摘 要：本文結(jié)合相機(jī)、軟件與激光打碼設(shè)備，設(shè)計(jì)了一種新型回收紙箱打碼識(shí)別系統(tǒng)，包括激光打碼裝置、煙箱檢測(cè)識(shí)別裝置2個(gè)部分，其可以自動(dòng)識(shí)別和判斷回收煙箱，并打碼標(biāo)記紙箱。煙箱檢測(cè)裝置的軟件部分基于PP-OCR模型來實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別。本文采用100個(gè)煙箱進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識(shí)別非回收煙箱和回收煙箱，同時(shí)可以正確標(biāo)記回收煙箱的回收次數(shù)。

關(guān)鍵詞：回收煙箱；相機(jī)；激光打碼；PP-OCR模型

中圖分類號(hào)：TP 39" " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

煙箱是卷煙在市場(chǎng)流通運(yùn)輸過程中的包裝物，很多時(shí)候煙箱僅使用一次就被當(dāng)作廢品丟棄，造成資源浪費(fèi)[1]。2013年6月，各全行業(yè)在國家的鼓勵(lì)下開始推進(jìn)包裝循環(huán)利用，實(shí)現(xiàn)商品包裝物使用的綠色化、輕量化以及可循環(huán)化[2-4]。煙草產(chǎn)品市場(chǎng)流通量巨大，通過積極推動(dòng)煙箱回收，可以節(jié)省社會(huì)資源，減少紙箱對(duì)環(huán)境的污染，煙草企業(yè)也可因此節(jié)省大量紙箱生產(chǎn)成本[5]。然而，紙箱的循環(huán)使用次數(shù)并不是無限的，當(dāng)超過限制次數(shù)時(shí)，就有可能發(fā)生破損[6]，進(jìn)而出現(xiàn)漏煙、損壞煙條的情況，而如何在回收環(huán)節(jié)識(shí)別檢測(cè)出這類有問題的紙箱成為關(guān)鍵[7]?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種回收煙箱循環(huán)次數(shù)打碼識(shí)別系統(tǒng)。系統(tǒng)識(shí)別檢測(cè)煙箱上的回收標(biāo)志，檢測(cè)回收次數(shù)是否達(dá)到規(guī)定限值，如果超過，則系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出警告，提示煙箱已無法繼續(xù)循環(huán)使用；如果未超過，則打碼系統(tǒng)在煙箱上標(biāo)記當(dāng)次循環(huán)次數(shù)。本文將介紹系統(tǒng)組成與關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)原理。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由煙箱檢測(cè)識(shí)別裝置、激光打碼裝置2部分構(gòu)成。

1.1 煙箱檢測(cè)識(shí)別裝置

煙箱檢測(cè)識(shí)別裝置如圖1所示，具有清晰度高、速度快和精度高等特點(diǎn)。煙箱檢測(cè)識(shí)別裝置由上檢測(cè)裝置和下檢測(cè)裝置組成。上檢測(cè)裝置拍照檢測(cè)整個(gè)煙箱側(cè)面，識(shí)別其他煙廠的標(biāo)志，范圍覆蓋上半部分煙箱，精度較低；下檢測(cè)裝置檢測(cè)激光打碼區(qū)域，識(shí)別激光打碼的數(shù)字，范圍較小，精度較高。

檢測(cè)裝置的軟件系統(tǒng)基于PP-OCR模型構(gòu)成。PP-OCR是一種端到端的光學(xué)字符識(shí)別（OCR）模型，它采用基于檢測(cè)的識(shí)別（DBR）技術(shù)，可以直接從原始圖像中提取文本信息，無須額外的手工特征工程。在訓(xùn)練過程中，模型使用大量的標(biāo)注文本數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督學(xué)習(xí)，以提高其識(shí)別準(zhǔn)確性。其原理包括以下4個(gè)步驟。步驟一，預(yù)處理。將輸入的圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括縮放、旋轉(zhuǎn)和去除噪聲等操作，以提高后續(xù)處理的準(zhǔn)確性。步驟二，文本檢測(cè)。在預(yù)處理后的圖像中，使用文本檢測(cè)算法檢測(cè)出所有可能包括文本的區(qū)域。PP-OCR采用PSENet算法進(jìn)行文本檢測(cè)，該算法可利用數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督。步驟三，文本識(shí)別。使用文本識(shí)別算法將檢測(cè)的每個(gè)文本區(qū)域轉(zhuǎn)換為文本字符串。PP-OCR采用CRAFT算法和Rosetta算法進(jìn)行文本識(shí)別。步驟四，后處理。對(duì)識(shí)別的文本進(jìn)行后處理，包括去除重復(fù)字符、糾錯(cuò)和修正大小寫等操作。PP-OCR模型識(shí)別原理如圖2所示。

