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        面向輪胎制造的Code128條碼識別系統

         系統可實時采集任意位置的Code128條碼圖像,并進行快速定位、旋轉、解碼等處理,最終獲取正確的碼值傳輸給工控端,工控端可根據碼值進行信息化管理等。本系統可進行自由組網,增大掃描區域,適用于各類工業自動化生產的應用。
          主要應用有如下幾個方面:
         。1)生產流程管控與產品溯源(輪胎制造業)
          為加強質量管控,目前眾多生產企業在產品上標有條碼等永久性符號,在產品的整個生命周期內可實現追蹤溯源。我們提供的讀碼器對LED光源和識別算法進¬¬行了高度優化,可應對工業現場應用的眾多挑戰,實現如下功能:
          標記符號質量驗證:可適應在金屬、塑料、橡膠或玻璃表面上通過點刻或激光/化學蝕刻所形成的條形碼、二維碼。
          制造檢測過程追蹤識別:在零部件特定制造與檢測環節,對其標識進行自動識別,并與其制造、檢測參數實現數據關聯,確保在整個制造、流通和應用各個環節對每個產品進行管控和追蹤溯源。
         。2)物流業應用
          在物流業應用中,物品從攬件到分拔中心、從分拔中心到派件過程中的多個環節均需要對單據上的條碼進行掃描。我們提供的讀碼器無須人工操作,通過在自動化流水線上安裝固定式讀碼器,實現對條碼的自動定位和解碼,可實現如下功能:
          流程跟蹤:在物流全程的關鍵環節讀取物品的條碼,確定物品的出入庫?蓪崿F物流狀態跟蹤查詢、定位服務、流程異常處理與物品缺失責任認定等。
          自動化分揀:在攬件或入庫環節,建立條碼與物品目的地址的一一對應關系,進入分揀線后,全方位的條碼掃描器,識讀、鑒別包裹,并將它們分揀到相應的出口溜槽,這樣可以提高工作效率,降低成本,減少差錯。
          總體設計方案及關鍵模塊
          面向輪胎制造的Code128條碼識別系統,是典型的光電一體化系統,涉及光源設計、圖像采集、算法處理、現場總線與通信等多學科交叉。整個系統包括如下四個部分:
         。1)LED光源控制模塊:負責LED光源驅動,對光源進行PWM實時控制,達到圖像曝光與光源同步;
         。2)CCD成像模塊:主要由CCD感光器件ICX274(黑白)、電平轉換芯片以及AD采樣芯片構成;
         。3)FPGA時序管理與圖像預處理模塊:主要負責CCD成像模塊的時序控制;圖像的采集與傳輸;圖像的曝光、增益等參數控制;以及Digital I/O的功能實現。
         。4)多核DSP高速圖像處理模塊:負責圖像算法處理、串口通信、485總線通信、以太網通信、系統參數配置等功能。
          解決的關鍵核心技術
          基于FPGA+DSP的圖像采集與處理硬件系統 
          基于FPGA+DSP的圖像采集與處理硬件系統主要由兩大部分組成:①基于FPGA的圖像采集前端;②基于DSP的圖像處理后端。圖像采集前端使用的Altera公司的Cyclone II系列的FPGA器件,具有低成本、低功耗、高性價比等優點。圖像處理后端采用的是TI公司的達芬奇(DaVinciTM)處理器TMS320DM6467,主要技術特性為:
         。1)內置ARM926EJ-STM RISC和TMS320C64x+TMDSP兩個核;
         。2)內置On-Chip L2 Cache 128 KB (DSP);
         。3)內置On-Chip L1 Cache 56 KB (ARM9),64 KB (DSP);
         。4)DSP核可達720M的處理能力。
          面向輪胎制造的Code128條碼識別技術
