CN102156849A - 一种金属柱面直接标刻二维条码的识读装置及识读方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属柱面直接标刻二维条码的识读装置及识读方法，以实现金属柱面上二维条码的快速定位高效识读。该装置包括底座1、相机2、外壳3、光源4、红外线传感器开关5、顶盖7，可以高效定位金属柱面，快速采集无高亮反光，柱面畸变小的高质量的金属柱面直接标刻的二维条码图像，然后通过程序实现图像拼接融合算法，该算法符合Data Matrix二维条码的内部信息排列原理，以及垂直圆柱金属部件轴线标刻的二维条码的特点，可以实现二维条码图像的快速完美拼接。本发明解决了现有手持式条码扫描仪针对金属柱面直接标刻二维条码识读时种种缺陷，大大的简化了识读操作，提高了识读率，实现了提高综合识读效率之目的。

Description

一种金属柱面直接标刻二维条码的识读装置及识读方法

一、所属领域

本发明涉及一种金属柱面直接标刻二维条码的识读装置及识读方法，以实现金属柱面上二维条码的快速定位高效识读。

二、背景技术

金属表面直接标刻Data Matrix二维条码快速准确识读，是实现金属部件全生命周期管理和信息追踪的基础，是成为提高库存管理效率、实现生产过程信息采集及实时追踪的关键。

识读设备的识读能力对金属表面二维条码信息的读取速度和正确性很重要，由于现有金属部件表面的多样性，目前只能运用手持式二维条码扫描仪将金属表面直接标刻二维条码放在扫描仪的识读范围内进行识读。

现有的二维条码扫描仪的工作原理是采集金属表面上直接标刻的二维条码的一幅图像并对其进行预处理，然后解码获得金属部件编码信息。其关键技术在于预处理所获得的二维条码图像，然后二值化，确定边缘，解码，显示结果。

根据目前的研究，手持式二维条码扫描仪并不是设计用在圆柱金属柱面直接标刻二维条码的识读领域，使用时具有下列缺陷：

1、识读焦距不能确定，需要人工一手持扫描仪，一手持金属部件，寻找识读位置，定位金属柱面二维条码。这种手持式识读方式即浪费时间又容易使操作人员疲倦。

2、由于金属柱面是圆弧，且一般粗糙度低，易反光以及外界光源干扰等因素，造成采集的金属柱面二维条码图像存在严重的高亮反光干扰。

3、由于金属柱面的圆弧特性，造成采集的二维条码图像存在柱面畸变。

4、由于它是基于采集的一幅二维条码图像进行识读，所以容易造成图像采集不完整、信息丢失等问题，造成无法识读。

5、上述缺陷在圆柱金属直径越小时，表现的越明显，造成条码识读越困难。

现有扫描仪的上述缺陷，加上金属表面二维条码对比度低、人工操作的不稳定性、金属部件尺寸的多样性等因素的干扰，降低了金属柱面直接标刻二维条码的识读率，严重影响了识读效率。即使可以识读，也需要在扫描仪前长时间的摸索才能确定金属柱面直接标刻二维条码图像的合适的采样位置，这就导致识读时间长，识读效率低。据发明人统计，85％的识读时间都消耗在寻找的可能识读位置上。

实际应用中为了增加二维条码的识读效率和正确率，往往采取标刻过程中的增强处理和使用过程中的保护两方面措施。如中国机械工程2011年05期上解志锋等发表的题为《零件表面激光直接标刻二维条码的工艺参数优化研究》的文章，介绍了如何优化参数提高标刻的质量。这些研究和应用，都着眼于提高及维护金属表面二维条码的对比度和质量，或者从软件上预处理所获得的二维条码图像，而没有考虑在条码质量已定的前提条件下，如何从原理上设计全新的自动识读装置以及识读方法来快速准确地定位金属柱面二维条码位置，采集二维条码，从而提高识读效率。

