过度包装商品智能检测装置的研制*

王　凯　刘　洋

(西安计量技术研究院，西安 710068)

0　引言

商品过度包装与我国发展循环经济、构建节约型社会相悖，不仅浪费资源和能源、污染环境，而且误导消费者、损害消费者利益[1]。

过度包装是指超出了保护商品、方便运输、介绍或说明商品的功能要求，即包装空隙率、包装层数、包装成本超过必要程度的包装。在国家制定的一系列标准规范中，JJF 1244—2010《食品和化妆品包装计量检验规则》是质检部门判断商品是否为过度包装的依据[2]。在对过度包装商品日常计量检验、执法检查工作的深入研究后发现规范中后两项强制性指标较容易判断，而空隙率的判定比较复杂。

在日常计量检验、执法检查工作中，为有效解决检测数据的获取、处理、判定和管理方面存在的问题，对基于图像处理的精密测量技术进行深入研究后[3-4]，我们研制了一款集图像采集、图像处理、数据获取、数据计算、数据分析、数据通信和统计查询等功能为一体的手持式过度包装商品智能检测装置

1　系统总体设计

手持式过度包装商品智能检测装置采用图像处理方式对待测商品进行快速检测，空隙率X的判断标准与计算公式如表1所示。式中，Vn为商品销售包装体积的外切最小长方体体积；V0为商品初始包装体积；k为商品必要空间系数，本标准中,k取值为0.6。在图像获取过程中为达到系统的预定精度，在硬件设计部分除必要的工业级数码显微镜外，同时集成了多种数据采集模块，力求在单次单个检测过程中获取全面的对象信息，做到精确测量。

表1　空隙率判断标准与计算公式

为达到上述目标，主要研究内容如下：

1)多传感器信息采集硬件部分：对象产品信息采集模块；检测环境信息采集模块；对象检测图像信息采集模块；指令信息输出/输入显示模块；数据储存/上传模块；系统供电模块。

2)系统控制部分：图形卡接口；系统数据设置；系统数据分析；参数标定；标准值设置。

3)图形图像处理部分：图像采集、图像显示、图像分析、图像处理、图像去噪、阈值提取、边缘检测、图像分割、边缘点拟合、自动聚焦。

4)系统管理及检测数据处理部分：测量数据提取；测量数据分析；测量数据计算；检测结果判定；检测数据管理；检测数据上传下载管理；统计查询管理。

2　智能装置硬件系统设计

由于本方案中力求检测结果的精确性，所以将涉及到多种方式的对象数据获取设备，以及为能够配合基层检验、执法人员的高效检验，检查过程力求手持式智能终端的简洁和易操作性，本装置需集成多种类的传感器用于数据的精确提取[5]。该装置的硬件组成如图1所示。

图1　智能检测装置硬件组成示意图

在本系统中，如何快速获取检测对象的多种信息，以及为下一步图像处理进行检测环境信息的确定，将检测的结果及时明确的输出和显示，在发现超过包装阈值的对象时对现场执法人员进行明确的警示，是手持终端进行硬件集成需要考虑的主要问题。现将本系统的硬件设计方案，及主要考虑因素进行阐述。

1) 终端控制模块

主要解决手持智能终端的供电、开关机和重置等功能。为MCU以及各个传感器模块提供所需电源，为此设计中采用了National Semiconductor公司的两块LM2734对所供7.2V电压进行升压，再使用线性稳压器进行升压/降压提供可供使用的电压。

2)测距模块

采用图像形式对现实中的对象进行数据采集与图像处理时(二维图片描述三维环境)，缺少一维数据，即被采集对象的深度信息。基于上述考虑，设计集成测距模块对深度信息的解算进行有效补充。

3)感光模块

对象图像的分割、轮廓和边缘等处理过程中，将强烈的受到外界环境特别是光线的影响，作为一项重要的参数，光线直接影响最终结果的输出，所以本装置硬件设计方案中为实时获取此项参数，将集成感光模块，对后期图像处理进行有效的信息支持。

