基于視覺的噴碼字符質(zhì)量檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

靳凱強(qiáng)，孫勤良

（湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院 浙江 湖州 313000）

0 引言

產(chǎn)品外包裝上的噴碼字符通常包含該產(chǎn)品的一些重要信息，如生產(chǎn)日期、有效期、生產(chǎn)批號(hào)、產(chǎn)地等，消費(fèi)者和公司可以通過產(chǎn)品包裝上的噴碼字符去獲取該產(chǎn)品的一些重要信息[1-3]。對(duì)于產(chǎn)品公司來說，噴碼字符可以是產(chǎn)品的流水號(hào)、生產(chǎn)日期以及產(chǎn)地代碼等，通過噴碼字符使產(chǎn)品有較好的可追溯性，方便公司的管理[4-5]。對(duì)消費(fèi)者來說，能根據(jù)噴碼字符中包含的產(chǎn)品信息來選購產(chǎn)品，讓消費(fèi)者買到自己心儀的商品。因此，噴碼字符的質(zhì)量相當(dāng)重要。但是噴碼機(jī)在長期使用的情況下，因噴碼機(jī)設(shè)備的零件損壞、噴墨不夠、噴碼頭松動(dòng)或堵塞、人工設(shè)置參數(shù)錯(cuò)誤等問題，可能會(huì)造成噴碼字符存在缺陷，因此對(duì)噴碼字符的質(zhì)量進(jìn)行檢測是非常有必要的[6-7]。

傳統(tǒng)的人工檢測噴碼字符質(zhì)量，通常是通過抽檢的方式進(jìn)行檢測，人工檢測噴碼字符質(zhì)量存在效率低、人力成本高、易產(chǎn)生視覺疲勞、無法實(shí)時(shí)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢測、不能滿足生產(chǎn)線的要求等弊端[8-9]。隨著機(jī)器視覺技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)非接觸的測量、定位、檢測等，機(jī)器視覺技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于眾多行業(yè)。基于視覺的噴碼字符質(zhì)量檢測系統(tǒng)能有效解決傳統(tǒng)人工檢測存在的問題，因此研究基于視覺的噴碼質(zhì)量檢測系統(tǒng)具有重要的意義。

1 系統(tǒng)介紹

基于視覺的噴碼字符質(zhì)量檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由工業(yè)相機(jī)、光源、傳送機(jī)構(gòu)、剔除機(jī)構(gòu)、圖像處理模塊、工控機(jī)組成。工業(yè)相機(jī)與光源對(duì)產(chǎn)品外包裝進(jìn)行圖像采集，為采集到高質(zhì)量的圖像，應(yīng)根據(jù)不同的產(chǎn)品外包裝選擇合適的工業(yè)相機(jī)和光源，并將工業(yè)相機(jī)和光源調(diào)整到合適的位置。傳送帶可以將產(chǎn)品傳輸?shù)綑z測位置，并將合格產(chǎn)品傳輸?shù)较乱坏拦ば颉Ｌ蕹龣C(jī)構(gòu)可以將不合格的噴碼字符產(chǎn)品外包裝剔除。本文設(shè)計(jì)的基于視覺的噴碼字符質(zhì)量檢測系統(tǒng)的圖像處理流程如圖2所示，系統(tǒng)圖像處理模塊采用HALCON圖像處理軟件，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理、定位、字符識(shí)別、字符質(zhì)量檢測等。被測產(chǎn)品被放置到傳送機(jī)構(gòu)，產(chǎn)品從傳送機(jī)構(gòu)的左側(cè)移動(dòng)到右側(cè)。當(dāng)光電傳感器檢測到被測產(chǎn)品到達(dá)工業(yè)相機(jī)的拍攝區(qū)時(shí)，會(huì)發(fā)送信號(hào)給工業(yè)相機(jī)，工業(yè)相機(jī)接收到觸發(fā)信號(hào)后采集圖像，并將采集到的圖像傳送給工控機(jī)。工控機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理，處理完畢后將處理結(jié)果發(fā)送給剔除機(jī)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)圖像處理流程

2 圖像處理

基于視覺的噴碼字符質(zhì)量檢測系統(tǒng)的圖像處理部分采用HALCON圖像處理軟件，首先工業(yè)相機(jī)將采集到的圖像傳輸?shù)焦た貦C(jī)，然后圖像處理軟件對(duì)接收到的圖像進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理操作包括濾波、灰度變換、圖像旋轉(zhuǎn)、圖像裁剪等，因被測產(chǎn)品在工業(yè)相機(jī)視野中的位置不是固定的，所以工業(yè)相機(jī)的視野調(diào)整得較大，以防被測產(chǎn)品不在工業(yè)相機(jī)的視野內(nèi)。為更快、更準(zhǔn)確地分析噴碼字符質(zhì)量，只需分析噴碼字符區(qū)域，即獲取感興趣區(qū)域。為方便字符識(shí)別，需對(duì)噴碼字符進(jìn)行分割，使每個(gè)噴碼字符獨(dú)立分開；字符分割后，對(duì)每個(gè)獨(dú)立噴碼字符進(jìn)行字符識(shí)別，并將識(shí)別結(jié)果進(jìn)行輸出顯示，最后對(duì)每個(gè)噴碼字符進(jìn)行質(zhì)量檢測，并將處理結(jié)果發(fā)送給剔除機(jī)構(gòu)。圖像處理的主要步驟為：采集圖像、圖像預(yù)處理、分割圖像、字符識(shí)別、字符質(zhì)量檢測、發(fā)送結(jié)果。

