產(chǎn)品標(biāo)簽的二維碼自動(dòng)識(shí)別設(shè)計(jì)開題報(bào)告

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 題題 目：目：產(chǎn)品標(biāo)簽的二維碼自動(dòng)識(shí)別設(shè)計(jì) 院院 （系）（系）信息與電氣工程學(xué)院信息與電氣工程學(xué)院 專專業(yè)業(yè)自動(dòng)化自動(dòng)化 學(xué)學(xué)生生王元王元 學(xué)學(xué)號(hào)號(hào)110210323 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師馬立勇馬立勇 開題報(bào)告日期開題報(bào)告日期2015 年年 1 月月 8 日日 哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 2015 年 1 月 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 - 1 - 產(chǎn)品標(biāo)簽的二維碼自動(dòng)識(shí)別設(shè)計(jì) 開題報(bào)告 1. 課題來源及研究目的和意義 在流水線產(chǎn)品生產(chǎn)過程中， 廠家經(jīng)常需要實(shí)時(shí)查看生產(chǎn)產(chǎn)品的基本信息， 并對(duì)生產(chǎn)出來的產(chǎn)品根據(jù)訂單進(jìn)行自動(dòng)化的裝包與調(diào)配。為此很多廠家研究 將條形碼或二維碼打在產(chǎn)品標(biāo)簽上，并在生產(chǎn)線上設(shè)置攝像頭采集二維碼所 包含的信息，并發(fā)給遠(yuǎn)方的接受端，這樣一改過去大量人員再生產(chǎn)線上直接 操作和檢查的傳統(tǒng)方式， 簡(jiǎn)化流程，提高效率是今后工業(yè)化生產(chǎn)發(fā)展的必然 方向。研究這一課題可使企業(yè)避免選購國外同類系統(tǒng)，可為企業(yè)節(jié)約成本， 方便系統(tǒng)維護(hù)與維修。 同時(shí)研究基于 HALCON 機(jī)器視覺的二維碼識(shí)別可為今 后的學(xué)習(xí)與工作提供更多的方向與可能。 2. 國內(nèi)外二維碼識(shí)別發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 2.1 二維碼的產(chǎn)生 一維條形碼雖然提高了資料收集與資料處理的速度，但由于受到資料容 量的限制，一維條形碼僅能標(biāo)識(shí)商品，而不能描述商品，因此相當(dāng)依賴電腦 網(wǎng)路和資料庫。在沒有資料庫或不便連網(wǎng)路的地方，一維條形碼很難派上用 場(chǎng)。也因此，最近幾年開始有人提出一些儲(chǔ)存量較高的二維條形碼。由于二 維條形碼具有高密度、大容量、抗磨損等特點(diǎn)，所以更拓寬了條形碼的應(yīng)用 領(lǐng)域。 2.2 二維碼的分類 二維條碼/二維碼可以分為堆疊式/行排式二維條碼和矩陣式二維條碼。 堆 疊式/行排式二維條碼形態(tài)上是由多行短截的一維條碼堆疊而成；矩陣式二維 條碼以矩陣的形式組成，在矩陣相應(yīng)元素位置上用“點(diǎn)”表示二進(jìn)制“1”， 用“空”表示二進(jìn)制“0”，由“點(diǎn)”和“空”的排列組成代碼。在目前幾十 種二維要碼中，常用的碼制有：PDF417 二維條碼、Datamatrix 二維條碼、 Maxicode 二維條碼、QR Code、Code 49、Code 16K 、Code one 等，除了這 些常見的二維條碼之外，還有 Vericode 條碼、CP 條碼、Codablock F 條碼、 田字碼、 Ultracode 條碼，Aztec 條碼。 要對(duì)條碼進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，需要用到條 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 - 2 - 形碼檢測(cè)儀。因?yàn)槭袌?chǎng)容量不大，所以這類檢測(cè)儀并不多見。只有 datalgic、 HHP、LIVS、webscan 幾個(gè)廠家在做。能對(duì) dataMatrix 檢測(cè)的，webscan 公司 的 trucheck系統(tǒng)最具性價(jià)比。但 webscan 公司還沒有在中國設(shè)立辦公室。只 有一家公司(信亦達(dá)科技)做銷售代理。 2.3 常用二維碼 2.3.1 QR 二維碼 QR 碼是二維條碼的一種，是由日本 Denso 公司于 1994 年 9 月研制的一 種矩陣二維碼符號(hào)。