4)图像获取模块

图像获取主要依靠高分辨率工业级摄像头完成，但是为了增加该信息获取的可靠性，设计图像信息获取模块系统结构，进行对象图像信息的获取和后期处理。

5)通信模块

原始采集到的数据，以及解算后的检测结果均是执法的所需证据，及时的进行数据上传，为保护证据和后续大型设备进行数据分析与处理提供原始的第一手资料。

3　图像处理算法研究

图像处理作为智能装置的核心研究对象，我们设计如下方案对其进行研究和实现，按照源图像的输入到解算结果的输出其研究结构如图2所示[6]。

图2　图像处理系统框图

1)图像去噪

在图像的成像过程中由于室内外光照、环境变化等因素的存在，不可避免的会感染各种图像噪声，这对图像质量和后期处理都产生不利影响。考虑到检验员对待检测产品进行拍摄时室内照明和检测设备均能提供良好的光照条件，得到检测产品图像的噪声密度不高，我们采用基于偏微分方程的方法进行去噪。

2)智能目标识别

在某些特殊情况下检验员所拍摄的产品目标背景较为复杂，产品与背景之间无特殊的显著性差异。为应对某些复杂场景下对待检测目标的提取，引入智能目标识别技术，主要使用有监督与无监督的目标识别技术对待检测目标进行识别。如图3所示。

图3　智能目标识别过程示意图

3)交互式目标分割

当传统目标分割算法与智能目标识别不足以识别出具体产品时，将引入交互式图像分割技术，在自动图像分割难达到的情况下，进行一些必要的手工操作，为它添加一些辅助条件以帮助完成分割。交互式图像分割的过程需要用户参与,如图4所示。

图4　交互式目标分割示意图

4)数据解算(待检测物品体积计算函数拟合)

待检测物品的目标体积模型是规则的，它的体积就可以理解为目标投影面积的单调函数。在获得摄像机与待检测产品的距离(红外测距)、摄像机与水平面夹角(水平仪或其他)、 数字图像中待检测目标轮廓信息和摄像机参数(焦距，像素等)后，整合这些数据通过偏最小二乘回归法进行回归分析，得到检测物品的轮廓信息，进而实现计算检测物实体体积的目标。

4　检测数据存储、输出与处理

在数据方面，检验完毕后，系统需存储产品的相关信息、检验员所拍摄的产品信息以及最终检测出的产品体积等信息。由于整个检验流程基于手持终端，对于产品的存储将选用嵌入式数据库。根据数据及环境的特点，选取SQLite作为最终的数据库解决方案。SQLite作为嵌入式数据库，与主程序运行在同一进程当中，中间无进程间通信，速度快且体积小巧，适合运行在嵌入式环境当中。在数据管理方面，支持事务机制和Blob数据类型，且支持大部分SQL92标准，一个完整的数据库可保存在外设的文件当中，所能管理的最大数据库可达到2TB之多。

本项目根据整个检验的流程，使用关系数据库作为基础，并根据检测的每个环节，设计出适合的数据库结构，分析出每个必要的实体与关系，记录检测每个环节的数据。实现计量检测从数据采集，检测数据自动验证、自动处理、自动计算，检测标准自动查找及评定、审核、签发、自动签名、打印等过程智能化、自动化管理。

5　结束语

目前该装置的前期理论研究、系统设计和原型系统开发工作已经基本完成，在我院定量包装商品检验中心、长度检测中心进行了大量的现场实验，取得了良好的应用效果。该装置的最终实现将极大地提高检验人员工作效率与工作质量，为质监执法人员现场执法的准确性、科学性提供强有力地支撑，形成了以现代科学技术、高精尖设备、信息化系统支撑的质检工作新格局。

[1]汤万金，杨跃翔.限制商品过度包装国际经验和趋势.世界标准化与质量管理，2007(10)

[2]黄耀文，等.JJF1244-2010 食品和化妆品包装计量检验规则.中国国家标准化管理委员会，2010

[3]于起峰，陆宏伟，刘肖琳.基于图像的精密测量与运动测量.北京:科学出版社，2002

[4]郑浩，张洪涛，叶声华.基于目标边缘的图像二值化方法研究.计量技术，2002(04)

[5]段宗涛，沙爱民，张燕妮.高性能嵌入式图像处理系统研究.微电子学与计算机，2008，25(6)

[6]于殿泓．图像检测与处理技术．西安：西安电子科技大学出版社，2006