[工学]视觉技术在瓶装饮料生产线上的应用---条形码检测.doc
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1、学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研 究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定,同意学校保留并向 有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。 本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存
2、和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密 ,在_年解密后适用本授权书。 2、不保密 。 (请在以上相应方框内打“”) 作者签名: 年 月 日 导师签名: 年 月 日 I 目录 摘要 .1 1 绪论2 1.1 课题的来源和研究意义 .2 1.2 条码技术和机器视觉的介绍 .2 1.3 本课题的研究内容及介绍 .4 2 条码基础知识5 2.1 条码的基本概念 .5 2.2 校验码的计算 .7 2.3 条码的编码方法 .7 2.4 条码的尺寸要求 .8 3 条码识别.10 3.1 条码识别的基本思想 .10 3.2 条码图像的预处理 .11 3.3 条码边缘检测 .18 3.4 条码边缘重构 .
3、24 4 条码译码.24 4.1 译码基本原理 .24 4.2 放大系数自适应的译码方法 .25 5 条码检测系统.28 5.1 系统开发平台的介绍 .28 5.2 条形码识别系统的实现 .30 6 总结与展望 .34 参考文献 35 致谢 37 I 第 1 页 共 37 页 视觉技术在瓶装饮料生产线上的应用-条形码检测 学生:xxx 指导老师:xxx 三峡大学科技学院 摘要摘要:条码具有广泛的应用领域。随着工业自动化技术的发展,国内不少工厂实现了生 产过程自动化管理。但是对于生产和物流传送流水线上产品条形码的检测,由于运行速 度快,条码品种多,距离变化大,传统的基于光电转换的条码识读技术已经
4、显得无能为力。 本文提出基于机器视觉的条码自动识别技术,利用高速CCD摄像机得到条码的图像,通 过灰度处理,滤波去噪,阈值处理等有效的图像处理和快速模式识别方法,结合优化设 计的条码码制数据库实现了流水线物品条码的快速、精确识读。而且重点分析了几种用 于条码图像识别检测的经典图像处理算法,并提出了一种基于条码边缘特征的识别检测 方法,实现了对大部分商品EAN-13条码质量检测项目的在线检测。 关键词关键词:机器视觉 条形码 图像分割 边缘检测 条码识别 Abstract: With the development of industrial automatization, many inter
5、nal factories have realized automatic management in course of production. However, when the bar codes are recognized in producing and on-line delivery, the traditional photoelectric method became inefficient because of the fast speed, variety of products and difference in distance. A new method was
6、introduced in this paper to recognize the bar codes automatically based on machine vision. Using efficient image manipulations like gray processing ,filter,threshold and so on,fast mode-identify method and a date-base well designed,the bar code Pictures captured by high-speed CCD can be recognized f
7、ast and accurately. Moreover, it puts great emphasis on the analysis of several classic image-processing methods utilized in the inspection of bar code recognition and designs a checking and recognition system based on the features of bar code edge. This helps to realize the online quality-checking
8、of most EAN-13 bar code. Keywords: Machine vision Bar code Image segmentation Edge detection Bar code recognition; 第 2 页 共 37 页 1 1绪论绪论 商品条形码是在流通领域中用于标识商品的全球通用的条形码,生产商、分销商及 零售商都可以按照商品条形码来识别商品。商品条形码由一组规则排列的条、空及其对 应字符组成,表示一定信息。商品条形码的条、空组合部分称为条形码符号,对应符号 部分由一组阿拉伯数字组成,称为条形码的代码。条形码符号和条形码代码相对应,表 示的信息一致。条形码
