Математическая модель процесса считывания и метод распознавания перфорированного кода в условиях кожевенного производства Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 675.014.017;535.31;658.512

■а о

Разработана математическая модель процесса считывания кода с кожи, которая учитывает характеристики процесса считывания кода, а также наличие случайных воздействий и благодаря выбору наилучшей подсветки для каждого конкретного случая обеспечивает наиболее четкое изображение, и как следствие, достоверно считанный код. Выполнена модификация признакового метода распознавания кода, которая учитывает сложные аффинные преобразования и нелинейные искажения перфорированного кода на всех этапах обработки кожи и за счет нормализации и ранжирования признаков перфорированного кода обеспечивает достоверность считанного кода

■о &

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА СЧИТЫВАНИЯ И МЕТОД РАСПОЗНАВАНИЯ ПЕРФОРИРОВАННОГО КОДА В УСЛОВИЯХ КОЖЕВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

М. В. Дубровки на

Соискатель ученой степени кандидата технических наук, Младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории компьютерно-информационных и аналитических

систем

Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт

«Искра»

ул. Звейнека, 145 с, г. Луганск, Украина, 91033 Контактный тел. (0642) 71-75-92, (068) 689-01-60 e-mail:margarita_dubrov@mail.ru

1. Ведение

Расширение глобальной конкуренции приводит к тому, что потребитель предъявляет все более жесткие требования к качеству продукции.

Особенность технологического процесса кожевенного производства состоит в том, что в процессе технологической обработки каждое изделие (в соответствии с маршрутной картой техпроцесса) попадает в различные партии.

Следовательно, для того чтобы обеспечить высокое качество изготавливаемой продукции, необходимо отследить точность соблюдения технологических режимов, что обеспечивается однозначной идентификацией изделий на каждом этапе обработки [1, 2]. Для решения этой задачи применяют маркировку кожи перфорированным кодом, который представляет собой прямоугольную матрицу отверстий инвариантную к повороту, смещению и зеркальному отображению информации, т. к. крайний столбец по вертикали и крайний ряд по горизонтали выполнены сплошными и являются базовыми при распознавании кода [3]. На основе сравнительного анализа различных методов считывания кода [4-8] установ-

лено, что наиболее эффективным для обеспечения достоверно считанного кода в условиях кожевенного производства является оптоэлектронный метод считывания на отражение.

2. Постановка задачи

При считывании перфорированного кода на различных этапах обработки кожи могут появиться ошибки, обусловленные:

- деформацией кожи в процессе технологической обработки, и как следствие, деформацией маркировочного кода [9];

- разнообразием кож и ее особенностями на различных этапах обработки (на некоторых этапах - мокрая, пропитана химреагентами, имеет различный цвет, покрытие) [10];

- присутствием дефектов поверхности кожи, которые могут вносить ошибку при формировании изображения кода [11, 12].

В результате выше перечисленных особенностей кожевенного производства при считывании кода возможно:

- неразличимость отверстий на фоне кожи (на некоторых видах кожи из-за ее цвета или покрытия) (рис. 1,а);

- «пропадание» части кода в результате попадания на них дефектов поверхности или бликов (на некоторых видах кожи из-за покрытия) (рис.1, б, в);

аб

К тен = к

сф

|<^0тен - ^тен^ ^тен

> К

порог

= 0,2 ,

где ксф - коэффициент светофильтра, L0осв, LФосв ^0тен, LФтен)- яркость области отверстия и фона при счипвании по освещению (затенению)отверстий кода.

Если уровень черного изображения кожи В1 < 0,5 , то для данной кожи характерно К/осв < К/тен . Если уровень черного изображения кожи В! > 0,5 , то для данной кожи характерно может быть К/осв < К/тен или к/осв > к/тен в зависимости от ее поверхности (гладкая или шероховатая).