三、发明内容

本发明的目的是：从识读装置设计和识读方法创新相结合的整体研究思路出发，解决现有的快速定位采集金属柱面二维条码、高亮反光、柱面畸变等方面的难题，以达到快速准确的采集高质量的金属柱面二维条码图像，实现提高识读效率之目的。

本发明的技术方案是：

一种金属柱面直接标刻二维条码的识读装置，包括底座1、相机2、外壳3、光源4、红外线传感器开关5、顶盖7；所述的外壳3与底座1、顶盖7连接，组成一个以底座1上表面为下限，以顶盖7下表面为上限的长方体封闭装置；所述相机2安装在底座1上表面的中央位置；所述顶盖7包括：一个导轨件11、两个定位件10和两个缝隙调节件12；所述导轨件11是一个中间有矩形通孔矩形薄片，该矩形通孔的短边有刻度，且薄片长边两侧有两条矩形导轨槽，导轨槽中间与矩形通孔相应的位置上有一段缺口，同时在一侧导轨槽缺口处有一矩形薄片的圆柱端面定位块9，圆柱端面定位块9前有一个矩形的红外线传感器开关使用孔13；所述定位件10由焊接在一个矩形块上的两个梯形块组成；两个矩形块的短边分别位于导轨件11两侧的矩形导轨槽中，使得两个矩形块可沿导轨槽滑动形成可变间隙；所述矩形块上有一与两短边平行、厚度为h的凹槽，使得矩形块和导轨件11之间形成一个供缝隙调节件12运动的通道；所述的梯形块分别位于两个矩形块相对一侧的长边，形成放置圆柱金属部件6的定位V型槽；所述缝隙调节件12由一个一边有凸起的金属薄片单独组成，薄片厚度为h，位于矩形块的凹槽内并可沿凹槽运动；两个矩形块上各有一个螺纹通孔，用于将定位件10、缝隙调节件12固定在导轨件11上；所述光源4安装在外壳3两侧的内壁上；所述红外线传感器开关5安装在与圆柱金属轴线垂直的外壳内壁中线处，且位于顶盖7的红外线传感器开关使用孔13下方；红外线传感器开关5连接在光源4和相机2的控制回路中，以控制光源4及相机2的开关。

为了达到更好的照明效果，获得更清晰的图像，所述光源4与圆柱金属部件6的轴线平行。

为了达到更好的照明效果，获得更清晰的图像，所述光源4位于顶盖7的下表面和相机2的上表面之间。

一种金属柱面直接标刻二维条码的识读方法，包括如下步骤：

步骤1：调节两个缝隙调节件12之间的距离至1～6mm；

步骤2：放置标刻Data Matrix二维条码垂直于圆柱轴线的圆柱金属部件6，使圆柱金属部件6柱面置于顶盖7的定位V型槽内，同时使得圆柱金属部件6柱面二维条码不在两个缝隙调节件12形成的缝隙内，且圆柱金属部件6端面靠在圆柱端面定位块9上。此时，红外线传感器开关5检测到圆柱金属部件6，开关接通，光源4打开，相机2开始采集图像；

步骤3：手动操作圆柱金属部件6绕轴向顺时针旋转一周，旋转时保持圆柱金属部件6端面与圆柱端面定位块9紧密接触，同时相机2自动连续采集并存储n幅金属柱面二维条码图像，取走圆柱金属部件6，红外线传感器开关5断开，光源4关闭，相机2停止采集；

步骤4：相机2停止采集时，图像拼接融合算法自动启动。图像拼接融合算法包括如下子步骤：

子步骤1：针对步骤3中采集存储的n幅金属柱面二维条码图像，用竖直扫描线扫描左右缝隙边界线，裁剪取两条边界线之间的图像按顺序存储为A₁，A₂，A₃，...，A_n；

子步骤2：置i＝1；A′₁＝A₁；

子步骤3：用竖直扫描线从右向左扫描A′_i图，记录第一条扫描线上的投影特征信息H_i，1，然后依次向左扫描，将每条扫描线上的投影特征信息与第一条扫描线H_i，1对比，至对比结果不相符时，结束扫描，并存储最后一条扫描线的投影特征信息H_i，2及位置y_i，1，裁剪掉位置y_i，1以右的图像部分存储为