9、符号用于条形码识读设备扫描识读,条形码代码供人识读。1970 年,美国的食品杂货业率先在食品包装载体上使用这种条形码,随之扩展到世界范围内 使用。商品条形码是商品的“身份证” ,是商品流通于国际市场的“共同语言” 。 我国物品编码中心于 1991 年代表我国正式加入国际物品编码协会,全面管理和推 广应用条形码技术。我国的国家标准规定了商品条形码的编码、结构、尺寸及技术要求。 现在我国已有上百种产品包装上使用了商品条形码标识,极大地推动了我国的物流信息 化及对外贸易的发展。 1.11.1 课题的来源和研究意义课题的来源和研究意义 随着国民经济的快速发展,条码技术是信息数据自动识别、输入的重要方法
10、和手段, 现已应用到了商业、工业、交通运输业、邮电通讯业、物流、医疗卫生等国民经济各行 各业。传统的条码读码器是通过光电二极管(LED)或激光扫描阅读装置,将条码字符的 条空图形变换成相应的电信号,经整形和译码算法处理,最终获得条码字符信息,送入计 算机进行处理。对于生产流水线或物流传送带上的物体条码识别,传统的扫描器识别方 法受条码印刷技术、印制材料以及条码本身的运动速度和角度的影响,基本上无法识别。 机器视觉是在没有人类干预的情况下使用计算机来处理和分析图像信息并得出结论。它 使用与计算机相联的摄像机来摄取图像,然后将图像转换成机器可读的形式,软件程序被 用来处理这个数字化的图像,以取得需
11、要的信息。应用机器视觉技术可以成功地解决流 水线上运动条码的识别问题,具有非常重要的理论与实践价值。 1.21.2 条码技术和机器视觉的条码技术和机器视觉的介绍介绍 条码技术的核心是条码符号。本课题是以流水线上瓶装饮料上的条形码(主要为 EAN-13 码)为研究对象,涉及条码的检测技术和识读技术,以有效识别条形码为目的。 本节将简单介绍条码技术和机器视觉检测技术现状。 1.2.11.2.1 条码技术条码技术 条码技术诞生于 20 世纪 40 年代,但得到实际应用和迅速发展还是在近 20 年间。 第 3 页 共 37 页 欧美、日本等国家已经普遍使用条码技术,而且还在世界各地迅速推广普及,其应用
12、领 域还在不断扩大。在中国,条码技术的研究始于 20 世纪 70 年代,当时的主要工作是学 习和跟踪世界先进技术。随着计算机应用技术的普及,条码技术在我国的邮电、仓储、 图书管理及生产过程的自动控制等领域得到初步应用。自 1991 年中国物品编码中心代 表我国加入国际物品编码协会(EAN)以来,中国商品条码系统成员数量迅速增加, 条码技术在各领域的应用不断深入,目前,条码技术已广泛应用于我国国民经济的众多 领域。 条码技术是在计算机、光电技术和通信技术的基础上发展起来的一门综合科学技 术,是多项技术相结合的产物,也是目前应用最广的一种自动识别技术。条码技术包括 编码技术、符号技术、识读技术、印
13、制技术以及检测技术。在自动识别技术中,条码技 术具有如下特点: (1) 简单。条码符号制作容易,扫描操作简单。 (2) 信息采集速度快。无论采用普通计算机的键盘录入还是利用条码扫描设备录 入信息的速度都非常快。 (3) 可靠性高。上述信息录入方式误码率低,数据录入可靠性高。 (4) 灵活、实用。条码符号作为一种识别手段不但可以单独使用,还可以与其它 相关设备联系,实现更多的系统功能。同时,在没有条码扫描设备的情况下,键盘输入 也能实现数据的录入。 (5) 自由度大。识别装置与条码标签相对位置的自由度大。 (6) 条码自动识别系统所涉及的识别符号成本以及设备成本都非常低。 条码按照不同的分类方法
14、、不同的编码规则可以分成许多种。条码可分为一维条 码和二维条码。一维条码是通常我们说的传统条码。一维条码按应用又可分为商品条码 和物流条码。目前使用频率较高的一维码制有:EAN、UPC、EAN128 码、交插 25 码和 39 码。其中 EAN 码和 UPC 码是商品条码,EAN128 码、交插 25 码和 39 码是物流条码。本课题以一维条码为研究对象,对流水线上瓶装饮料的条形码检测系统 硬件构成、软件的实现进行研究,重点针对流水线上瓶装饮料打包之前是否有条形码、 条形码是否正确、是否残缺等,以便机械手自动剔除不合格产品。 1.2.21.2.2 机器视觉技术机器视觉技术 机器视觉是研究用计算
15、机来模拟生物外部显著特征或宏观视觉功能的科学和技术。 机器视觉是在 20 世纪 50 年代从统计模式识别开始的,当时的工作主要集中在二维 图像分析和识别上,如光学字符、工件表面、显微图片、和航空图片的分析和解释等。 60 年代,罗伯茨(Roberts)通过计算机程序从数字图像中提取出多面体的三维结构,并 第 4 页 共 37 页 对物体形状即物体的空间关系进行描述。罗伯茨的研究工作开创了以理解三维场景为目 的的三维机器视觉的研究。研究的范围从边缘、角点等特征提取,到线条、平面、曲面 等几何要素分析,一直到图像明暗、纹理、运动以及成像几何等,并建立了几种数据结 构和推理规则。 到了 20 世纪
16、80 年代中期,机器视觉得到了蓬勃发展,新概念、新方法、新理论不 断涌现。机器视觉被称为自动化的眼睛,它在没有人类干预的情况下使用计算机来处理 和分析图像信息并做出结论。与一般意义上的图像处理系统相比,机器视觉强调的是精 度和速度,以及工业现场环境下的可靠性。机器视觉的特点是自动化、客观、非接触和 高精度,其最大优点是无接触式测量,对被观测物和观测者都不会产生任何损伤,十分 安全可靠。另外机器视觉所能检测的对象十分广泛,理论上人眼观察不到的范围,机器 视觉也可以观察,因此可以说是扩展了人类的视觉范围。此外,人若长时间地观察对象 会产生视觉疲劳,观测效率不高。但机器视觉则不知疲劳,长时间始终如一
