Підвищення достовірності розпізнавання коду при ідентифікації шкіри в процесі її обробки

Размещено на http://www.allbest.ru

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ДУБРОВКІНА МАРГАРИТА ВАСИЛІВНА

УДК 007.001.362; 675.014.017; 535.31

ПІДВИЩЕННЯ ДОСТОВІРНОСТІ РОЗПІЗНАВАННЯ КОДУ ПРИ

ІДЕНТИФІКАЦІЇ ШКІРИ В ПРОЦЕСІ ЇЇ ОБРОБКИ

Спеціальність: 05.13.06 - Інформаційні технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Донецьк - 2009

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Науково-дослідному та проектно-конструкторському інституті «Іскра» Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Ульшин Віталій Олександрович,

завідувач кафедри «Системна інженерія» Східноукраїнського національного університету Міністерства освіти і науки України, м. Луганськ

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Скобцов Юрій Олександрович,

завідувач кафедри «Автоматизованісистеми управління» Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк

доктор технічних наук, професор

Удовенко Сергій Григорович,

професор кафедри «Електронно-обчислювальні машини» Харківського національного університету радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України, м. Харків

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького національного університету за адресою: 83000, м. Донецьк, вул. Університетська, 24, головний корпус.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради К 11.051.08 Шевцов Д.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Поширення глобальної конкуренції приводить до того, що споживач висуває усе більш жорсткі вимоги до якості продукції.

Особливість технологічного процесу виробництва шкіри полягає в тому, що в процесі обробки кожний виріб (відповідно до маршрутної карти процесу) попадає в різні партії.

Отже, для того, щоб забезпечити високу якість продукції, що виготовляється, необхідно відстежити точність дотримання технологічних режимів. Це можливо при однозначній ідентифікації виробів на кожному етапі обробки. Для рішення цієї задачі застосовують маркірування шкіри перфорованим кодом в системах виробничого управління.

При розпізнаванні перфорованого коду на різних етапах обробки шкіри можуть з'явитися помилки, обумовлені деформацією коду в процесі технологічної обробки шкіри, її різноманітністю та присутністю дефектів поверхні шкіри. перфорований код достовірність шкіра ідентифікація

З урахуванням цих особливостей ідентифікації шкіри в умовах її обробки рішення задачі забезпечення достовірності розпізнавання коду є актуальним. До рішення цієї задачі необхідно підходити комплексно: програмними й апаратними засобами, зокрема, на етапі отримання зображення - виконувати його поліпшення, а етап розпізнавання проводити з урахуванням деформації коду. Також актуальною є розробка система розпізнавання перфорованого коду зі шкіри, яка забезпечує однозначну ідентифікацію шкіри на всіх етапах її обробки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок дисертаційних досліджень пов'язано з темою ДКР НДПКІ «Іскра» - «Система маркірування шкір», номер державної реєстрації 0199U001616.

Мета роботи. Підвищення достовірності розпізнавання коду при ідентифікації шкіри для забезпечення контролю якості технологічного процесу на всіх етапах її обробки, що приводить до поліпшення якості продукції, що випускається.

Для досягнення мети були вирішені наступні основні задачі:

- дослідження впливу технологічного процесу обробки шкіри на достовірність розпізнавання коду;

- дослідження впливу світлотехнічних та геометричних параметрів процесу розпізнавання на достовірність коду та визначення його параметрів з урахуванням деформації коду та особливостей шкіри на етапах її обробки;

- розробка методу розпізнавання перфорованого коду для забезпечення однозначної ідентифікації шкіри на всіх етапах її обробки;

- розробка алгоритму та системи розпізнавання перфорованого коду, за допомогою яких забезпечується ідентифікація шкіри на всіх етапах її обробки.

Об'єкт дослідження - процес розпізнавання коду з різних видів шкіри, з урахуванням їх особливостей у процесі обробки, для однозначної ідентифікації виробу.

Предмет дослідження - система розпізнавання коду зі шкіри, що забезпечує достовірність розпізнавання коду з урахуванням різноманітності шкіри й деформації коду в процесі обробки шкіри.

Методи досліджень. Для вирішення поставлених в дисертації задач використовувалися: методи математичного моделювання, теорії імовірності й математичної статистики, системного аналізу, теорії планування досліджень та обробки результатів, систематизації теоретичних даних та їх обробки, теорія прийняття рішень. Чисельні розрахунки проводилися з використанням комп'ютера і пакета MathCAD. Достовірність основних теоретичних положень і результатів перевірялася з використанням математичного й фізичного моделювання, перевіркою на експериментальних і реальних зразках.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Вперше досліджено вплив технологічного процесу обробки шкіри на достовірність розпізнавання коду. Встановлено, що в процесі обробки шкір відбувається деформація перфорованого коду внаслідок зміни геометрії його елементів та їхнього взаємного розташування. Це приводить до помилкового визначення місцеположення елементів коду при його розпізнаванні. Показано, що світлотехнічні характеристики шкіри при використанні підсвічування суттєво залежать від кольору, покриття, вологості та наявності дефектів її поверхні, що обумовлює непомітність на фоні шкіри та загублення частини коду, та знижує достовірність його розпізнавання.

2. Вперше досліджено вплив взаємного розташування підсвічування та коду на контраст зображення по кожній із визначених груп шкір. Установлено, що при контрасті зображення не менш 20% розпізнавання відбувається з ймовірністю не менш ніж 94 %. При цьому площа освітленої (затіненої) області елемента коду повинна перевищувати 68 % площі перфорованого елемента коду з урахуванням його деформації на етапах обробки шкіри.

3. Вперше запропоновано метод розпізнавання перфорованого коду в процесі обробки шкіри, який базується на визначенні радіус-векторів від центру ваги групи інформаційних елементів коду до центру ваги кожного з цих елементів. В якості ознак використовується місцеположення елементів коду, задане значенням та направленням отриманих радіус-векторів з урахуванням афінних перетворень і нелінійних спотворень коду, що забезпечує ймовірність розпізнавання коду в процесі обробки шкіри не менш ніж 98 %.

