（控制理论与控制工程专业论文）多功能纸币清分机图像识别系统的研究与设计.pdf

辽宁科技大学硕士论文摘要 摘要 纸币清分机是近几年来发展迅速的一种集图像识别理论、电子学、机械理论、 光学等多学科交织的高科技金融设备，它的主要功能是识别纸币的面值和面向。本 文基于数字图像处理、模式识别等先进理论，结合国内外相关领域的最新发展状况， 针对现有清分机清分速度不佳和识别效果不理想等缺陷，在产品研发实践中对图像 识别算法和图像处理硬件平台两个部分进行了研究，并提出了一套全新的人民币清 分机系统设计方案。本文的主要工作及成果有以下几个方面： ( 1 ) 首先，提出了三线中心点定位法找出纸币中心点坐标对图像进行定位，而 后通过对人民币图案的特征进行分析，并结合当前国内外纸币识别所采用的算法： 提出了一种新的人民币识别算法即全局匹配识别算法；最后，针对人民币的字迹脏 污现象进行了深入分析和研究，并设计出相应的识别算法。 ( 2 ) 设计清分机硬件系统的整体结构，从清分机硬件系统中韵关键部分来阐述 系统的选型论证，设计出以t m s 3 2 0 d m 6 4 2 型d s p 芯片作为核心处理器的图像处 理硬件平台。在此硬件平台上研究了有利于提高图像处理能力的实时性算法，描述 了系统各功能模块的工作特点以及软件流程。 ( 3 ) 对系统试验结果进行分析。将本文研究的全局匹配识别算法和字迹脏污识 别算法在自主开发的清分机平台上进行了有效的的验证，并对识别结果进行了误差 分析。 关键词：纸币清分机，数字图像处理，模式识别，实时处理，d s p 辽宁科技大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t b i l ls o o r ，w h i c hh a sf a s tb e e nd e v e l o p i n gl a t e l y ，i sa i li m a g ei d e n t i f i c a t i o nt h e o r y ， e l e c t r i c a l ，m e c h a n i c a lt h e o r ya n do p t i c a lf i n a n c i a lf a c i l i t y i t sm a i nf u n c t i o ni st oc l a s s i f y t h eb i l l s f a c ed i r e c t i o na n dn o m i n a lv a l u e i nt h i sp a p e r ，b a s e do nt h ea d v a n c e dt h e o r yo f d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n ga n dp a t t e mr e c o g n i t i o n ，a n ds oo n ，c o m b i n e dw i t ht h em o s tu pt o d a t ed e v e l o p m e n to fb i l ls o r t o ri nt h er e l a t i v ea p p l i c a t i o nf i e l d ，a g a i n s tt h ed e f i c i e n c yo f t h ee x i s t e n tb i l ls o r t e r s ，s u c ha su n e f f i c i e n tp e r f o r m a n c ea n du n s a t i s f i e dr e s u l t ，a u t h o r m a k e sas t u d yo nt h ei m a g er e c o g n i t i o na l g o r i t h ma n di m a g ep r o c e s s i n gh a r d w a r e ，b r i n g s an e ws o l u t i o nf o rt h er m bb i l ls o r t o rs y s t e m t h ep a p e rc o n s i s t so ft h e f o l l o w i n gp a r t s ： ( i ) f i r s t l y ，t h ep a p e rb r i n g so