17、地工作。在 人眼无法观测的恶劣工作环境中,机器视觉可以得到广泛的应用随着计算机及其辅助产 业的发展,它在工业经济、科学研究等领域有着越来越广泛的应用,包括:自动识别、 测量与检测、机器人指导与控制、材料搬运与分类以及不同的自然科学与医药学等。 1.31.3 本课题的研究内容及介绍本课题的研究内容及介绍 本课题在对机器视觉技术及条形码(主要为商品 EAN-13 条形码)检测的应用分析 基础上,针对瓶装饮料在打包之前需要进行检测是否有条形码、条形码是否正确、是否 残缺等包装检测,以便机械手自动剔除不合格产品。采用视觉检测技术在包装流水线上 对条形码印刷情况进行自动检测。在对商品 EAN-13 码的
18、构造原理了解的基础上,通过 本课题的研究,希望对视觉检测系统的工作过程有一定的了解,并在基于视觉的饮品条 形码自动检测方面取得部分有意义的成果。 本论文在结构上总共分为 6 个部分,各部分具体安排如下: 第 1 章,绪论,介绍本课题的研究意义,条码(EAN-13 码)和机器视觉技术发 展现状以及本课题的研究内容;第 2 章,简要介绍条码基础知识;第 3 章,条码识别 的基本思想和预处理;第 4 章,介绍条码译码的方法;第 5 章,介绍检测系统的硬件 构成和软件开发;第 6 章,总结与展望。 第 5 页 共 37 页 2 2条码基础知识条码基础知识 条码(EAN-13 码)作为本课题的研究对象,
19、也为了在以后的章节中便于说明,本 章将介绍一些与课题密切联系的条码基础知识。 2.12.1 条码的基本概念条码的基本概念 一个完整的条码是由两侧空白区、起始字符、数据字符、校验字符和终止符以及供 人识读字符组成,如图 2-1 所示。 左侧空白区 中间分隔符 校验符 终止符 起始符 左侧数据符 右侧数据符 右侧空白区 前置码 供人识别的条码字符 图 2-1 EAN-13 条码符号结构 结合图 2-1,并引用国家标准 GB/T12905-2000 条码术语,对课题涉及的条 1 码的基本概念作如下介绍: (1)条码(bar code)由一组规则排列的条、空及其对应字符组成的标记,用以表 第 6 页
20、共 37 页 示一定的信息。 (2)条(bar)条码中反射率较低的部分。 (3)空(space)条码中反射率较高的部分。 (4)空白区(clear area)条码起始符、终止符两端外侧与空的反射率相同的限定 区域。 (5)起始符(start character; start cipher; start code)位于条码起始位置的若干条与 空。 (6)终止符(stop character; stop cipher; stop code)位于条码终止位置的若干条与 空。 (7)中间分隔符(central separating character)位于条码中间位置用来分隔数据段 的若干条与空。 (
21、8)条码字符(bar code character)表示一个字符的若干条与空。 (9)条宽(bar width)条码字符中条的宽度尺寸。 (10)空宽(space width)条码字符中空的宽度尺寸。 (11)条码长度(bar code length)从条码起始符前缘到终止符后缘的长度。 (12)模块(module)模块组配编码组成条码字符的基本单位。 (13)单元(element)构成条码字符的条或空。 (14)条码字符集(bar code character set)某种条码所能表示的条码字符集合。有 些码制仅能表示 10 个数字字符:0-9,如 EAN/UPC 码、交插 25 码;有些条
22、码还能 表示其它字符及一些特殊字符。 (15)供人识别字符(human readable character)位于条码符的下方,与相应的条 码字符相对应的、用于供人识别的字符。 (16)码制 条码符号的类型,每种类型的条码符号都是由符合特定编码规则的条 和空组合而成。常用的一维码制包括:EAN 码、交插 25 码、UPC 码、39 码、128 码等。 (17)商品条码(bar code for commodity)由国际物品编码协会(EAN)和统一代 码委员会(UCC)规定的、用于表示商品标是代码的条码,包括 EAN 商品条码 (EAN-13 码和 EAN-8 码)和 UPC 码(UPC-A
23、码和 UPC-E 码)。 在本课题研究的 EAN-13 码由 13 位数字组成。前置码由 EAN 统一分配和管理,只 代表分配和管理有关厂商识别代码的国家(或地区)编码组织。EAN 分配给中国使用 的商品条形码前置码有 690、691、692、693、694、695,每个前置码由三个数字组成。 当使用 690、691 前置码时,EAN-13 代码采用结构一;当使用 692、693 前置码时,则 第 7 页 共 37 页 采用结构二;结构三暂未采用。EAN-13 码结构表如表 2-1 所示。 表 2-1 EAN-13 结构表 结构种类厂商识别代码商品项目代码校验码 结构一X13X12X11X10
24、X9X8X7X6X5X4X3X2X1 结构二X13X12X11X10X9X8X7X6X5X4X3X2X1 结构三X13X12X11X10X9X8X7X6X5X4X3X2X1 2.22.2 校验码的计算校验码的计算 为防止一维条码的玷污或者残缺等原因而导致的误读,确保商品条形码读取 准确性,根据条码字符的数值按适当的数学算法计算出校验码。计算步骤如下: 设条码数字码为: )13,.3 , 2 , 1( iNi 从左侧第二位开始,将所有偶数位的数字代码求和后乘以 3,求出: 1 S )6,.,3 , 2 , 1(*3 21 iNS n i i (2.1) 从左侧第三位开始,将所有奇数位的数字代码求
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