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| 公司新聞 |
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| 面向輪胎制造的Code128條碼識(shí)別系統(tǒng) |
系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集任意位置的Code128條碼圖像，并進(jìn)行快速定位、旋轉(zhuǎn)、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(jù)碼值進(jìn)行信息化管理等。本系統(tǒng)可進(jìn)行自由組網(wǎng)，增大掃描區(qū)域，適用于各類(lèi)工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的應(yīng)用。
主要應(yīng)用有如下幾個(gè)方面：
（1）生產(chǎn)流程管控與產(chǎn)品溯源（輪胎制造業(yè)）
為加強(qiáng)質(zhì)量管控，目前眾多生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)品上標(biāo)有條碼等永久性符號(hào)，在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi)可實(shí)現(xiàn)追蹤溯源。我們提供的讀碼器對(duì)LED光源和識(shí)別算法進(jìn)¬¬行了高度優(yōu)化，可應(yīng)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的眾多挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)如下功能：
標(biāo)記符號(hào)質(zhì)量驗(yàn)證：可適應(yīng)在金屬、塑料、橡膠或玻璃表面上通過(guò)點(diǎn)刻或激光/化學(xué)蝕刻所形成的條形碼、二維碼。
制造檢測(cè)過(guò)程追蹤識(shí)別：在零部件特定制造與檢測(cè)環(huán)節(jié)，對(duì)其標(biāo)識(shí)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，并與其制造、檢測(cè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，確保在整個(gè)制造、流通和應(yīng)用各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)每個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行管控和追蹤溯源。
（2）物流業(yè)應(yīng)用
在物流業(yè)應(yīng)用中，物品從攬件到分拔中心、從分拔中心到派件過(guò)程中的多個(gè)環(huán)節(jié)均需要對(duì)單據(jù)上的條碼進(jìn)行掃描。我們提供的讀碼器無(wú)須人工操作，通過(guò)在自動(dòng)化流水線上安裝固定式讀碼器，實(shí)現(xiàn)對(duì)條碼的自動(dòng)定位和解碼，可實(shí)現(xiàn)如下功能：
流程跟蹤：在物流全程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)讀取物品的條碼，確定物品的出入庫(kù)。可實(shí)現(xiàn)物流狀態(tài)跟蹤查詢(xún)、定位服務(wù)、流程異常處理與物品缺失責(zé)任認(rèn)定等。
自動(dòng)化分揀：在攬件或入庫(kù)環(huán)節(jié)，建立條碼與物品目的地址的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)入分揀線后，全方位的條碼掃描器，識(shí)讀、鑒別包裹，并將它們分揀到相應(yīng)的出口溜槽，這樣可以提高工作效率，降低成本，減少差錯(cuò)。
總體設(shè)計(jì)方案及關(guān)鍵模塊
面向輪胎制造的Code128條碼識(shí)別系統(tǒng)，是典型的光電一體化系統(tǒng)，涉及光源設(shè)計(jì)、圖像采集、算法處理、現(xiàn)場(chǎng)總線與通信等多學(xué)科交叉。整個(gè)系統(tǒng)包括如下四個(gè)部分：
（1）LED光源控制模塊：負(fù)責(zé)LED光源驅(qū)動(dòng)，對(duì)光源進(jìn)行PWM實(shí)時(shí)控制，達(dá)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(zhuǎn)換芯片以及AD采樣芯片構(gòu)成；
（3）FPGA時(shí)序管理與圖像預(yù)處理模塊：主要負(fù)責(zé)CCD成像模塊的時(shí)序控制；圖像的采集與傳輸；圖像的曝光、增益等參數(shù)控制；以及Digital I/O的功能實(shí)現(xiàn)。