Практичне значення отриманих результатів

1. Розроблена система розпізнавання коду, яка в составі комплексу маркірування забезпечує достовірність перфорованого коду на усіх видах шкір в процесі її обробки і, як наслідок, підвищення якості та зниження собівартості готової продукції.

2. Розроблено алгоритм розпізнавання перфорованого коду, який за рахунок вибору найкращого варіанту підсвічування при отриманні зображення та розробленого методу розпізнавання забезпечує найбільш чітке зображення та точне визначення місцеположення елементів коду з урахуванням деформації шкіри в процесі її обробки, що, в свою чергу, забезпечує достовірність розпізнавання коду.

Результати дисертаційної роботи використані при розробці системи маркування шкір і її впровадженні на ЗАТ «ВОЗКО» (м. Вознесенськ, Миколаївська область), що підтверджується відповідними документами, наведеними в додатку дисертації. Економічний ефект від впровадження системи розпізнавання коду в складі комплексу маркірування склав 5 млн. грн. на рік за рахунок забезпечення повного контролю якості технологічного процесу на всіх етапах обробки шкіри й, отже, підвищення сорту шкіри й зниження браку, а також повного обліку продукції, що випускається.

При розробці й дослідженні комплексу маркірування використані наступні результати дисертаційної роботи здобувача:

- дослідження впливу технологічного процесу обробки на достовірність розпізнавання коду зі шкіри;

- розробка та дослідження математичної моделі отримання зображення коду;

- розробка методу розпізнавання перфорованого коду;

- рекомендації з проектування приладів розпізнавання коду.

Особистий внесок здобувача. Всі основні положення й результати дисертаційної роботи, що виносяться на захист, отримані автором самостійно.

Апробації результатів дисертації. Основні результати проведених досліджень, виводи й пропозиції доповідалися, обговорювалися й були схвалені на вченій раді НДПКІ «Іскра» (протокол засідання вченої ради № 05-08 від 26.05.2008р.), на кафедрі «Системної інженерії» СНУ ім. В. Даля, на конференціях: III, IV Всеукраїнська науково-практична конференція «Інформаційні технології й безпека в керуванні» (СНУ, смт. Ливадія, 2006, 2007 рр.); XV Міжнародна наукова конференція молодих вчених «Наука й вища освіта» (ЗІДМУ, Запоріжжя, 2007 р.); VI Науково-технічна конференція «Приладобудування: стан і перспективи» (КПІ, Київ, 2007 р.); IX Міжнародна науково-технічна конференція «Системний аналіз і інформаційні технології» (КПІ, Київ, 2007 р.);VII, VIII Міжнародна науково-технічна конференція аспірантів і студентів «Автоматизація технологічних об'єктів і процесів. Пошук молодих» (ДНТУ, Донецьк, 2007, 2008 рр.); III, IV Міжнародна конференції «Стратегія якості в промисловості та освіті» (Технічний університет - Варна, Болгарія, 2007, 2008 рр.); Науково-практична конференція «Інформаційно-обчислювальні системи в хімічній промисловості» («Хімтехнологія», Сєвєродонецьк, 2007 р.); IХ Міжнародна науково-технічна конференція «Штучний інтелект - 2008» (Інститут проблем штучного інтелекту, сел. Кацивелі, АР Крим, Україна, 2008 р.). Система розпізнавання перфорованого коду була представлена на виставках «Східна брама-2008» та «Барвиста Україна-2008».

Публікації. За темою дисертації опубліковано 17 друкованих праць, у тому числі 9 статей у наукових виданнях, затверджених ВАК України, 2 - у Міжнародних журналах, 6 - у тезах доповідей і матеріалах наукових конференцій, і отримано 2 патенти України на корисну модель.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел (120 позицій), 11 додатків. Містить 41 рисунок, 9 таблиць. Основна частина роботи викладена на 176 сторінках машинописного тексту, загальний обсяг - 229 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, наведено дані про зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульовані мета і задачі досліджень, які необхідно вирішити для її досягнення. Викладені наукова новизна, практичне значення результатів дисертаційних досліджень, зазначено особистий внесок здобувача, наведено дані про апробацію результатів роботи та публікації.

У першому розділі дисертації проведено аналіз процесу обробки шкір і аналіз маркірування шкіри в умовах шкіряного виробництва.

На основі виконаного аналізу встановлено, що найбільш ефективним методом отримання зображення коду для забезпечення достовірно розпізнаного коду в умовах виробництва шкіри є оптоелектронний метод зчитування на відбиття. Також встановлено, що існуючі системи зчитування, а також методи та способи розпізнавання не забезпечують достовірність розпізнаного коду з урахуванням особливостей шкіряного виробництва: різноманітності шкіри (колір, вологість, покриття); деформації маркірувального коду в процесі обробки шкіри; дефектів поверхні шкіри, які можуть вносити помилку при формуванні зображення коду. Тому їх застосування приведе до неоднозначної ідентифікації шкіри в результаті недостовірно розпізнаного коду і, як наслідок, до неправильного вибору технологічних режимів при подальшій обробці шкіри. У результаті можлива поява браку, а це приведе до зниження якості продукції, що випускається.

На основі виконаного аналізу сформульовані мета та задачі досліджень.

У другому розділі виконано дослідження впливу технологічного процесу обробки шкіри на достовірність розпізнавання перфорованого коду зі шкіри.