QR 來自英文 “Quick Response” 的縮寫，即快速反應(yīng) 的意思，源自發(fā)明者希望QR 碼可讓其內(nèi)容快速被解碼。 QR 碼呈正方形，只有黑白兩色。在 4 個(gè)角落的其中 3 個(gè)，印有較小，像 “回”字的的正方圖案。這 3 個(gè)是幫助解碼軟件定位的圖案，使用者不需要 對(duì)準(zhǔn)，無論以任何角度掃描，資料仍可正確被讀取。QR 碼最常見于日本，并 為目前日本最流行的二維空間條碼。QR 碼比普通條碼可儲(chǔ)存更多資料。 2.3.2Code 16K 二維碼 1988 年 Laserlight 系統(tǒng)公司的 Ted Williams 推出第二種二維條碼 Code 16K 碼。Code 16K 條碼是一種多層、連續(xù)型可變長(zhǎng)度的條碼符號(hào)，可以表示 全 ASCII 字符集的 128 個(gè)字符及擴(kuò)展 ASCII 字符。它采用 UPC 及 Code128 字符。一個(gè) 16 層的 Code 16K 符號(hào)，可以表示 77 個(gè) ASCII 字符或 154 個(gè)數(shù)字 字符。Code 16K 通過唯一的起始符/終止符標(biāo)識(shí)層號(hào)，通過字符自校驗(yàn)及兩個(gè) 模 107 的校驗(yàn)字符進(jìn)行錯(cuò)誤校驗(yàn)。 3. 主要研究?jī)?nèi)容 3.1 二維碼自動(dòng)識(shí)別算法工具 HALCON 是德國 MVtec 公司開發(fā)的一套完善的標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器視覺算法包， 擁有應(yīng)用廣泛的機(jī)器視覺集成開發(fā)環(huán)境。它節(jié)約了產(chǎn)品成本，縮短了軟件開 發(fā)周期HALCON 靈活的架構(gòu)便于機(jī)器視覺，醫(yī)學(xué)圖像和圖像分析應(yīng)用的 快速開發(fā)。在歐洲以及日本的工業(yè)界已經(jīng)是公認(rèn)具有最佳效能的 Machine Vision 軟件。HALCON 支持 Windows，Linux 和 Mac OS X 操作環(huán)境，它保證 了投資的有效性。整個(gè)函數(shù)庫可以用 C，C+，C#，Visual basic 和 Delphi 等 多種普通編程語言訪問。HALCON 為大量的圖像獲取設(shè)備提供接口，保證了 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 - 3 - 硬件的獨(dú)立性。采用 HALCON 進(jìn)行二維碼識(shí)別算法的設(shè)計(jì)，運(yùn)用該軟件大量 圖像處理算子，方便設(shè)計(jì)并能縮短設(shè)計(jì)周期，同時(shí) HALCON 可以將算子程序 轉(zhuǎn)化為 C，C+，C#，Visual basic 等多種程序語言，便于程序的拼接和模塊 化處理。 3.2HDevelop 的使用方法 3.2.1 HDevelop 簡(jiǎn)介 HDevelop 是開始視覺處理算法的一個(gè)很好的工具，類似于 VC,VB 等編 譯環(huán)境。 ，它有自己的交互式界面，可以編譯和測(cè)試視覺處理算法，可以方便 查看處理結(jié)果，也可以導(dǎo)出算法代碼。每個(gè) HDevelop 程序包含一個(gè) Halcon 算子序列，還可以使用 if，for，repeat，或 while 等控制語句組織這些算子序 列，各個(gè)算子結(jié)果通過變量來傳遞，算子的輸入可以是變量也可以是表達(dá)式 但輸出參數(shù)一定是變量。HDevelop 可以連接采集卡和相機(jī)并從采集卡和相機(jī) 文件中載入圖像，并進(jìn)行可行性研究。 優(yōu)點(diǎn)：有更好的編程結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一的編程風(fēng)格。 缺點(diǎn)：較難調(diào)試和查看可視化數(shù)據(jù)，需要花時(shí)間編寫顯示部分，較難的 技術(shù)支持，需要提取出 HALCON 相關(guān)的部分程序，需要區(qū)分是正常程序的錯(cuò) 誤還是 HALCON 程序的錯(cuò)誤。 3.2.2 在 HDevelop 編寫算法部分 使用 C+或 VB 開發(fā)應(yīng)用程序從HDevelop導(dǎo)出算法代碼并集成到應(yīng)用程 序中,支持所有 HALCON 算子。 3.3 二維碼自動(dòng)識(shí)別的基本思路 通過圖像的采集設(shè)備（激光掃描器、面陣 CCD、數(shù)碼相機(jī)等成像設(shè)備） ， 我們得到含有條碼的圖像，此后主要經(jīng)過條碼定位（預(yù)處理，定位，角度糾 正和特征值提?。?