一種機(jī)器視覺(jué)的胸卡智能識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

錢(qián)文韜

（江蘇省泰州中學(xué)，江蘇泰州，225300）

0 引言

近年來(lái)，人工智能技術(shù)進(jìn)展迅速，而機(jī)器視覺(jué)技術(shù)更是應(yīng)用于生活的方方面面。機(jī)器視覺(jué)是利用光電成像系統(tǒng)來(lái)采集圖像信息，然后經(jīng)過(guò)在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行軟件進(jìn)行圖像信息的處理或者在專(zhuān)用的圖像處理器上處理，最后進(jìn)行識(shí)別分析來(lái)對(duì)目標(biāo)物體的形狀和尺寸等進(jìn)行判斷的技術(shù)[1]。

如今，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用廣泛。制造業(yè)中，用戶和生產(chǎn)企業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來(lái)越高，除要求滿足使用性能外，還要有良好的外觀，即良好的表面質(zhì)量[2]。通過(guò)人工檢測(cè)的傳統(tǒng)方法已難以滿足要求，而機(jī)器視覺(jué)技術(shù)則能有效地解決問(wèn)題。制藥業(yè)中，我國(guó)的藥品包裝企業(yè)多采用半自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備對(duì)藥品包裝進(jìn)行檢測(cè)，由此可能會(huì)導(dǎo)致藥品出現(xiàn)異物、密封不嚴(yán)等問(wèn)題[3-4]。于是，許多廠家使用了應(yīng)用了機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的自動(dòng)包裝機(jī)械，這是由于產(chǎn)品自動(dòng)包裝機(jī)械既能節(jié)約人力和物力，又能提高包裝效率，降低生產(chǎn)成本[5]。機(jī)器視覺(jué)涉及到人工智能、神經(jīng)生物學(xué)、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)科學(xué)、圖像處理、機(jī)器學(xué)習(xí)等多個(gè)領(lǐng)域, 是一門(mén)交叉學(xué)科。由于機(jī)器視覺(jué)的檢測(cè)特點(diǎn)具有快速、精確、非接觸等一系列優(yōu)點(diǎn),所以作為一種現(xiàn)代化的檢測(cè)手段越來(lái)越被人們所重視[6-7]。因而，目前機(jī)器視覺(jué)已被廣泛應(yīng)用于國(guó)防工業(yè)、醫(yī)療科技、水下圖像識(shí)別、尺寸測(cè)量以及果蔬識(shí)別與分類(lèi)等領(lǐng)域[8]，但在學(xué)校教育領(lǐng)域卻少有涉及。

眾所周知，學(xué)校安全至關(guān)重要，是全社會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)之一，為了切實(shí)維護(hù)學(xué)生的生命安全，許多學(xué)校實(shí)行了胸卡檢查的制度，通過(guò)在學(xué)校、宿舍門(mén)口派遣專(zhuān)人進(jìn)行檢查、登記，達(dá)到檢查學(xué)生出勤情況、防止社會(huì)閑雜人員進(jìn)出校園的效果，這套制度確實(shí)起到了重要的作用。但是通過(guò)實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不少老師同學(xué)反映：胸卡人工檢查、登記有著費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率較低，且容易出錯(cuò)等諸多問(wèn)題。這是因?yàn)槿斯ぷR(shí)別檢測(cè)是校園胸卡識(shí)別檢測(cè)等傳統(tǒng)檢測(cè)方法，而傳統(tǒng)人工識(shí)別檢測(cè)校園胸卡，需要對(duì)校園胸卡表面的個(gè)人信息逐一的進(jìn)行核對(duì)和檢測(cè)，不僅耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，而且非常容易出錯(cuò)，同時(shí)人眼在不停地對(duì)胸卡表面信息進(jìn)行識(shí)別檢測(cè)的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一定的疲勞感，容易出現(xiàn)信息容錯(cuò)。因此，該方法抽檢率低、準(zhǔn)確性不高、實(shí)時(shí)性差、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、受人工經(jīng)驗(yàn)和主觀因素的影響大。與之相對(duì)，機(jī)器視覺(jué)是一種無(wú)接觸、無(wú)損傷的自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化、智能化和精密控制的有效手段，具有安全可靠、光譜響應(yīng)范圍寬、可在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作和生產(chǎn)效率高等突出優(yōu)點(diǎn)[9]。因而基于機(jī)器視覺(jué)的檢測(cè)方法可以很大程度上克服上述弊端[10]。