Для визначення деформації коду в процесі обробки шкіри синтезована математична модель зміни геометричних параметрів коду на всіх пройдених до розпізнавання етапах обробки шкіри (основні з них наведені нижче):

1. Максимальний і мінімальний лінійні розміри перфорованого елементу коду у верхній і нижній площині шкіри:

,

, (1)

, (2)

, (3)

де - діаметр перфорованого елементу коду при його нанесенні;,,- коефіцієнти, які ураховують вплив технологічного процесу (температурних режимів, хімреагентів та механічних впливів) на всіх пройдених етапах обробки на зміну геометричних параметрів коду; i - пройдений етап обробки, m - загальна кількість пройдених етапів обробки шкіри.

2. Механічний зсув осі елементу коду:

, , (4)

де і - механічний зсув осі елементу коду по осям ОХ і ОУ відповідно при нанесенні коду.

3. Крок між осями елементів коду в одному ряді й між рядами:

, , (5)

де , -крок між осями елементів коду в одному ряду та крок між рядами при нанесенні коду відповідно.

Для перевірки адекватності запропонованих математичних моделей реальним процесам виробництва та уточнення цих параметрів були проведені експериментальні дослідження.

При дослідженні впливу технологічного процесу обробки шкіри на геометричні параметри перфорованого коду отримані наступні результати:

- після обробки на зольній і дубильній галереях деякі елементи коду набули форми еліпса, яка збереглася і на подальших етапах обробки;

- значення геометричних параметрів коду в процесі обробки шкіри змінюється в 1,07-2,5 разів.

Крім коду в поле зору відеокамери при отриманні зображення можуть попадати дефекти поверхні шкіри, які будуть вносити додаткові перешкоди при отриманні зображення перфорованого коду.

При дослідженні впливу дефектів на код були отримані наступні результати:

- всі дефекти можна розділити на дві групи: значущі - дефекти, які при отриманні зображення перфорованого коду можуть вносити помилку, й незначущі - дефекти, що не впливають на формування образу коду;

- найбільш часто зустрічаються «потертості» поверхні шкіри (32,8%), саме ці дефекти будуть вносити найбільшу кількість помилок при розпізнаванні коду.

Різноманітність шкір за кольором, вологістю й покриттям поверхні також ускладнює операцію розпізнавання коду. При дослідженні впливу різноманітності шкір на отримання зображення коду були отримані наступні результати:

- яскравість зображення шкіри на дубильної галереї дорівнює в середньому 110 градацій (всього 256 градацій сірого);

- яскравість зображення вологої шкіри на дубильної галереї зменшується в 1,12 разів;

- яскравість зображення шкіри після її фарбування для різних кольорів змінюється от 13 до 215 градацій; оскільки діапазон яскравості при отриманні зображення шкіри досить широкий, то яскравості елементів коду і поверхні шкіри можуть бути близькі за значенням;

- яскравість зображення при нанесенні покриття змінюється: при тисненні - збільшується в 1,18 разів, при шліфовці - в залежності від кольору шкіри може збільшитися в 1,02-1,55 разів або зменшитися в 1,02-1,27 разів, при нанесенні матового лаку - збільшується в 1,01-1,64 разів, при нанесенні блискучого лаку - збільшується в 1,11-3,6 разів; даний вид покриття буде вносити найбільше помилок при розпізнаванні коду.

Процес розпізнавання коду складається з етапів: отримання зображення, розпізнавання й передачі інформації в базу даних.

У результаті вище перерахованих особливостей коду та шкіри в процесі її обробки при отриманні зображення коду можливі (рис. 1): нерозрізненість елементів коду на фоні шкіри, «зникнення» частини коду в результаті потрапляння на них дефектів поверхні або відблисків та помилкове визначення місцезнаходження елементів коду внаслідок його деформації.

а б в

Рис. 1. Зображення коду з нерозрізненістю елементів коду (а), «зникненням» частини коду (б), деформацією коду (в)

До рішення задачі забезпечення достовірності розпізнавання необхідно підходити комплексно: отримання зображення коду проводити з урахуванням кольору, покриття та дефектів шкіри, а також деформації елементів коду; та розпізнавання - з урахуванням деформації коду.

У третьому розділі проведено дослідження впливу світлотехнічних та геометричних параметрів на достовірність процесу розпізнавання коду та визначення його параметрів з урахуванням деформації коду та особливостей шкіри на етапах її обробки.

Для рішення поставленого завдання розроблено критерій якості зображення для оцінювання достовірності розпізнавання коду, що являє собою залежність функції достовірності від параметрів процесу отримання зображення коду:

,

де V_hi - вхідні параметри; Р_hi - ймовірність, з якою значення вхідного параметра попадають у заданий діапазон; Р_h0 - задане граничне значення ймовірності вхідного параметра; i=1,2,…,n (n - кількість вхідних параметрів).

За рахунок вибору варіанта отримання зображення по освітленню або затіненню елементів коду підвищується контраст зображення коду, що у свою чергу забезпечує достовірність розпізнавання коду.

Критерій якості зображення для оцінювання достовірності розпізнавання перфорованого коду F(d)= 1, якщо отримано чітке зображення перфорованого коду при наступних основних умовах:

1. Контраст зображення перфорованого коду має бути:

2.

- при освітленні елементів коду ,

- при затіненні елементів коду ,

де k_сф - коефіцієнт світлофільтра, L_0осв, L_Фосв (L_0тен, L_Фтен) - яскравість області елементів коду й фону при отриманні зображення по освітленню (затіненню) елементів коду відповідно; К_порог=0,2 - граничне значення контрасту, при якому можливо отримати чітке зображення перфорованого коду (отримано з літературних даних і перевірене експериментально).

Якщо рівень чорного зображення шкіри , то для даної шкіри характерним . Якщо рівень чорного зображення шкіри , то для даної шкіри характерним може бути або , залежно від її поверхні (гладка або шорсткувата).

3. Площа освітленої області елемента коду становить

, (8)

де

R_V, R_N - радіуси елемента коду в верхній та ніжний плоскості шкіри відповідно (R_V ?0, R_N ?0);

б, Я - напрямок світового потоку.

