摘要：為了實現(xiàn)打印貼標機智能貼標的需求，提出了一種基于機器視覺的物體包裝盒實時貼標系統(tǒng)設計方案，并完成了系統(tǒng)的軟件設計和整套硬件測試。該系統(tǒng)的硬件部分主要用來獲取圖像數(shù)據(jù)以及進行打印貼標操作，軟件部分采用基于輪廓提取和形狀特征識別相結(jié)合的圖像處理技術，能夠完成對其輸出圖像進行目標識別和實時定位，并通過串口通信將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給控制系統(tǒng)。實際應用表明，該系統(tǒng)具有操作簡便、測試準確的特點，達到了設計要求。
關鍵詞：機器視覺；目標識別；實時定位；串口通信

    目前，工業(yè)生產(chǎn)上對物體包裝盒的貼標主要采用光電傳感器等觸發(fā)機器的方式，并通過計算距離、速度等方式估算目標物的位置，這樣貼出來的標簽精度不高，需要再度進行人工檢測，費時耗力，不能滿足大規(guī)模的高精度貼標需求。由于機器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動處理，也易于同設計信息以及加工控制信息集成，因此，機器視覺已廣泛應用于工業(yè)檢測、工業(yè)探傷、精密測控、自動化生產(chǎn)、郵政自動化、糧食選優(yōu)、顯微醫(yī)學操作以及各種危險場合工作的機器人等領域。打印貼標行業(yè)為了提高生產(chǎn)力，獲取快速、高效的貼標方法，引進機器視覺技術已成為大勢所趨，首先通過對目標物的識別和實時定位來獲取所需的位姿信息，再通過攝像機標定得到目標物在線上的精確坐標，最后交由貼標機器進行貼標操作。
    可見，對目標物的實時位姿信息的獲取變得非常重要。為了實現(xiàn)對目標物的快速識別和準確定位，在做了需求分析的基礎上，提出并設計了一種基于機器視覺的物體包裝盒實時貼標系統(tǒng)(以下簡稱“貼標系統(tǒng)”)設計方案。該系統(tǒng)能夠完成對目標物準確貼標，具有應用價值。

1 系統(tǒng)需求分析
    針對為滿足實時獲取物體包裝盒精確位置的需求，結(jié)合實際平臺與應用場景，經(jīng)過分析主要從物體輪廓進行切入，因所有物體的外包裝盒均為規(guī)則的長方體，故而采取經(jīng)過一系列圖像預處理后再對目標物進行矩形檢測的辦法得到包裝盒貼標面的中心點坐標。
    要想完成以上系統(tǒng)的設計，需要做好以下幾個方面。首先需要能夠驅(qū)動工業(yè)相機，并通過硬件觸發(fā)的方式使相機能夠在合適的時機獲取多張圖片；其次，應能對相機獲取到的圖片進行有效的圖像處理，需進行一系列的算法設計從而能夠?qū)崟r獲取目標物的圖像坐標；再次，還應進行攝像機標定，將獲取到的目標物圖像坐標轉(zhuǎn)換成世界坐標系也就是機器線上的真實坐標；最后系統(tǒng)要能夠與上位機控制部分集成并能夠持續(xù)不間斷的運作，直到系統(tǒng)要求退出。

2 系統(tǒng)總體設計
    該貼標系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，首先傳送帶將目標物輸送至工業(yè)相機的視野，并觸發(fā)光電傳感器給出一個3．3～12 V高電平信號觸發(fā)相機進行抓拍，獲取目標物的圖像信息；然后，通過千兆網(wǎng)線將圖像數(shù)據(jù)傳輸至控制中心(上位機)，上位機的視覺處理模塊將對獲取到的圖像進行處理，并將處理得到的數(shù)據(jù)交由運動控制模塊；接著，運動控制模塊根據(jù)獲取到的有效數(shù)據(jù)實行對機器部件的命令控制；最后，機器部件根據(jù)上位機的指示進行打印和貼標操作，從而實現(xiàn)一次完整的貼標過程。

3 系統(tǒng)硬件平臺
    貼標系統(tǒng)硬件平臺主要由光電傳感器、工業(yè)相機、傳送帶、工業(yè)PC、開關電源、打印貼標模塊和檢測模塊等組成，系統(tǒng)硬件開發(fā)平臺如圖2所示。光電傳感器主要用來給出一個3．3～12 V高電平信號觸發(fā)工業(yè)相機進行目標物圖像的實時獲??；MV-VEM系列千兆網(wǎng)絡相機采用幀曝CCD作為傳感器，能輸出高質(zhì)量，顏色還原性好的圖像，并以網(wǎng)絡作為輸出，將獲取到的圖像數(shù)據(jù)輸送至工業(yè)PC；打印貼標模塊主要由打印機和貼標機兩部分組成，打印機主要用來打印特定標簽，貼標機負責將標簽貼在目標物指定位置；檢測模塊用來最終檢測貼好的標簽是否符合要求以及掃描出相應標簽的條形碼或者二維碼。工業(yè)PC是該貼標系統(tǒng)的核心，用來實現(xiàn)系統(tǒng)中指令的發(fā)送、數(shù)據(jù)的采集與處理和測試結(jié)果的顯示等。