（4）多核DSP高速圖像處理模塊：負(fù)責(zé)圖像算法處理、串口通信、485總線通信、以太網(wǎng)通信、系統(tǒng)參數(shù)配置等功能。
解決的關(guān)鍵核心技術(shù)
基于FPGA+DSP的圖像采集與處理硬件系統(tǒng)
基于FPGA+DSP的圖像采集與處理硬件系統(tǒng)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?xún)r(jià)比等優(yōu)點(diǎn)。圖像處理后端采用的是TI公司的達(dá)芬奇(DaVinciTM)處理器TMS320DM6467，主要技術(shù)特性為：
（1）內(nèi)置ARM926EJ-STM RISC和TMS320C64x+TMDSP兩個(gè)核；
（2）內(nèi)置On-Chip L2 Cache 128 KB (DSP)；
（3）內(nèi)置On-Chip L1 Cache 56 KB (ARM9)，64 KB (DSP)；
（4）DSP核可達(dá)720M的處理能力。
面向輪胎制造的Code128條碼識(shí)別技術(shù)
通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)識(shí)別Code128條碼具有非接觸、效率高、真實(shí)直觀等顯著優(yōu)點(diǎn)。但是，計(jì)算機(jī)視覺(jué)能否在條碼識(shí)別領(lǐng)域成功應(yīng)用，需要面對(duì)如下難點(diǎn)問(wèn)題：
背景的復(fù)雜度：在識(shí)別過(guò)程中，待識(shí)別條碼周?chē)ǔ?huì)伴有文字、圖形、紋理等無(wú)關(guān)的背景信息，這些因素會(huì)影響條碼在圖像中的定位和分割；
系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性：為了保證識(shí)別系統(tǒng)的工作效率，從理論上來(lái)說(shuō)，需要系統(tǒng)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(yīng)性：識(shí)別系統(tǒng)具有非約束性，應(yīng)該可以適應(yīng)各種不同樣式、外觀和大小的條碼，并且可以適應(yīng)隨時(shí)更換不同類(lèi)型的條碼。
目前國(guó)內(nèi)已有基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的條碼識(shí)別系統(tǒng)，但是這些系統(tǒng)存在的問(wèn)題是：（1）側(cè)重于實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的條碼識(shí)別，與工廠生產(chǎn)實(shí)際差距較大；（2）系統(tǒng)識(shí)別速度較低，識(shí)別精度較差，無(wú)法有效改善生產(chǎn)效率；（3）無(wú)法實(shí)現(xiàn)采集和識(shí)別一體化，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及接口冗雜，系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和維護(hù)較困難。
為克服這些不足，我們自主設(shè)計(jì)了新的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)。首先，為簡(jiǎn)化系統(tǒng)復(fù)雜度，減輕算法實(shí)現(xiàn)的難度，通過(guò)光電開(kāi)關(guān)來(lái)同步視覺(jué)系統(tǒng)，即每過(guò)一個(gè)輪胎，光電開(kāi)關(guān)觸發(fā)一次相機(jī)拍攝一系列圖片，傳至DSP進(jìn)行處理識(shí)別，一旦檢測(cè)并識(shí)別到條碼，相機(jī)結(jié)束拍攝，并開(kāi)始等待下一次光電觸發(fā)信號(hào)。這樣每個(gè)條碼只會(huì)被識(shí)別一次，保證了輪胎與條碼的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，避免重復(fù)識(shí)別和誤識(shí)別所造成的混亂問(wèn)題，在提高識(shí)別效率的同時(shí)也降低了系統(tǒng)的能耗。
