基于顏色識別的食堂智能結算系統(tǒng)

盧凱璇，吳麗群

（陽光學院人工智能學院，福州350015）

0 引言

隨著消費水平的不斷提高，食堂的菜品種類日益增多，在消費高峰期，結算窗口經(jīng)常排起長隊。食堂打飯阿姨需要記住每樣菜的價格還要再進行計價，這種方法的快慢完全依靠打菜阿姨的熟練程度，速度和價格的準確性都沒有保障。有一些學校為了解決打飯阿姨的速度和效率的問題，采用RFID 技術，這種方法是在餐盤底部植入芯片，使每個餐盤代表一個價格，但這種方法在每次使用完餐盤后都需要進行分類，打菜時也要根據(jù)不同價格使用不同的餐盤，且成本較高。

對比上述方案存在的問題提出新的方法即通過攝像頭拍攝照片，再對照片進行處理、分析提取餐盤顏色和形狀，根據(jù)餐盤顏色和形狀對不同菜品進行分類自動計價，最后學生通過刷校園卡進行支付。從而避免了人工結算中出現(xiàn)的缺點，大大減少了學生的等待時間，同時無需改變現(xiàn)有的餐盤給食堂造成浪費。

1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)設計主要由五個模塊構成。其中，微控制器模塊接收攝像頭采集的相關信息應用圖像識別算法對圖像信息進行處理輸出結果，結合數(shù)據(jù)庫進行智能、自助結算，并將結算明細送給顯示模塊，方便消費者核實。當紅外測距模塊感知到餐盤的存在時將信號傳給微控制器，啟動攝像頭攝影，進行對比識別，最后將得到的信息在顯示屏上展現(xiàn)。系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設計

2.1 硬件設計

方案一：采用STC89C52RC 單片機，具有高速度、低功耗、抗干擾能力強、4 路外部中斷和三種工作模式。還有兩種工作頻率可供選擇，具備512 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器和8K 程序存儲器，內(nèi)置ISP 監(jiān)控程序可以實現(xiàn)通過串口來進行程序的下載，8KB 程序3S 即可完成一片，還具有IAP 的功能。

方案二：采用STM32F407 單片機，擁有頻率高達168MHz 的16 和32 位定時器，具有動態(tài)功耗調(diào)整功能，能夠在運行模式下實現(xiàn)低至238μA/MHz 的電流消耗。擁有強大的串口功能，可以實現(xiàn)不同單片機之間還有MCU 和PC 之間的通訊，并可以接多種接口。

綜上所述，方案二的主頻比方案一高，最高主頻可達168MHz，處理速度更快，能夠存放更多的臨時數(shù)據(jù)。同時STM32F407 有硬件FDU，能直接進行浮點運算，外設也更加豐富，功耗更低。因此采用方案二。該芯片實物圖如圖2 所示。

圖2 STM32F407ZGT6芯片

2.2 攝像頭顏色識別模塊設計

方案一：采用OmniVision 公司所生產(chǎn)的OV2640攝像頭，OV2640 攝像頭像素最高有200w，數(shù)據(jù)傳輸支持主流的RGB565 模式以及JPEG 模式。分辨率為1632×1232，UXGA 最高15 幀/秒，支持多種控制功能：自動曝光、自動增益、消除燈光條紋等。

方案二：采用OpenMV 攝像頭，內(nèi)置多種圖像處理算法，可直接調(diào)用算法進行應用，具備體積小、功耗低、成本低的優(yōu)點，攝像頭像素只有30 萬，采集圖像分辨率最高只達到640×480，只能在小范圍或對分辨率不高的場合使用。

綜上所述，對比兩款攝像頭的像素，OV2640 攝像頭具有更高的像素，能獲取更高清的圖片，更好地對圖片進行對比、識別，提高準確度。因此，方案一更適合本系統(tǒng)攝像頭顏色識別模塊設計，OV2640 攝像頭如圖3 所示。

圖3 OV2640攝像頭

2.3 顯示模塊

方案一：采用LCD1602A 字符型液晶顯示模塊，lcd1602 控制器內(nèi)置有80 個Byte 的顯存，兩種字符發(fā)生器，而lcd1602 只有2×16 個字符的顯示區(qū)域，所以顯存中有些地址是無法對應上LCD 屏的。

方案二：采用LCD12864 液晶顯示屏，分辨率為128×64。工作所需的電壓小、功耗低，具有接口方式靈活、操作簡便的特點，通訊方式支持串行通信和并行通信，可工作在圖形和字符模式下。

綜上所述：LCD12864 能顯示的內(nèi)容更豐富，且具有功耗低，分辨率更高等優(yōu)點，因此方案二更適合本系統(tǒng)的顯示模塊設計。該液晶顯示實物圖如圖4 所示。

