文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)群視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭釗

摘? 要： 傳統(tǒng)視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)在不同迭代次數(shù)下的匹配分值太低，無(wú)法得到準(zhǔn)確的匹配結(jié)果。為了解決這一問(wèn)題，提出文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)群視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由Gocator 2350相機(jī)、測(cè)量輪編碼器、美德樂(lè)B1100皮帶機(jī)組成，接口設(shè)計(jì)選擇OPC通信方式、I/O接口和PC?interface通信方式實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與PLC的通信;采用Windows API編程技術(shù)完成文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)群視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)主界面的設(shè)計(jì)。軟、硬件結(jié)合，完成文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)群視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試不同迭代次數(shù)下的隨機(jī)匹配效果，結(jié)果表明，所建系統(tǒng)匹配分值大于5%，說(shuō)明匹配成功，證明了文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)群視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)匹配結(jié)果更準(zhǔn)確。

關(guān)鍵詞： 文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)群; 視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng); 3D相機(jī); 編碼器; 傳送帶; 硬件結(jié)構(gòu); 軟件功能

中圖分類號(hào)： TN02?34; TP65? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）17?0158?04

Abstract： It is too low for the matching score of traditional visual recognition system under different iterations to get accurate matching results. Therefore， a design of visual recognition system for cultural and creative industry group is proposed. The hardware structure of the system is composed of camera Gocator 2350， measuring wheel encoder and belt conveyor Modular B1100. The OPC （OLE for process control） communication mode， I/O interface and PC?interface communication mode are selected for the interface design to realize the communication between the industrial computer and PLC. The Windows API programming technology is used to design the main interface of the visual identification system for cultural and creative industry group. The design of visual recognition system of cultural and creative industry group is realized by the combination of software and hardware. The random matching effect of different iterations is tested in experiments. The results show that the matching score of the proposed system is more than 5%， so the matching is successful， which verifies that the matching result of the visual recognition system of cultural and creative industry group is more accurate.

Keywords： cultural and creative industry group; visual recognition system; 3D camera; encoder; conveyor belt; hardware structure; software function

0? 引? 言

文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)是一種品牌戰(zhàn)略，有利于營(yíng)造產(chǎn)業(yè)文化氛圍，強(qiáng)化產(chǎn)品凝聚力，本次研究中重點(diǎn)突出文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)群視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的推廣。視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)運(yùn)用統(tǒng)一化和數(shù)字化的視覺(jué)符號(hào)系統(tǒng)傳達(dá)企業(yè)形象。通過(guò)媒介傳達(dá)使企業(yè)內(nèi)部和消費(fèi)者對(duì)文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)群有一個(gè)統(tǒng)一的價(jià)值觀[1]。傳統(tǒng)的視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)在設(shè)計(jì)理念上采用Mean Shift跟蹤算法構(gòu)建二維空間狀態(tài)，對(duì)展示的各個(gè)環(huán)節(jié)做數(shù)字化管理。從操作模式上來(lái)看，雖然具有很好的可視化效果，但是要借助別的軟件在特定軟件系統(tǒng)中輸出目標(biāo)的相關(guān)信息。

而本次提出的文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)群視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)充分利用了動(dòng)態(tài)視覺(jué)傳達(dá)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，增強(qiáng)視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)媒體上的應(yīng)用。設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：系統(tǒng)硬件采用線激光掃描儀和Eye?to?Hand 安裝方式，經(jīng)過(guò)硬件選擇和接口設(shè)計(jì)完成系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件采用Windows API編程技術(shù)，將各種媒體的編演融為一體，解決圖片、文字存在的效果限制問(wèn)題。再采用Visual C++語(yǔ)言整合圖形和文字方面的內(nèi)容，使系統(tǒng)能夠更真實(shí)地反映出設(shè)計(jì)要素，被群眾接受。

1? 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)群視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)硬件由3 Gocator 2350相機(jī)、測(cè)量輪編碼器、美德樂(lè)B1100皮帶機(jī)組成。

硬件規(guī)格選擇：機(jī)器人選用ABB公司生產(chǎn)的ABB?IRB2600?12/1.85中型六軸工業(yè)機(jī)器人[2]。3D相機(jī)是根據(jù)傳送帶的寬度和長(zhǎng)度選用的，Gocator 2350系列相機(jī)[x]方向分辨率在0.120～0.300 mm范圍內(nèi)，[z]向分辨率在0.070～0.090 mm范圍內(nèi)，采樣頻率高達(dá)5 000 Hz。Gocator 2350相機(jī)如圖2所示。