Площа по затіненню елементів коду визначається аналогічно.

3. Повинні виконуватися умови відсікання:

- некрізних дефектів - максимально припустима глибина некрізних дефектів шкіри (50% загальної товщини шкіри);

- непорівнянних дефектів, лінійні розміри яких задовольняють наступній системі виразів:

де D_{1 def} , D_{2 def} - максимальний і мінімальний розміри дефекту.

При невиконанні умов отримання чіткого зображення коду F(d)=0.

Розроблена математична модель отримання зображення коду враховує: присутність дефектів поверхні шкіри; деформацію шкіри в процесі технологічної обробки й, як наслідок, деформацію маркірувального коду; різноманітність шкір і їх особливості на різних етапах обробки.

За рахунок вибору найкращого варіанта підсвічування (по освітленню або затіненню елементів коду) забезпечується максимальний контраст зображення й, отже, достовірно розпізнаний код. Площа освітленої (затіненої) області елемента коду повинна перевищувати 68 % площі перфорованого елемента з урахуванням його деформації в процесі обробки шкіри.

На підставі досліджень впливу світлотехнічних параметрів процесу розпізнавання перфорованого коду на достовірність розпізнаної інформації, встановлено:

- за рахунок вибору варіанта отримання зображення по освітленню або затіненню елементів коду можна збільшити контраст зображення коду до К ? К_порог=20%, і забезпечити достовірність розпізнавання коду;

- число шкір, що не досягло К_порог при будь-якому положенні підсвічування, склало 4%.

При дослідженні впливу геометричних параметрів процесу розпізнавання коду (зокрема - положення джерела світла) на площу освітленого елемента коду (рис. 2) при отриманні зображення по освітленню коду, і, як наслідок, на достовірність розпізнавання отримані наступні результати:

- ймовірність достовірно розпізнаного коду підвищується зі збільшенням площі освітленої області елемента коду. Якщомм², то код розпізнається достовірно. Площа освітленої області елемента коду визначається з урахуванням зміни геометричних параметрів коду в процесі обробки шкіри;

- зменшення кута між напрямком світлового потоку та перпендикуляром до поверхні шкіри підвищує достовірність розпізнавання;

- при наявності механічного зсуву осі елемента коду необхідно вибирати кут повороту світлового потоку такий, щоб проекції векторів механічного зсуву осі елемента коду й оптичного зсуву осі зображення елемента коду на площину XOY були спрямовані в протилежні сторони.

а б

Рис. 2. Залежність площі освітленої області елемента коду від напрямку падіння світлового потоку б (а) і від повороту світлового потоку в при наявності механічного зсуву (б); де S_осв, Sp_осв - значення площі освітленої області елемента коду, отримані експериментальним шляхом та за допомогою поліномів та , які були синтезовані по експериментальним даним

Дослідження впливу геометричних параметрів процесу розпізнавання коду (зокрема - положення джерела світла) на площу затіненої області елемента коду при отриманні зображення по затіненню коду, і, як наслідок, на достовірність коду показали, що:

- при збільшенні кута напрямку світлового потоку збільшується площа затіненої області елемента коду й, як наслідок, підвищується ймовірність достовірно розпізнаного коду;

- при наявності механічного зсуву осі елемента коду функція залежності площі затіненої області елемента коду від кута повороту світлового потоку в площині шкіри має виражений глобальний максимум при б=60⁰±9⁰ (рис. 3);

- площа затіненої області елемента коду має максимальне значення у випадку якщо напрямок проекції вектора механічного зсуву осі елемента коду на площину XOY є протилежним проекції вектора оптичного зсуву зображення елемента коду.

Рис. 3. Графік залежності площі затінених областей елементів коду S_тен від напрямку світлового потоку, отримане за допомогою поліномів та , які були синтезовані по експериментальним даним

У четвертому розділі виконана розробка методу розпізнавання перфорованого коду з урахуванням спотворень коду та шкіри в процесі її обробки.

Код є двовимірною прямокутною матрицею елементів розмірністю 6 на 8. У кожному інформаційному стовпці знаходяться два елементи коду. Місцеположення цих двох інформаційних елементів відповідає цифрі коду. Даний код несе інформацію про характеристики шкіри під час постачання її на шкіряний завод і в процесі обробки.

Задача розпізнавання полягає у прийняті рішення про відповідність зображення коду одному з класів. Класом є ідентифікаційний код с урахуванням його деформації в процесі технологічної обробки шкіри. Таким чином, кількість класів при розпізнаванні коду відповідає кількості кодів і дорівнює 10⁷.

Як метод підвищення контрасту зображення коду обрана лінійна кореляція. Для спрощення подальшого розпізнавання виконана бінарізація зображення. Виконано сегментацію зображення методом виділення зв'язних областей із присвоєнням їм міток. Після цієї операції виконується перевірка кількості отриманих областей, яких повинно бути 27.

Для забезпечення достовірності розпізнавання перфорованого коду розроблено метод розпізнавання, оснований на визначенні радіус-векторів від центру ваги інформаційних елементів коду до центру ваги кожного з цих елементу з урахуванням афінних перетворень й нелінійних спотворень коду, отриманих в результаті довільного розташування коду при формуванні зображення, і деформації шкіри в процесі її обробки (рис. 4, а).

а б

Рис. 4. Побудова радіус-векторів від центру ваги інформаційних елементів коду до центру ваги кожного з цих елементів (а), знаходження напрямку радіус-векторів (б)

Для вирішення поставленого завдання спочатку виконано пошук базових рядка й стовпця.