圖4 LCD12864液晶顯示實物圖

3 軟件設計

3.1 主程序流程

消費者將餐盤放置在指定區(qū)域，當紅外測距模塊感知餐盤存在，向微控制器傳遞信號啟動攝像頭拍攝照片，通過對比識別餐盤顏色，將識別到的信息在顯示屏上顯示，若攝像頭拍到的圖片無法識別則再拍攝一張重新進行識別，識別成功再將識別到的信息在顯示屏上顯示，最后消費者將飯卡放到刷卡處，由RC522 自動扣款。自動結算流程如圖5 所示。

圖5 自動結算流程圖

3.2 餐盤顏色和形狀識別

（1）顏色識別

OpenCV 中的模塊具有USB 數(shù)字攝像頭接口，先用函數(shù)打開攝像頭，拍攝并讀取圖片，設置（R,G,B）分別是紅、綠和藍坐標，它們的值是在0 到1 之間的實數(shù)，將圖片的RGB 模型轉化為HSV 模型。找到在HSV 空間中的（H,S,V）值[1]，再對得到的顏色進行檢測，判定圖像的像素是否在最小值和最大值之間。按照不同的HSV 的數(shù)值對餐盤顏色進行判斷，得到二值圖像。顏色識別過程如圖6 所示。

圖6 顏色識別過程

（2）輪廓提取

將R、G、B 分量映射到R、G、B 立方體的對角線上[2]，由此可得如下公式：

式（1）中：R、G、B 分別為3 通道圖像的紅、綠、藍色彩分量值，SGray 是輸出的灰度值，在OpenCV 中通過調(diào)用cvCvtColor（）函數(shù)來將R、G、B 分量轉換為灰度圖像[3]。再對灰度圖像做二值化處理。采用變閾值式二值閾值化，Threshold 是從0 到255 之間的N 個值（其中N 取11），將不同閾值下二值化后的圖像分別做輪廓和特征提取等處理[4]，以適應在不同環(huán)境下對餐盤的精確識別。

調(diào)用尋找輪廓函數(shù)，其中參數(shù)取值說明如表1 和表2 所示。

表1 參數(shù)mode 取值表

表2 參數(shù)methor 取值表

自動結算識別過程需要餐盤的輪廓進行提取，以便計價。簡單歸結為將拍攝到的圖片轉為灰度圖，對灰度圖進行二值化，再進行輪廓提取，最后收集我們所需要的信息。輪廓提取過程如圖7 所示。

圖7 輪廓提取過程

3.3 自動扣款

MF-RC522 是采用被動式非接觸半雙工通信，具有獨立的讀卡、校驗、加密功能，工作頻段在13.5MHz，成本低、集成度高，有數(shù)據(jù)發(fā)送和接收單元、數(shù)字處理等功能。具備10Mb/s 的SPI 接口、支持中斷模式、可編程定時器、多種節(jié)電模式，低電壓，低功耗。當系統(tǒng)處理完成并將價格顯示出來后學生進行刷卡操作，首先判斷是否有卡，檢測到學生卡存在是自動扣款，碰到?jīng)_撞時需要學生輸入密碼完成扣款。RC522 扣款流程如圖8 所示。

圖8 RC522扣款流程

4 系統(tǒng)調(diào)試與分析

為了能更好地進行測試我們對餐盤做了一些處理，選取一些有破損地餐盤、顏色相似的餐盤經(jīng)過多次實驗測試，該系統(tǒng)在實驗中可以穩(wěn)定地運行，實驗中進行了20 次的測試。其中有16 次能成功提取餐盤顏色并識別最后在顯示屏上顯示出價格。如圖所示，系統(tǒng)對餐盤的顏色和形狀進行識別和處理，當攝像頭識別到相應的顏色時在顯示屏上顯示單價、數(shù)量及總價。圖4 是以食堂為例的菜品價格圖，圖5 為攝像頭識別并在顯示屏上顯示的價格圖。

圖9 菜品價格圖

圖10 顯示屏顯示價格圖

實驗失敗的原因總結如下：

（1）餐盤邊緣破損導致圖像特征丟失，使攝像頭對比識別顏色失敗；

（2）剛開始系統(tǒng)不穩(wěn)定也會導致不能成功識別顏色；

（3）餐盤擺放位置不適當。

5 結語

該方案通過對餐盤顏色的提取和識別，并將價格在顯示屏上顯示、經(jīng)過系統(tǒng)自動結算、消費者將飯卡放在指定區(qū)域完成自動扣款。隨著越來越廣泛的關注、大量研究機構的投入，越來越多的學校開始采取新的結算方式。相較于采用RFID 技術，該方案不需要改變食堂現(xiàn)有的餐盤，且就在每個餐盤底部植入芯片來說在成本上占有很大優(yōu)勢。通過不斷的實驗證明，系統(tǒng)雖然存在失誤但總體上識別成功率較高，具有很大的應用價值。