如果至扫描结束，对比结果一直相符，则置A′_i+1＝A_i+1，并进入子步骤6；

子步骤4：用竖直扫描线从右向左扫描A_i+1，将每条扫描线上的投影特征信息，与子步骤3中存储的最后一条扫描线的投影特征信息H_i，2比对，当对比结果相符时，结束扫描，存储最后一条扫描线的位置y_i，2，裁剪掉位置y_i，2以左的图像部分并存储为如果至扫描结束，对比结果一直不相符，则直接进入直步骤8；

子步骤5：将子步骤3获得的

和子步骤4获得的

按左右位置，对准拼接在一起，存储为A′_i+1；

子步骤6：i＝i+1；

子步骤7：如果i≥n，进入子步骤8；否则，进入子步骤3；

子步骤8：图像拼接融合算法结束，得到的A′_n作为接融合算法得到的最终的图像；

步骤5：使用二维条码解码算法读取步骤4得到的图像A′_n，得到金属柱面直接标刻二维条码的信息。

本发明的有益效果包括识读装置效果和识读方法效果，具体如下：

金属柱面直接标刻二维条码的识读装置的效果：

1)设计封闭的识读系统屏蔽外界光源等各种自然条件的干扰，增加金属柱面二维条码图像质量，并且定位相机和顶盖的位置，以确定相机焦距对金属柱面二维条码的最佳识读距离。

2)顶盖的设计，使得金属柱面二维条码能快速定位在缝隙内。解决了手持式扫描仪采集金属柱面二维条码时寻找条码位置花费大量时间的问题。

3)用红外感应开关，实现圆柱金属部件放置在顶盖上后的内部自动识读操作，进一步节省识读时间。

金属柱面直接标刻二维条码的识读方法的效果：

1)改变现有的二维条码扫描仪基于一幅图像的识别原理，采用基于多幅图像拼接融合来识别。经过发明人研究，当装置内的光源设置合理，且顶盖两个缝隙调节件12之间的缝隙较小时，在缝隙内的金属柱面二维条码受高亮反光影响就会很弱，甚至无影响。同时由于采集的金属柱面二维条码的图像，具有沿圆柱金属中心轴至两侧的距离越大，畸变越大的特征，所以顶盖缝隙越小时，缝隙内的条码图像的整体柱面畸变就越小。因此调节较小顶盖缝隙，可以获取多幅无高亮反光，柱面畸变很小的二维条码图像。所以，基于多幅图像拼接融合可以消除高亮反光和柱面畸变的影响，获取一幅信息完整的高质量的金属柱面二维条码图像，大大增加了识读率以及识读效率。

2)图像拼接融合算法是根据Data Matrix二维条码的内部信息排列原理，以及垂直圆柱金属部件轴线标刻的二维条码的特点而设计的，可以实现二维条码图像的快速完美拼接。

3)采用快速定位金属柱面，手动圆柱金属来高效采集金属柱面条码图像。以取代手持式扫描仪采集金属柱面二维条码时操作复杂，效率低下。

综上，该发明可以高效定位金属柱面，快速采集无高亮反光，柱面畸变小的高质量的金属柱面直接标刻的二维条码图像，然后通过程序解码。可以解决现有手持式条码扫描仪，针对金属柱面直接标刻二维条码识读时种种缺陷，大大的简化了识读操作，提高了识读率，实现了提高综合识读效率之目的。根据发明人初步统计，在不使用本发明识读装置和识读方法的情况下，读取一个金属柱面二维条码平均需要5～7秒，而使用本发明识读方法和识读装置后只需1.5～2秒，提高了2～3倍的效率，并且大大提高的识读率。对于批量金属柱面上标刻的二维条码识读，效果更为可观。