Оскільки перфорований код при розпізнаванні має бути інваріантний до афінних перетворень, то при знаходженні напрямку радіус-векторів необхідно враховувати місця розташування центру ваги базових стовпця й рядка. Тому, для забезпечення інваріантності методу розпізнавання до повороту вихідного зображення в якості нульового вектору при визначенні кутів векторів використовується вектор між центрами ваги групи інформаційних та базових елементів коду (рис. 4, б):

де Xck, Yck - центр ваги коду без обліку базових рядка й стовпця, Xcb, Ycb - центр ваги елементів базових рядка й стовпця, Xco_g, Yco_g - центр ваги g-го інформаційного елемента коду (g=1,2,…,n; де n - кількість інформаційних елементів коду).

У результаті були отримані матриці значень радіус-векторів та їх напрямків (відповідно та ). Для забезпечення інваріантності до зсуву й дзеркального відображення, а також до лінійного перетворення виконувалося сортування напрямків б_g за зростанням (ранжирування). При цьому було виконано ранжирування радіус-векторів відповідно до їх напрямків і отримано матрицю . Для забезпечення інваріантності коду до масштабування та нелінійного перетворення виконувалася нормалізація радіус-векторів коду (у результаті отримано матрицю Re nor).

Заключним етапом розпізнавання є порівняння з еталоном. Еталонами є розпізнані та занесені в базу даних (БД) зображення коду відразу після їх нанесення.

Обчислюються коефіцієнти кореляції K(Re nor, R etal), де R etal - радіус-вектори від центру ваги коду (без обліку базових елементів коду) до кожного інформаційного елементу в зображеннях еталонах.

Для прискорення процесу пошуку еталону застосовується принцип дихотомії:

, ,

Якщо (де 0,45 - граничне значення коефіцієнта кореляції, яке визначається експериментально за допомогою тестової вибірки), то отриманий код збігається з еталонним, інакше - ні.

Після розпізнавання коду вносяться знов отримані дані про шкіру в базу даних.

Проведено дослідження впливу афінних перетворень і нелінійних перекручувань перфорованого коду на всіх етапах обробки шкіри на коефіцієнт кореляції, а, отже, і на достовірність розпізнавання коду. У результаті встановлено, що при порівнянні коду з еталоном його класу змінюється від 0,6 до 1, а при порівнянні з еталонами інших класів від 0,025 до 0,3.

П'ятий розділ присвячений розробці системи розпізнавання коду як складової частини комплексу маркірування.

Комплекс маркірування забезпечує нанесення коду на шкіру, введення його в БД, розпізнавання цього коду з напівфабрикатів і готової шкіри в процесі її виробництва, введення в БД відомостей про знов отримані параметри оброблюваного виробу. Даний комплекс маркірування функціонує в комплексі з системою виробничого управління. Аналіз накопичених даних у БД системи виробничого управління дозволяє локалізувати й виявити причини браку, отже, відстежити якість сировини й роботу всіх ділянок виробництва і, як наслідок, забезпечити високу якість продукції, що виготовляється.

Розпізнавання виконується на різних етапах обробки шкіри, тому для забезпечення достовірності розпізнавання коду необхідно враховувати особливості шкіри в процесі її обробки (колір, вологість, покриття) і деформацію коду. Це здійснюється за допомогою розробленої системі розпізнавання, яка забезпечує достовірність коду завдяки вибору найкращого варіанта підсвічування при отриманні зображення та розробленому методу розпізнавання, який враховує афінні перетворення й нелінійних спотворення коду. Система працює за адаптивним алгоритмом, який розроблено автором.

Ймовірність розпізнавання коду зі шкіри - не менш 98% (за даними ЗАТ «ВОЗКО», на якому впроваджена дана система). Це дозволяє реалізувати на всіх стадіях обробки ідентифікацію шкіри, що в результаті дає значне підвищення кількості продукції вищого сорту.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-технічна задача підвищення достовірності розпізнавання коду при ідентифікації шкіри для забезпечення контролю якості технологічного процесу на всіх етапах її обробки, що приводить до поліпшення якості продукції.

Основні результати роботи:

1. Встановлено, що існуючи системи зчитування коду не враховують особливості шкіри в процесі її обробки: колір, покриття, деформацію перфорованого коду та дефекти поверхні, які вносять помилки при формуванні зображення коду.

Це приводить до неправильного вибору технологічних режимів при подальшій обробці шкіри, у результаті цього можлива поява браку і, як наслідок, зниження якості продукції, що випускається.

Проведений порівняльний аналіз показав, що найбільш ефективним для забезпечення достовірно розпізнаного коду є оптоелектронний метод зчитування на відбиття.

2. Встановлено, що існуючи методи розпізнавання не забезпечують достовірність коду внаслідок того, що не враховують його деформацію в процесі обробки шкіри. Внаслідок цього можлива неоднозначна ідентифікація шкіри, яка приведе до неправильного вибору технологічних режимів при подальшій обробці шкіри та до зниження якості продукції, що випускається.

3. Досліджено вплив технологічного процесу обробки шкіри на достовірність розпізнавання коду. Встановлено, що в процесі обробки шкір відбувається деформація перфорованого коду внаслідок зміни геометрії його елементів та їхнього взаємного розташування, що приводить до помилкового визначення місцеположення елементів коду при його розпізнаванні. Показано, що світлотехнічні характеристики шкіри при використанні підсвічування суттєво залежать від кольору, покриття, вологості та наявності дефектів її поверхні, що обумовлює непомітність на фоні шкіри та загублення частини коду і, як наслідок, знижує його достовірність.

Тому рішення задачі розпізнавання в умовах технологічного процесу обробки шкіри виконується комплексно: отримання зображення проводиться з урахуванням кольору, покриття та дефектів шкіри, а також деформації елементів коду, а розпізнавання з урахуванням деформації коду.

5. Для оцінювання достовірності розпізнавання коду введено критерій якості зображення як функцію достовірності, значення якої дорівнюється «1», якщо вихідний параметр (розпізнаний код) як функція залежності від вхідних параметрів процесу розпізнавання коду та випадкових впливів дорівнює значенню відповідного маркувального коду, інакше значення функції достовірності дорівнює «0» .