u tt h ei m a g eo r i e n m t i o na r i t h m e t i cf o rb i l lc a l l e d t h r e e l i n e s e e k i n g c e n t e rm e t h o d ，a n dt h e nb ya n a l y z i n go ft h er m bd e s i g na n d c o m b i n e d 、撕t l lt h eg e n e r a l l yu s e di d e n t i f i c a t i o na r i t h m e t i c b r i n g sjn e wr e c o g n i t i o n a l g o r i t h mf o rr m bc u r r e n c yc a l l e dg l o b a lt e m p l a t em a t c h i n ga r i t h m e t i c f i n a l l y ，t h e p a p e rm a k e sad e e p l yr e s e a r c hf o rt h ec u r r e n c yw h i c hh a st h eh a n d w r i t i n gp o l l u t i o n p h e n o m e n o n ，a n dd e s i g nt h er e c o g n i t i o na l g o r i t h m ( 2 ) t h ed e s i g n i n go fb i l ls o r t o rh a r d w a r es t r u c t u r e ，t h er e a s o na b o u tc h o o s eo ft h e k e yh a r d w a r ep a r t i nt h es y s t e mp l a t f o r mi s g i v e n ，t h ei m a g ep r o c e s s i n gh a r d w a r e p l a t f o r m i s d e s i g n e d i nt h i s p a p e r ，w h i c h b a s e do nt h ea d v a n c e dd s pc h i p t m s 3 2 0 d m 6 4 2t o c o m p l e t e t h e d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g t h er e a l t i m e d e a l i n g a r i t h m e t i ct h a tc a ni m p r o v et h e i m a g ep r o c e s s i n gp e r f o r m a n c ei s 。r e s e a r c ho nt h i s p l a t f o r m t h es o f t w a r ef l o wa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h es y s t e mf u n c t i o n a lm o d u l e si s d e s c r i b e d ( 3 ) t h ea n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n tr e s u l t t h eg l o b a lt e m p l a t em a t c h i n ga l g o r i t h m a n dh a n d w r i t i n gp o u u t i o nr e c o g n i t i o na l g o r i t h ma r ev e r i f i e do nt h eb i l ls o n o rm a c h i n e t h ee r r o rw h i c hc a ni n f l u e n c et h er e c o g n i t i o nr e s u l ti sa n a l y z e d k e yw o r d s ：b i l ls o r t o r ，d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，p a t t e r nr e c o g n i t i o n ， r e a l t i m e d e a l i n g ，d s p 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得辽宁科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料，与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 签名：霸日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解辽宁科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名坚歪! 兰 日期： 1j 戮 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源予企业研发项目：多功能智能纸币清分机。本文工作为对其中的图 像识别部分进行识别算法的理论研究及系统部分软、硬件设计。 1 2 课题研究的背景 近年来，随着我国国民经济的快速发展，现钞的流通量也随之日益增大，而在 流通的纸币中残损纸币所占比例较大，已经对正常流通造成了影响。当前大多数金 融机构的现钞整点、挑剔工作大多仍然依靠繁重的手工操作进行，不但劳动强度大、 时间长，还存在劳动卫生条件差等问题，而且整点挑剔的效果并不十分理想。同时， 各商业银行每天要给将近十几万台的a t m 机进行配钞，并按照中国人民银行所要 求的“流通券达到七成新”的标准上缴入库损伤券和完整券，所以要对纸币进行分 版、挑剔、整理对于各家银行都是个相当困难的问题，仅仅依靠手工操作的确很难 实现。因此，各类银行已经意识到要想提高服务效率和质量，必须将现代化高科技 元素加入到对纸币的处理之中，才能实现对现金整点、挑剔的自动化。 2 0 世纪9 0 年代中后期，纸币清分机的出现解决了这一世界性的难题。纸币清 分机又称为钞票清分机、现金清分机、货币清分机、纸币分选机，其综合运用了电 子技术、模式识别技术、图像处理技术、鉴伪技术、系统控制技术以及精密机械制 造技术，具有识别纸币面额、面向、正反方向、版本、脏污、真伪等多种功能。实 现了以智能化机械工具代替手工对纸币进行清分、整理的目的，是a t m 机配钞所 使用的专用设备。它的出现已经成为提高银行业务效率的一种相当有效的工具【2 j 。 目前，国内有各类银行业法人机构3 5 0 0 0 多家，乡镇以上的储蓄所及其它金融 营业网点近2 0 0 万家，却只有少数的银行网点在使用纸币清分机，其原因主要是由 于我国的金融机具制造业虽然发展已近二十年，并且在点、验、捆等低端纸币处理 设备方面已具备了优势，但在类似于自动纸币清分机这样高科技、高附加值的高端 产品的研制方面却几乎处于空白状态，使得国内清分机市场基本上被一些国际知名 品牌如英国的得利来、德国的捷加得、日本的光荣等所垄断，但进1 3 清分机的价格 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 昂贵、维护成本非常高，而且性能上并不十分符合国内目前流通的人民币旧钞较多 的特点，所以虽然市场对清分机有着迫切的渴望，但纸币清分机实际上在国内一直 没有被大量使用。近年来，随着a t m 的进一步推广和使用，清分机作为能够给a t m 机进行配钞的主要设备，很多地方银行机构及一些大中型商业银行的分支机构已经 有了采购中小型清分机的意愿，这就为促进国产纸币清分机的研制和生产提供了巨 大的机遇与挑战。 1 3 纸币清分机系统简介 纸币清分机是一个实时数据处理系统，在纸币进入后要在规定的短时间陡完成 对纸币特征数据的采样、a d 变换、存储和数据处理等工作。随着图像识别技术的 发展，图像的采集和识别技术已经成为纸币清分机技术中的核心内容。而作为图像 处理系统来说，硬件是软件的基础，如果在系统硬件资源一定的前提下，硬件资源 得到很好的利用，整个系统的运行速度和效率就可以达到最大化，这样就节约了资 源；同样，在满足速度的前提下，如果对硬件结构进行合理的设计，就能降低系统 的复杂性，进而降低设计成本、后期开发成本和维护成本。