四、附图说明

图1是本发明提出的金属柱面直接标刻二维条码的识读装置结构原理图

图2是图1的左视图

图3是底座1的结构示意图

图4是外壳3的结构示意图

图5是顶盖7的结构示意图

图6-实施例中的条形光源示意图

图7-实施例中的图像A₁

图8-实施例中的图像A₂

图9-实施例中的图像A₃

图10-实施例中标志有投影特征信息H_1，2及位置y_1，1的A₁

图11-实施例中的

图12-实施例中标志有最后一条扫描线的位置y_1，2的A₂

图13-实施例中的

图14-实施例中的A′₂

图15-实施例中标志有投影特征信息H_2，2及位置y_2，1的A′₂

图16-实施例中的

图17-实施例中标志有最后一条扫描线的位置y_2，2的A₃

图18-实施例中的

图19-实施例中的A′₃

图中，1-底座，2-相机，3-外壳，4-光源，5-红外线传感器开关，6-圆柱金属部件，7-顶盖，9-圆柱端面定位块，10-定位件，11-导轨件，12-缝隙调节件，13-传感器开关使用孔

五、具体实施方式

本发明实施实例由如下述的金属柱面直接标刻二维条码的识读装置和识读方法组成。

该实施实例的金属柱面直接标刻二维条码的识读装置如图1、图2所示，由底座1、相机2、外壳3、光源4、红外线传感器开关5和顶盖7组成，具体尺寸如下：所述的底座1的总体长宽高为168×160×25mm，底座1上表面中央设计凸台，长宽高为158×150×10mm，下表面设计凹槽减轻重量，具体见图3。所述的相机2采用维视公司的AFT-1300UM 130万工业级黑白数字相机，长宽高为54.5×54.5×90mm。设置开启拍摄10帧/秒。所述的外壳3为壁厚5mm壳装长方体，长宽高为168×160×210mm，具体见图4。所述的光源4采用的是两条条形光源，长宽为140×10mm，具体见图6。所述的红外线传感器开关5采用定做的TAD-9128A开关，要求实现相机2和光源4的回路控制，长宽高为30×25×17.5mm，调节探测距离为20mm。所述顶盖7由一个导轨件11、两个定位件10、两个缝隙调节件12和2个螺钉组成，具体如图5所示。所述导轨件11的矩形薄片长宽厚为168×160×2mm，中间矩形通孔大小为60×20mm，两侧的矩形导轨槽尺寸为2×2mm，槽壁厚度2mm，中间缺口尺寸长30mm，在一侧的导轨槽缺口处有长宽高为20×2×15mm的圆柱端面定位块9，圆柱端面定位块9前面是矩形的传感器开关使用孔13，尺寸为20×20mm；所述的定位件10的矩形块长高为160×55×2mm，梯形块上底为5mm，下底为10mm，高度为10mm，纵向长度为58mm，矩形块下表面与短边平行的中间位置有一凹槽宽度为65mm，深度为1mm，螺纹通孔为M3；所述的缝隙调节件12长宽为70×65mm，凸起部分高度为5mm，薄片厚度为1mm。螺钉选择GB70-76M3×5。

该实施实例的金属柱面直接标刻二维条码的识读方法，用于识读直径12mm刀具，且刀具柱面直接标刻Data Matrix二维条码垂直于刀具轴线，具体包括如下步骤：

步骤1：调节两个缝隙调节件12之间的距离至3mm；

步骤2：放置刀具6柱面置于顶盖7的定位V型槽内，同时使得刀具6柱面二维条码不在两个缝隙调节件12形成的缝隙内，且刀具6端面靠在圆柱端面定位块9上。此时，红外线传感器开关5检测到刀具6，开关接通，光源4打开，相机2开始采集图像；

步骤3：手动操作刀具6绕轴向顺时针旋转一周，旋转时保持刀具6端面与圆柱端面定位块9紧密接触，同时相机2自动连续采集刀具柱面二维条码图像，取走刀具6，红外线传感器开关5断开，光源4关闭，相机2停止采集。此时相机采集存储了3幅图像；