Площадь освещенных или затененных отверстий (при считывании по освещенным или затененных отверстиях кода):

- площадь освещенных отверстий (при считывании по освещенным отверстиям)

^ F ^осв,к,п)= ^св(С/,^,Ь,п ,

к

Рис. 1. Изображение (считанное и с последующей бинаризацией) с плохо различимыми отверстиями кода на фоне кожи (а) и изображения кодов с потерянной частью кода в результате дефектов поверхности (б) и подсветки (в)

где п - количество отверстий кода,

к - коэффициент перевода площади в мм2 к площади в пикселях,

Sосв - площадь освещенного отверстии кода (в мм2), вычисляется по формуле:

2-

п-Я

V,

С учетом данных особенностей считывания в условиях кожевенного производства не возможно обеспечение достоверно считанного кода при применении только математической обработки считанного изображения, поэтому к решению данной задачи х необходимо подходить комплексно: программными и аппаратными средствами.

360

2 2 2 2 (Сх + Ь - tаn а - еоэ р) + (CY + Ь - tan а - эш в) + Я V - RN

2

2 2 2 2 (Сх + Ь - tan а - еоэ р) + (CY + Ь - tan а - эт р) + Я V - RN

Rv--/ 2 2 х

2 -у (Сх + Ь - tan а-еоэ р) + (CY + Ь - tan а-эт в)

2 2 2 2 (Сх + Ь - tan а - еоэ р) + (CY + Ь - tan а - эш р) + Я V - RN

4 -RvV (Cх + Ь - tan а-еоэ р)2 + (CY + Ь - tan а-эш р)2

Для решения задачи обеспечения +2-

п-Я

N.

достоверности считывания перфорированного кода разработана математическая модель процесса считывания кода и метод распознавания считанного кода в условиях кожевенного производства.

3. Математическая модель процесса считывания кода

360

2 2 2 2 (^ + Ь - tan а-еоэр) + (CY + Ь - tan а-эт р) + RN - RV

2 - RN(^ + Ь - tan а-еоэ р)2 + (CY + Ь - tan а-эт р)2

2 2 2 2 (Cх + Ь - tan а- еоэр) + (CY + Ь - tan а- эш р) + - RV

--I 2 * Х

2 (Cх + Ь - tan а-еоэ р) + (CY + Ь - tan а-эш р)

х эт

2 2 2 2 (Cх + Ь - tan а - еоэ р) + (CY + Ь - tan а - эш р) + RN - Я V

4-RN ^^|(Cх + Ь-tanа-еоэр)2 + (CY + Ь-tanа-этр)2

Достоверность считанного кода F(d)= 1 [13], если а,Р~ характеризуют положение источника света в про-получено четкое изображение перфорированного кода странстве относительно кода (направление светового

при следующих основных условиях.

Контраст изображения перфорированного кода: - при освещении отверстий кода

к^осв = к

осв L0осв )| ^ сф' т г кпорог

L0осв

при затенении отверстий кода

= 0,2 ,

потока),

Сх, Су, Яп, Яу - параметры отверстий кода (механическое смещение оси отверстий и радиус отверстия в верхней и нижней плоскости кожи,), Ь - толщина кожи.

При выполнении условия Nmin < N < Nmax , где ^т, Nmax- верхнее и нижнее предельное значение площади отверстий (обусловлены влиянием технологии на геометрические характеристики кода).

в

- площади затененных отверстий кода (при условии отсутствия механического сдвига оси отверстий кода):

п т

N = Р7(х>У>п>к) = "к■ I (У1(х)-У2(х№-

где

У1,2(х) =

n ■ b

2■ a■ g■ (m2 ■ b2 -c2 ■ n2)

2

(2■a■b■m ■(g - x)±

мацию кожи в процессе технологической обработки и, как следствие, деформацию маркировального кода; разнообразие кож и их особенности на разных этапах обработки и благодаря выбору наилучшей подсветки (по освещению или затенению отверстий кода) для каждого конкретного случая обеспечивает наиболее четкое изображение, и как следствие, достоверно считанный код.