针对以上软、硬件特点， 本文针对国内金融市场的需求和人民币流通券品相的统计结果等情况，从结构和功 能上出发，使清分系统不但能满足清分纸币的面额、版本、新旧、方位、残缺、真 伪等功能，而且其结构能适应人民币纸质较差、残、旧等特点，并以提高图像处理 系统的速度和效率为目的，通过对图像处理系统的设计，使整个系统的资源和速度 都满足市场的要求。而上述系统的的核心技术就是实时图像识别技术，在纸币高速 通过清分机的一瞬间要完成对纸币图像的采集和多组参数的识别，并将识别结果发 送至系统的其它模块。因此，提高图像处理技术的应用水平是提高清分质量和清分 效率的关键所在。 为了更好的了解清分机系统，在这里介绍一下纸币清分机的工作过程： 当纸币进入入钞i s l 时挡住红外光控检测装置，立即启动电机，电机带动皮带将 纸币传输到清分机内部各个待检测部位，每个检测部位的传感器等检测装置可以记 录下纸币的实时状态，尤其是在图像识别模块中，图像传感器将纸币在走钞机构中 的具体状态转变为数字信号存储起来，再将数据送入图像识别系统，由图像识别系 统完成对人民币面值、面向、方向、新旧、是否有脏污字迹、厚度、荧光、磁性、 红外穿透特性、尺寸等多项指标的检测和识别，同时进行计数，并将最终识别结果 送至外部液晶显示模块。最后通过出钞口的机械分钞装置完成对纸币的分检、分类。 纸币清分机系统中包括多个子功能模块，各子模块的相对关系如图1 - 1 所示： 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 倒1 1 纸币清分机结构图 其中，图像处理模块作为清分机系统的核心内容，是影响纸币清分机性能优劣 的关键，图像处理技术及模式识别技术应用于纸币清分机中也是目前纸币清分机产 品升级的发展方向。随着市场对产品性能提出越来越高的标准，高效、快速、准确 是产品能否站稳市场的关键，目前市场上普通型清分机基本可以达到每分钟8 0 0 1 0 0 0 张的清分速度，也就是说留给每张纸币进行识别的时间只有几十毫秒，在这种 情况下如采用一般图像处理技术所使用的一些过于复杂的图像识别算法及识别技 术，在时间上几乎是不能实现的。所以可见，清分机的图像识别技术与其它领域中 的图像识别技术的最大不同之处就在于其对实时性要求的苛刻程度。本文也主要对 图像处理系统进行了分析和研究。 首先要了解一下清分机图像处理系统，大致可以分为以下两个部分： 1 、清分机图像采集系统 清分机图像采集系统是清分机系统最为重要的一个子系统，它是图像系统的最 前端，决定着识别的成败。图像采集系统重点考虑纸币清分机采集速度和图像采集 精度的要求，若采用现成的图像采集板卡，将采集到的视频信号再转换为数字信号， 其采样速率必然要受到视频信号场频的限制。经过技术分析和调研，决定采用自行 设计的图像采集系统来完成图像采集工作。 本文利用c i s 图像传感器对高速运行的纸币进行图像提取和缓存，再使用b b 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 公司生产的v s p 3 0 1 0 高速a d 转换芯片将c i s 输出的模拟信号进行数字化处理， 采集一幅1 7 2 8 x 1 2 0 分辨率的8 比特图像约需3 0 毫秒，基本可以满足系统的要求。 v s p 3 0 1 0 直接对c i s 图像传感器输出的信号进行采样，然后将数据按本文所采用的 d s p 芯片所特有的视频采集接口所要求的时序传送至d s p 视频采集接口，从而便可 以进行纸币的算法识别处理了。 经由以上分析可知，清分机图像采集系统的速度取决于三个方面： ( 1 ) 图像传感器的行扫描速度，即模拟量采集速率。现在利用图像传感器检测 运动物体得到了广泛的应用，当被测物体运动速度很高时，为了得到清晰的光电转 换图像，通常采用提高行扫描频率的方法，这样就能使图像传感器检测灵敏度提高， 满足系统的应用要求。 ( 2 ) a d 转换器的转换速度限制。数据采样及输出由图像传感器输出的是模拟 信号，必须进行采样，量化后才能输出。在系统设计时，采用的是可专用于图像信 号处理的a d 转换芯片，它可以直接对图像传感器输出的模拟信号取样、信号放大 及模数转换，应用中注意采样时钟与图像传感器信号输出时钟信号应保持同步。 ( 3 ) 图像处理器的处理能力。它是主要影响识别速率及成功率的因素，拥有一 个高速、稳定的处理器是一个成功系统的最可靠保障，它的高速度可以使你敢于使 用较为复杂的算法，也可以缓解系统其他处理器的数据处理压力，从而为系统的成 功实现增添了一枚巨大的砝码。 