6. Встановлено, що отримання якісного зображення коду для забезпечення достовірності розпізнавання коду залежить від:

- контрасту зображення коду, на значення якого впливають світлотехнічні параметри процесу;

- площі освітленої (затіненої) області елемента коду (в залежності від вибору варіанта підсвічування), на значення якої впливають геометричні параметри процесу;

- виконання умов відсікання дефектів.

7. По контрасту зображення коду всі шкіри розділені на 3 групи:

- перша група - рівень чорного яких менше 0,5 і контраст при отриманні зображення по затіненим елементам коду вище, ніж по освітленим;

- друга група - рівень чорного яких не менш 0,5 і контраст при отриманні зображення по затіненим елементам коду вище, ніж по освітленим;

- третя група - рівень чорного яких не менш 0,5 і контраст при отриманні зображення по затіненим елементам коду вище, ніж по освітленим.

Установлено, що для кожної групи шкір за рахунок вибору варіанта отримання зображення по освітленим або затіненим елементам коду підвищується значення контрасту, що у свою чергу забезпечує достовірність розпізнавання коду.

8. Вперше досліджено вплив взаємного розташування підсвічування та коду на контраст зображення по кожній із визначених груп шкір. Установлено, що при контрасті зображення не менш 20% розпізнавання відбувається з ймовірністю не менш ніж 94 %. При цьому площа освітленої (затіненої) області елемента коду повинна бути не менш ніж 68 % площі перфорованого елемента коду з урахуванням його деформації на етапах обробки шкіри.

9. На підставі досліджень впливу світлотехнічних параметрів процесу розпізнавання коду на контраст зображення встановлено:

- за рахунок вибору варіанта отримання зображення по освітленим або затіненим елементам коду можна збільшити контраст зображення до К ? К_порог=0,2, і забезпечити достовірність розпізнавання коду;

- число шкір, що не досягло К_порог при будь-якому положенні підсвічування, склало 4%.

Дослідження впливу положення джерела світла на достовірність розпізнавання коду по освітленню його елементів дозволили встановити, що:

- ймовірність достовірного коду підвищується зі збільшенням площі освітленої області його елементів. Якщо мм², то код розпізнається достовірно. Площа освітленої області елемента коду визначається з урахуванням зміни геометричних параметрів коду в процесі обробки шкіри;

- зменшення кута між напрямком світлового потоку та перпендикуляром до плоскості шкіри підвищує достовірність розпізнавання;

- при наявності механічного зсуву осі елемента коду необхідно вибирати кут повороту світлового потоку такий, щоб проекція вектора механічного зсуву осі елемента коду на площину XOY була направлена протилежно проекції вектора оптичного зсуву осі зображення елемента коду.

При дослідженні впливу положення джерела світла на достовірність розпізнаної інформації отримані наступні результати:

- при збільшенні кута напрямку світлового потоку збільшується площа затіненої області елемента коду й, як наслідок, підвищується ймовірність достовірно розпізнаного коду;

- при наявності механічного зсуву осі елемента коду функція залежності площі його затіненої області від кута повороту світлового потоку в площині шкіри має виражений максимум при б=60⁰±9⁰;

- площа затіненої області елемента коду має максимальне значення у випадку, якщо напрямок проекції вектора механічного зсуву осі елемента коду на площину XOY є протилежним проекції вектора оптичного зсуву зображення елемента коду.

10. Запропоновано метод розпізнавання перфорованого коду в процесі обробки шкіри, який базується на визначенні радіус-векторів від центру ваги групи інформаційних елементів коду до центру ваги кожного з цих елементів. В якості ознак використовується місцеположення елементів коду, задане значенням та направленням отриманих радіус-векторів з урахуванням афінних перетворень й нелінійних спотворень коду, що забезпечує ймовірність розпізнавання в процесі обробки шкіри не менш ніж 98 %.

11. Розроблено систему розпізнавання коду, що працює за адаптивним алгоритмом й забезпечує розпізнавання коду зі шкіри з урахуванням її різноманітності (колір, вологість, покриття) і деформації коду (зміна форми й розміру елементів коду, зсув осі елементів коду, зміна кроку між елементами й деформація форми коду) на всіх етапах обробки шкіри. Достовірність розпізнавання коду забезпечується за рахунок вибору найкращого варіанта підсвічування (верхнього або бічного), котрий забезпечує максимальне значення контрасту зображення коду при його отриманні по освітленню або затіненню, та розробленого методу розпізнавання, який засновано на визначенні місцеположення елементів коду з урахуванням його деформації в процесі обробки шкіри.

12. Результати дисертаційної роботи були використані в НДПКІ «Іскра» при розробці системи маркірування шкір, яка була впроваджена на ЗАТ «ВОЗКО» (м. Вознесенськ, Миколаївська область). Це підтверджується відповідними документами, наведеними в додатку дисертації. Ймовірність розпізнавання коду зі шкіри - не менш 98%. Це дозволяє реалізувати на всіх стадіях обробки ідентифікацію шкіри, що є одним зі способів включення механізмів економічної зацікавленості, технологічної відповідальності, і в остаточному підсумку дає значне підвищення кількості продукції вищого сорту. Економічний ефект від впровадження системи розпізнавання коду в складі комплексу склав 5 млн. грн. у рік.

13. Розроблена система розпізнавання коду в складі комплексу маркірування може бути використана для обліку й контролю виробів у різних галузях промисловості.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Дубровкина М. В. Комплекс идентификации и контроля изделий для АСУ ТП кожевенного производства / М. В. Дубровкина // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. - 2006. - № 9 (103). - Частина 1. - С. 135 - 139.

2. Дубровкина М. В. Исследование влияния технологического 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.