±2 ■ (с

T1,2 =

2 „2

(m2 ■ b2 ■ g2 + n2 ■

2 2 2 „2Ч, 2 2 ■ a - с ■ n ■ g ) + с ■ n

22 m ■ a ■

2 ■ x))2),

ООО ООО

a ■ g ■ n ■ m ■ (2 ■ a ■ n ■ m ± 2(c ■ n ■ g - m ■ b ■ g )2)

2 (m2 ■ b2 ■ g2 + n2 ■

22 ■ a - с

n2g2)

4. Признаковый метод распознавания перфорированного кода, считанного в условиях кожевенного производства

при

Dmaxv

2

, Dminv b=

h Di

h DI

2

D maxv - D maxn

Dminv - Dminn

g =

Dmaxv- cos ß 2 ■ (D maxv - D maxn )

Dmaxv- sin ß 2 ■ (Dminv - Dminn) D maxv

■ (2 ■ h ■ tga - (Dmaxv - Dmaxn )), (2^ h ■ tga- (Dminv - Dminn)),

(2 ■ h ■ tga- (Dmaxv - Dmaxn)),

2 ■ tga ■ (Dmaxv - D maxn )

где Dmaxv, Dmmv Dmaxn, Dminn - максимальный и минимальный диаметры отверстия в верхней и нижней плоскости кожи.

При радиус отверстия в верхней и нижней плоскости кожи Nmin < N < Nmax и аз > а > а2 , (а3 - ограниченно глубиной дефектов; а2 - ограниченно условием не пересечения нижней плоскости отверстия).

При выполнении условий отсечения:

- несквозных дефектов < Ьтах^е£ - максимально допустимая глубина несквозных дефектов кожи (50% общей толщины кожи);

- несоизмеримых дефектов

При распознавании перфо-

рированного кода, считанного в условиях кожевенного производства, возникают проблемы, обусловленные:

- смещением, поворотом, зеркальным расположением кода на считанном изображении;

- линейной и нелинейной деформацией кода.

Для обеспечения достоверности распознавания считанного с кожи перфорированного кода был взят за основу признаковый метод [14, 15], который доработан для учета сложных аффинных преобразований и нелинейных искажений перфорированного кода на всех этапах обработки кожи.

Для решения поставленной задачи выполнено нахождение базовых столбца и строки перфорированного кода.

Основано на:

- определении расстояний от центра кода до центра каждого отверстия кода (нахождение радиусов

D1 def > Dmaxv = D0 ■

d2 def < Dminv = D0 ■

2

pxi

m

+Пk i=1

2,

Пc1 - kpxi

i)

m

+П(1 i=1

kpyi)

D1def

m

+Пk i

1

2

pyi

D2def

Щ C1 - kPXi

i)

m

+П (1 i=1

kpyi)

где D1 def , D2 def - максимальный и минимальный размеры дефекта, i - пройденный этап обработки кожи.

Иначе F(d)=0.

Разработанная математическая модель считывания перфорированного кода учитывает: присутствие дефектов поверхности кожи, которые могут вносить ошибку при формировании изображения кода; дефор-

I 2 2

векторов Reg = ^ (Xck - %ogr + (Yck — Yog) , где Xck,

Yck - центр тяжести кода без учета базовых строки и столбца, Xcog, Ycog - центр g-го информационного отверстия (g=1,......,n; n - количество информационных

отверстий кода);

- выделении тех, которые попадают в первые 8 наибольших значений (при любом расположении информационных отверстий и соответственно центра тяжести кода значения радиусов до крайних точек базового столбца и строки и их общей точки попадают в эту группу);

- дальнейшей проверке принадлежности остальных отверстий базовым столбцу и строке при выполнении условий.

Распознавание считанного с кожи перфорированного кода. Т.к. перфорированный код при считывании должен быть инвариантен к аффинным преобразованиям, то при нахождении направления вектора Reg необходимо учитывать местоположения центра масс базовых столбца и строки. Поэтому, для обеспечения инвариантности метода распознавания к повороту, смещению и зеркальному отображению исходного изображения в качестве базы для отсчета углов векторов

1

2

m

1

2

m

v

a=

2

2

используется вектор между центрами тяжести кода и базы (рисунок 2):

Xg = arccos(

(^(Xck - Xc>g )2 + (Yck - Ycog )2 )2 +

(^(Xck - Xcb)2 + (Yck - Ycb)2 )2

2 -^(Xck - Xc>g )2 + (Yck - Yc>g )2 ^(Xck - Xcb)2 + (Yck - Ycb)2

+

^(Xcb - Xc>g )2 + (Ycb - Yc>g )2 )2

2 -^(Xck - Xc>g )2 + (Yck - Yc>g )2 yj(Xck - Xcb)2 + (Yck - Ycb)2

где ХсЬ, Ycb - центр тяжести отверстий базовых строки и столбца.