2.1 采集圖像

采集的圖像質(zhì)量好壞對(duì)后期圖像處理結(jié)果影響非常大，為獲取高質(zhì)量的圖像，應(yīng)根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需求選擇合適的工業(yè)相機(jī)、鏡頭、光源，并調(diào)節(jié)好工業(yè)相機(jī)與光源的位置和角度。使用HALCON軟件中的open_framegrabber函數(shù)來打開工業(yè)相機(jī)設(shè)備，使用grab_image_async函數(shù)采集圖像，采集的圖像如圖3所示。

圖3 采集的圖像

2.2 圖像預(yù)處理

在采集圖像、傳輸圖像的過程中，因外界因素可能使圖像的質(zhì)量下降，如出現(xiàn)圖像畸變，圖像噪聲等問題，會(huì)對(duì)后期的字符定位、字符識(shí)別等操作產(chǎn)生影響。為減少上述問題的影響，需要對(duì)采集的圖像進(jìn)行圖像預(yù)處理，這對(duì)后期的圖像處理至關(guān)重要。

2.2.1 轉(zhuǎn)為灰度圖像

本文采用的工業(yè)相機(jī)為彩色相機(jī)，為方便后續(xù)圖像處理，需將彩色圖像轉(zhuǎn)為灰度圖像。使用HALCON軟件中的rgb1_to_gray函數(shù)將彩色圖像轉(zhuǎn)為灰度圖像，處理后的灰度圖像如圖4所示。

圖4 灰度轉(zhuǎn)換后的圖像

2.2.2 圖像濾波

為提高后期圖像處理效果的準(zhǔn)確性、速度，需減少圖像中的噪聲。經(jīng)常使用的圖像濾波方法有中值濾波、均值濾波、高斯濾波等。對(duì)圖像進(jìn)行濾波時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的圖像噪聲，選用合適的一種或多種濾波方法。使用HALCON軟件中的median_image函數(shù)將采集的圖像進(jìn)行濾波處理，處理后的圖像如圖5所示。

圖5 濾波后的圖像

2.2.3 獲取ROI區(qū)域

為提高工控機(jī)處理圖像的速度，提高字符識(shí)別的準(zhǔn)確率，只需要對(duì)圖像中的字符部分進(jìn)行處理。根據(jù)項(xiàng)目的需求，通過定位來獲取要處理的感興趣區(qū)域（Region of Interest，ROI），使用HALCON軟件中的reduce_domain函數(shù)來進(jìn)行摳圖，獲取ROI區(qū)域，獲取的ROI區(qū)域如圖6所示。

圖6 獲取的ROI區(qū)域

2.2.4 分割字符

對(duì)噴碼字符進(jìn)行識(shí)別前需要對(duì)噴碼字符進(jìn)行分割，使每個(gè)噴碼字符獨(dú)立。使用HALCON軟件中的connection函數(shù)對(duì)噴碼字符進(jìn)行分割，并使用select_shape函數(shù)將非噴碼字符篩除，分割后的噴碼字符如圖7所示。

圖7 分割字符后的圖像

2.3 字符識(shí)別

HALCON軟件提供了許多標(biāo)準(zhǔn)字符模板，可以滿足大部分項(xiàng)目需求，若標(biāo)準(zhǔn)字符模板不能滿足需求，可以使用HALCON軟件的訓(xùn)練OCR功能。使用HALCON軟件中的read_ocr_class_mlp函數(shù)讀取分類器，使用do_ocr_multi_class_mlp函數(shù)對(duì)噴碼字符進(jìn)行識(shí)別，字符識(shí)別的結(jié)果如圖8所示。

圖8 字符識(shí)別的結(jié)果

2.4 字符質(zhì)量檢測

對(duì)噴碼字符進(jìn)行質(zhì)量檢測，應(yīng)對(duì)每個(gè)獨(dú)立的噴碼字符建立標(biāo)準(zhǔn)的模板圖像，使用函數(shù)create_ocv_proj和traind_ocv_proj創(chuàng)建每個(gè)獨(dú)立的噴碼字符OCV句柄。使用do_ocv_simple 函數(shù)對(duì)識(shí)別出的每個(gè)噴碼字符進(jìn)行質(zhì)量檢測，do_ocv_simple會(huì)輸出每個(gè)字符質(zhì)量指數(shù)，根據(jù)字符質(zhì)量指數(shù)判定字符質(zhì)量是否符合要求，并將判定結(jié)果發(fā)送給下位機(jī)，對(duì)第一個(gè)字符“2”質(zhì)量檢測的結(jié)果如圖9所示。

圖9 字符質(zhì)量檢測結(jié)果

3 結(jié)語

噴碼字符包含了產(chǎn)品相當(dāng)多的重要信息，檢測噴碼字符質(zhì)量可以有效地保證產(chǎn)品信息的傳遞。本文所設(shè)計(jì)的基于視覺的噴碼字符質(zhì)量檢測系統(tǒng)可以解決傳統(tǒng)人工噴碼字符質(zhì)量檢測存在的缺點(diǎn)，提升檢測效率、降低誤檢率、降低企業(yè)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。