再次，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的圖像算法實(shí)現(xiàn)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(gòu)成，黑白符號(hào)之間沒(méi)有亮度漸變，且具有呈柵欄式平行分布的特點(diǎn)，所以在條碼區(qū)域有很多亮度突變的像素點(diǎn)，反映到數(shù)值上就是這些像素點(diǎn)具有較大的亮度梯度值，且這些像素點(diǎn)應(yīng)該具有統(tǒng)一的梯度方向。 利用條碼的這一特點(diǎn)我們可以構(gòu)建一個(gè)基于梯度方向特征的匹配模型，圖像中具有條碼特征的區(qū)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(chǔ)。
給出了圖像中不同區(qū)域（由紅色框標(biāo)記）的大梯度像素點(diǎn)（由藍(lán)色點(diǎn)標(biāo)記）、區(qū)域整體梯度方向（由綠色線段標(biāo)出），以及梯度方向直方圖特征。
可以看到，同為條碼區(qū)域的圖像中，具有大值的梯度像素點(diǎn)數(shù)量較多，整體梯度方向較為一致，皆為垂直于條碼標(biāo)識(shí)線的方向，并且其梯度方向直方圖分布趨勢(shì)較為一致，匹配度較高；而背景區(qū)域（包括背景中的反光區(qū)域）圖像中，具有大值的梯度像素點(diǎn)數(shù)量較少，整體梯度方向相比條碼區(qū)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(qū)域直方圖匹配度較低。總的來(lái)說(shuō)，條碼區(qū)域圖像的梯度方向直方圖、大梯度像素點(diǎn)數(shù)量、梯度方向特征可以明顯地與背景區(qū)域圖像的特征區(qū)別開(kāi)來(lái)。
（2）條碼傾斜校正
由于條碼可能以任意角度出現(xiàn)在圖像中，而后續(xù)的條碼分割及識(shí)別無(wú)法在條碼傾斜的情況下進(jìn)行，所以需要先對(duì)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。通常可以通過(guò)測(cè)量條碼內(nèi)部黑白條的傾斜角度來(lái)計(jì)算整個(gè)條碼的傾角，但是由于條碼內(nèi)部黑白條往往較短，測(cè)量所得的角度難以保證精確，所以計(jì)算出的條碼傾角總是與實(shí)際條碼的傾角存在偏差，導(dǎo)致后續(xù)操作難以進(jìn)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(gè)條碼的上邊緣線和下邊緣線，使用霍夫變換進(jìn)行直線擬合。由于條碼上下邊緣線較長(zhǎng)，且邊緣線的傾角與條碼傾角一致，所以測(cè)得的條碼傾角更具有準(zhǔn)確性和直觀性。
然后，在測(cè)得條碼傾角之后，便可以對(duì)條碼區(qū)域圖像進(jìn)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(qiáng)
在條碼識(shí)別之前，我們需要對(duì)條碼的邊界進(jìn)行準(zhǔn)確分割。利用條碼區(qū)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(jù)確定的邊界將條碼部分準(zhǔn)確地從圖像中分割出來(lái)。
另外，由于輪胎的厚度不同，條碼與相機(jī)的相對(duì)距離可能發(fā)生改變，這樣條碼難以保證總是處于相機(jī)的對(duì)焦平面之上，圖像中的條碼可能會(huì)出現(xiàn)一定程度的失焦模糊，這對(duì)于識(shí)別是不利的。因此在識(shí)別之前，需要對(duì)條碼圖像進(jìn)行一些增強(qiáng)處理。我們使用了基于圖像灰度直方圖調(diào)整的對(duì)比度自適應(yīng)算法來(lái)改善條碼圖像的質(zhì)量，并使用參數(shù)自適應(yīng)的USM銳化算法解決圖像模糊的問(wèn)題，將條碼圖像增強(qiáng)至可識(shí)別程度。
（4）條碼識(shí)別
條碼識(shí)別就是將分析出來(lái)的條碼寬度與該類(lèi)別的條形碼字符表進(jìn)行比對(duì)和匹配，來(lái)確定條碼所表示的字符，所以條碼識(shí)別的過(guò)程也被稱(chēng)為條形碼理解。一般來(lái)說(shuō)，條碼內(nèi)容的匹配常常使用計(jì)算方差或標(biāo)準(zhǔn)差的辦法來(lái)衡量實(shí)際條碼寬度與編碼表的偏差。但是由于碼表較長(zhǎng)，每個(gè)碼字都要與碼表中的各個(gè)元素進(jìn)行方差的計(jì)算和比較，計(jì)算復(fù)雜度較高，所以通常這種方法的耗時(shí)很長(zhǎng)。為了改善這一問(wèn)題，我們摒棄了傳統(tǒng)的最小方差匹配算法，改用絕對(duì)距離匹配算法，在降低算法復(fù)雜度、減少運(yùn)算時(shí)間的同時(shí)，也彌補(bǔ)了最小方差匹配法誤識(shí)別無(wú)法糾錯(cuò)的缺陷，令識(shí)別率大大上升。