Рис.2. Нахождение направления вектора Re

g

В результате получены массивы значений радиусов векторов Reg и направлений векторов ag. Дальше выполнялась сортировка ag по возрастанию (ранжирование).

При этом была выполнено ранжирование значений радиусов векторов Reg в соответствии с углами. Для обеспечения инвариантности кода к масштабированию выполнена нормализация векторов кода (в результате получен массив Re nor).

Заключительным этапом распознавания являются сравнения с эталоном.

Эталонами являются считанные и занесенные в базу данные предприятия изображений кода сразу после их нанесения.

Вычисляется коэффициент корреляции K(Re nor, R etal), где R etal - радиусы векторов от центра масс кода (без учета базы) к каждому информационному отверстию в изображениях эталонах.

При поиске подобных наборов векторов используется принцип дихотомии:

Re noq Re nor2

Re nor =

jRe norg J =

Retal = [Retalg ] =

Re norn

R etali R etal2

R etal

n

K(Renor,Retal) = -

n • £ Renorg Retal - £ Renorg • £ Retal g=1 g=1 g=1 n n n n

|(n• £ Renorg2 -( £ Renorg)2) (n• £ Retalg -( £ Retalg)2)

g=1

g=1

g=1

Если K(Re nor,R etal) > Kporog (где Kporog - предельное значение коэффициента корреляции), то считанный код совпадает с эталонным, иначе - нет.

Разработан метод распознавания перфорированного кода с кожи, основанный на признаковом методе, который модифицирован для учета сложных аффинных преобразований и нелинейных искажений перфорированного кода на всех этапах обработки кожи и за счет нормализации и ранжирования признаков перфорированного кода (значения и направления расстояния от центра массы кода до центра каждого информационного отверстия кода) обеспечивает достоверность считанного кода.

5. Выводы

1. Разработана математическая модель процесса считывания кода с кожи, которая учитывает светотехнические и геометрические характеристики процесса считывания кода, а также наличие случайных воздействий (дефекты поверхности кожи и дефекты подсветки), и благодаря выбору наилучшей подсветки для каждого конкретного случая обеспечивает наиболее четкое изображение, и как следствие, достоверно считанный код.

2. Разработан метод распознавания перфорированного кода, считанного в условиях кожевенного производства. Данный метод основан на признаковом методе, который модифицирован и в отличие от существующих, учитывает сложные аффинные преобразования и нелинейные искажения перфорированного кода на всех этапах обработки кожи и за счет нормализации и ранжирования признаков перфорированного кода (значения и направления расстояния от центра массы кода до центра каждого информационного отверстия кода) обеспечивает достоверность считанного кода.

3. На основании разработанной математическая модель процесса считывания кода с кожи и метода распознавания разработана система считывания кода [16, 17], которая работает по адаптивному алгоритму и обеспечивает считывание кода с кожи с учетом ее разнообразия (цвет, влажность, покрытие) и деформации кода (изменение формы и размера отверстий, смещение оси отверстий, изменение шага между отверстиями и деформация формы кода) на всех этапах обработки кожи. Достоверность считывания кода обеспечивается за счет выбора наилучшего варианта подсветки - верхней и боковой, который обеспечивает максимальное значение контраста изображения

считанного кода при считыва-п нии кода по освещению или

затенению перфорированных отверстий.

При этом вероятность считывания кода - на вет блу - не менее 99,9%, с готовой кожи - не менее 98% (по данным

g=1

ЗАО «ВОЗКО», на котором была внедрена система). Это позволяет реализовать на всех стадиях обработки идентификацию кожи, что является одним из способов включения механизмов экономической заинтересованности, технологической ответственности, и в конечном итоге дает значительное повышение продукции высшего сорта.

Литература

1. Системи управлшня якютю. Вимоги: ДСТУ ISO 9001-

2001. - [Чинний вщ 27.06.01]. - Кшв: ДержСтандарт Украши, 2001. - 30 с.

