長春理工大學(xué) 朱 賀 陳慕奇

基于機器視覺的實時快遞單據(jù)識別硬件系統(tǒng)設(shè)計研究

長春理工大學(xué) 朱 賀 陳慕奇

針對快遞單錄入的場景需求，設(shè)計出一套機器視覺系統(tǒng)對快遞單據(jù)圖像進行采集。文章闡述了硬件系統(tǒng)由包裹定位系統(tǒng)、光源系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和上位機系統(tǒng)組成，并分析了每個分系統(tǒng)在設(shè)計選型中關(guān)鍵考慮因素。合理的硬件系統(tǒng)設(shè)計的為提升系統(tǒng)整體識別率的提升提供了保障。

機器視覺；快遞單據(jù)識別；硬件系統(tǒng)設(shè)計

1 前言

隨著消費對經(jīng)濟貢獻增大，消費需求將成為物流行業(yè)發(fā)展的主要推動力。據(jù)國家郵政局數(shù)據(jù)，中國快遞規(guī)模世界第一。截至2016年底，快遞服務(wù)企業(yè)業(yè)務(wù)量完成312.8億件，同比增長51.4%[1]。然而，傳統(tǒng)快遞服務(wù)企業(yè)多數(shù)仍然采用人工錄入，因此面臨著效率低、成本高、招工難、易出錯等突出問題。因此，本文設(shè)計的基于機器視覺的實時快遞單據(jù)硬件系統(tǒng)，可以為用戶提供高效率、低成本的數(shù)據(jù)采集方案，從而為快遞業(yè)務(wù)快速發(fā)展提供有利條件。

2 系統(tǒng)設(shè)計

機器視覺是一項綜合技術(shù)。其中包括數(shù)字圖像處理技術(shù)，機械工程技術(shù)，控制技術(shù)，光學(xué)成像技術(shù)，電光源照明技術(shù)，傳感器技術(shù)，模擬與數(shù)字視頻技術(shù)，計算機硬件技術(shù)，人機接口技術(shù)等這些技術(shù)在機器視覺中相互協(xié)調(diào)應(yīng)用才能構(gòu)成一個成功的工業(yè)機器視覺應(yīng)用系統(tǒng)[2]。

本文的機器視覺硬件系統(tǒng)，要實現(xiàn)對傳送帶上快遞包裹快遞單據(jù)地址信息的識別，需要的功能可以分為以下幾步：

（1）傳感器判斷傳送帶上的快遞包括即將進入識別區(qū)域；

（2）相機對快遞包裹上圖像進行采集；

（3）圖像采集卡將相機采集到的信息傳輸?shù)缴衔粰C；

（4）上位機對圖像信息進行處理，識別出快遞單據(jù)地址信息。

圖1 機器視覺的硬件系統(tǒng)組成

從圖1所示中，我們可以看出，組成硬件系統(tǒng)的有傳感器、下位機組成的包裹定位系統(tǒng)、光源系統(tǒng)、相機、圖像采集卡組成的成像系統(tǒng)和上位機系統(tǒng)四個分系統(tǒng)構(gòu)成[3]。在系統(tǒng)設(shè)計過程中，需要考慮光源的配置，相機的像素，鏡頭景深，成像系統(tǒng)和傳送帶速度的配合，圖像處理速度、通訊接口傳輸速度等等，才能設(shè)計出一套好的系統(tǒng)。

2.1 包裹定位系統(tǒng)

包裹定位系統(tǒng)由傳感器和下位機組成，其作用就是用來以判斷被測包裹的位置和狀態(tài)，通過下位機傳送到上位機從而告知圖像傳感器進行采集準備。傳感器可以是由激光和光電傳感器組成的小系統(tǒng)、也可以是超聲傳感器等形式出現(xiàn)。下位機由于主要是實現(xiàn)對定位信號的傳送以及還可以執(zhí)行上位機的命令，如光源控制等操作，對性能要求不用太高，因此用基本的51芯片或者PIC芯片做成的最小系統(tǒng)就可以實現(xiàn)其功能需求。

2.2 光源系統(tǒng)

在機器視覺識別過程中，光源的設(shè)計是圖像采集的關(guān)鍵。常見的光源有LED燈、高頻熒光燈、光纖鹵素?zé)舻?。光源設(shè)計需要去除雜散光的影響，突出圖像的對比度。若光強的大小和成像系統(tǒng)的光圈、快門、感光度三個因素搭配不當，可能導(dǎo)致進光量過高，從而成出來的像都是白色的，又稱過曝；也可能導(dǎo)致進光量太小，從而成出來的像過黑，又稱曝光不足。因此選擇可以和成像系統(tǒng)配合的光源很重要。