          通過計算機視覺技術識別Code128條碼具有非接觸、效率高、真實直觀等顯著優點。但是,計算機視覺能否在條碼識別領域成功應用,需要面對如下難點問題:
          背景的復雜度:在識別過程中,待識別條碼周圍通常會伴有文字、圖形、紋理等無關的背景信息,這些因素會影響條碼在圖像中的定位和分割;
          系統的實時性:為了保證識別系統的工作效率,從理論上來說,需要系統在保證精度的前提下采集和處理圖像的速度越快越好;
          不同條碼的適應性:識別系統具有非約束性,應該可以適應各種不同樣式、外觀和大小的條碼,并且可以適應隨時更換不同類型的條碼。
          目前國內已有基于計算機視覺技術的條碼識別系統,但是這些系統存在的問題是:(1)側重于實驗環境中的條碼識別,與工廠生產實際差距較大;(2)系統識別速度較低,識別精度較差,無法有效改善生產效率;(3)無法實現采集和識別一體化,系統結構及接口冗雜,系統的安裝、調試和維護較困難。
          為克服這些不足,我們自主設計了新的視覺檢測系統。首先,為簡化系統復雜度,減輕算法實現的難度,通過光電開關來同步視覺系統,即每過一個輪胎,光電開關觸發一次相機拍攝一系列圖片,傳至DSP進行處理識別,一旦檢測并識別到條碼,相機結束拍攝,并開始等待下一次光電觸發信號。這樣每個條碼只會被識別一次,保證了輪胎與條碼的一一對應關系,避免重復識別和誤識別所造成的混亂問題,在提高識別效率的同時也降低了系統的能耗。
          再次,我們設計了基于計算機視覺技術的圖像算法實現框架,其流程如下圖所示:
         。1)基于梯度方向特征匹配的條碼定位算法
          由于條碼通常由黑白兩色構成,黑白符號之間沒有亮度漸變,且具有呈柵欄式平行分布的特點,所以在條碼區域有很多亮度突變的像素點,反映到數值上就是這些像素點具有較大的亮度梯度值,且這些像素點應該具有統一的梯度方向。 利用條碼的這一特點我們可以構建一個基于梯度方向特征的匹配模型,圖像中具有條碼特征的區域與該模型擬合可以形成高匹配度,這是條碼定位算法的基礎。
          給出了圖像中不同區域(由紅色框標記)的大梯度像素點(由藍色點標記)、區域整體梯度方向(由綠色線段標出),以及梯度方向直方圖特征。
          可以看到,同為條碼區域的圖像中,具有大值的梯度像素點數量較多,整體梯度方向較為一致,皆為垂直于條碼標識線的方向,并且其梯度方向直方圖分布趨勢較為一致,匹配度較高;而背景區域(包括背景中的反光區域)圖像中,具有大值的梯度像素點數量較少,整體梯度方向相比條碼區域有明顯不同,其梯度方向直方圖分布也有很大差別,與條碼區域直方圖匹配度較低?偟膩碚f,條碼區域圖像的梯度方向直方圖、大梯度像素點數量、梯度方向特征可以明顯地與背景區域圖像的特征區別開來。
         。2)條碼傾斜校正 
          由于條碼可能以任意角度出現在圖像中,而后續的條碼分割及識別無法在條碼傾斜的情況下進行,所以需要先對傾斜的條碼做水平校正。
          首先,需要精確度量條碼的傾斜角度。通?梢酝ㄟ^測量條碼內部黑白條的傾斜角度來計算整個條碼的傾角,但是由于條碼內部黑白條往往較短,測量所得的角度難以保證精確,所以計算出的條碼傾角總是與實際條碼的傾角存在偏差,導致后續操作難以進行。因此,這里我們采用了基于特定掩模掃描的方法,使用特定的圖像掩模掃描確定整個條碼的上邊緣線和下邊緣線,使用霍夫變換進行直線擬合。由于條碼上下邊緣線較長,且邊緣線的傾角與條碼傾角一致,所以測得的條碼傾角更具有準確性和直觀性。
          然后,在測得條碼傾角之后,便可以對條碼區域圖像進行仿射變換,將條碼方向由傾斜校正為水平。
         。3)條碼分割和圖像增強
          在條碼識別之前,我們需要對條碼的邊界進行準確分割。利用條碼區域圖像水平梯度在水平和垂直方向上的投影,可以惟一地確定條碼的上下界及左右界,根據確定的邊界將條碼部分準確地從圖像中分割出來。