2. Michael W. Wynne. Department of Defense Unique Identifi-

cation of Items. - 2005. - 6 р.

3. Дубровкина М. В. Комплекс идентификации и контроля

изделий для АСУ ТП кожевенного производства / М. В. Дубровкина // Вюник Схщноукрашського нацюнально-го ушверситету iM. В. Даля. - 2006. - № 9 (103). - Части-на 1. - С. 135 - 139.

4. Б. Малашевич. Бесконтактная идентификация [Электрон-

ный ресурс]. - Режим доступа: http//www.chipnews. ru/html.cgi/arhiv/00_08/stat_25htm.

5. Кодирование шкур: от скотобойни до готовой кожи //

World Leather - 1998. - № 10.

6. А. И. Запунный. Тенденции развития методов и средств

контроля качества продукции зарубежных промышленных фирм / А. И. Запунный - К.: УкрНИИНТИ, 1980.

- 72с.

7. Неразрушающий контроль в промышленности [Электрон-

ный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ndt net ru.

8. Измерение. Методы неразрушающего контроля [Электронный ресурс]: La Metrologie est qualite des measures.

- Режим доступа:http://www.metrologie.ru/measure-vy-bor10.htm.

9. Дубровкина М. В. Исследование влияния технологическо-

го процесса на характеристики перфорированного кода / М. В. Дубровкина // Адаптивные системы автоматического управления. Региональный межвузовский сборник научных трудов. - Вып. 10 (30). - Днепропетровск, 2007.

- С. 32 - 44

10. Ульшин В. А. Адаптивный алгоритм считывания перфорированного кода / Ульшин В. А., Дубровкина М. В //

Искусственный интеллект: Научно-теоретический журнал. - Донецк, 2007. - Выпуск 3. - С. 113-122

11. Дубровкина М. В. Исследование влияния случайной составляющей на формирование образа перфорированного кода / М. В. Дубровкина // Системний анашз та шфор-мацшш технологи: Матер1али IX Мiжнародноi науково-техшчно! конференцй (15-19 травня 2007 р., Кшв). - К.: НТУУ «КП1», 2007. - С. 106

12. Дубровкина М. В. Исследование влияния дефектов поверхности кожи на формирование перфорированного кода при контроле качества изделий для АСУ ТП кожевенного производства / М. В. Дубровкина // Вюник Схщноукрашського нацюнального ушверситету ím. В. Даля. - 2007. - № 5 (111) - частина 1. - С. 183 - 188.

13. Дубровкина М. В. Математическая модель устройства считывания кода информационно-аналитической системы управления технологическим процессом / Дубров-кина М. В., Шаповалов В. Д. // Системш технологи. Репональний мiжвузiвський збiрник наукових праць. - Днепропетровськ, 2007. - Випуск 2 (49). - с. 118-122.

14. Общая схема алгоритмов распознавания [Электронный ресурс] / Антон Конушин, Ольга Баринова, Вадим Кону-шин, Антон Якубенко, Александр Велижев. - МГУ ВМК (Graphics&Media lab), 2008.- Режим доступа: http://cour-ses.graphicon.ru/main/vision2008/lection/cv_2008_02pdt.

15. Е.П.Путятин Нормализация и распознавание изображений [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:// sumschool.sumdu.edu.ua/is-02/rus/lectures/pytyatin/pet-eatin.htm.

16. Дубровкина М. В. Адаптивное устройство считывания перфорированного кода с кожи / М. В. Дубровкина // Автоматизащя технолопчних об^екйв та процеав. По-шук молодих: Збiрник наукових праць VIII Мiжнарод-но'1' науково-техшчно'1' конференцй асшран™ та студенев (м. Донецк, 11-14 травня 2008р.) - Донецьк, ДонНТУ, 2008. - с.105-107.

17. Пат. 34341 Украша, МПК G 06 K 9/00. Адаптивнш при-стрш зчитування перфорованого коду для шгаряного виробництва / Дубровкша М. В.; заявник та патентов-ласник Науково-дослщний та проектно-конструкторсь-кий шститут «1скра». - № u 2008 02444; заявл. 25.02.2008; опубл. 11.08.2008, Бюл. № 15.