步骤4：相机2停止采集时，图像拼接融合算法自动启动。包括如下子步骤：

子步骤1：针对步骤3中采集存储的3幅刀具柱面二维条码图像，用竖直扫描线扫描左右缝隙边界线，裁剪取两条边界线之间的图像按顺序存储为A₁，A₂，A₃，分别参阅图7、图8、图9；

子步骤2：置i＝1；A′₁＝A₁；

子步骤3：用竖直扫描线从右向左扫描A′₁，记录第一条扫描线上的投影特征信息H_1，1，然后依次向左扫描，将每条扫描线上的投影特征信息与第一条扫描线H_1，1对比，至对比结果不相符时，结束扫描，并存储最后一条扫描线的投影特征信息H_1，2及位置y_1，1，参阅图10，裁剪掉位置y_1，1以右的图像部分存储为

参阅图11；

子步骤4：用竖直扫描线从右向左扫描A₂图，将每条扫描线上的投影特征信息，与子步骤3中存储的最后一条扫描线的投影特征信息H_1，2比对，当对比结果相符时，结束扫描，存储最后一条扫描线的位置y_1，2，参阅图12，裁剪掉位置y_1，2以左的图像部分并存储为

参阅图13；

子步骤5：将子步骤3获得的和子步骤4获得的

按左右位置，对准拼接在一起，存储为A′₂，参阅图14；

子步骤6：i＝i+1＝2；

子步骤7：由于不满足i≥3，进入子步骤3；即：

用竖直扫描线从右向左扫描A′₂图，记录第一条扫描线上的投影特征信息H_2，1，然后依次向左扫描，将每条扫描线上的投影特征信息与第一条扫描线H_2，1对比，至对比结果不相符时，结束扫描，并存储最后一条扫描线的投影特征信息H_2，2及位置y_2，1，参阅图15，裁剪掉位置y_2，1以右的图像部分存储为

参阅图16；

用竖直扫描线从右向左扫描A₃，将每条扫描线上的投影特征信息，与存储的最后一条扫描线的投影特征信息H_2，2比对，当对比结果相符时，结束扫描，存储最后一条扫描线的位置y_2，2，参阅图17，裁剪掉位置y_2，2以左的图像部分并存储为参阅图18；

将获得的和

按左右位置，对准拼接在一起，存储为A′₃，参阅图19；

i＝i+1＝3；

由于满足i≥3，进入子步骤8；

子步骤8：图像拼接融合算法结束，得到的A′₃作为接融合算法得到的最终的图像；参阅图19；

步骤5：使用二维条码解码算法读取步骤4拼接融合算法得到的图像A′₃，得到刀具柱面直接标刻二维条码的信息。

Claims (4)

1.一种金属柱面直接标刻二维条码的识读装置，其特征在于：包括底座(1)、相机(2)、外壳(3)、光源(4)、红外线传感器开关(5)、顶盖(7)；所述的外壳(3)与底座(1)、顶盖(7)连接，组成一个以底座(1)上表面为下限，以顶盖(7)下表面为上限的长方体封闭装置；所述相机(2)安装在底座(1)上表面的中央位置；所述顶盖(7)包括：一个导轨件(11)、两个定位件(10)和两个缝隙调节件(12)；所述导轨件(11)是一个中间有矩形通孔矩形薄片，该矩形通孔的短边有刻度，且薄片长边两侧有两条矩形导轨槽，导轨槽中间与矩形通孔相应的位置上有一段缺口，同时在一侧导轨槽缺口处有一矩形薄片的圆柱端面定位块(9)，圆柱端面定位块(9)前有一个矩形的红外线传感器开关使用孔(13)；所述定位件(10)由焊接在一个矩形块上的两个梯形块组成；两个矩形块的短边分别位于导轨件(11)两侧的矩形导轨槽中，使得两个矩形块可沿导轨槽滑动形成可变间隙；所述矩形块上有一与两短边平行、厚度为h的凹槽，使得矩形块和导轨件(11)之间形成一个供缝隙调节件(12)运动的通道；所述的梯形块分别位于两个矩形块相对一侧的长边，形成放置圆柱金属部件(6)的定位V型槽；所述缝隙调节件(12)由一个一边有凸起的金属薄片单独组成，薄片厚度为h，位于矩形块的凹槽内并可沿凹槽运动；两个矩形块上各有一个螺纹通孔，用于将定位件(10)、缝隙调节件(12)固定在导轨件(11)上；所述光源(4)安装在外壳(3)两侧的内壁上；所述红外线传感器开关(5)安装在与圆柱金属轴线垂直的外壳内壁中线处，且位于顶盖(7)的红外线传感器开关使用孔(13)下方；红外线传感器开关(5)连接在光源(4)和相机(2)的控制回路中，以控制光源(4)及相机(2)的开关。