1.2 激光打碼裝置

激光打碼裝置如圖3所示。激光打碼裝置由機(jī)器支架、主控屏、激光器（內(nèi)置激光器和主控電源）、振鏡頭以及光電開關(guān)組成。激光打碼裝置的工作原理是將激光以極高的能量密度聚集在被刻標(biāo)的物體表面，通過燒灼和刻蝕，將其表層的物質(zhì)氣化，并通過控制激光束的有效位移，精確灼刻出圖案或文字[8]。

2 識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

煙箱打碼識(shí)別系統(tǒng)由物理層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。物理層由煙箱回收傳感器和質(zhì)量傳感器組成，以手機(jī)App的形式呈現(xiàn)；網(wǎng)絡(luò)層運(yùn)行核心在于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以使煙箱回收在手機(jī)App上實(shí)現(xiàn)信息化連接，向手機(jī)App傳輸識(shí)別煙箱的數(shù)據(jù)；應(yīng)用層主要是煙箱回收、計(jì)重等功能的承載體。

2.2 功能模塊

功能模塊包括5個(gè)部分。1）預(yù)處理模塊。主要負(fù)責(zé)在煙箱打碼、掃描環(huán)節(jié)濾除噪聲，并保留所有原始標(biāo)志信息所包括的有效數(shù)據(jù)。2） 信息提取模塊。通過該模塊可以提取煙箱關(guān)鍵特征參數(shù)。3）聲學(xué)模型訓(xùn)練。此模塊的作用是從系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中快速匹配到最適合的原始信號(hào)特征。4）語言模型訓(xùn)練。對(duì)模板匹配過程中容易出現(xiàn)的信息參數(shù)進(jìn)行判斷，提高煙箱識(shí)別效率。5）解碼模塊。該模塊需要利用搜索算法，在識(shí)別到的煙箱標(biāo)志信息中獲取最終結(jié)果。系統(tǒng)功能模塊組成如圖5所示。

2.3 煙箱識(shí)別信息處理

回收煙箱識(shí)別的標(biāo)志信息，需要展開數(shù)字化處理和預(yù)處理，以提高系統(tǒng)的識(shí)別效率[9]。數(shù)字化處理包括預(yù)濾波、采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，預(yù)處理則需要進(jìn)行中值濾波、預(yù)加重、加窗、分幀和檢測(cè)端點(diǎn)。因?yàn)椴杉降臉?biāo)志信息有時(shí)是以模擬信號(hào)的形式存在的，所以通過數(shù)字化處理和預(yù)處理，能夠快速轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)為適合計(jì)算的數(shù)字信號(hào)。另外，當(dāng)使用該系統(tǒng)識(shí)別煙箱時(shí)，難免存在一些干擾因素，考慮到后續(xù)煙箱識(shí)別標(biāo)志信息的處理效果，需要進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能。例如在預(yù)濾波階段，采集到的原始信號(hào)可根據(jù)采樣定理，在8 kHz～16 KHz的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行采樣。在采樣前，工作人員應(yīng)完成預(yù)濾波處理，此環(huán)節(jié)相當(dāng)于使用帶通濾波器。預(yù)濾波結(jié)束后，工作人員可以選擇合適的采樣頻率，保證等距離離散時(shí)間內(nèi)恢復(fù)原始信號(hào)。在模數(shù)轉(zhuǎn)換階段，當(dāng)數(shù)據(jù)信號(hào)已經(jīng)進(jìn)行了采樣時(shí)，工作人員可以利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)為數(shù)字信號(hào)。經(jīng)過上述處理的語音信號(hào)，無論是時(shí)間還是幅度，都要達(dá)到離散效果。