3. Дубровкина М. В. Исследование влияния дефектов поверхности кожи на формирование перфорированного кода при контроле качества изделий для АСУ ТП кожевенного производства / М. В. Дубровкина // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. - 2007. - № 5 (111) - частина 1. - С. 183 - 188.

4. Дубровкина М. В. Математическая модель устройства считывания кода информационно-аналитической системы управления технологическим процессом / Дубровкина М. В., Шаповалов В. Д. // Системні технології. Регіональний міжвузівський збірник наукових праць. - Днепропетровськ, 2007. - Випуск 2 (49). - C. 118-122.

5. Ульшин В. А. Исследование влияния верхней подсветки на достоверность считывания перфорированного кода с кожи / В. А. Ульшин, М. В. Дубровкина // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. - 2008. - № 7 (125) - частина 1. - С. 11 - 19.

6. Дубровкина М. В. Математическая модель процесса считывания и метод распознавания перфорированного кода в условиях кожевенного производства / М. В. Дубровкина // Восточно-европейский журнал передовых технологий: Научно-теоретический журнал - Харьков, 2008. - С. 25-29.

7. 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.

8. Дубровкина М. В. Исследование влияния боковой подсветки на достоверность считывания перфорированного кода с кожи / М. В. Дубровкина // Адаптивные системы автоматического управления. Региональный межвузовский сборник научных трудов. - Вып. 12 (32). - Днепропетровск, 2008. - С. 32 - 37.

9. М. В. Дубровкина. Признаковый метод распознавания, адаптированный под аффинные преобразования и нелинейные искажения перфорированного кода [ Электронный ресурс] / М. В. Дубровкина// Вестник Восточноукраинского национального университета - Луганск, 2008 - № 2Е. - Режим доступа:

http://www.nbuv.gov.ua/e-journals/Vsunud/2008-2E/08dmvipc.htm.

10. Дубровкина М. В. Исследование влияния случайной составляющей на формирование образа перфорированного кода / М. В. Дубровкина // Системний аналіз та інформаційні технології: Матеріали IX Міжнародної науково-технічної конференції (15-19 травня 2007 р., Київ). - К.: НТУУ «КПІ», 2007. - С. 106.

11. Дубровкина М. В. Анализ светотехнических характеристик устройства считывания кода АСУ ТП кожевенного производства / М. В. Дубровкина // Автоматизація технологічних об`єктів та процесів. Пошук молодих: Збірник наукових праць VII Міжнародної науково-технічної конференції аспірантів та студентів (м. Донецк, 26-28 квітня 2007р.) - Донецьк, ДонНТУ, 2007. - C.105-107.

12. Дубровкина М. В. Аппаратная реализация устройства считывания кода / М. В. Дубровкина // Приладобудування: стан і перспективи: збірник тез доповідей VI науково-технічної конференції, 24-25 квітня 2007 р., м. Київ - Київ: ПБФ, НТУУ «КПІ». - 2007. - С. 60.

13. Дубровкина М. В. Математическая модель интеллектуальной системы считывания перфокода для кожевенного производства / М. В. Дубровкина // Исскуственный интеллект. Интеллектуальные системы: Материалы IX Международной научно-технической конференции - Донецк: ИПИИ «Наука і освіта». - 2008.- С. 82-84.

14. Шаповалов В.Д. Автоматизированная система управления качеством технологического процесса кожевенного производства / В.Д. Шаповалов, М.В. Дубровкина // Наука і вища освіта: Тези доповідей XV Міжнародної наукової конференцїї молодих науковців (м. Запоріжжя, 17-18 травня 2007 р.): [у 3 ч.]. - 2007. - Ч. 2 - С. 297-298.

15. Дубровкина М. В. Математическая модель АСУ качеством техпроцесса кожевенного производства / М. В. Дубровкина, В.Д. Шаповалов // Стратегия качества в промышленности и образовании: Сборник материалов IV Международной конференции (г. Варна, Болгария, 1-8 июня 2008г.): [в 2 т.]. - Технический университет-Варна-Днепропетровск, 2008. - Т. 2. - С. 471 - 474.

16. Дубровкина М. В. Аппаратная реализация комплекса считывания кода / М. В. Дубровкина // Стратегия качества в промышленности и образовании: Сборник материалов III Международной конференции (г. Варна, Болгария, 1-8 июня 2007г.): [в 2 т.]. - Технический университет-Варна-Днепропетровск, 2007. - Т. 2. - С. 471 - 474.

17. Дубровкина М. В. Адаптивное устройство считывания перфорированного кода с кожи / М. В. Дубровкина // Автоматизація технологічних об`єктів та процесів. Пошук молодих: Збірник наукових праць VIIІ Міжнародної науково-технічної конференції аспірантів та студентів (м. Донецк, 11-14 травня 2008р.) - Донецьк, ДонНТУ, 2008. - C.105-107.

18. Пат. 34340 Україна, МПК (2006) G 06 K1/00,G 06 K 9/00. Спосіб зчитування перфорованого коду при контролі якості виробів шкіряного виробництва / Дубровкіна М. В.; заявник та патентовласник Науково-дослідний та проектно-конструкторський інститут «Іскра». - № u 20080 2443; заявл. 25.02.2008; опубл. 11.08.2008, Бюл. № 15.

19. Пат. 34341 Україна, МПК G 06 K 9/00. Адаптивній пристрій зчитування перфорованого коду для шкіряного виробництва / Дубровкіна М. В.; заявник та патентовласник Науково-дослідний та проектно-конструкторський інститут «Іскра». - № u 2008 02444; заявл. 25.02.2008; опубл. 11.08.2008, Бюл. № 15.

