过比较目标区和搜索区中相同大小的窗口的相关系数， 取搜索区中相关系数最大所对应的窗口中心点作为同名点。其实质是在基元相似性的条件 下，运用匹配准则的最佳搜索问题。图像匹配主要可分为以灰度为基础的匹配和以特征为 基础的匹配。灰度匹配法是归一化的灰度匹配法，其基本原理是逐像素的把一个以一定大小的 实时图像窗口的灰度矩阵，与参考图像的所有可能的窗口灰度阵列，按某种相似性度量方 法进行搜索比较的匹配方法，从理论上说就是采用图像相关技术。利用灰度信息匹配方法 的主要缺陷是计算量太大，速度低，不适宜在本项目中采用。特征匹配是指通过分别提取两个或多个图像的特征(点、线、面等特征)，对特征 进行参数描述，然后运用所描述的参数来进行匹配的一种算法。实现确定图像之间的相似 度指标，当两张图片之间的相似程度超过相似度指标的设定值时，可以认为两张图片相同。基于特征的匹配所处理的图像一般包含的特征有颜色特征、纹理特征、形状特征、空间位置 特征等。本发明是基于特征匹配的方法取得页面判定结果的。2、控制系统硬件设计根据实际要求，需要对各个模块(图像数据采集、FPGA、 ARM、图象识别、报警、LCD显示模块)进行分析与设计。
①FPGA模块的设计基于Nios II的高速图像数据采集和显示系统的实现通常 有两种方案。一种是在Nios II处理器上使用软件控制PIO(Peripheral I/O)端口模拟采 集模块的时序，从而可灵活地存储图像数据，并可按照图像宏块(如8X8像素的MCU块) 存入SDRAM的连续地址中；第二种方案是加FIFO缓冲区，图像数据直接经DMA控制器存储 SDRAM，这种方案能节省Nios II的软件开销，更高效地完成图像的采集工作。本发明采用了第二种方案，FPGA为Altera的EP1C6Q240C8，它有5980个LC (逻辑 门单元)和20个M4K的RAM块。本系统设计的一个11位深度的DMA控制器，需要280个 Logic Cells和151个LC Registers，占FPGA整个系统资源的7. 2%，其资源占用较少。本 系统设计了两个DMA控制器，一个用于前端采集模块通道，一个用于后端显示模块通道。由于CMOS和C⑶的固体图像传感器的类型很多，有些传感器(如0V7620)输 出的是YCrCb(4:2:2)的格式，但大多数CMOS和CXD的图像传感器出来的图像数据是 Raw Data(Bayer)的数据格式。所以首先需要对这些图像数据进行CFA插补。为了节省 软件开销，本系统采用了 一种最简单的CFA插补算法(Bilinear)，与高阶B-spline和 cubic-spline等插补函数相比，图像的像质相差不大。但Bilinear的算法要简单得多，消 耗的软件资源相对要少。插补后的图像需要进一步裁剪成液晶屏能显示的分辨率(QVGA)， RGB分量只取高6位。②FPGA中的电路设计在FPGA中需要设计2种控制器，即CMOS采集控制器、SDRAM 控制器。Altera公司提供了 SDRAM的控制器，需要根据具体的SDRAM器件正确配置SDRAM 控制器的时间参数，才能正常、稳定地工作。本系统采用的SDRAM型号为HY57V561620T-H， 其配置参数如表1所示。表1 SDRAM参数配置
权利要求
1.一种高速装订机页面在线模糊识别系统，其特征在于所述高速装订机页面在线模 糊识别系统，采用计算机图像处理与模糊识别技术，ARM嵌入式结构，CCD数字高速摄像头， 适时采集配页机机器手抓取的页面图像(每秒24张)，计算机将该图像与标准图像进行特 征比较，确定配页机抓取的页面是否正确。当出现错误时，控制系统自动报警并将有问题的 书刊从紧急出口排出或停机处理。
2.根据权利要求1所述的高速装订机页面在线模糊识别系统，其特征在于对图像进 行二值化处理。即摄像头读取页面图象后，通过图像二值化处理，将彩色图像转换为黑白 图象。将图像按照灰度划分为若干个子块(16块)，每个子块计算一个平均灰度，即确定一 个阀值，所有灰度超过平均灰度的值变换为255 (黑色)，而另一些低于平均灰度值变换到 0(白色)。每个阀值的选择与设置全部由计算机计算后自动完成。最终得到黑白图像。
3.根据权利要求1所述的高速装订机页面在线模糊识别系统，其特征在于图像特征 提取与匹配，即通过分别提取两个图像的特征(点、线、面等特征)，对图像特征进行参数描 述，然后运用所描述的参数来进行匹配的一种算法，本发明采取特征向量判别方法对两个图像之间进行匹配，匹配过程分为粗匹配和精匹 配两步进行。粗匹配阶段采取了图像投影方法提取特征向量。精匹配阶段采用欧式距离测 量方法。结合最小绝对差度量MAD和Hausdorff距离度量的基本原理，采用像素距离相似 性度量方法的图像匹配算法和自适应模板图像匹配跟踪算法，并对对应像素距离相似性度 量方法的图像匹配算法和匹配跟踪性能进行分析.对这2种算法的匹配跟踪性能参数的实 验结果进行比较。
4.根据权利要求1所述的高速装订机页面在线模糊识别系统，其特征在于采用图像 数据的采集与外部图像数据的读取同时进行技术，实现图像数据的高速处理。采用双SRAM 缓存结构。在同一时刻，一片可用于存储图像数据，另一片可用于外部ARM对图像数据的读 取。两块SRAM存储区乒乓式切换。当图像数据写满SRAMl时，FPGA向ARM发送一个中断信 号，然后，AlRM响应中断并读取SRAMl中的图像数据，同时将其写入内存中，图像数据将写 入SRAM2，当图像数据写满SRAM2时，FPGA也向ARM发送一个中断信号。ARM响应中断并读 取SRAM2中的图像数据，同时将其写入内存中。之后，图像传感器的数据将再次写入SRAMl， 系统结构上，采用基于ARM&Linux的嵌入式软硬平台。
5.根据权利要求1所述高速装订机页面在线模糊识别系统，其特征在于对装订中出 现的错页、漏页、歪页等进行自动处理。当图像识别处理判断发现的错页、漏页、歪页时，计 算机输出报警信号，装订生产线自动停机或者从紧急出口排除错误书刊。
全文摘要
本发明公开了一种印刷行业的高速装订机页面在线模糊识别系统。其技术方案是在印刷装订过程中，采用计算机图像处理与模糊识别技术，适时采集配页机机器手抓取的页面图像(每秒24张)，通过计算机将该图像与标准图像进行特征比较，进行图像二值化、图像识别等数字化高速处理，确定配页机抓取的页面是否正确，当出现错误时，控制系统自动报警，并将错页、漏页、歪页等有问题的书刊从紧急出口自动排出。本发明的优点是1、图像识别处理速度快处理一幅图像的平均时间小于等于0.1秒；2、误差率低安装本识别系统的马天尼书刊自动装订机，错误率降低到十万分之一以下；3、设计装配成本低装配改造一套马天尼骑订生产线，只需十几万元。
文档编号B42C1/00GK102039738SQ20091022738
公开日2011年5月4日 申请日期2009年12月9日 优先权日2009年12月9日
发明者安振明, 朱延军, 李光军, 郭本强, 郭杰 申请人:辉县市文教印务有限公司