因此設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的校園胸卡智能識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)傳感器觸發(fā)工業(yè)相機(jī)，對(duì)校園胸卡進(jìn)行圖像采集，采用VS2010配合opencv函數(shù)庫(kù)對(duì)圖像進(jìn)行一系列的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)校園胸卡的識(shí)別和檢測(cè)。在快速檢測(cè)識(shí)別的基礎(chǔ)上，做到高效高準(zhǔn)確率，并且相比于其他檢測(cè)設(shè)備，降低了成本。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要由兩個(gè)部分組成：硬件部分和軟件部分，兩部分之間通過(guò)千兆網(wǎng)口通訊。圖像傳感器被觸發(fā)，工業(yè)相機(jī)接收到觸發(fā)信號(hào)后開(kāi)始采集胸卡圖像，采集到的胸卡圖像經(jīng)過(guò)千兆網(wǎng)與控制端進(jìn)行通信傳輸，控制端的胸卡智能識(shí)別系統(tǒng)通過(guò)所開(kāi)發(fā)的胸卡個(gè)人信息特征識(shí)別算法完成對(duì)胸卡的自動(dòng)識(shí)別和檢測(cè)。整體框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件主要包括PC控制端、工業(yè)相機(jī)、工業(yè)鏡頭、光源、傳感器等。傳感器通過(guò)信號(hào)線與工業(yè)相機(jī)連接，工業(yè)相機(jī)與工業(yè)鏡頭配對(duì)連接后可以進(jìn)行圖像采集，光源安裝在工業(yè)相機(jī)正下方以便提供較好的光照強(qiáng)度，工業(yè)相機(jī)通過(guò)千兆網(wǎng)與PC控制端連接。

2.1 工業(yè)相機(jī)

校園胸卡為平面矩形，較為規(guī)則，面積為69mm×98mm，根據(jù)校園胸卡特點(diǎn)，本系統(tǒng)選取型號(hào)為MV-EM200的200萬(wàn)像素的面陣工業(yè)相機(jī)，幀率為20fps，因校園胸卡的個(gè)人信息特征位置相對(duì)固定，但是信息特征均不相同，彩色圖像的灰度值相差太大，處理較麻煩，因此選取黑白的工業(yè)相機(jī)，以滿足校園胸卡的快速識(shí)別檢測(cè)。如圖2所示為工業(yè)相機(jī)實(shí)物圖。

圖2 工業(yè)相機(jī)

如圖3所示為型號(hào)為MV-EM200的200萬(wàn)像素的面陣工業(yè)相機(jī)的感光曲線特性圖。

圖3 感光曲線特性圖

由于胸卡為平面，結(jié)合工業(yè)相機(jī)選用型號(hào)AFT-1614MP的100萬(wàn)像素的工業(yè)鏡頭，可以跟工業(yè)相機(jī)很好的配合使用。如圖4 所示為工業(yè)鏡頭實(shí)物圖。

圖4 鏡頭

2.2 工業(yè)鏡頭

2.3 光源

在光源方面，考慮到胸卡是塑料材質(zhì)且表面光滑會(huì)反光，結(jié)合實(shí)際使用工況，選用環(huán)形紅光光源來(lái)配合圖像采集。燈帶角度45°，可以很好的抑制從胸卡表面反射回來(lái)的光，同時(shí)也能很好的避開(kāi)環(huán)境光的影響，以獲得高質(zhì)量的圖像。光源如圖5所示。

圖5 環(huán)形光源

2.4 多傳感器配合

校園胸卡的自動(dòng)化、智能化識(shí)別檢測(cè)，首先要保證識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)的傳感器能相互配合，校園胸卡識(shí)別檢測(cè)軟件系統(tǒng)中的圖像采集部分和圖像處理部分分別使用了采集觸發(fā)傳感器和圖像處理器，各傳感器的選型及參數(shù)如表1所示。