、分割和解碼三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)條碼的識(shí)別。 3.3.1 二維碼的定位 定位就是找到二維碼的圖像區(qū)域， 對(duì)有明顯二維碼特征的區(qū)域進(jìn)行定位。 然后根據(jù)不同的二維碼符號(hào)進(jìn)行下一步處理。利用點(diǎn)運(yùn)算的閾值理論將采集 到的圖像變?yōu)槎祱D像，即二值化處理；得到二值化圖像后，對(duì)其進(jìn)行膨脹 運(yùn)算；對(duì)膨脹后的圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)得到二維碼區(qū)域的輪廓； 3.3.2 二維碼的分割 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 - 4 - 獲取圖像 邊緣檢測(cè)后二維碼區(qū)域的邊界不是很完整， 所以需要進(jìn)一步的修正邊界， 然后分割出一個(gè)完整的二維碼區(qū)域。首先采用區(qū)域增長(zhǎng)的方法對(duì)符號(hào)進(jìn)行分 割，以修正二維碼邊界。其基本思想是從符號(hào)內(nèi)的一個(gè)小區(qū)域（種子）開始， 通過區(qū)域增長(zhǎng)來修正二維碼邊界，把符號(hào)內(nèi)的所有點(diǎn)都包括在這個(gè)邊界內(nèi)。 通過凸殼計(jì)算準(zhǔn)確分割出整個(gè)符號(hào)，之后區(qū)域增長(zhǎng)和凸殼計(jì)算交替進(jìn)行，通 常對(duì)那些密度比較大的二維碼重復(fù)兩次就足夠了，而對(duì)于那些模塊組合比較 稀疏的二維碼碼至少要重復(fù)四次。 3.3.3 二維碼的解碼 譯碼得到一幅標(biāo)準(zhǔn)的二維碼圖像后，對(duì)該符號(hào)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)采樣，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的 每一個(gè)交點(diǎn)上的圖像像素取樣，并根據(jù)閾值確定是深色還是淺色塊。構(gòu)造一 個(gè)位圖，用二進(jìn)制“1”表示深色像素， “0”表示淺色像素，從而得到二維碼 的原始二進(jìn)制序列值，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行糾錯(cuò)和譯碼，最后根據(jù)二維碼的 邏輯編碼規(guī)則把這些原始的數(shù)據(jù)位流轉(zhuǎn)換何曾數(shù)據(jù)碼字，即將碼字圖像符號(hào) 換成 ASCII 碼字符串。 3.4 算法的優(yōu)化和系統(tǒng)的調(diào)試 工件上的二維碼有別于日常生活中常見的二維碼，工件上的二維碼大多 較小，且工件在生產(chǎn)線上緩慢移動(dòng)，這就對(duì)攝像頭和二維碼識(shí)別算法有更高 的要求，要保證二維碼的識(shí)別快速準(zhǔn)確，需要在程序設(shè)計(jì)好后通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試 進(jìn)一步優(yōu)化算法，調(diào)整識(shí)別策略。同時(shí)，需要在最后階段對(duì)程序進(jìn)行整合， 從而實(shí)現(xiàn)不同種類的二維碼與條形碼的識(shí)別。 4. 研究方案及進(jìn)度安排，預(yù)期達(dá)到的目標(biāo) 4.1 研究方案 4.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 4.1.2 圖像獲取方法 采用 CCD 或 CMOS 攝像頭獲取生產(chǎn)線上的實(shí)時(shí)圖像，并用 HALCON 設(shè) 計(jì)算法抓取二維碼區(qū)域，便于進(jìn)一步處理。 找到二維 碼區(qū)域 獲取二進(jìn) 制代碼 轉(zhuǎn) 化 為 ASCII 碼 傳輸信息 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 - 5 - 4.1.3 數(shù)據(jù)通信方法 數(shù)據(jù)通信方法采用基于 TCP/IP 協(xié)議 Socket 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信， 實(shí)現(xiàn)可靠連接。 