Gocator 2350相機(jī)能夠?qū)⒕€激光發(fā)射器所產(chǎn)生的投影掃描到對(duì)應(yīng)的工件上[3]，完成掃描后，將激光條紋投射到相機(jī)內(nèi)，得到一張圖像，再采用條紋提取方法轉(zhuǎn)換坐標(biāo)，得到真實(shí)的空間條紋，完成傳送帶連續(xù)物體抓取功能。

考慮到傳送帶的移動(dòng)反應(yīng)，在編碼器硬件選型上，選擇測(cè)量輪編碼器。采用常用的編碼器無(wú)法實(shí)時(shí)測(cè)量傳送帶的位移，故選用全反饋的方式直接測(cè)量傳送帶位移[4]，如圖3所示。

系統(tǒng)設(shè)置傳送帶的目的是縮小電機(jī)與傳送帶之間轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的誤差。故將其分為兩路：其中一路用于獲取脈沖信號(hào);另一路用于激光掃描儀觸發(fā)拍照[5]。

在傳送帶的選型上，選用美德樂(lè)B1100皮帶機(jī)，按照兩頭高低不同的方式安裝，實(shí)現(xiàn)抓取上料功能。設(shè)計(jì)原理是將傳送帶改為循環(huán)運(yùn)輸模式，增加物體姿態(tài)遮擋裝置，達(dá)到零件循環(huán)流動(dòng)的目的[6]。

在硬件接口的設(shè)計(jì)上，以工控機(jī)為中心，通過(guò)以太網(wǎng)分別連接線激光掃描儀，實(shí)現(xiàn)文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)群視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的統(tǒng)一控制。系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)如圖4所示。

機(jī)器人單元采用OPC通信方式實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與PLC的通信，配套設(shè)備采用PC?interface通信方式實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與機(jī)器人之間的通信[7]。利用脈沖分配器將測(cè)量輪編碼器分為兩路脈沖信號(hào)：其中一路通過(guò)I/O口連接線激光掃描儀觸發(fā)相機(jī)拍照[8];另一路通過(guò)I/O接口連接對(duì)射開(kāi)關(guān)，用于檢測(cè)物體。再采用ProfiNet連接驅(qū)動(dòng)器，用于控制伺服電動(dòng)機(jī)的速度。

由此，完成文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)群視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2? 軟件功能設(shè)計(jì)

基于Windows API編程技術(shù)進(jìn)行文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)群視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的主界面設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主界面設(shè)計(jì)由圖像顯示區(qū)、串口設(shè)置區(qū)、下位機(jī)啟動(dòng)區(qū)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)區(qū)4個(gè)模塊組成[9]。文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)群視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)主界面如圖5所示。

圖5中的圖像顯示區(qū)共有5個(gè)按鈕，用于顯示需要處理的圖像[10]。右上角的串口設(shè)置區(qū)有由6個(gè)按鈕組成。串口設(shè)置區(qū)下面的下位機(jī)啟動(dòng)區(qū)有一個(gè)編輯文本框，用于顯示傳送內(nèi)容[11]。主界面右下角的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)區(qū)有兩個(gè)編輯文本框，用于顯示目標(biāo)相關(guān)信息。

點(diǎn)擊設(shè)備按鈕即可在線搜索相關(guān)信息。當(dāng)界面彈出相機(jī)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，即可設(shè)置相機(jī)幀率，完成設(shè)備參數(shù)設(shè)置后，點(diǎn)擊設(shè)置按鈕，調(diào)節(jié)相機(jī)曝光率。設(shè)置成功后，系統(tǒng)中主界面會(huì)在靜態(tài)文本框中直接彈出需要處理的目標(biāo)，獲得目標(biāo)相關(guān)信息后，即可上傳到系統(tǒng)。若中途出現(xiàn)錯(cuò)誤，可點(diǎn)擊暫停按鈕，終止后臺(tái)處理程序[12]。保存相關(guān)信息后，將沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的文本存到指定的文件目錄中，默認(rèn)格式為bmp文件。存儲(chǔ)相關(guān)信息后，要設(shè)置通信串口，點(diǎn)擊串口下拉列表框中的按鈕，選擇計(jì)算機(jī)分配給下位機(jī)的通信信息[13]。經(jīng)過(guò)校驗(yàn)后，選擇信號(hào)校驗(yàn)位。設(shè)置成功后，打開(kāi)對(duì)應(yīng)的串口，完成系統(tǒng)主界面模塊的設(shè)置，將目標(biāo)相關(guān)參數(shù)傳送到串口。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)區(qū)會(huì)記錄圖像顯示區(qū)的識(shí)別結(jié)果，處理完畢后，點(diǎn)擊計(jì)數(shù)清零按鈕。清零數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)后，即可關(guān)閉軟件。