4 系統(tǒng)軟件設計
    該貼標系統(tǒng)的軟件采用MFC和OpenCV編程。OpenCV(Open Source Computer Vision Library)是由Intel公司資助的開源計算機視覺庫。它由一系列C函數(shù)和少量CH類所組成，實現(xiàn)圖像處理和計算機視覺方面的很多通用算法，例如特征檢測與跟蹤、運動分析、目標分割與識別以及3D重建等，是近年來比較流行的圖像處理數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)軟件設計的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

    在軟件設計中，圖像采集模塊主要是采用西安維視公司生產(chǎn)的MV-VEM120C型號的千兆網(wǎng)絡工業(yè)相機，該相機具有高分辨率、高精度、高清晰度、色彩還原性好、低噪聲等優(yōu)點，能夠滿足工業(yè)級圖像處理要求，通過調(diào)用該相機的API，實現(xiàn)對目標物圖像數(shù)據(jù)的采集。視覺檢測模塊主要用來對獲取到的圖像信息進行實時處理，處理流程主要有以下幾步：首先通過圖像灰度化、圖像分割等一系列圖像預處理，生成二值圖像。然后利用形態(tài)學處理去除二值圖像噪聲。
    形態(tài)學濾波是在數(shù)學形態(tài)學基礎上提出的一種噪聲去除方法，它由一組形態(tài)學代數(shù)運算子組成，包括膨脹、腐蝕、開啟和閉合4個基本運算。數(shù)學形態(tài)學方法利用一個稱為結(jié)構(gòu)元素的“探針”收集圖像的信息，當“探針”在圖像中不斷移動時，便可考察圖像各個部分之間的相互關系，從而了解圖像的結(jié)構(gòu)特征。

    接著在二值圖像中對物體包裝盒圖像進行邊緣檢測，獲取到物體包裝盒的輪廓線條，然后對其進行矩形檢測，從而實現(xiàn)對目標物貼標面頂點坐標的提取，進而可以求出貼標面的中心點坐標，以及偏轉(zhuǎn)角度等信息；但是這里獲取到的坐標數(shù)據(jù)只是圖像的像素坐標，仍然不能用于實際的定位，還需進行攝像機標定，將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成世界坐標系的坐標數(shù)據(jù)。只有求出了目標物在實際生產(chǎn)線上的坐標位置，控制部分才能有效地將數(shù)據(jù)指令發(fā)送給貼標機器，從而實現(xiàn)打印貼標機準確貼標的任務。軟件設計的流程圖如圖4所示。測試過程中，在完成數(shù)據(jù)采集和檢測后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控模塊，并顯示測試結(jié)果。

5 應用測試
    該貼標系統(tǒng)用于上?？频牢锪骺萍加邢薰咀灾餮邪l(fā)的打印貼標機上測試。在進行測試時，首先運行該系統(tǒng)應用軟件，初始化相關操作后，通過完成相應的相機設置和參數(shù)配置等設置后，然后通過點擊主程序界面的“開始捕獲”按鈕進行目標物圖像的獲取，這時相機處于等待觸發(fā)狀態(tài)，當選擇為外部觸發(fā)，相機將根據(jù)收到的高電平信號，進行抓拍，也可選擇軟件觸發(fā)方式：在主界面中通過點擊“顯示結(jié)果”按
鈕，可以實現(xiàn)對輸出數(shù)據(jù)的實時顯示；“數(shù)據(jù)發(fā)送“按鈕負責將圖像處理得到的位置、速度、方向等數(shù)據(jù)實時發(fā)送給上位機主控模塊。程序面板的部分界面如圖5所示。該測試系統(tǒng)測試結(jié)果誤差在1 mm以內(nèi)，達到實際應用要求。

6 結(jié)論
    該貼標系統(tǒng)采用具有高度智能、高速度的打印貼標機為硬件平臺，軟件設計采用模塊化設計思想，提高了系統(tǒng)的可靠性和維護性。該貼標系統(tǒng)已用于上海科道物流科技有限公司生產(chǎn)的貼標打印機進行測試，實際應用表明該貼標系統(tǒng)具有測試準確、穩(wěn)定可靠、人機界面友好等特點，達到了設計要求。