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第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
近年来，喷墨打印越来越广泛地应用于办公、家庭和工业制造领域中。相比于传统的制备方法，喷墨打印的材料浪费率低，操作过程简单，设备价格较低，环保，并且适用于打印形状复杂的物体。喷墨打印在票据、标签、包装等方面应用广泛，近年来逐渐拓展到服装、印刷电路板（PCB）制造、文化创意产业等先进的高端领域1 。因此，提高喷墨打印的质量至关重要。墨滴作为喷墨打印的最小单元对喷墨打印的质量具有重要的影响，因此墨滴检测技术也越来越受到关注。墨滴的大小、速度、形状、轨迹等特征参数都反映了喷墨打印的效果，墨滴的大小直接影响了打印图像的颗粒度，尺寸较小的墨滴可以节约打印墨水，加快承印物上墨水的干燥时间，使打印的图像细节更加精细，颜色和阶调过渡柔和，增强图像的层次感和质感2 。通过检测墨滴的速度、形状、大小、运动轨迹等参数可以作为评价喷墨打印质量的重要指标，同时可以作为选择喷头的参考依据。由于喷墨具有体积小、喷射速度快等特点，人眼无法直接观测，传统的人工检测方法难免会产生一些误差。因此需要设计一种新的方法，既可以减少人工操作带来的误差，也能提高墨滴视觉检测的精度和速度。在喷墨打印中具有重要的实用价值，是一个很有发展前途的研究方向本设计依托于北京市教育委员会重大科技计划项目“基于 3D 打印的创意产品表面彩色化精确运动控制研究”，针对实验室的喷墨打印设备，进行墨滴视觉检测系统关键技术的研究。
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1.2 国内外研究现状
原始的墨滴视觉检测通常是通过人工操作的方法，需要利用标尺和显微镜来观察墨滴的喷射过程。喷墨打印中墨滴的体积大多分布在 10～140pL，墨滴喷射的速度大部分在 3～20m/s，喷墨频率在 10～40kHZ 之间，工业用的喷头喷孔数目高达一千以上，因此人工检测的方法存在很大的误差3 。墨滴检测的新方法是采用高速图像采集设备获取墨滴图像，通过数字图像处理技术提取目标墨滴，得到墨滴参数。目前国内研究墨滴视觉检测的大多数分布在各高校，商业性质的比较少。台湾大叶大学在 2001 年设计了一种墨滴视觉检测系统，可以检测墨滴的飞行状态，并且检测到墨滴的尺寸为 36μm，墨滴的飞行速度为 8ms4 。2005 年，杭州电子科技大学设计了一种基于图像处理技术的墨滴检测系统，通过利用工业相机和图像采集卡来实现墨滴的快速检测5 。清华大学的张林提出了一种自动检测墨滴质量的方法在采集过程中能够对喷头的每个喷嘴进行自动精确定位，实现了喷墨液滴的可视化和喷墨质量的自动检测6 。2009 年杭州电子科技大学的潘统明设计了一种在线喷印检测系统，实现了对墨滴的实时在线监测，系统已经成功应用于企业生产中1 。2013 年华东理工大学设计了印制电子的喷墨检测系统，能准确地提取墨滴参数，该设计已经在昆山海斯电子公司成功应用于生产印制电路板7 。国外对于墨滴视觉检测的研究比较早，从 1990 年以来，墨水生产商和喷头生产商为了检测墨水质量以及墨水与喷墨头的匹配情况，开始了对墨滴视觉检测的研究与开发。但是绝大多数的公司不公开自己公司开发的墨滴检测系统
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第二章 墨滴视觉检测相关技术及原理
2.1 喷墨打印技术
喷墨打印是数字印刷的一种方式，喷墨打印的原理是将印前设计好的图文信息传输到喷墨打印设备中，通过计算机得出对应通道的墨量，墨水从喷孔喷射到承印物上，呈现出图文信息10 。按照墨水喷出是否连续可以将喷墨打印分为两种类型，连续喷墨印刷（CIJ）和按需喷墨印刷（DOD）11 ，其具体分类如下图 2.1.1所示。连续喷墨打印是指通过内含油墨的受压腔体获得连续喷射墨滴的技术。墨水通过压电晶体产生的声波导致自身震动，将墨流分离成大量的具有一定规律的微小墨滴，随后墨滴流经过由电极形成的电场，墨滴被区分为带电荷和不带电荷两种墨滴，然后墨滴要经过一个偏转电极，其方向与墨滴的运动方向垂直，在这个偏转电极的作用下，墨滴的运动方向发生变化，带电墨滴喷射到承印物的对应位置，形成了图文信息部分，不带电荷的墨滴被拦截收集到回收槽后再使用12 。连续喷墨打印按照墨滴充电的不同可分为二值偏转和多值偏转。二值偏转系统中，墨滴分为两类，一类带电，一类不带电，带电的墨滴在偏转电极的作用下飞行到承印物上，不带电的墨滴进入回收装置中。而多值偏转系统墨滴的充电量根据需要而不同，从而产生不同的偏转角度，而未充电的墨滴全部进入回收槽。多值偏转方法的优点是单个喷嘴就可以完成小范围图像的印刷 。