У працях, виконаних у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає в наступному: [4] - розробка математичної моделі пристрою отримання зображення коду, [5] - дослідження впливу розташування верхнього підсвічування на достовірність розпізнавання коду, яка залежить від площі освітлених елементів перфорованого коду, [7] - дослідження впливу типа підсвічування на контраст зображення, отже на достовірність коду; розробка адаптивного алгоритму зчитування перфорованого коду, [15, 16] - доробка інформаційно-аналітичної моделі системи виробничого управління шкіряного виробництва та її адаптація під вимоги технологічного процесу обробки шкіри.

АНОТАЦІЇ

Дубровкина М. В. «Підвищення достовірності розпізнавання коду при ідентифікації шкіри в процесі її обробки». - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - «Інформаційні технології» - Донецький національний університет, Донецьк, 2009.

Дисертація присвячена рішенню задачі підвищення достовірності розпізнавання коду при ідентифікації шкіри в процесі її обробки.

При дослідженні впливу технологічного процесу обробки шкіри на достовірність коду встановлено, що при обробці відбувається деформація коду внаслідок зміни геометрії його елементів та їхнього взаємного розташування, це приводить до помилкового визначення місцеположення елементів коду при розпізнаванні. Світлотехнічні характеристики шкіри при використанні підсвічування суттєво залежать від її особливостей, що обумовлює непомітність на фоні шкіри і загублення частини коду та знижує достовірність його розпізнавання. Досліджено вплив взаємного розташування підсвічування та коду на контраст зображення по кожній із визначених груп шкір. При контрасті зображення не менш 20% розпізнавання відбувається з ймовірністю не менш ніж 94 %. При цьому площа освітленої (затіненої) області елемента коду повинна перевищувати 68 % площі елемента коду з урахуванням його деформації. Запропоновано метод розпізнавання коду, який базується на визначенні радіус-векторів від центру ваги інформаційних елементів коду до центру кожного з цих елементів. Ймовірність розпізнавання коду не менш ніж 98 %. Розроблені алгоритм і система розпізнавання коду.

Ключові слова: ідентифікація шкіри, розпізнавання перфорованого коду, деформація коду, дефекті поверхні шкіри, контраст зображення, елемент коду, система розпізнавання коду.

Дубровкина М. В. «Повышение достоверности распознавания кода при идентификации кожи в процессе её обработки». - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - «Информационные технологии» - Донецкий национальный университет, Донецк, 2009.

Диссертация посвящена решению задачи повышения достоверности распознавания кода при идентификации кожи для обеспечения контроля качества технологического процесса на всех этапах её обработки, что приводит к улучшению качества выпускаемой продукции.

Исследовано влияние технологического процесса обработки кожи на достоверность распознавания кода. В процессе обработки кож происходит деформация перфорированного кода вследствие изменения геометрии его элементов и их взаимного расположения, что приводит к ошибочному определению местоположения элементов кода при распознавании. Светотехнические характеристики кожи при использовании подсветки существенно зависят от цвета, покрытия, влажности и наличия дефектов, что обусловливает неразличимость на фоне кожи и потерю части кода, снижающие достоверность распознавания. Поэтому целесообразно комплексно решать задачу обеспечения достоверности: на этапе получения изображения кода учитывать особенности кожи (цвет, покрытие и дефекты), а на этапе распознавания - деформацию кода. Исследовано влияние взаимного расположения подсветки и кода на контраст изображения по каждой из выделенных групп кож. Установлено, что при контрасте изображения не менее 20% распознавание происходит с вероятностью не менее 94%. При этом площадь освещенной (затененной) области элемента кода должна быть не менее 68% площади перфорированного элемента кода с учетом его деформации на различных этапах обработки кожи. Предложен метод распознавания перфорированного кода на различных этапах обработки кожи, основанный на определении радиус-векторов от центра тяжести информационных элементов кода до центра каждого из этих элементов. В отличие от существующих, в данном методе в качестве признаков используется местоположение элементов кода, заданное значением и направлением полученных радиус-векторов с учётом аффинных преобразований и нелинейных искажений кода, что обеспечивает вероятность распознавания на различных этапах обработки кожи не менее 98%. Разработаны алгоритм и система распознавания, с помощью которых формируется наиболее четкое изображение и выполняется распознавание кода с учетом его деформации и особенностей кожи, тем самым обеспечивается её однозначная идентификация на всех этапах обработки.

Ключевые слова: идентификация кожи, распознавание перфорированного кода, деформация кода, дефекты поверхности кожи, контраст изображения, элемент кода, система распознавания перфорированного кода.

Dubrovkina M. V. “Improvement of validity of code recognition for identification of leather in the process of leather working”. - Manuscript.

The thesis for a Candidate's degree in technical science by the specialty 05.13.06 - “Information technologies” - Donetsk National University, Donetsk, 2009.

The thesis is devoted to the solution of the task of improvement of validity of code recognition to provide quality control of technological process at all stages of leather working, and consequently to improve quality of production issued.

The effect of the technological process of leather working on validity of code recognition has been studied. It is established that the process of leather working leads to deformation of a perforated code because of change of the geometry of its elements and their mutual disposition, that results in erroneous determination of position of code elements during code recognition. It has been shown that on using of a highlighting lighting characteristics of the leather significantly depend on a color, a covering, humidity and presence of damages, that conditions indistinguishability on the leather background and loss of a part of the code that reduces validity of recognition. The effect of mutual position of highlighting and a code on contrast of an image has been studied for each of outlined leather groups. It has been established that if contrast of an image not less than 0,2, then recognition occurs with probability not less 94%. With that the area of lightened (shadowed) part of a code element should be not less 68% to the area of a perforated element with regard to its deformation on different stages of leather working. We suggested a method of recognition of a perforated code on different stages of leather working that is based on determination of radius vectors from a center of data elements of a code to a center of each data elements of a code. As opposite to existing ones this method uses as attributes position of code elements prescribed by the value and the direction of obtained radius vectors with regard to affine transformation and non-linear deformation of the code to provide probability of recognition on different stages of leather working not less than 98%. We developed a system and an algorithm of code recognition.