下位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)是核心控制程序，所要完成的功能為讀取上位機(jī)發(fā)送的6位十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過(guò)解碼才能打開(kāi)電磁閥[14]。若將前4位解碼為十進(jìn)制數(shù)據(jù)，會(huì)延遲信號(hào)時(shí)間。故選用STCl5F2K60S2定時(shí)器，將后2位解碼成十進(jìn)制數(shù)據(jù)，即可打開(kāi)電磁閥。下位機(jī)控制程序變量如表1所示。

系統(tǒng)下位機(jī)采用定時(shí)器作為計(jì)數(shù)器使用，每隔1 s計(jì)數(shù)1次。一組函數(shù)有6位十六進(jìn)制數(shù)據(jù)。當(dāng)1組數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)解碼后，就會(huì)變成3組十進(jìn)制數(shù)。第一個(gè)十進(jìn)制數(shù)和第二個(gè)十進(jìn)制數(shù)決定信號(hào)延遲時(shí)間，最后一組十進(jìn)制數(shù)是控制電磁閥的。使用定時(shí)器解碼后的數(shù)據(jù)需要存放在TBUFFER數(shù)組當(dāng)中[15]。經(jīng)過(guò)count判定后，根據(jù)解碼數(shù)據(jù)結(jié)果打開(kāi)對(duì)應(yīng)電磁閥位置，并傳輸給串口。若上位機(jī)程序接收到信息后，會(huì)將新的通信碼顯示到通信碼界面。

由此，完成文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)群視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的軟件功能設(shè)計(jì)。

3? 仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所建的文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)群視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，借助一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試傳統(tǒng)系統(tǒng)和所建系統(tǒng)在不同迭代次數(shù)下的隨機(jī)匹配效果。若匹配分值大于5%，說(shuō)明匹配成功。不同迭代次數(shù)下的匹配效果，如圖6所示。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1） 運(yùn)用盒子法構(gòu)建點(diǎn)云密度函數(shù)。

2） 搜索極值點(diǎn)的尺度和位置。

3） 計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)主方向。

4） 完成DOG尺度空間構(gòu)建后，計(jì)算不同迭代次數(shù)下的匹配結(jié)果，若匹配分值大于5%，說(shuō)明匹配效果好。

實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：原始采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)很多，會(huì)增加實(shí)驗(yàn)難度。為了降低實(shí)驗(yàn)難度，先采樣原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，運(yùn)用精簡(jiǎn)方法刪除余點(diǎn)。若平均曲率小，說(shuō)明點(diǎn)云分布不平坦;若平均曲率大說(shuō)明點(diǎn)云分布均勻，無(wú)需刪除余點(diǎn)。

文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)群視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)匹配分值計(jì)算結(jié)果，如圖7所示。

由圖7可知，采用文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)群視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)綜合匹配分值大于5%。目標(biāo)1～目標(biāo)5僅通過(guò)一次匹配就可以得到正確的匹配結(jié)果。在匹配目標(biāo)6時(shí)，出現(xiàn)過(guò)一次失敗結(jié)果。傳統(tǒng)的視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)綜合匹配分值小于5%，目標(biāo)1～目標(biāo)5通過(guò)一次匹配得到的匹配結(jié)果存在錯(cuò)誤，會(huì)隨著匹配次數(shù)逐漸增加，且匹配分值小于限定值。由此可知，所建系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)需求。

4? 結(jié)? 語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提出文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)群視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)選型后，完成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。軟件采用Windows API編程技術(shù)完成界面設(shè)計(jì)。借助實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別測(cè)試傳統(tǒng)系統(tǒng)和所建系統(tǒng)在不同迭代次數(shù)下的隨機(jī)匹配效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)群視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)需求。但在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，使用文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)群視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)在匹配目標(biāo)1～目標(biāo)5時(shí)，僅通過(guò)一次匹配就可以得到正確的匹配結(jié)果，但在匹配目標(biāo)6時(shí)，迭代結(jié)果出現(xiàn)錯(cuò)誤。在后續(xù)研究中還需進(jìn)一步研究，提高文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)群視覺(jué)識(shí)別效果。

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