基于图像处理技术的纸张功能信息识别研究

摘要

从古至今，纸张一直承载着人类文化的传递事业，其功能多种多样，被广泛应用在生活的方方面面，例如：书写、印刷、卫生、装饰等等。在造纸行业各类纸产品的市场竞争日趋激烈的同时，快速提升的产权意识促使企业对产品的自我保护需求逐步增强，各种功能性防伪纸张也因此应运而生。又随着图像处理技术的不断发展，图像识别技术可以代替人类进行激光定位、尺寸检测、目标识别以及跟踪等工作，对于重复性高，非接触精密识别和信息获取迅速的应用更加适合。将图像处理技术与纸张信息识别结合，从中得到有效的防伪信息，并对纸张进行真假辨识，不仅能有效的克服人工检测的误检现象，大大提高检测的工作效率，而且适合数字化信息管理，同时可以减少企业和个人不可避免的经济损失，符合现代化和智能化的要求，具有一定的应用价值。 论文的主要工作总结如下： （1）基于图像处理技术的纸张功能信息识别系统框架搭建。首先，通过分析图像处理技术和主流识别技术的特征，得出其中不同技术的优缺点与应用场合。再联系自身系统需求，设计与构建系统总体方案并规划系统工作流程，该系统主要包括上位机软件处理识别模块与下位机硬件采集模块。 （2）图像采集硬件模块的研究与设计。根据系统所需具备功能，提出构成系统整体的相关硬件方案，考虑到成本与实现问题，选出合适的器件构成图像采集模块。接着研究信息重现模块的硬件需求，设计出的特制装置包括磁粉喷洒装置与强磁旋转平台。同时以LPC2103为微处理器，辅以复位电路、晶振电路以及电源电路构建的下位机进行采集纸张信息图像并传输。 （3）纸张功能信息识别的软件设计。通过搭建Visual Studio开发环境，利用MFC技术来设计上位机功能软件，并控制下位机进行采集操作，同时链接OpenCV计算机视觉库来处理下位机传送的纸张图像。最后，通过UG （交互式CAD/CAM系统）来完成纸张数字化信息图像建模，运用软件的仿真性能，缩短开发周期，为下一步的识别研究提供有力支撑。 （4）图像预处理以及图像识别算法的研究。为了使图像保留更多边缘细节，首先采用高斯和中值滤波对噪声进行处理，接着选取伽马变换来实现对纸张图像的增强，然后使用Canny算子进行边缘检测结合霍夫变换进行 ROI区域分割。最后，提出一种基于ORB的改进算法，采用BBF搜索算法加速最近距离比匹配准则来完成匹配，并使用RANSAC算法去除误匹配点后，对计算透视变换矩阵来标记识别。实验表明，改进后的ORB算法速度提高一倍左右且精度提高接近五个百分点，具备实用意义。 本文在Visual Studio下搭建开发环境，设计上位机程序，通过特制的图像采集装置并结合嵌入式技术构成的下位机，可以将功能纸张中隐含的信息显现出来并采集该图像，然后传输至上位机。同时，上位机通过链接的OpenCV视觉库，经过特征匹配获得当前纸张的真伪以及加密信息。同时，论文结合多种主流图像识别的相关算法，提出一种基于ORB特征提取的改进算法。经过仿真实验对比，该系统可以较为准确快速地采集图像，实现对功能纸张的检测识别，并显示检测结果，从而为纸张的功能数字化信息的识别提供了理论基础。

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摘 要

ABSTRACT

目 录

1 绪论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 国内外磁性纸张研究现状分析

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 国内外纸张识别研究现状分析

1.3.1 国外研究现状

1.3.2 国内研究现状

1.4论文研究内容及章节安排

2 纸张功能信息识别技术分析及方案构建

2.1 系统关键技术研究与分析

2.1.1 图像处理技术分析

2.1.2 图像处理技术的主要应用领域

2.1.3 图像处理中几种识别技术对比研究

2.2 系统基本功能分析及设计原则

2.2.1 基本功能分析

2.2.2 系统设计原则

2.3 系统整体工作流程构建

2.4本章小结

3 系统硬件分析与设计

3.1 硬件设计总体框架搭建

3.2 图像采集模块选型与设计

3.2.1 摄像头选型

3.2.2图像采集卡选型

3.2.3光源选型与设计

3.3 信息重现模块设计

3.3.1 磁粉喷洒装置设计

3.3.2 强磁旋转平台设计

3.4 嵌入式下位机硬件设计

3.4.1 最小系统硬件设计

3.4.2 串口通信模块设计

3.4.3 电机驱动设计

3.5 本章小结

4 系统软件设计及纸张建模

4.1 软件设计整体方案构建

4.2 软件平台搭建

4.2.1 Microsoft Visual Studio平台

4.2.2 OpenCV库

4.3 上位机软件设计与开发

4.3.1 登录程序设计

4.3.2 处理采集程序设计

4.3.3 识别显示程序设计

4.3.4 参数设置程序设计

4.4 纸张产品建模

4.4.1 Unigraphics NX建模环境

4.4.2 功能纸张建模

4.5 本章小结

5 图像预处理及功能信息识别研究

5.1 针对功能纸张的图像预处理分析

5.1.1图像滤波方法分析

5.1.2 图像增强方法分析

5.1.3 纸张边缘分析与分割

5.1.4纸张图像分割提取

5.2 图像信息匹配方法分析

5.2.1 模板匹配方法分析

5.2.2 ORB特征匹配分析

5.3 改进ORB算法研究与设计

5.3.1 特征点快速匹配

5.3.2 描述符精确匹配

5.3.3 寻找已知物体

5.4 改进算法实验结果分析

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 工作总结

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明