2.4 檢測(cè)與預(yù)警

在系統(tǒng)識(shí)別煙箱的過程中，用戶設(shè)定煙箱回收次數(shù)，如果檢測(cè)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)達(dá)到設(shè)定要求，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)預(yù)警。此功能需要語音播報(bào)與檢測(cè)模塊來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)中建議使用MP3-FLASH-16P串口語音模塊，并選取SPI通信方法。通過串口指令便可以完成基本功能，避免了煩瑣的基礎(chǔ)處理[10]。另外，此次選擇的串口語音模塊也可作為播放器，當(dāng)系統(tǒng)識(shí)別到已經(jīng)滿足回收次數(shù)的煙箱時(shí)，可以通過LD3320模塊對(duì)信號(hào)指令進(jìn)行識(shí)別，串口自動(dòng)向MP3模塊傳輸指令。模塊接受指令后，根據(jù)系統(tǒng)的判定結(jié)果做出預(yù)警。系統(tǒng)識(shí)別還具有紅外感應(yīng)功能，此功能的實(shí)現(xiàn)得益于紅外技術(shù)，如果系統(tǒng)識(shí)別中存在障礙物，那么接收管反射接收紅外信號(hào)，同時(shí)利用傳感器接口將FPGA返回，由系統(tǒng)判斷煙箱的回收次數(shù)是否已經(jīng)達(dá)到設(shè)定限值。

3 功能實(shí)現(xiàn)過程

回收煙箱分為2種，一種是有綠色回收標(biāo)志的煙箱，另一種是經(jīng)過激光打碼，有激光噴碼標(biāo)志的全新煙箱。

3.1 有綠色回收標(biāo)志的回收煙箱

如果是有綠色回收標(biāo)志的回收煙箱，相機(jī)采集到畫面后，就由軟件進(jìn)行分析。如果畫面中出現(xiàn)1個(gè)綠色標(biāo)志，表明此煙箱已經(jīng)在其他地方使用過1次，那么軟件會(huì)給激光發(fā)送打“2”的指令，煙箱左下角的標(biāo)志變?yōu)椤?012”；如果出現(xiàn)2個(gè)綠色標(biāo)志，那么發(fā)送打“3”的指令，煙箱左下角的標(biāo)志變?yōu)椤?0123”。當(dāng)達(dá)到用戶設(shè)置的最大次數(shù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)輸出一個(gè)報(bào)警信號(hào)，提醒用戶此煙箱已達(dá)到使用極限，繼續(xù)使用可能會(huì)導(dǎo)致煙箱損壞。帶回收標(biāo)志的煙箱如圖6所示。

3.2 全新煙箱

當(dāng)煙箱通過檢測(cè)裝置時(shí)，如果檢測(cè)不到任何回收標(biāo)志，系統(tǒng)就將發(fā)送打“001”的指令給激光裝置。這個(gè)指令的目的是通知激光裝置將此煙箱標(biāo)記為全新的煙箱。激光裝置會(huì)根據(jù)指令在煙箱上進(jìn)行標(biāo)記，例如打上一個(gè)明顯可見的“001”的標(biāo)志。

這個(gè)標(biāo)志對(duì)后續(xù)回收和再利用過程非常重要。一旦有人或機(jī)器檢索到這個(gè)帶有標(biāo)志的煙箱，就能確定它是全新的而不是已經(jīng)回收過的。這樣，回收系統(tǒng)可以將注意力集中在那些確實(shí)需要回收和處理的煙箱上，提高資源利用效率和回收過程的效益。使用這樣的檢測(cè)裝置和激光標(biāo)記系統(tǒng)能夠更好地跟蹤和管理煙箱的狀態(tài)，有助于回收過程的精確性和可追溯性，并促進(jìn)可持續(xù)資源管理。同時(shí)，這種技術(shù)還為回收系統(tǒng)提供了一種自動(dòng)和高效的方式來標(biāo)記全新煙箱，并為后續(xù)的處理和再利用工作提供準(zhǔn)確的信息。

4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

4.1 試驗(yàn)條件

本項(xiàng)目采用100個(gè)煙箱進(jìn)行試驗(yàn)，每種類型各有一定數(shù)量。在預(yù)設(shè)規(guī)則中，該設(shè)備的閾值設(shè)置為當(dāng)煙箱回收次數(shù)≥3次時(shí)報(bào)警。

4.2 試驗(yàn)技術(shù)