2 、图像识别系统 清分机图像识别系统是清分机图像处理系统的核心，在该系统中要完成纸币图 像数据的整合、预处理以及对数据进行各种识别算法处理，从而达到识别出纸币的 版本、面额、面向、方向、是否有字迹脏污等目的，它是整个清分机系统的灵魂。 图像识别系统实现的优劣关键要看所使用的图像识别算法是否适合整个纸币清 分机系统的要求，这不但需要有坚实的理论基础作为后盾，而且在算法的实现过程 中还要考虑算法的可行性和实时性，在研究中发现大部分识别率高的算法较为复杂， 实时性也差：而实时性强，相对较为简单的算法识别率又较差，所以在实际算法的 选择和改进上还有很多的工作有待进一步的研究。 在当前的技术条件下，图像识别子系统一般有五种可以实现的方案： ( 1 ) 通用计算机上用软件实现。 ( 2 ) 在通用计算机系统中加入专用的加速处理模块。 ( 3 ) 利用通用单片机( 用于数字控制等不太复杂的数字信号处理，如i n t e l 的 m c s 5 1 系列) 。 ( 4 ) 利用通用可编程d s p 芯片。 4 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 ( 5 ) 利用基于通用d s p 内核的a s i c 。 上述方案中，第一种方案的缺点是速度相对较慢，不适合实时图像处理，一般 只用于图像处理算法的模拟；第二种方案不适合嵌入式应用，而且和第五种方案一 样具有专用性较强的特点，应用中受到很大的限制；第三种方案不适合用于以乘加 运算为主的运算密集型d s p 算法；第五种一般用在数据量较大的通信，硬盘控制等 领域；第四种方案使用通用可编程d s p 芯片，由于其可编程性和强大的数据处理能 力，在实时数据处理领域中居于主导地位，特别是在本系统中，由于要对所采集的 图像数据使用实时图像识别算法进行处理，所以采用第四种方案进行数据处理可以 保证整个系统具有可编程性和较好的灵活性，是较为理想的一种方案。 1 4 纸币清分机在国内外的研究、发展状况 1 4 1 国外发展状况 目前，国外在纸币识别技术上已经较为成熟，主要采用模式识别、图像处理等 先进检测及控制技术，以提高系统整体的性能和质量，可达到基本无误差的识别纸 币的面值、面向及方向。目前纸币清分机的主要国外生产商有德国的捷佳得、英国 的德利来、日本的东芝、光荣等公司，捷佳得、东芝、德利来等公司主要以大型清 分机为主，而中小型清分机则以光荣、劳雷尔为代表，这些公司由于研发时间比较 长，技术经验积累丰富，因此产品在市场上占有很高的份额。而国外的清分机是专 门针对国外纸币进行开发的，对纸币品相上的要求较高，而目前国内各人民币流通 领域中品相差的纸币所占比例较大，这与进口清分机所针对的清分对象有着较大的 差异，但国外生产商不会放弃中国这块巨大的“市场蛋糕”，为了解决上述问题国 外清分机厂商已经开始开发用于专门处理人民币的纸币清分机_ 4 】。下图分别为两 款国外品牌清分机。 图卜2 捷佳得b p s l 0 0 型清分机图卜3 东芝f s 8 0 0 型清分机 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 其性能对比如下表所示： 表1 1 国外两款产品性能比较表 生产厂家型号功能速度 适用范围 1 、自由点算 人民币、欧 2 、清分功能 德国捷佳得 b p s l 0 06 0 0 张分钟元、美元、港 3 、强大的防伪 功能 巾 i 、券别检测、 合格度检 测、形状、 厚度检测 2 、荧光漂白多达2 1 种类 日本东芝 f s 8 0 0 6 0 0 张分钟 3 、荧光油墨、型的纸币 红外、磁性 油墨、金属 线、水印防 伪 1 4 2 国内发展状况 与国外的著名厂家相比，国内在清分机的整体技术上还相对落后，但国内清分 机产业发展的趋势和发展速度已经有目共睹，国内的研发工作几年前就己成为国内 金融机具制造业努力攻关的目标，而且已经在多个方面的技术攻关中有所突破。目 前国内已经有一些清分机被成功研n , m 来，如哈尔滨的松花江系列清分机、清华同 方人民币小型纸币清分机、鞍山聚龙的j l 3 0 x 系列清分机。下图为两款国产纸币清 分机。 