          另外,由于輪胎的厚度不同,條碼與相機的相對距離可能發生改變,這樣條碼難以保證總是處于相機的對焦平面之上,圖像中的條碼可能會出現一定程度的失焦模糊,這對于識別是不利的。因此在識別之前,需要對條碼圖像進行一些增強處理。我們使用了基于圖像灰度直方圖調整的對比度自適應算法來改善條碼圖像的質量,并使用參數自適應的USM銳化算法解決圖像模糊的問題,將條碼圖像增強至可識別程度。
         。4)條碼識別
          條碼識別就是將分析出來的條碼寬度與該類別的條形碼字符表進行比對和匹配,來確定條碼所表示的字符,所以條碼識別的過程也被稱為條形碼理解。一般來說,條碼內容的匹配常常使用計算方差或標準差的辦法來衡量實際條碼寬度與編碼表的偏差。但是由于碼表較長,每個碼字都要與碼表中的各個元素進行方差的計算和比較,計算復雜度較高,所以通常這種方法的耗時很長。為了改善這一問題,我們摒棄了傳統的最小方差匹配算法,改用絕對距離匹配算法,在降低算法復雜度、減少運算時間的同時,也彌補了最小方差匹配法誤識別無法糾錯的缺陷,令識別率大大上升。
          此外,我們還設計了多重互補識別算法,條形碼被分段進行識別,各個識別結果之間進行比對和互校驗,必要時進行重組和組合讀碼。即使條碼中存在瑕疵和干擾,甚至條碼被部分遮蓋,算法也能給出正確識別結果。
          最后,對讀出的碼字進行條碼校驗位校驗,將通過校驗的讀碼內容作為最終的識別結果輸出。
        達到的技術性能指標
          本項目產品是我國第一臺實現面向輪胎制造的Code128條碼識別系統。項目產品通過國家級科研院所與地方企業歷時2年的聯合科技攻關,突破了多項關鍵性技術,形成了穩定可靠的產品,并成功地推向了市場,在國內外眾多輪胎制造工廠中得到實際使用,產品各項性能指標遙遙領先于國內同類產品,主要技術指標達到了的國際同類產品的先進水平,而價格不到國際先進同類產品的65%。具體來說,本產品具有如下特點和優勢:
          快速的讀碼速度:可實現50us~500us以內的快速曝光時間,可清晰采集運動速度低于2.5米/秒的物品圖像,每秒可完成15次讀碼速度。
          超高的識別正確率:精準高效的識別算法,可實現復雜背景、印刷質量差、局部損壞、變形、嚴重透視畸變、低高度、模糊、帶劃痕等干擾條件下的條碼讀取,識別準確率接近99%。
          超大的景深(DOF):輪胎制造中,有各種種類、大小不同的輪胎,輪胎的高度也有高有低。為了適應不同高度的輪胎,本系統的景深可達到350mm~380mm。
          一鍵學習和動態識別功能:本系統可對某一位寬的Code128碼一鍵自學習,自動獲取Code128碼的各個參數并永久保存,一鍵自學習后便可對不同位寬的Code128碼進行識別解碼。
          通信靈活方便:本系統支持以太網與485總線等多種通信方式,以太網可進行TCP/UDP、客戶端/服務器自由切換,485支持組網通信,最多支持32臺相機級聯。另外系統還可自定義條碼的起始符與結束符。
          靈活的Digtal I/0功能:系統的Digtal I/O接口可靈活設置,支持光電信號、PLC信號等;觸發模式支持啟動、停止信號源設置,如可設置成外部INPUT1、INPUT2、以太網、485等方式啟動,而且觸發停止信號源還可設成解碼成功即停止相機觸發。另外,Digtal I/O中的輸出OUTPUT1/OUTPUT2還支持各種狀態指示設置,如解碼成功、未發現條碼等。
          嵌入式處理系統:核心處理模塊全部采用嵌入式DSP 處理器,脫離使用windows操作系統,避免產權糾紛,并提高了系統可靠性。
          維護升級便捷:采用分布式、模塊化設計,方便故障排查與修復,同時也便于系統軟硬件的功能升級。

        發布時間:2015-09-06   
         
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