楊勇

(襄陽職業(yè)技術學院 電子信息工程學院, 襄陽 441050)

0 引言

傳統(tǒng)的條形碼或二維碼識別系統(tǒng)是通過手持式讀碼器，對準條形碼或二維碼來讀取，常常由于掃描位置問題或識別率影響了讀取效率。該系統(tǒng)針對這些問題，選用500萬像素工業(yè)相機拍攝產(chǎn)品標簽，從圖像中自動提取條形碼或二維碼，基于C語言開發(fā)了一套集工業(yè)相機連接、圖像采集、圖像分析與處理、結果處理與一體的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以識別圖像中的條形碼或二維碼信息。

1 條形碼及二維碼識別系統(tǒng)硬件結構

本系統(tǒng)用安裝在計算機中的PCI運動控制卡，驅(qū)動兩個伺服電機，帶動圖像采集系統(tǒng)及LED照明系統(tǒng)，實時運動，實現(xiàn)到達精準拍照測量。圖像采集系統(tǒng)中的工業(yè)相機選用瑞士Baumer相機EXG50千兆網(wǎng)相機，分辨率為2592×1944，幀率為13fps。照明系統(tǒng)使用緯朗光電科技公司制造的24 V紅色LED穹頂光源，計算機軟件是基于Window7系統(tǒng)，使用C語言進行編程開發(fā)，開發(fā)工具為NI公司的Labwindows，圖像處理系統(tǒng)基于NI Vision Assistant。

系統(tǒng)的硬件組成，如圖1所示。

圖中的X/Y軸運動系統(tǒng)帶動圖像采集系統(tǒng)和照明系統(tǒng)移動到被檢測產(chǎn)品上方，為提高檢測效率，一盤中放置12個產(chǎn)品，通過運動系統(tǒng)移動12次來分別檢測。到達某個產(chǎn)品上方后，打開穹頂光源，工業(yè)相機開始拍攝圖像并將圖像通過GigE千兆網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C，計算機處理軟件基于NI Vision Assistant的一些圖像處理函數(shù)，對采集到的圖像進行處理和識別，識別條形碼或二維碼中的信息，最終從此信息中提取檢測產(chǎn)品的SN。

圖1 條形碼及二維碼識別系統(tǒng)結構圖

2 基于NI平臺的視覺系統(tǒng)軟件設計

本條形碼及二維碼識別系統(tǒng)的軟件設計是整個系統(tǒng)的核心，此系統(tǒng)是基于C語言開發(fā)，開發(fā)工具為Labwindows CVI，負責程序框架編寫與計算機軟件操作界面設計，運動系統(tǒng)硬件采用NI-PCI運動控制卡，使用NI-Motion開發(fā)包進行運動控制程序開發(fā)。工業(yè)相機連接與圖像采集使用NI-Vision開發(fā)包對工業(yè)相機進行二次開發(fā)，包括連接相機，設置曝光參數(shù)，采集圖像并將圖像傳輸?shù)接嬎銠C。采集到的圖像通過NI Vision Assistant提供的圖像處理函數(shù)，首先進行圖像預處理，然后進行條形碼及二維碼識別，從讀取到的字符中獲取SN信息，其中條形碼讀取到的字符就是SN信息，但二維碼讀取到的字符包含多個信息，從中讀取固定一段字符為SN信息。最后將讀取到的SN信息顯示在程序界面上。

檢測流程，如圖2所示。

圖2 條形碼及二維碼識別系統(tǒng)處理流程圖

系統(tǒng)軟件設計分為四大模塊，包括產(chǎn)品管理模塊、運動控制模塊、LED光源照明模塊、工業(yè)相圖像采集模塊、圖像處理模塊。其中各系統(tǒng)之間緊密聯(lián)系，協(xié)同工作，共同完成產(chǎn)品上的標簽圖像采集與條形碼及二維碼識別功能。

系統(tǒng)功能模塊，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊劃分

2.1 產(chǎn)品管理模塊

本系統(tǒng)可識別多類條形碼及二維碼，適用于多種產(chǎn)品。此模塊可進行產(chǎn)品的管理和參數(shù)的配置，通過保存ini配置文件的方式，將各類產(chǎn)品參數(shù)進行區(qū)分和管理。軟件界面上，提供可供選擇產(chǎn)品類型的控件，在進行測試時選擇相應的產(chǎn)品，軟件加載對應的ini配置文件讀取參數(shù)，然后進行此產(chǎn)品的檢測。不同產(chǎn)品類型的檢測位置、攝像系統(tǒng)曝光時間、條形碼或二維碼類型、檢測結果處理評判等參數(shù)是不同的，通過ini配置文件的管理，實現(xiàn)系統(tǒng)靈活檢測的特性。

2.2 運動控制模塊

本設計的運動控制系統(tǒng)為NI的PCI運動控制卡，使用發(fā)送正反向脈沖模式控制Panasonic伺服驅(qū)動器，驅(qū)動器連接到電機，電機按脈沖量轉(zhuǎn)動實現(xiàn)X/Y方向精準運動。計算機軟件基于NI-Motion開發(fā)庫，使用C語言進行二次開發(fā)，程序功能包括原點復位，正反向運動和緊急停止等功能。通過兩個方向運動軸控制，實現(xiàn)二維方向靈活運動，同時軟件設計中提供可手動調(diào)試的運動控制界面，供用戶在系統(tǒng)搭建前期，手動調(diào)節(jié)運動軸，測試并設定良好的拍照位置參數(shù)。