本次針對(duì)煙箱回收識(shí)別的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，為了實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)識(shí)別，主要利用射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)。該技術(shù)利用無線射頻，在回收煙箱的過程中，可以實(shí)現(xiàn)無接觸式的雙向數(shù)據(jù)通信。期間應(yīng)用無線射頻手段，讀取煙箱上方電子標(biāo)簽或射頻卡，獲取識(shí)別目標(biāo)，在此環(huán)節(jié)還可以交換煙箱相關(guān)數(shù)據(jù)。在煙箱識(shí)別的過程中，煙箱上方有回收標(biāo)志，試驗(yàn)人員使用射頻識(shí)別設(shè)備讀取回收標(biāo)志，采集標(biāo)志對(duì)應(yīng)煙箱的數(shù)據(jù)信息。這一回收標(biāo)志的識(shí)別過程即使用RFID卡片閱讀器和電子標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)雙方通信的過程。在這個(gè)過程中實(shí)際采取的通信方式和能量感應(yīng)方式一般有2種，一種是感應(yīng)耦合，另一種是后向散射耦合。實(shí)際上當(dāng)識(shí)別煙箱回收標(biāo)志時(shí)，可根據(jù)是否屬于低頻識(shí)別做出選擇。低頻識(shí)別通常選擇感應(yīng)耦合，較高頻識(shí)別則以后向散射耦合為主。

4.3 試驗(yàn)過程

基于RFID技術(shù)組織煙箱回收識(shí)別試驗(yàn)，按照識(shí)別過程進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)開始運(yùn)行后自動(dòng)讀取拍攝的圖像，對(duì)圖像進(jìn)行灰度化和去噪等一系列處理，判定煙箱上方的回收標(biāo)志是否能夠識(shí)別。經(jīng)過圖像特征對(duì)比、條件對(duì)比等過程，完成識(shí)別?；诖?，總結(jié)試驗(yàn)流程如下。首先，試驗(yàn)人員啟動(dòng)煙箱回收檢測(cè)系統(tǒng)，按照順序，依次使用系統(tǒng)識(shí)別100個(gè)煙箱。其次，在通過識(shí)別的過程中，系統(tǒng)中的煙箱檢測(cè)裝置會(huì)自動(dòng)拍攝煙箱的照片并將其上傳到軟件中，自動(dòng)識(shí)別并獲取圖片中的煙箱數(shù)據(jù)，將其自動(dòng)分類。再次，軟件獲取上傳的煙箱標(biāo)志信息后，便會(huì)以自動(dòng)識(shí)別的方式，處理煙箱上的回收標(biāo)志，并根據(jù)回收標(biāo)志數(shù)量進(jìn)行分類。從次，軟件根據(jù)自動(dòng)識(shí)別的標(biāo)志信息，給激光打碼設(shè)備發(fā)送相應(yīng)的指令，同時(shí)在煙箱上標(biāo)記回收標(biāo)志。最后，軟件輸出相應(yīng)的報(bào)警信息。

4.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

基于上述試驗(yàn)流程，整理100個(gè)煙箱，識(shí)別結(jié)果見表1。

從表1可知，未回收表示在煙箱上無回收標(biāo)志；回收1次表示煙箱上有1個(gè)回收標(biāo)志或“001”標(biāo)志；回收2次表示煙箱上有2個(gè)回收標(biāo)志或“0012”標(biāo)志；回收3次表示煙箱上3個(gè)回收標(biāo)志或“00123”標(biāo)志。試驗(yàn)結(jié)果表明，本研究方法能夠有效地判斷非回收煙箱和回收煙箱，并能夠正確標(biāo)記回收煙箱的回收次數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果整體準(zhǔn)確率達(dá)到100%。

5 結(jié)論

本文研究了一種新型回收紙箱打碼識(shí)別系統(tǒng)，通過軟件與激光打碼設(shè)備配合，能夠?qū)厥諢熛溥M(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和判斷并打上相對(duì)應(yīng)的標(biāo)志。該系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)為可進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別，通過高精度相機(jī)和圖像識(shí)別算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙箱回收標(biāo)志的精準(zhǔn)識(shí)別，避免漏檢和誤判的情況。當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，該系統(tǒng)可以分析每個(gè)回收箱的回收次數(shù)，針對(duì)不同情況分別進(jìn)行處理。該系統(tǒng)具有良好的環(huán)保效益，對(duì)煙箱回收舉措有很好的促進(jìn)作用；具有良好的市場(chǎng)效益，能夠減少煙箱因回收次數(shù)過多而對(duì)市場(chǎng)產(chǎn)生的不良影響，降低市面上不良煙箱出現(xiàn)的概率。該系統(tǒng)具有準(zhǔn)確率高、速度快和通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)煙箱回收的自動(dòng)化處理，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和推廣前景。

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