2.3 成像系統(tǒng)

相機和圖像采集卡，構(gòu)成我們主要成像系統(tǒng)。相機和鏡頭相當于就是機器視覺的“眼睛”，其性能的好壞直接影響整套系統(tǒng)，選取合適的相機和鏡頭十分關(guān)鍵。在快遞單據(jù)的識別中，相機視場能滿足要求的前提下，相機分辨率是否能滿足后期算法的處理需求以及相機的景深能否滿足不同高度的快遞單據(jù)是決定該系統(tǒng)好壞的決定性因素，因此相機的選取，傳感器陣列像素和影響鏡頭的景深的因素成為選擇的關(guān)鍵。影響景深的主要有以下三點：

（1）光圈越大（光圈值F越?。┚吧钤綔\，光圈越?。ü馊χ礔越大）景深越深。

（2）鏡頭焦距越長景深越淺、鏡頭焦距越短景深越深。

（3）主體越近，景深越淺，主體越遠，景深越深。

此外，快遞單據(jù)識別過程中，快遞包裹會隨著傳送帶移動而移動的。因此在拍攝這樣一個動態(tài)系統(tǒng)時，相機必須和傳送帶的速度匹配。它們之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式如下：

其中V是傳送帶運動速度，Zw是視野寬度，Sx 是相機橫向分辨率，U 是光學(xué)精度，Ex 是最大曝光時間。

總而言之，在相機和鏡頭選型過程中，必須根據(jù)需求權(quán)衡好各個參數(shù)的平衡，才能選出合適的成像系統(tǒng)。

2.4 圖像采集卡

在本系統(tǒng)中，制約成像質(zhì)量分為兩方面，一方面是本身成像系統(tǒng)選型的合理性，另一方面是實現(xiàn)高質(zhì)量識別前提下，圖像采集卡的圖像傳輸帶寬對成像質(zhì)量的制約。

圖像采集卡的作用，就是將來自相機的模擬或數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成一定格式的圖像數(shù)據(jù)流再傳給上位機進行進一步處理，也可以理解成俗稱的A/D。圖像采集卡通常以插入卡的形式安裝在PC中。它除了可以實現(xiàn)將相機傳感器采集到的模擬信號變成數(shù)字信號外，同時還可以控制相機的一些參數(shù)，比如觸發(fā)信號，曝光/積分時間，快門速度等。圖像采集卡通常有不同的硬件接口形式以針對不同類型的相機，如1394卡，USB，以太網(wǎng)等，同時也有不同的接口形式連接電腦，比如PCI、PCI-Express、AGP、ISA等。如果因為景深或像素需求系統(tǒng)需要多路相機，考慮到系統(tǒng)的高效性，還需要通過采集卡同步控制同時獲取多相機通道的數(shù)據(jù)。相機傳感器上像素點越多，對圖像采集卡的要求就越高，這也意味著越高速的傳輸速錄才更能達到我們的要求。

2.5 上位機系統(tǒng)

用于該系統(tǒng)的上位機的系統(tǒng)一般是計算機，在這里完成圖像數(shù)據(jù)的處理和控制邏輯。性能越強的計算機，處理效率則越高。同時，為了減少工業(yè)現(xiàn)場電磁、振動、灰塵、溫度等的干擾，應(yīng)用時最好是選擇工業(yè)級的電腦。

3 結(jié)語

為了實現(xiàn)快遞單據(jù)識別自動化，在硬件系統(tǒng)的設(shè)計上，可以參考本文的設(shè)計思路，在系統(tǒng)的精度需求和空間需求上綜合考慮來確定硬件的選型和系統(tǒng)的搭建。只有這樣，硬件系統(tǒng)才能給上位機及時、準確地提供清晰的圖像信息供軟件算法對快遞單內(nèi)的信息進行識別，從而實現(xiàn)基于機器視覺的快遞單據(jù)的實時自動識別，進而對快遞行業(yè)的后續(xù)分揀以及大量數(shù)據(jù)信息的獲取提供有力的支撐。

[1]2016年郵政行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報[N]．北京：中國郵政局．2017．

[2]李素芬．嵌入式圖像識別硬件平臺研究[D]．武漢：武漢理工大學(xué),2008．

[3]郭惠楠．彩色數(shù)字相機成像系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)研究[D]．西安：中國科學(xué)院研究生院(西安光學(xué)精密機械研究所),2014．