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　系統(tǒng)可實(shí)時采集任意位置的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，適用于各類工業(yè)自動化生產(chǎn)的應(yīng)用。
　　主要應(yīng)用有如下幾個方面：
　�。�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，在產(chǎn)品的整個生命周期內(nèi)可實(shí)現(xiàn)追蹤溯源。我們提供的讀碼器對LED光源和識別算法進(jìn)¬¬行了高度優(yōu)化，可應(yīng)對工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的眾多挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)如下功能：
　　標(biāo)記符號質(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。
　　制造檢測過程追蹤識別：在零部件特定制造與檢測環(huán)節(jié)，對其標(biāo)識進(jìn)行自動識別，并與其制造、檢測參數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，確保在整個制造、流通和應(yīng)用各個環(huán)節(jié)對每個產(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程中的多個環(huán)節(jié)均需要對單據(jù)上的條碼進(jìn)行掃描。我們提供的讀碼器無須人工操作，通過在自動化流水線上安裝固定式讀碼器，實(shí)現(xiàn)對條碼的自動定位和解碼，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�？蓪�(shí)現(xiàn)物流狀態(tài)跟蹤查詢、定位服務(wù)、流程異常處理與物品缺失責(zé)任認(rèn)定等。
　　自動化分揀：在攬件或入庫環(huán)節(jié)，建立條碼與物品目的地址的一一對應(yīng)關(guān)系，進(jìn)入分揀線后，全方位的條碼掃描器，識讀、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。
　　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)場總線與通信等多學(xué)科交叉。整個系統(tǒng)包括如下四個部分：
　�。�1）LED光源控制模塊：負(fù)責(zé)LED光源驅(qū)動，對光源進(jìn)行PWM實(shí)時控制，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、高性價(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條碼識別技術(shù)
　　通過計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)識別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)視覺能否在條碼識別領(lǐng)域成功應(yīng)用，需要面對如下難點(diǎn)問題：
　　背景的復(fù)雜度：在識別過程中，待識別條碼周圍通常會伴有文字、圖形、紋理等無關(guān)的背景信息，這些因素會影響條碼在圖像中的定位和分割；
　　系統(tǒng)的實(shí)時性：為了保證識別系統(tǒng)的工作效率，從理論上來說，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)隨時更換不同類型的條碼。
　　目前國內(nèi)已有基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的條碼識別系統(tǒng)，但是這些系統(tǒng)存在的問題是：（1）側(cè)重于實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的條碼識別，與工廠生產(chǎn)實(shí)際差距較大；（2）系統(tǒng)識別速度較低，識別精度較差，無法有效改善生產(chǎn)效率；（3）無法實(shí)現(xiàn)采集和識別一體化，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)了新的視覺檢測系統(tǒng)。首先，為簡化系統(tǒng)復(fù)雜度，減輕算法實(shí)現(xiàn)的難度，通過光電開關(guān)來同步視覺系統(tǒng)，即每過一個輪胎，光電開關(guān)觸發(fā)一次相機(jī)拍攝一系列圖片，傳至DSP進(jìn)行處理識別，一旦檢測并識別到條碼，相機(jī)結(jié)束拍攝，并開始等待下一次光電觸發(fā)信號。這樣每個條碼只會被識別一次，保證了輪胎與條碼的一一對應(yīng)關(guān)系，避免重復(fù)識別和誤識別所造成的混亂問題，在提高識別效率的同時也降低了系統(tǒng)的能耗。
　　再次，我們設(shè)計(jì)了基于計(jì)算機(jī)視覺技術(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，黑白符號之間沒有亮度漸變，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)識線的方向，并且其梯度方向直方圖分布趨勢較為一致，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�？偟膩碚f，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)別開來。