图卜4 松花江c f 2 0 0 0 型清分机图卜5 清华同方c s i o o c n 型清分机 其性能对比如表卜2 所示： 6 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 表卜2 国产两款产品性能比较表 生产厂家型号功能速度适用范围 1 、自由点算、批 清分模式 量点算 6 4 0 张分 2 、面额清分第四套、第 哈尔滨松花江 c f 2 0 0 0 钟；点钞模 3 、方位清分 五套人民币 4 、新旧等级清 式1 0 0 0 张 分 食铵 l 、自由点算、批 量点算处理速度 2 、面额清分达到5 0 0第四套、第 清华同方 c s 一1 0 0 c n 3 、残缺清分张分钟以五套人民币 4 、方位清分 5 、伪钞识别 由上表可以看出，国产清分机在功能、速度等环节上已经具备了与进口清分机 进行竞争的实力，其通常所具备的功能有：纸币面额的清分、纸币正反面、方位和 残缺的清分、纸币点数或批量处理、混和面额纸币的金额统计等等。但是，虽然在 一些普通功能的实现上已经有了一定的成果，但是由于在图像处理、应用等技术上 还是相对不够成熟，所以在对纸币的识别和清分中，还存在着一些不足之处f 5 h 9 ： l 、对纸币的挑残能力较弱； 2 、机器在运行时的噪音较大： 3 、在对划痕、油污等污染的分类处理上不够理想： 4 、对于纸币识别过程中存在的如机械振动、运动的不均匀性、表面的不平整性 等影响考虑不周，导致清分失败； 5 、硬件系统结构复杂，导致成本过高。虽然国内的一些清分机产品相对于进口 产品来说价格减少了很多，但对于我国为数众多的乡镇储蓄所来说价格还是偏高。 1 5 课题研究的目的和意义 ( 一)适应市场环境，加快我国金融市场的电子化、自动化、机械化 在众多的金融业务电子化以后，整个行业的效率得到了很大的提高。在各商业 银行，每天要给为数不少的a t m 进行配钞，对破旧、脏污的钞票进行回收处理。 这些工作仅依靠手工操作不但占用较多的人力，而且分类速度、分选质量都存在很 大问题。并且，随着我国加入w t o ，我国的金融商业系统与国外金融商业系统的 交流活动越来越多，因此，钞票清分的自动化、机械化成为了我国金融行业现代化 进程中急待解决的问题之一。 ( 二)降低成本，实现清分机的国产化 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 目前，世界上只有德国的捷佳得、英国的得利来、劳雷尔、日本的东芝、光荣 等几家大公司能够自主开发并生产纸币清分机，而国内生产成本能够控制较低，例 如，台式清分机的价格仅为同类进口产品的二分之一，甚至三分之一，这使得国产 清分机具有得天独厚的成本优势。虽然我国大多数金融机构基本上都配备了各种品 牌的清分机，但国外各种品牌的清分机设计并不是基于人民币模型，其使用效果不 但不理想，而且价格非常昂贵。面对我国数量庞大的金融系统，如果能够研制出价 格相对较低并适合于人民币模型的纸币清分机，不但满足了金融系统的需求，而且 创造了大量社会财富。 ( 三)本文研究的目的。 针对目前国内应用于纸币清分机中的图像识别技术不是十分成熟和存在的一些 不足，本文研究并设计出实用性较强的识别算法，在满足实时性的前提下，提高清 分机对图像噪声的适应能力，提高清分机对品相不同的纸币的面向和方位识别的一 致性。随着国内金融自动化产业的发展，作为清分机的核心技术实时纸币图像 识别，已经越来越被意识到它的重要所在，它是提高清分质量和效率的最重要环节。 所以研究和改进实时图像识别方法，不仅对清分机性能的提高具有重要意义，并且 对振兴我国金融自动化工业具有极其重要的意义。 1 6 本文研究的主要内容 本文在图像传感器技术与高速数字信号处理技术相结合的基础上，并结合以往 清分机开发过程中的经验和教训，对清分机的关键技术即数字图像识别技术在纸币 清分机中的应用进行了较为深入的研究，本文分别研究分析了第四套、第五套人民 币的图像灰度特征，引入了先进的图像预处理技术、图像边缘检测技术，并采用自 行设计的全局匹配识别算法，对纸币进行识别。另外，本文针对纸币的字迹脏污也 进行了分析和实验，提出了一套切实可行的方案。在硬件上，本文着重介绍了系统 各主要功能模块的设计思想和特点，并着重介绍了其中包括t m s 3 2 0 d m 6 4 2 、 v s p 3 0 1 0 等主要芯片的工作原理和性能。 本文的工作安排如下： 第一章的绪论部分提出了课题研究的背景和意义，综述了国内外清分机的研究、 发展现状，对清分机系统工作过程进行了介绍；第二章图像识别算法的研究。首先 介绍了图像在实际预处理过程中所使用图像旋转、错切校正算法以及平滑滤波、最 小二乘多点边缘识别算法等。而后通过研究，重点提出了全局匹配识别算法和人民 币字迹脏污识别算法；第三章是图像识别系统的硬件设计部分。