基于Halcon的藥盒條形碼識別系統(tǒng)設(shè)計

羅子棋 楊穎 戴毅欽 胡健 劉坤銘 吳昊榮

關(guān)鍵詞：藥品；條形碼；Halcon；圖像預(yù)處理；識別

1引言

藥品安全問題一直都是社會民眾關(guān)注的核心問題。一維條形碼技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)計算機(jī)對藥品信息的快速便捷監(jiān)控，讓購買藥品的患者能夠清晰地對藥品信息進(jìn)行溯源，且條形碼的誤碼率一般低至百萬分之一左右，安全可靠[1]。推行藥盒條形碼識別系統(tǒng)，可以極大地保障藥品的流通安全性，也方便醫(yī)院、藥店對藥品的庫存管理和來源追溯。隨著智能制造技術(shù)飛速發(fā)展，信息的獲取方式、傳播方式、處理方式和管理方式等都有了極大的進(jìn)步，條形碼技術(shù)也很快應(yīng)用到醫(yī)療藥品行業(yè)中[2]。我國國家食品藥品監(jiān)督管理總局也規(guī)定列入的重點(diǎn)藥品必須有“藥品電子監(jiān)管碼”才能銷售。德國MVtec公司研發(fā)的Halcon軟件是一款商用視覺處理軟件，其包含1000多個圖像處理算子，功能強(qiáng)大[3]。使用Halcon內(nèi)置的一維條形碼圖像識別算子對藥盒條形碼圖像進(jìn)行處理，其程序開發(fā)速度快，對藥盒條形碼的識別效果好，很適合應(yīng)用到藥盒條形碼圖像識別系統(tǒng)。

2基于Halcon軟件的藥盒條形碼圖像預(yù)處理

2.1藥盒條形碼圖像采集

我國藥品的藥盒上規(guī)定必須含有EAN-13碼和Code-128碼兩種不同類型的條形碼，分別是藥品的零售商品碼和中國藥品電子監(jiān)管碼。藥品的信息系統(tǒng)管理在錄入與售賣中多采用的是EAN-13類型的條形碼，EAN-13碼的奇偶編碼表示二進(jìn)制的規(guī)則，其能夠表示出13位字符的數(shù)字字符信息，包含國家、制造商、產(chǎn)品代號三種信息[4]。在藥盒條形碼的識別過程中，對條形碼圖像的采集是第1步也是重要的一步。條形碼圖像由光學(xué)傳感器、攝像頭、圖像處理系統(tǒng)對藥盒進(jìn)行采集。采集到的藥盒條形碼圖片由攝像頭或者光學(xué)傳感器儲存到存儲芯片中，通過接口電路傳輸至計算機(jī)進(jìn)行顯示。圖1為采集到的藥盒EAN-13碼和藥盒Code-128碼。

2.2藥盒條形碼圖像灰度化

RGB彩色圖像雖然與人眼視覺能夠很好地匹配，但其信息量也大，而條形碼的識別中并不需要彩色信息，故圖像處理時往往需要將彩色的圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像[5]。圖像灰度化是指只含有亮度信息，不含有色彩信息的圖像，而灰度化是指把含有亮度和色彩的彩色圖像變換成灰度圖像的過程。將圖片的色彩去除后使得圖片的占用內(nèi)存大小變小，因而處理計算所需要的資源、計算量減少，后續(xù)圖片的處理速度顯著提高。使用Halcon的rgbl _to_gray算子可以把RGB彩色圖像轉(zhuǎn)換成為灰度圖像[6]。圖2為藥盒EAN-13碼和Code-128碼圖像灰度化后的結(jié)果。