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2.2 按需喷墨打印
在当前喷墨印刷中，占据了大部分市场的还是按需喷墨打印方式。其特点是只有在有图文信息需要打印的时候才有墨水喷出15 ，按需喷墨方式其喷嘴结构如图 2.1.3 所示。根据墨滴生成过程所采用的机制，按需喷墨技术可分为热泡喷墨技术、压电喷墨技术、静电喷墨技术和超声波喷墨技术四类16 。其中后两类还在发展阶段。热泡喷墨技术是通过加热元件使部分油墨汽化，所产生的气泡迫使油墨从喷嘴射出而形成墨滴17 ，喷嘴结构如图 2.1.4 所示。这种技术的优点是不需要其他的机械动作，只需要墨水移动；喷头制造容易，成本低、更换方便。缺点是油墨会在加热原件表面沉积，同时，加热原件的工作频率也不能太高，因此喷墨速度也比较慢；由于喷头长时间的处于高温状态，同时高温墨水也会加剧对喷头的腐蚀，因此喷头的使用寿命比较短；喷射的墨滴是散射状，因此墨滴的形状和尺寸会有比较大的误差，会造成打印精度较低的情况。目前，热泡喷墨技术已经广泛应用在喷墨印刷中，由于热泡式喷墨打印机价格低廉，因此在中低端市场占有比较大的份额，佳能和惠普公司生产的喷墨打印机就是其中最有特色的代表18 。
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第三章 基于背景减除的运动目标检测算法........18
3.1 均值滤波法.............18
3.2 W4 模型......19
3.3 码书模型................19
3.4 均值替换法.............19
3.5 内核密度估计法....20
3.6 单高斯模型............22
3.7 混合高斯模型.........22
3.8 几种算法分析.........24
第四章 墨滴视觉检测.....27
4.1 预处理........28
4.2 背景差分法.............39
4.3 后处理........40
第五章 图像分割技术.....44
5.1 边缘分割技术.........44
5.2 阈值分割技术.........50
5.3 区域分割技术.........58
5.4 背景减除结果与图像分割目标融合............60
5.5 墨滴参数计算.........62
5.6 图形界面设计.........63
第五章 图像分割技术
图像分割就是将一张图像分割成不同的区域，同一个区域内基本上具有相同的性质，而相邻的区域有明显的差别。按照图像分割时参照的特征不同可以分为边缘分割、阈值分割和区域分割技术57 。
5.1 边缘分割技术
边缘分割也叫做边缘检测，是对图像进行目标提取的一种重要手段，广泛应用于目标的识别与提取。其检测的原理是根据目标与背景在亮度上有显著的不同来实现的。图像的灰度变化程度可以由函数的导数反映出来，函数的一阶导数的极大值以及函数二阶导数过零点的值都可以代表灰度发生急剧变化的位置。因此通过这些导数值可以提取边界点。阈值分割技术是最简单的一种图像分割技术，其关键是要选择合适的阈值，一个合适的阈值能大大提高图像分割的准确度。在进行阈值分割时，判别像素点属于背景还是目标的方法是通过图像的像素点与阈值比较来实现的。
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结论
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本研究是在喷墨打印广泛应用，喷墨质量越来越受到关注的背景下，为了检测喷墨打印的质量，调研分析了墨滴视觉检测的研究现状和发展趋势，提出了一种墨滴视觉检测的设计与研究思路，主要的研究成果如下：
(1) 对墨滴视觉检测系统进行总体设计，搭建了墨滴视觉检测平台，设计了墨滴视觉检测方法。针对墨滴尺寸小、速度快的特点，使用普通工业相机，结合使用 LED 灯，通过控制光源的频率，利用喷墨具有重复性的特点来拍摄墨滴。
(2) 对数字图像进行处理。针对喷墨试验时的背景比较单一，选择操作方便、实时性好、能分割完整运动目标的基于单高斯模型的背景减除法。对墨滴视觉检测的技术路线进行设计，包括对图像进行预处理、背景减除和后处理。
(3) 对图像分割技术进行研究，包括边缘分割、阈值分割和区域分割技术。针对单高斯模型对光照敏感的缺陷，设计了一种融合的算法。采用对光照突变不敏感的分水岭法与背景减除的图像进行融合，大大提高了检测的准确性。
(4) 根据喷墨打印具有重复性的特征，设计了墨滴的速度和体积的计算方法；设计了一个图形化界面，实现图像的采集、显示、处理和存储。
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参考文献（略）