2.3 LED光源照明模塊

照明系統(tǒng)采用Mightex光源控制器控制24V穹頂光源的方式。Mightex通過USB與電腦通訊，計算機軟件基于Mightex廠家提供的開發(fā)包進行二次開發(fā)，功能包括初始化光源控制器，設置光源控制器輸出電流，設置光源控制器開關狀態(tài)等。為優(yōu)化系統(tǒng)的運行速度，在照明系統(tǒng)的軟件設計中，采用運動軸開始運動時提前打開LED光源的方式，提高運行效率。

2.4 工業(yè)相機圖像采集模塊

使用千兆網(wǎng)線連接GigE工業(yè)相機后，對工業(yè)相機進行IP地址配置，完成后使用NI-Driver max軟件對工業(yè)相機進行連接和參數(shù)配置，計算機軟件開發(fā)使用NI-Vision完成相機采集和傳輸圖像的控制。軟件中通過配置相機的曝光時間來實現(xiàn)采集圖像亮度的調(diào)節(jié)，曝光時間越長，采集到的圖像亮度越高。工業(yè)相機工作過程包括連接圖像、采集圖像、傳輸圖像等。

2.5 圖像處理模塊

拍攝到的產(chǎn)品標簽的圖像，由于產(chǎn)品固定位置略有偏差，首先使用NI Vision Assitant中的PatternMatching工具，識別產(chǎn)品標簽在圖像中的位置，進而確定出條形碼或二維碼在圖像中的位置，為了降低圖像處理的復雜性，縮短圖像處理時間，針對條形碼或二維碼設置圖像感興趣區(qū)域(ROI)，此函數(shù)的參數(shù)ROI為庫中預定義的ROI變量，傳入的矩形區(qū)域左上頂點坐標及高度和寬度。

進行計算機軟件開發(fā)時使用NI Vision Assistant庫中函數(shù)識別區(qū)域中的條形碼信息。函數(shù)返回值BarcodeInfo*類型的結構體指針包類條形碼檢測信息，從此結構體指針中提取出結果字符，即為檢測產(chǎn)品的SN。讀取二維碼時，使用NI Vision Assistant庫中函數(shù)識別區(qū)域中的二維碼信息，函數(shù)返回值DataMatrixReport*為結構體指針，包含二維碼檢測信息，從中提取出結果字符。由于產(chǎn)品差異，二維碼檢測信息中的字符包含產(chǎn)品類型、產(chǎn)地、SN等各類信息，結果字符中取固定字符段即為產(chǎn)品的SN信息。

使用的主要NI Vision Assitant庫函數(shù)如下：

1) PatternMatch* imaqMatchPattern：模板匹配，用于標簽位置定位。

2) ContourID imaqAddRectContour：設置感興趣區(qū)域。

3) BarcodeInfo* imaqReadBarcode：讀取條形碼信息。

4) DataMatrixReport* imaqReadDataMatrixBarcode：讀取二維碼信息。

3 圖像測量結果及性能分析

3.1 條形碼識別結果

在感興趣區(qū)域中進行條形碼識別，檢測的條形碼類型為Code128，設置好類型及檢測信息后，根據(jù)區(qū)域中灰度差進行圖像處理分析，讀取條形碼中的字符信息。如圖4所示。

3.2 二維碼識別結果

與條形碼類似，在感興趣區(qū)域中進行二維碼識別。檢測二維碼類型為Data Matrix，設置好類型及檢測參數(shù)，二維碼尺寸范圍等，讀取二維碼中的字符信息。讀取到的二維碼字符信息，取某個固定字符段即為所需要的SN信息。如圖5所示。

圖4 條形碼識別

圖5 二維碼識別

3.2 檢測結果與性能分析

在產(chǎn)品標簽上，有條形碼或二維碼圖，也有對應的SN字符，由于讀取條形碼或二維碼速度快，且計算機處理識別條形碼或二維碼過程比字符識別準確性更高。為了提高檢測效率，在檢測時依次檢測12個產(chǎn)品并顯示結果。單個產(chǎn)品的圖像處理時間在90ms以內(nèi)，識別速度可以達到設計要求。

測試12組條形碼和二維碼識效果，如表1所示。

表1 條形碼及二維碼測量結果

本組條形碼及二維碼識別系統(tǒng)識別率跟圖像質(zhì)量關系很大，照明系統(tǒng)的穩(wěn)定性尤為重要。外界光線的穩(wěn)定性對識別率也有影響，考慮到此問題，設計時增加擋光結構，保證光亮度的穩(wěn)定性。

為提高程序執(zhí)行效率，軟件開發(fā)時采用了多線程控制的方式，包括運動控制線程和圖像采集處理線程，線程之間通過全局變量作為標志位，這樣就可以實現(xiàn)在程序控制工業(yè)相機運動時，還能進行圖像處理工作，提高了程序執(zhí)行效率，保證系統(tǒng)的運行速度。

4 總結

本系統(tǒng)基于NI平臺，選用NI Motion運動控制卡和Baumer工業(yè)相機，使用NI Vision Assistant圖像開發(fā)庫，基于C語言平臺Labwindows進行計算機軟件開發(fā)，在經(jīng)過多次試驗驗證后，設置最佳照明效果，保證條形碼及二維碼識別率。程序框架采用多線程方式提高運行效率。該系統(tǒng)由自動掃描識別代替手動掃描并輸入條形碼及二維碼中的字符，提高了條形碼及二維碼的識別效率。通過對測量結果的分析，本文的條形碼及二維碼識別原理、圖像算法是實際可用的。該系統(tǒng)對提高生產(chǎn)管理系統(tǒng)效率也有很大幫助。