商品過度包裝自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

劉 卓 張苓苓 張毅坤 王 娜 張 娟

(1.西安計量技術(shù)研究院，西安 710068；2.西安理工大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710018)

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商品過度包裝自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)*

劉 卓1張苓苓2張毅坤2王 娜2張 娟1

(1.西安計量技術(shù)研究院，西安 710068；2.西安理工大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710018)

商品過度包裝與我國發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟、構(gòu)建節(jié)約型社會是完全相悖的。針對目前過度包裝檢測難的現(xiàn)狀，本文設(shè)計實現(xiàn)了一種包含三維數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集、體積計算、空隙率計算與過度包裝判定、檢測信息查詢與發(fā)布為一體的商品過度包裝智能檢測系統(tǒng)，以先進、可信的技術(shù)手段解決商品過度包裝檢測難的問題。

過度包裝；自動檢測；包裝空隙率；B/S架構(gòu)

0 引言

目前，雖然國家亟待制定和完善防止過度包裝的法律法規(guī)，但是依然需要堅持科學(xué)的態(tài)度和方法[1]。質(zhì)量監(jiān)督部門當(dāng)前只能采用手工測量+經(jīng)驗評估+計算推理得出商品是否存在過度包裝[2]。使用鋼直尺或游標(biāo)卡尺測量商品外包裝和初始包裝的外切最小包裝體積的方法，隨著商品包裝日常計量檢驗、執(zhí)法檢查工作的深入開展，空隙率的判定相對困難和復(fù)雜。

在政府與民眾一片遏制商品過度包裝的呼聲下，如何在形形色色的商品包裝中、在各式各樣的產(chǎn)品形狀下，采用何種技術(shù)手段，能夠快速、有效、較為準(zhǔn)確地確認(rèn)是否存在商品銷售過程中的過度包裝，就成為擺在廣大消費者和質(zhì)量監(jiān)督部門面前，至今沒有較好解決的一道難題。本研究就是在這樣的背景前提下提出的，集計量檢測、信息查詢與發(fā)布為一體的商品過度包裝智能檢測系統(tǒng)[3]。

1 商品過度包裝自動檢測系統(tǒng)的設(shè)計

本文提出一種新的過度包裝自動檢測系統(tǒng)，這種檢測系統(tǒng)從對商品包裝及商品本身進行三維掃描出發(fā)，通過圖像數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)提取與處理、形態(tài)模糊識別、實體體積規(guī)范換算、空隙率運算比等得到檢測數(shù)據(jù)，從而判定是否屬于過度包裝范圍，同時包含后續(xù)對檢測結(jié)果的審核與簽發(fā)、信息查詢與發(fā)布等功能的自動化過度包裝檢測過程的研究，達到實現(xiàn)基于三維掃描的商品過度包裝一體化檢測?？傮w架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 過度包裝自動檢測系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

1.1 B/S架構(gòu)

本系統(tǒng)采用基于B/S的架構(gòu)。B/S(Browser/Server)結(jié)構(gòu)即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)。用戶工作界面通過WWW瀏覽器來實現(xiàn)，極少部分事務(wù)邏輯在前端(Browser)實現(xiàn)，但是主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端(Server)實現(xiàn)。這樣就大大簡化了客戶端電腦載荷，減輕了系統(tǒng)維護與升級的成本和工作量，降低了用戶的總體成本(TCO)。

數(shù)據(jù)綜合管理平臺能夠便捷、高效地完成對檢測數(shù)據(jù)的實時、動態(tài)管理，實現(xiàn)檢測流程的自動化以及對整個檢測過程進行有效監(jiān)督；實現(xiàn)數(shù)據(jù)維護、查詢、統(tǒng)計；同時提高信息數(shù)據(jù)處理，原始記錄打印、證書打印等管理方面的工作，最大限度的提升整體業(yè)務(wù)素質(zhì)，提高管理水平，實現(xiàn)全面的質(zhì)量管理。

1.2 三層結(jié)構(gòu)模型

本系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)模型。即：表現(xiàn)層(UI)、業(yè)務(wù)邏輯層(BLL)、數(shù)據(jù)訪問層(DAL)。表現(xiàn)層提供給用戶一個視覺上的界面，用戶可輸入數(shù)據(jù)、獲取數(shù)據(jù),同時也提供一定的安全性；邏輯層是表現(xiàn)層和數(shù)據(jù)層的橋梁，它響應(yīng)界面層的用戶請求，執(zhí)行任務(wù)并從數(shù)據(jù)層抓取數(shù)據(jù)，將必要的數(shù)據(jù)傳送給界面層；數(shù)據(jù)層定義、維護數(shù)據(jù)的完整性、安全性，它響應(yīng)邏輯層的請求。訪問數(shù)據(jù)采用三層結(jié)構(gòu)減少了應(yīng)用系統(tǒng)在開發(fā)和維護期的開銷，應(yīng)用系統(tǒng)的安裝與升級更加容易，系統(tǒng)的可伸縮性得到了加強。

1.3 系統(tǒng)安全設(shè)計

為保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，數(shù)據(jù)上傳必須經(jīng)過身份驗證，從智能終端接收檢測人員現(xiàn)場采集的原始數(shù)據(jù)和計算統(tǒng)計結(jié)果。為了保證數(shù)據(jù)的安全性，整個傳輸過程通過加密算法進行密文傳送，服務(wù)程序接收到加密數(shù)據(jù)通過解密后保存到本地數(shù)據(jù)庫中，本地數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)由管理平臺程序?qū)崟r處理顯示。

2 商品過度包裝自動檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)