2.3藥盒條形碼圖像二值化

藥盒條形碼圖像的二值化就是把數(shù)字圖像轉(zhuǎn)化成一種只有兩種色彩的圖像，將圖像的目標(biāo)區(qū)域和圖像的背景區(qū)域區(qū)分開，處理好后的二值化圖像為后續(xù)圖像的邊緣提取等其他圖像處理奠定基礎(chǔ)。圖像二值化處理的關(guān)鍵之處就是選出一個合適的灰度閾值，使目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域像素點(diǎn)被精準(zhǔn)地分割開來。在對藥盒條形碼圖像進(jìn)行二值化處理后，其數(shù)據(jù)量會明顯減少，但讓我們感興趣的目標(biāo)區(qū)域的輪廓卻能夠更好地呈現(xiàn)。在Halcon軟件中利用threshold（ Image：Region：MinGray，MaxGray）算子對藥盒條形碼進(jìn)行二值化處理。在算子自動給出選定閾值后，通過查看灰度直方圖來微調(diào)選定閾值，以達(dá)到藥盒條形碼圖像二值化處理的操作。圖3為藥盒EAN-13碼二值化（左）和Code-128碼二值化（右）結(jié)果。通過動態(tài)圖閾值分割法，藥盒條形碼圖像被二值化處理成了只有兩種顏色的圖片，條形碼信息的區(qū)域變成紅色，在灰黑色背景中突顯出來。

2.4藥盒條形碼圖像中條形碼輪廓提取

藥盒條形碼圖像的輪廓提取是其圖像處理和機(jī)器視覺處理中最基本的問題。圖像目標(biāo)區(qū)域輪廓提取的精度直接影響后續(xù)數(shù)字圖像數(shù)據(jù)處理的精度，其關(guān)鍵因素就是在平滑和銳化處理時保持住圖像的基本特征。藥盒條形碼圖像的局部亮度變化中差別最大的地方是條碼邊緣，條形碼的兩側(cè)反射率會相差較大，而邊緣的像素也很密集，邊緣像素點(diǎn)附近的梯度是一致的，因此通過檢測輪廓特征明顯、信息量大的像素區(qū)域，就可以高效率地檢測出條形碼輪廓。在Halcon中使用Edge算子進(jìn)行條形碼輪廓提取。藥盒條形碼圖像在經(jīng)過灰度化、二值化處理的基礎(chǔ)上，其區(qū)域進(jìn)行了輪廓提取處理。如圖4所示，藥盒條形碼在進(jìn)行輪廓提取后，條形碼的形狀特征更加明顯和容易辨認(rèn)。

3藥盒條形碼圖像識別處理

3.1藥盒條形碼圖像的特征篩選識別

在藥盒條形碼圖像識別中需要排除復(fù)雜場景的干擾。采用平方梯度特征的方式，剔除邊緣中的短邊緣和曲線邊緣，這種方法能較好地排除大部分背景的干擾，有利于后續(xù)藥盒條形碼圖像中條碼的定位。通過Halcon的Sobel算子對藥盒條形碼圖像進(jìn)行特征識別提取。圖5為藥盒EAN-13碼特征識別和Code-128碼特征識別結(jié)果。

3.2藥盒條形碼圖像的條碼區(qū)域定位

通過梯度方向一致性的特征對邊緣進(jìn)行篩選后，邊緣圖像中除了條碼邊緣外，具有梯度方向一致性的線條也被保留下來，這些線條通常是物體的輪廓、表格的邊緣等，一般孤立存在，不具備條碼邊緣分布的密集性。為了進(jìn)一步消除背景的干擾，保證條碼定位區(qū)域的準(zhǔn)確性，采用形態(tài)學(xué)處理。形態(tài)學(xué)的基本操作有膨脹、腐蝕、開運(yùn)算以及閉運(yùn)算，其中開運(yùn)算操作是先對圖像腐蝕后膨脹，去掉目標(biāo)外孤立的點(diǎn)及細(xì)小物體，再利用Halcon中的find_bar_code算子對藥盒條形碼進(jìn)行識別定位，find_bar_code算子會查找并讀取給定條形碼圖像中的條形碼符號。但是，在一幅條形碼的圖像中，只能讀取出來任意數(shù)量的單一類型條形碼。并且，在調(diào)用find—bar—code算子前，必須通過調(diào)用create—bar—code—model算子來創(chuàng)建需要處理的條形碼模型，find bar—code算子則只能夠識別并定位出該模型所定義的條形碼類型。通過識別藥盒條形碼的條碼圖案特征，將藥盒條形碼的圖案區(qū)域進(jìn)行定位識別。圖6為藥盒EAN-13碼定位和藥盒Code-128碼定位。藥盒條形碼的條碼圖案定位后，為后續(xù)對藥盒條形碼的條形碼信息識別解碼轉(zhuǎn)換打下基礎(chǔ)。