此外，我們還設(shè)計(jì)了多重互補(bǔ)識(shí)別算法，條形碼被分段進(jìn)行識(shí)別，各個(gè)識(shí)別結(jié)果之間進(jìn)行比對(duì)和互校驗(yàn)，必要時(shí)進(jìn)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(shí)別結(jié)果。
最后，對(duì)讀出的碼字進(jìn)行條碼校驗(yàn)位校驗(yàn)，將通過(guò)校驗(yàn)的讀碼內(nèi)容作為最終的識(shí)別結(jié)果輸出。
達(dá)到的技術(shù)性能指標(biāo)
本項(xiàng)目產(chǎn)品是我國(guó)第一臺(tái)實(shí)現(xiàn)面向輪胎制造的Code128條碼識(shí)別系統(tǒng)。項(xiàng)目產(chǎn)品通過(guò)國(guó)家級(jí)科研院所與地方企業(yè)歷時(shí)2年的聯(lián)合科技攻關(guān)，突破了多項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)，形成了穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品，并成功地推向了市場(chǎng)，在國(guó)內(nèi)外眾多輪胎制造工廠中得到實(shí)際使用，產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)遙遙領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了的國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品的先進(jìn)水平，而價(jià)格不到國(guó)際先進(jìn)同類(lèi)產(chǎn)品的65%。具體來(lái)說(shuō)，本產(chǎn)品具有如下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：
快速的讀碼速度：可實(shí)現(xiàn)50us~500us以?xún)?nèi)的快速曝光時(shí)間，可清晰采集運(yùn)動(dòng)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(shí)別正確率：精準(zhǔn)高效的識(shí)別算法，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜背景、印刷質(zhì)量差、局部損壞、變形、嚴(yán)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(shí)別準(zhǔn)確率接近99%。
超大的景深(DOF)：輪胎制造中，有各種種類(lèi)、大小不同的輪胎，輪胎的高度也有高有低。為了適應(yīng)不同高度的輪胎，本系統(tǒng)的景深可達(dá)到350mm~380mm。
一鍵學(xué)習(xí)和動(dòng)態(tài)識(shí)別功能：本系統(tǒng)可對(duì)某一位寬的Code128碼一鍵自學(xué)習(xí)，自動(dòng)獲取Code128碼的各個(gè)參數(shù)并永久保存，一鍵自學(xué)習(xí)后便可對(duì)不同位寬的Code128碼進(jìn)行識(shí)別解碼。
通信靈活方便：本系統(tǒng)支持以太網(wǎng)與485總線等多種通信方式，以太網(wǎng)可進(jìn)行TCP/UDP、客戶(hù)端/服務(wù)器自由切換，485支持組網(wǎng)通信，最多支持32臺(tái)相機(jī)級(jí)聯(lián)。另外系統(tǒng)還可自定義條碼的起始符與結(jié)束符。
靈活的Digtal I/0功能：系統(tǒng)的Digtal I/O接口可靈活設(shè)置，支持光電信號(hào)、PLC信號(hào)等；觸發(fā)模式支持啟動(dòng)、停止信號(hào)源設(shè)置，如可設(shè)置成外部INPUT1、INPUT2、以太網(wǎng)、485等方式啟動(dòng)，而且觸發(fā)停止信號(hào)源還可設(shè)成解碼成功即停止相機(jī)觸發(fā)。另外，Digtal I/O中的輸出OUTPUT1/OUTPUT2還支持各種狀態(tài)指示設(shè)置，如解碼成功、未發(fā)現(xiàn)條碼等。
嵌入式處理系統(tǒng)：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(tǒng)，避免產(chǎn)權(quán)糾紛，并提高了系統(tǒng)可靠性。
維護(hù)升級(jí)便捷：采用分布式、模塊化設(shè)計(jì)，方便故障排查與修復(fù)，同時(shí)也便于系統(tǒng)軟硬件的功能升級(jí)。
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| 發(fā)布時(shí)間：2015-9-6 |
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