基于三維掃描的商品過度包裝智能檢測過程包含了三維掃描、點云數(shù)據(jù)處理、異類形體包裝體積智能換算，以及包裝空隙率運算與是否過度包裝判定等基本環(huán)節(jié)。系統(tǒng)的軟件功能模塊如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件功能模塊

現(xiàn)場檢測人員使用前端三維掃描儀在現(xiàn)場對待檢物品進行詳細檢測，通過該系統(tǒng)的手持智能客戶端使用一定的算法對三維掃描儀輸出的數(shù)據(jù)進行處理，抽取有效的三維數(shù)據(jù)(例長、寬、高、直徑等)，再設(shè)定空隙率系數(shù)，計算當(dāng)前物體的空隙率，判斷當(dāng)前商品是否屬于過度包裝范圍，將商品的相關(guān)信息及檢測結(jié)果上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器。檢測中心的管理人員通過綜合管理平臺管理數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計查詢并打印證書。

2.1 三維數(shù)據(jù)提取

攝像機經(jīng)過標(biāo)定[4]后就可以對待測物體進行拍攝，待測包裝體在旋轉(zhuǎn)平臺上旋轉(zhuǎn)一周，采取視頻拍攝機制，拍攝過程中激光始終打在物體上。使用OpenCv的cvQueryFrame功能將拍攝視頻按幀數(shù)進行分割，然后對采集的圖像進行線性提取，找到激光點。攝像機拍攝視頻提取幀如圖3所示。

圖3 攝像機拍攝視頻提取幀

攝像機單幅拍攝只能得到物體一個角度的信息,因此為了得到待測物體表面完整的三維數(shù)據(jù)信息,要使用攝像機對物體多角度拍攝。本實驗中采取將待測物體放在旋轉(zhuǎn)平臺上，實現(xiàn)攝像機固定，物體在旋轉(zhuǎn)平臺的帶動下完成360度旋轉(zhuǎn)的過程。

轉(zhuǎn)軸標(biāo)定后，被測物體在旋轉(zhuǎn)平臺上旋轉(zhuǎn)一周，視頻分解成40幅圖片，對每一幅圖片進行激光線提取，得到坐標(biāo)后，利用旋轉(zhuǎn)逆向思維，分別計算每組坐標(biāo)在一定角度下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將得到坐標(biāo)拼接成完整的三維點云[5]。被測物體點云數(shù)據(jù)拼接如圖4所示。

圖4 被測物體點云數(shù)據(jù)拼接

2.2 過度包裝判定方法

2009年4 月，國家質(zhì)檢總局和國家標(biāo)準(zhǔn)委批準(zhǔn)發(fā)布了《限制商品過度包裝要求食品和化妝品》國家標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)自2010年4 月1 日起開始實施。

表1 空隙率判斷標(biāo)準(zhǔn)與計算公式

根據(jù)國標(biāo)JJF 1244—2010限制食品及化妝品過度包裝要求(見表1所示)，該系統(tǒng)中包裝空隙率計算方法如下：

(1)

式中：X為包裝空隙率；V0為商品銷售包裝體積，指商品銷售包裝(不含提手、扣件、綁繩等配件)的外切最小立方體體積；Vn為商品初始包裝的總體積，商品初始包裝體積指商品初始包裝的外切最小立方體體積；k為商品必要空間系數(shù)。商品的必要的空間體積指用于保護或固定各產(chǎn)品初始包裝所需要的空間，在JJF 1244—2010標(biāo)準(zhǔn)中，k值為0.6。

根據(jù)三維重建得到的點云數(shù)據(jù)，得到外切最小多邊形體積，再基于以上計算得出的商品包裝的空隙率，就可依據(jù)國標(biāo)要求進行商品是否存在過度包裝的判定。

3 過度包裝智能檢測系統(tǒng)主要界面

過度包裝智能檢測平臺，控制攝像機開啟與視頻處理，提取三維數(shù)據(jù)并計算空隙率，其主要界面如圖5所示。

圖5 商品過度包裝檢測終端界面

4 結(jié)束語

本方法是從技術(shù)角度提供了一種確定包裝體積是否過度包裝的手段，而其它諸如包裝材料、包裝質(zhì)量等方面的綜合考量還需專業(yè)技術(shù)人員確認(rèn)。

基于三維掃描的商品過度包裝自動檢測系統(tǒng)的研究，可有效地解決質(zhì)監(jiān)一線計量檢驗人員與執(zhí)法人員在過度包裝商品日常檢驗、檢查過程中遇到的檢測數(shù)據(jù)的獲取、處理、判定、管理方面難以準(zhǔn)確、快速判定的問題,可促進以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、高精尖設(shè)備及信息化系統(tǒng)為支撐的質(zhì)監(jiān)工作新模式的有效開展，可為保障廣大消費者利益、節(jié)約資源、減少浪費、環(huán)境保護做出巨大貢獻。所以，該項目的研究不僅具有較大的經(jīng)濟效益，而且具有深遠的社會效益。

[1] 史慶平.遏制過度包裝需要多管齊下[N].中國新聞出版報,2012-02-22007

[2] 徐晶卉.檢測工程師 兩把尺"丈量"過度包裝[N].文匯報，2013.02.05

[3] 王凱.過度包裝商品智能檢測裝置的研制[N].計量技術(shù)，2014(06)

[4] Zhang Z Y.A flexible new technique for camera calibration.IEEE Trans.On Pattern Analysis and Machine Intelligence, 2000, 22(11): 1330-1334

[5] 施瑞奈爾.OpenGL編程指南 [M].北京：機械工業(yè)出版社，2010

陜西省工業(yè)科技攻關(guān)項目(2014K05-33)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.06.08