3.3藥盒條形碼信息識別與解碼

藥盒條形碼識別系統(tǒng)中最重要的是對采集到的藥盒條形碼圖像進(jìn)行信息提取，將藥盒條形碼圖像中儲存的條形碼信息識別讀取出來。通過Halcon軟件的內(nèi)置算子對采集到的藥盒條形碼圖像進(jìn)行圖像識別，將藥盒條形碼中條碼的二進(jìn)制信息轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制的數(shù)字字符信息，并將藥盒條形碼檢測識別出的十進(jìn)制數(shù)字字符信息顯示于圖形窗口的圖片之上，便于對照是否識別出錯。如圖7所示，Halcon軟件對藥盒的Code-128類型條形碼信息進(jìn)行了識別，條形碼信息所含的20位數(shù)字字符信息識別解碼后顯示在了窗口左上方，識別出的十進(jìn)制數(shù)字字符的信息為83664920037628902502，這和圖像中藥盒條形碼下部數(shù)字字符信息一致，說明正確識別出了藥盒Code-128條形碼信息。

對傾斜狀態(tài)采集到的藥盒條形碼圖像進(jìn)行識別時，將采集到的藥盒條形碼圖像傾斜，并且在不進(jìn)行圖像傾斜校正的情況下進(jìn)行條形碼識別。如圖8所示，以EAN-13類型條形碼為例，傾斜藥盒的條形碼圖像經(jīng)過識別解碼，仍然可以將藥盒條形碼所含的數(shù)字字符信息識別出來。

圖9為瓶裝藥盒EAN-13碼解碼識別?；贖alcon軟件能夠?qū)τ星?、罐裝、桶裝的藥盒上的條形碼進(jìn)行處理，對采集到的大罐裝以及瓶裝藥盒條形碼圖像進(jìn)行了成功識別解碼。盡管瓶裝藥盒的圓柱形包裝有一定的曲率，但仍然能如同平面藥盒條形碼圖像一樣正常識別解碼。

4藥盒條形碼識別系統(tǒng)設(shè)計

4.1系統(tǒng)總體設(shè)計

藥盒條形碼系統(tǒng)主要由攝像頭與計算機(jī)組成，計算機(jī)上搭載Halcon軟件和QT框架。先由攝像頭采集藥盒條形碼圖像，將采集到的圖像由數(shù)據(jù)線傳輸給計算機(jī)，在計算機(jī)中由Halcon軟件對藥盒條形碼圖像進(jìn)行圖像處理并將藥盒條形碼的條形碼信息識別解碼，最后將Halcon所識別解碼的結(jié)果傳輸?shù)絈T框架所搭建的界面中進(jìn)行顯示。圖10為藥盒條形碼識別系統(tǒng)總體設(shè)計圖。

4.2系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

藥盒條形碼識別系統(tǒng)需要將Halcon處理解碼得到的數(shù)字信息進(jìn)行顯示，并將解碼得到的數(shù)字字符信息在藥品信息數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行對比，最終得到藥品信息并在系統(tǒng)界面進(jìn)行。Halcon軟件的工作界面不利于客戶直觀使用，通常會將Halcon軟件程序轉(zhuǎn)換為C++程序，然后在QT中創(chuàng)建系統(tǒng)界面，再顯示Halcon軟件對藥盒條形碼圖像所處理得到的結(jié)果。圖11為QT界面展現(xiàn)的藥品條形碼信息。

5結(jié)束語

藥品的管理、配發(fā)、監(jiān)管等問題通過藥盒上的條形碼進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)智能化管理，既提高了工作效率，也減少了藥品的安全問題。利用Halcon軟件內(nèi)置算子能夠?qū)崿F(xiàn)藥盒條形碼識別，輔助QT界面設(shè)計，能夠很好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可視化。當(dāng)然，利用Halcon軟件進(jìn)行條形碼圖像處理時，條形碼圖像采集環(huán)節(jié)仍然有需要改進(jìn)的地方，如做一個簡單的攝像頭并進(jìn)行遮光處理或者優(yōu)化藥盒放置臺角度等方法來減少反光的影響；另外，在本次搭建的藥盒條形碼識別系統(tǒng)中，由于藥盒條形碼有EAN-13碼和Code-128碼，且兩者模型解碼模型不同，因此沒有實(shí)現(xiàn)在一段程序中一次可以檢測兩種編碼的功能，后期還需加入判別程序，以嘗試實(shí)現(xiàn)藥盒條形碼兩種編碼的識別。