2.如权利要求1所述的金属柱面直接标刻二维条码的识读装置，其特征在于：所述光源(4)与圆柱金属部件(6)的轴线平行。

3.如权利要求1所述的金属柱面直接标刻二维条码的识读装置，其特征在于：所述光源(4)位于顶盖(7)的下表面和相机(2)的上表面之间。

4.一种采用如权利要求1所述装置进行金属柱面直接标刻二维条码的识读方法，包括如下步骤：

步骤1：调节两个缝隙调节件(12)之间的距离至1～6mm；

步骤2：放置标刻Data Matrix二维条码垂直于圆柱轴线的圆柱金属部件(6)，使圆柱金属部件(6)柱面置于顶盖(7)的定位V型槽内，同时使得圆柱金属部件(6)柱面二维条码不在两个缝隙调节件(12)形成的缝隙内，且圆柱金属部件(6)端面靠在圆柱端面定位块(9)上；此时，红外线传感器开关(5)检测到圆柱金属部件(6)，开关接通，光源(4)打开，相机(2)开始采集图像；

步骤3：手动操作圆柱金属部件(6)绕轴向顺时针旋转一周，旋转时保持圆柱金属部件(6)端面与圆柱端面定位块(9)紧密接触，同时相机(2)自动连续采集并存储n幅金属柱面二维条码图像，取走圆柱金属部件(6)，红外线传感器开关(5)断开，光源(4)关闭，相机(2)停止采集；

步骤4：相机(2)停止采集时，图像拼接融合算法自动启动；图像拼接融合算法包括如下子步骤：

子步骤1：针对步骤3中采集存储的n幅金属柱面二维条码图像，用竖直扫描线扫描左右缝隙边界线，裁剪取两条边界线之间的图像按顺序存储为A₁，A₂，A₃，…，A_n；

子步骤2：置i＝1；A′₁＝A₁；

子步骤3：用竖直扫描线从右向左扫描A′_i图，记录第一条扫描线上的投影特征信息H_i，1，然后依次向左扫描，将每条扫描线上的投影特征信息与第一条扫描线H_i，1对比，至对比结果不相符时，结束扫描，并存储最后一条扫描线的投影特征信息H_i，2及位置y_i，1，裁剪掉位置y_i，1以右的图像部分存储为如果至扫描结束，对比结果一直相符，则置A′_i+1＝A_i+1，并进入子步骤6；

子步骤4：用竖直扫描线从右向左扫描A_i+1，将每条扫描线上的投影特征信息，与子步骤3中存储的最后一条扫描线的投影特征信息H_i，2比对，当对比结果相符时，结束扫描，存储最后一条扫描线的位置y_i，2，裁剪掉位置y_i，2以左的图像部分并存储为

如果至扫描结束，对比结果一直不相符，则直接进入直步骤8；

子步骤5：将子步骤3获得的

和子步骤4获得的

按左右位置，对准拼接在一起，存储为A′₁₊₁；

子步骤6：i＝i+1；

子步骤7：如果i≥n，进入子步骤8；否则，进入子步骤3；

子步骤8：图像拼接融合算法结束，得到的A′_n作为接融合算法得到的最终的图像；

步骤5：使用二维条码解码算法读取步骤4得到的图像A′_n，得到金属柱面直接标刻二维条码的信息。

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