　�。�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)的條碼分割及識別無法在條碼傾斜的情況下進(jìn)行，所以需要先對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�？梢酝ㄟ^測量條碼內(nèi)部黑白條的傾斜角度來計(jì)算整個條碼的傾角，但是由于條碼內(nèi)部黑白條往往較短，測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，且邊緣線的傾角與條碼傾角一致，所以測得的條碼傾角更具有準(zhǔn)確性和直觀性。
　　然后，在測得條碼傾角之后，便可以對條碼區(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)
　　在條碼識別之前，我們需要對條碼的邊界進(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。
　　另外，由于輪胎的厚度不同，條碼與相機(jī)的相對距離可能發(fā)生改變，這樣條碼難以保證總是處于相機(jī)的對焦平面之上，圖像中的條碼可能會出現(xiàn)一定程度的失焦模糊，這對于識別是不利的。因此在識別之前，需要對條碼圖像進(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)整的對比度自適應(yīng)算法來改善條碼圖像的質(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題，將條碼圖像增強(qiáng)至可識別程度。
　�。�4）條碼識別
　　條碼識別就是將分析出來的條碼寬度與該類別的條形碼字符表進(jìn)行比對和匹配，來確定條碼所表示的字符，所以條碼識別的過程也被稱為條形碼理解。一般來說，條碼內(nèi)容的匹配常常使用計(jì)算方差或標(biāo)準(zhǔn)差的辦法來衡量實(shí)際條碼寬度與編碼表的偏差。但是由于碼表較長，每個碼字都要與碼表中的各個元素進(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很長。為了改善這一問題，我們摒棄了傳統(tǒng)的最小方差匹配算法，改用絕對距離匹配算法，在降低算法復(fù)雜度、減少運(yùn)算時間的同時，也彌補(bǔ)了最小方差匹配法誤識別無法糾錯的缺陷，令識別率大大上升。
　　此外，我們還設(shè)計(jì)了多重互補(bǔ)識別算法，條形碼被分段進(jìn)行識別，各個識別結(jié)果之間進(jìn)行比對和互校驗(yàn)，必要時進(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別結(jié)果。
　　最后，對讀出的碼字進(jìn)行條碼校驗(yàn)位校驗(yàn)，將通過校驗(yàn)的讀碼內(nèi)容作為最終的識別結(jié)果輸出。
達(dá)到的技術(shù)性能指標(biāo)
　　本項(xiàng)目產(chǎn)品是我國第一臺實(shí)現(xiàn)面向輪胎制造的Code128條碼識別系統(tǒng)。項(xiàng)目產(chǎn)品通過國家級科研院所與地方企業(yè)歷時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，在國內(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)先于國內(nèi)同類產(chǎn)品，主要技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了的國際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，而價(jià)格不到國際先進(jìn)同類產(chǎn)品的65%。具體來說，本產(chǎn)品具有如下特點(diǎn)和優(yōu)勢：
　　快速的讀碼速度：可實(shí)現(xiàn)50us~500us以內(nèi)的快速曝光時間，可清晰采集運(yùn)動速度低于2.5米/秒的物品圖像，每秒可完成15次讀碼速度。
　　超高的識別正確率：精準(zhǔn)高效的識別算法，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，識別準(zhǔn)確率接近99%。
　　超大的景深(DOF)：輪胎制造中，有各種種類、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)和動態(tài)識別功能：本系統(tǒng)可對某一位寬的Code128碼一鍵自學(xué)習(xí)，自動獲取Code128碼的各個參數(shù)并永久保存，一鍵自學(xué)習(xí)后便可對不同位寬的Code128碼進(jìn)行識別解碼。
　　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、客戶端/服務(wù)器自由切換，485支持組網(wǎng)通信，最多支持32臺相機(jī)級聯(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、PLC信號等；觸發(fā)模式支持啟動、停止信號源設(shè)置，如可設(shè)置成外部INPUT1、INPUT2、以太網(wǎng)、485等方式啟動，而且觸發(fā)停止信號源還可設(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)，同時也便于系統(tǒng)軟硬件的功能升級。