基于机器视觉的实时快递单据识别硬件系统设计研究

长春理工大学 朱 贺 陈慕奇

基于机器视觉的实时快递单据识别硬件系统设计研究

长春理工大学 朱 贺 陈慕奇

针对快递单录入的场景需求，设计出一套机器视觉系统对快递单据图像进行采集。文章阐述了硬件系统由包裹定位系统、光源系统、成像系统和上位机系统组成，并分析了每个分系统在设计选型中关键考虑因素。合理的硬件系统设计的为提升系统整体识别率的提升提供了保障。

机器视觉；快递单据识别；硬件系统设计

1 前言

随着消费对经济贡献增大，消费需求将成为物流行业发展的主要推动力。据国家邮政局数据，中国快递规模世界第一。截至2016年底，快递服务企业业务量完成312.8亿件，同比增长51.4%[1]。然而，传统快递服务企业多数仍然采用人工录入，因此面临着效率低、成本高、招工难、易出错等突出问题。因此，本文设计的基于机器视觉的实时快递单据硬件系统，可以为用户提供高效率、低成本的数据采集方案，从而为快递业务快速发展提供有利条件。

2 系统设计

机器视觉是一项综合技术。其中包括数字图像处理技术，机械工程技术，控制技术，光学成像技术，电光源照明技术，传感器技术，模拟与数字视频技术，计算机硬件技术，人机接口技术等这些技术在机器视觉中相互协调应用才能构成一个成功的工业机器视觉应用系统[2]。

本文的机器视觉硬件系统，要实现对传送带上快递包裹快递单据地址信息的识别，需要的功能可以分为以下几步：

（1）传感器判断传送带上的快递包括即将进入识别区域；

（2）相机对快递包裹上图像进行采集；

（3）图像采集卡将相机采集到的信息传输到上位机；

（4）上位机对图像信息进行处理，识别出快递单据地址信息。

图1 机器视觉的硬件系统组成

从图1所示中，我们可以看出，组成硬件系统的有传感器、下位机组成的包裹定位系统、光源系统、相机、图像采集卡组成的成像系统和上位机系统四个分系统构成[3]。在系统设计过程中，需要考虑光源的配置，相机的像素，镜头景深，成像系统和传送带速度的配合，图像处理速度、通讯接口传输速度等等，才能设计出一套好的系统。

2.1 包裹定位系统

包裹定位系统由传感器和下位机组成，其作用就是用来以判断被测包裹的位置和状态，通过下位机传送到上位机从而告知图像传感器进行采集准备。传感器可以是由激光和光电传感器组成的小系统、也可以是超声传感器等形式出现。下位机由于主要是实现对定位信号的传送以及还可以执行上位机的命令，如光源控制等操作，对性能要求不用太高，因此用基本的51芯片或者PIC芯片做成的最小系统就可以实现其功能需求。

2.2 光源系统

在机器视觉识别过程中，光源的设计是图像采集的关键。常见的光源有LED灯、高频荧光灯、光纤卤素灯等。光源设计需要去除杂散光的影响，突出图像的对比度。若光强的大小和成像系统的光圈、快门、感光度三个因素搭配不当，可能导致进光量过高，从而成出来的像都是白色的，又称过曝；也可能导致进光量太小，从而成出来的像过黑，又称曝光不足。因此选择可以和成像系统配合的光源很重要。

2.3 成像系统

相机和图像采集卡，构成我们主要成像系统。相机和镜头相当于就是机器视觉的“眼睛”，其性能的好坏直接影响整套系统，选取合适的相机和镜头十分关键。在快递单据的识别中，相机视场能满足要求的前提下，相机分辨率是否能满足后期算法的处理需求以及相机的景深能否满足不同高度的快递单据是决定该系统好坏的决定性因素，因此相机的选取，传感器阵列像素和影响镜头的景深的因素成为选择的关键。影响景深的主要有以下三点：

（1）光圈越大（光圈值F越小）景深越浅，光圈越小（光圈值F越大）景深越深。

（2）镜头焦距越长景深越浅、镜头焦距越短景深越深。

（3）主体越近，景深越浅，主体越远，景深越深。

此外，快递单据识别过程中，快递包裹会随着传送带移动而移动的。因此在拍摄这样一个动态系统时，相机必须和传送带的速度匹配。它们之间的数学关系式如下：

其中V是传送带运动速度，Zw是视野宽度，Sx 是相机横向分辨率，U 是光学精度，Ex 是最大曝光时间。

总而言之，在相机和镜头选型过程中，必须根据需求权衡好各个参数的平衡，才能选出合适的成像系统。

2.4 图像采集卡

在本系统中，制约成像质量分为两方面，一方面是本身成像系统选型的合理性，另一方面是实现高质量识别前提下，图像采集卡的图像传输带宽对成像质量的制约。

图像采集卡的作用，就是将来自相机的模拟或数字信号转换成一定格式的图像数据流再传给上位机进行进一步处理，也可以理解成俗称的A/D。图像采集卡通常以插入卡的形式安装在PC中。它除了可以实现将相机传感器采集到的模拟信号变成数字信号外，同时还可以控制相机的一些参数，比如触发信号，曝光/积分时间，快门速度等。图像采集卡通常有不同的硬件接口形式以针对不同类型的相机，如1394卡，USB，以太网等，同时也有不同的接口形式连接电脑，比如PCI、PCI-Express、AGP、ISA等。如果因为景深或像素需求系统需要多路相机，考虑到系统的高效性，还需要通过采集卡同步控制同时获取多相机通道的数据。相机传感器上像素点越多，对图像采集卡的要求就越高，这也意味着越高速的传输速录才更能达到我们的要求。

2.5 上位机系统

用于该系统的上位机的系统一般是计算机，在这里完成图像数据的处理和控制逻辑。性能越强的计算机，处理效率则越高。同时，为了减少工业现场电磁、振动、灰尘、温度等的干扰，应用时最好是选择工业级的电脑。

3 结语

为了实现快递单据识别自动化，在硬件系统的设计上，可以参考本文的设计思路，在系统的精度需求和空间需求上综合考虑来确定硬件的选型和系统的搭建。只有这样，硬件系统才能给上位机及时、准确地提供清晰的图像信息供软件算法对快递单内的信息进行识别，从而实现基于机器视觉的快递单据的实时自动识别，进而对快递行业的后续分拣以及大量数据信息的获取提供有力的支撑。

[1]2016年邮政行业发展统计公报[N]．北京：中国邮政局．2017．

[2]李素芬．嵌入式图像识别硬件平台研究[D]．武汉：武汉理工大学,2008．

[3]郭惠楠．彩色数字相机成像系统的关键性技术研究[D]．西安：中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所),2014．