基于機器視覺的實時快遞單據識別硬件系統設計研究

長春理工大學 朱 賀 陳慕奇

基于機器視覺的實時快遞單據識別硬件系統設計研究

長春理工大學 朱 賀 陳慕奇

針對快遞單錄入的場景需求，設計出一套機器視覺系統對快遞單據圖像進行采集。文章闡述了硬件系統由包裹定位系統、光源系統、成像系統和上位機系統組成，并分析了每個分系統在設計選型中關鍵考慮因素。合理的硬件系統設計的為提升系統整體識別率的提升提供了保障。

機器視覺；快遞單據識別；硬件系統設計

1 前言

隨著消費對經濟貢獻增大，消費需求將成為物流行業發展的主要推動力。據國家郵政局數據，中國快遞規模世界第一。截至2016年底，快遞服務企業業務量完成312.8億件，同比增長51.4%[1]。然而，傳統快遞服務企業多數仍然采用人工錄入，因此面臨著效率低、成本高、招工難、易出錯等突出問題。因此，本文設計的基于機器視覺的實時快遞單據硬件系統，可以為用戶提供高效率、低成本的數據采集方案，從而為快遞業務快速發展提供有利條件。

2 系統設計

機器視覺是一項綜合技術。其中包括數字圖像處理技術，機械工程技術，控制技術，光學成像技術，電光源照明技術，傳感器技術，模擬與數字視頻技術，計算機硬件技術，人機接口技術等這些技術在機器視覺中相互協調應用才能構成一個成功的工業機器視覺應用系統[2]。

本文的機器視覺硬件系統，要實現對傳送帶上快遞包裹快遞單據地址信息的識別，需要的功能可以分為以下幾步：

（1）傳感器判斷傳送帶上的快遞包括即將進入識別區域；

（2）相機對快遞包裹上圖像進行采集；

（3）圖像采集卡將相機采集到的信息傳輸到上位機；

（4）上位機對圖像信息進行處理，識別出快遞單據地址信息。

圖1 機器視覺的硬件系統組成

從圖1所示中，我們可以看出，組成硬件系統的有傳感器、下位機組成的包裹定位系統、光源系統、相機、圖像采集卡組成的成像系統和上位機系統四個分系統構成[3]。在系統設計過程中，需要考慮光源的配置，相機的像素，鏡頭景深，成像系統和傳送帶速度的配合，圖像處理速度、通訊接口傳輸速度等等，才能設計出一套好的系統。

2.1 包裹定位系統

包裹定位系統由傳感器和下位機組成，其作用就是用來以判斷被測包裹的位置和狀態，通過下位機傳送到上位機從而告知圖像傳感器進行采集準備。傳感器可以是由激光和光電傳感器組成的小系統、也可以是超聲傳感器等形式出現。下位機由于主要是實現對定位信號的傳送以及還可以執行上位機的命令，如光源控制等操作，對性能要求不用太高，因此用基本的51芯片或者PIC芯片做成的最小系統就可以實現其功能需求。

2.2 光源系統

在機器視覺識別過程中，光源的設計是圖像采集的關鍵。常見的光源有LED燈、高頻熒光燈、光纖鹵素燈等。光源設計需要去除雜散光的影響，突出圖像的對比度。若光強的大小和成像系統的光圈、快門、感光度三個因素搭配不當，可能導致進光量過高，從而成出來的像都是白色的，又稱過曝；也可能導致進光量太小，從而成出來的像過黑，又稱曝光不足。因此選擇可以和成像系統配合的光源很重要。

2.3 成像系統

相機和圖像采集卡，構成我們主要成像系統。相機和鏡頭相當于就是機器視覺的“眼睛”，其性能的好壞直接影響整套系統，選取合適的相機和鏡頭十分關鍵。在快遞單據的識別中，相機視場能滿足要求的前提下，相機分辨率是否能滿足后期算法的處理需求以及相機的景深能否滿足不同高度的快遞單據是決定該系統好壞的決定性因素，因此相機的選取，傳感器陣列像素和影響鏡頭的景深的因素成為選擇的關鍵。影響景深的主要有以下三點：

（1）光圈越大（光圈值F越小）景深越淺，光圈越小（光圈值F越大）景深越深。

（2）鏡頭焦距越長景深越淺、鏡頭焦距越短景深越深。

（3）主體越近，景深越淺，主體越遠，景深越深。

此外，快遞單據識別過程中，快遞包裹會隨著傳送帶移動而移動的。因此在拍攝這樣一個動態系統時，相機必須和傳送帶的速度匹配。它們之間的數學關系式如下：

其中V是傳送帶運動速度，Zw是視野寬度，Sx 是相機橫向分辨率，U 是光學精度，Ex 是最大曝光時間。

總而言之，在相機和鏡頭選型過程中，必須根據需求權衡好各個參數的平衡，才能選出合適的成像系統。

2.4 圖像采集卡

在本系統中，制約成像質量分為兩方面，一方面是本身成像系統選型的合理性，另一方面是實現高質量識別前提下，圖像采集卡的圖像傳輸帶寬對成像質量的制約。

圖像采集卡的作用，就是將來自相機的模擬或數字信號轉換成一定格式的圖像數據流再傳給上位機進行進一步處理，也可以理解成俗稱的A/D。圖像采集卡通常以插入卡的形式安裝在PC中。它除了可以實現將相機傳感器采集到的模擬信號變成數字信號外，同時還可以控制相機的一些參數，比如觸發信號，曝光/積分時間，快門速度等。圖像采集卡通常有不同的硬件接口形式以針對不同類型的相機，如1394卡，USB，以太網等，同時也有不同的接口形式連接電腦，比如PCI、PCI-Express、AGP、ISA等。如果因為景深或像素需求系統需要多路相機，考慮到系統的高效性，還需要通過采集卡同步控制同時獲取多相機通道的數據。相機傳感器上像素點越多，對圖像采集卡的要求就越高，這也意味著越高速的傳輸速錄才更能達到我們的要求。

2.5 上位機系統

用于該系統的上位機的系統一般是計算機，在這里完成圖像數據的處理和控制邏輯。性能越強的計算機，處理效率則越高。同時，為了減少工業現場電磁、振動、灰塵、溫度等的干擾，應用時最好是選擇工業級的電腦。

3 結語

為了實現快遞單據識別自動化，在硬件系統的設計上，可以參考本文的設計思路，在系統的精度需求和空間需求上綜合考慮來確定硬件的選型和系統的搭建。只有這樣，硬件系統才能給上位機及時、準確地提供清晰的圖像信息供軟件算法對快遞單內的信息進行識別，從而實現基于機器視覺的快遞單據的實時自動識別，進而對快遞行業的后續分揀以及大量數據信息的獲取提供有力的支撐。

[1]2016年郵政行業發展統計公報[N]．北京：中國郵政局．2017．

[2]李素芬．嵌入式圖像識別硬件平臺研究[D]．武漢：武漢理工大學,2008．

[3]郭惠楠．彩色數字相機成像系統的關鍵性技術研究[D]．西安：中國科學院研究生院(西安光學精密機械研究所),2014．