表1 硬件型號(hào)與參數(shù)

3 系統(tǒng)軟件框架設(shè)計(jì)

3.1 軟件框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件處理流程如圖6所示，主要包括傳圖像采集部分、預(yù)處理部分、胸卡識(shí)別檢測(cè)部分組成。傳感器觸發(fā)后，相機(jī)開(kāi)始采集胸卡圖像，采集到的胸卡在預(yù)處理部分經(jīng)過(guò)一系列的處理，最后由軟件系統(tǒng)對(duì)胸卡識(shí)別檢測(cè)，并顯示結(jié)果。

圖6 系統(tǒng)軟件框架圖

3.2 軟件系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

圖7 系統(tǒng)軟件界面

軟件系統(tǒng)運(yùn)行于PC控制端上，采用VS開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)，結(jié)合Opencv開(kāi)發(fā)的胸卡個(gè)人信息處理算法嵌入在胸卡識(shí)別軟件系統(tǒng)里面。通過(guò)軟件系統(tǒng)可以對(duì)胸卡進(jìn)行在線實(shí)時(shí)采集，設(shè)置好檢測(cè)區(qū)域參數(shù)，打開(kāi)相機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)圖像采集，進(jìn)行胸卡的實(shí)時(shí)識(shí)別檢測(cè)，并將處理得到的結(jié)果顯示在軟件界面上。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

在實(shí)際校園胸卡識(shí)別與檢測(cè)中，胸卡表面通常都有每個(gè)學(xué)生的個(gè)人信息，且各不相同，識(shí)別檢測(cè)出胸卡表面所有個(gè)人信息是胸卡自動(dòng)識(shí)別檢測(cè)中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，如何快速準(zhǔn)確的識(shí)別檢測(cè)校園胸卡表面?zhèn)€人信息，是提高校園胸卡識(shí)別檢測(cè)效率的關(guān)鍵，也是實(shí)現(xiàn)校園胸卡自動(dòng)化、智能化識(shí)別檢測(cè)的前提?；跈C(jī)器視覺(jué)的校園胸卡智能識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)傳感器融合技術(shù)，獲取校園胸卡圖像，經(jīng)過(guò)處理分析，通過(guò)識(shí)別軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化檢測(cè)。

現(xiàn)對(duì)識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)相同數(shù)量校園胸卡與人工檢測(cè)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

軟件系統(tǒng)和人工同時(shí)識(shí)別檢測(cè)100個(gè)校園胸卡，依次在同樣的試驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行了6組識(shí)別檢測(cè)試驗(yàn)，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，系統(tǒng)的誤檢率大致在3%內(nèi)，且比較穩(wěn)定，而隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，人工誤檢率均逐步增加到15%左右，且不穩(wěn)定。系統(tǒng)所用時(shí)間均在250s內(nèi)，人工所用時(shí)間基本是系統(tǒng)的2倍左右，時(shí)間相差較大，且當(dāng)達(dá)到一定時(shí)間的時(shí)候，人眼容易產(chǎn)生疲勞，識(shí)別檢測(cè)效率和正確率都可能會(huì)降低。

5 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的基于機(jī)器視覺(jué)的校園胸卡智能識(shí)別檢測(cè)系統(tǒng)具有較好的對(duì)校園胸卡表面?zhèn)€人信息的識(shí)別檢測(cè)性。軟件系統(tǒng)識(shí)別檢測(cè)所用時(shí)間大致是人工識(shí)別檢測(cè)所用時(shí)間的一半，有效的提高了軟件系統(tǒng)識(shí)別檢測(cè)效率，且系統(tǒng)的誤檢率均在3%內(nèi)，在誤差范圍內(nèi)。表明該檢測(cè)系統(tǒng)可以高效、高質(zhì)的識(shí)別檢測(cè)出校園胸卡表面?zhèn)€人信息，實(shí)現(xiàn)校園胸卡自動(dòng)化識(shí)別檢測(cè)，達(dá)到了校園胸卡表面?zhèn)€人信息識(shí)別與檢測(cè)自動(dòng)化、智能化的項(xiàng)目要求。實(shí)際推廣應(yīng)用價(jià)值大，市場(chǎng)前景廣闊。