socket是面向客戶/服務(wù)器模型而設(shè)計(jì)的，針對(duì)客戶和服務(wù)器程序提供不同 的 Socket 系統(tǒng)調(diào)用。 客戶隨機(jī)申請(qǐng)一個(gè) Socket （相當(dāng)于一個(gè)想打電話的人可 以在任何一臺(tái)入網(wǎng)電話上撥號(hào)呼叫） ， 系統(tǒng)為之分配一個(gè) Socket 號(hào)； 服務(wù)器擁 有全局公認(rèn)的 Socket ，任何客戶都可以向它發(fā)出連接請(qǐng)求和信息請(qǐng)求。 4.2 進(jìn)度安排 1.1 月 10 號(hào)以前完成畢業(yè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作， 包括軟件安裝資料查找， 了解 二維碼識(shí)別的基本策略，對(duì)今后的工作進(jìn)行大體的安排和規(guī)劃。 2.3 月 1 號(hào)以前熟悉 HALCON 軟件的使用，了解常用算子的使用方法， 初步設(shè)計(jì)一個(gè)用攝像頭識(shí)別二維碼的程序。同時(shí)完成關(guān)于二維碼的英文文檔 的翻譯，深入了解二維碼識(shí)別的基本原理。 3.4 月 1 號(hào)以前模擬生產(chǎn)線上工件運(yùn)動(dòng)的情況，二維碼實(shí)際大小和攝像 頭與工件的距離，并進(jìn)一步完善程序，使其適應(yīng)該系統(tǒng)的實(shí)際使用環(huán)境。 4.4 月 1 號(hào)以后將子程序進(jìn)行整合，形成一個(gè)可以識(shí)別不同種類二維碼 和條形碼的總的系統(tǒng)，并進(jìn)行最后調(diào)試，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。 4.3 預(yù)期目標(biāo) 本設(shè)計(jì)最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)在自動(dòng)化生產(chǎn)線上， 對(duì)于產(chǎn)品標(biāo)簽中的二維碼進(jìn)行 自動(dòng)識(shí)別。該系統(tǒng)能識(shí)別不同種類的二維碼，可以支持多個(gè)相機(jī)工作，采集 到的二維碼圖像數(shù)據(jù)通過由 C+編寫的上位機(jī)軟件由 RS232 端口或 TCP/IP 協(xié)議發(fā)送到手機(jī) APP 中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方實(shí)時(shí)監(jiān)控。 5為完成課題已具備和所需的條件和經(jīng)費(fèi) HALCON 軟件以及相關(guān)資料，攝像頭若干，電腦一臺(tái)，攝像頭其他輔助 測(cè)試軟件等。 6. 研究中可能遇到的問題和解決的措施 1. HALCON 關(guān)于二維碼識(shí)別只有英文文檔， 在不了解 HALCON 和二維 碼識(shí)別的情況下工作難以進(jìn)行。 解決方法：先搜索關(guān)于二維碼識(shí)別的中文資料，在對(duì)二維碼識(shí)別的使用 基本了解后進(jìn)行英文文檔的翻譯，詳細(xì)了解二維碼的種類和識(shí)別方法。 2.在檢驗(yàn)二維碼識(shí)別算法的有效性時(shí)， 由于二維碼識(shí)別結(jié)果過長(zhǎng)， 人為 進(jìn)行校驗(yàn)過于繁瑣。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 - 6 - 解決方法：可以通過二維碼生成軟件將自己編寫的 ASCII 字符串轉(zhuǎn)化為 二維碼，再進(jìn)行算法識(shí)別，并將結(jié)果轉(zhuǎn)化為 ASCII 碼。人為檢驗(yàn) ASCII 碼要 比直接檢驗(yàn)二進(jìn)制數(shù)簡(jiǎn)單得多。 3.生產(chǎn)線上的產(chǎn)品離攝像頭距離較遠(yuǎn)并不斷運(yùn)動(dòng)， 而且產(chǎn)品標(biāo)簽上的二 維碼很小，使得掃描必須一次成功，難度較大。 解決方法：需要模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境做大量測(cè)試，同時(shí)利用有利條件改進(jìn)算法， 比如由于是在生產(chǎn)線上，二維碼在攝像頭的視角中出現(xiàn)的位置較為固定，方 向比較正，只要算法合適找到二維碼區(qū)域應(yīng)該不是很困難。 7. 主要參考文獻(xiàn)： 1 ELFEN, Introduction of HALCON ，百度文庫，2012。 2 2D Data Code ，Solution Guide，2010. 3 2D Meas