详细阐述了系统中 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 的图像采集模块、图像识别模块的硬件设计方案并对两模块主要核心器件的特点进 行了介绍：第四章介绍了系统的各主要功能模块的软件流程：第五章对系统的软、 硬件进行了实验及分析。将本文所提出的图像识别算法在自主开发的清分机平台上 进行有效的验证，对系统的速度进行了测试，并对实验结果的误差率进行了分析； 第六章是总结与展望。 辽宁科技大学硕士论文 第二章纸币清分机图像识别算法的研究 第二章纸币清分机图像识别算法的研究 2 1 数字图像处理基础 从第一章可以了解到，纸币清分机大多数功能的实现最终都要依靠数字图像处 理的方法来完成。数字图像处理一方面具有较好的处理效果，另一方面速度快，灵 活性也比较好，因而在具体操作上也更加具有优势。数字图像处理本身已经成为工 程学、计算机科学、信息科学、统计学、物理、化学、生物学等领域中学习和研究 的对象。数字图像处理m h l 4 1 方法的研究源于两个主要的应用领域：一个是为了便 于人们分析而对图像信息进行改进；二是为了使机器自动理解而对图像数据进行存 储、传输及显示。下面介绍一下数字图像处理中的一些基本概念。 2 1 1 田像处理中的几个基本概念 1 、图像感知和获取 通常情况下，我们使用图像传感器来对图像进行感知和获取，传感器的原理很 简单，通过将输入电功率和对特殊类型检测能源敏感的传感器材料组合起来，使得 能够把输入的能量转变为电压强度输出，输出的电压波形就是传感器的输出响应。 图像传感器大致可以分为单个成像传感器、线阵传感器、传感器阵列三种。线 阵传感器获取图像的方式如图2 1 所示： 图2 - 1 线阵图像传感器获取图像示意图 传感器在一个方向上提供成像单元，相对于传感器垂直方向的运动在另一个方 1 0 辽宁科技大学硕士论文 第二章纸币清分机图像识别算法的研究 向上成像，这是大多数平板扫描仪所用的装置，本文实现的清分机系统采用的就是 线阵传感器，成像传感器一次给出一幅图像的一行，传感器和被扫描物体的相对运 动完成二维图像的另一维。 2 、灰度 一幅图像可以定义为一个二维函数f ( x ，y ) 。x ，y 是空间坐标，而在任何一对空 间坐标( x ，y ) 上的幅值f 称为该点图形的强度或灰度。 3 、图像取样和量化 一幅连续的图像经传感器输出的是连续的电压波形，而一幅图像的x 和y 坐标 及幅度可能都是连续的，为了把它转换成数字化形式就必须在坐标和幅度上都做取 样操作，数字化后的坐标值称为取样，数字化后的幅度值称之为量化。对图像进行 等距离离散采样，这一组离散位置便给出了取样函数，为了形成数字函数，灰度值 也必须转变为离散值，通常将灰度图像的亮度等级按从黑到白用0 2 5 5 共2 5 6 个数 字表示，在计算机处理时用8 位二进制数进行存储，称其为8 比特图像。 4 、数字图像表示 取样和量化的结果是一个实际矩阵。例如一幅图像f ( x ，y ) 被取样，则产生的数 字图像有m 行和n 列。现在，坐标( x ，y ) 的值变成了离散量，为表达清楚和方便起 见，这些离散坐标都使用整数，这样原点的坐标值( x ，y ) 为( o ，o ) 。沿图像第一行的下 一个坐标值用( o ，1 ) 来表示。值得记住的是，用符号( o ，1 ) 表示第一行的第二个取样是 很重要的，但它并不意味着图像取样的物理坐标实际值。下面为紧凑矩阵格式写出 的完整m x n 数字图像。 f ( x ，y ) = f ( o ，o ) f ( o ，1 ) f ( 0 ，1 ) f ( 1 ，1 ) f ( 0 ，n 一1 ) f ( 1 ，n 一1 ) f ( m - 1 ，0 ) f ( m 一1 ，1 ) - f ( m 一1 , n 一1 ) 贯穿本文中的图像坐标表示均由上述约定得出。 2 2 图像预处理 本文中的图像预处理主要分为图像的校正和图像滤波处理两个部分。 ( 2 1 ) 2 2 1 图像校正 图像的校正【1 5 【1 6 1 是进行图像识别之前最为重要的一个步骤，在本系统中可以将 辽宁科技大学硕士论文第二章纸币清分机图像识别算法的研究 其分为垂直方向上的校正( 图像的旋转校正) 和水平方向上的校正( 图像的错切校 正) 两部分。 2 2 1 1 图像的旋转变换校正 纸币在进入入钞口时由于银行的工作人员手部的颤抖或纸币运行过程中电机转 速不均匀等原因使得纸币产生一定的倾斜角度目( o p 为二维数据序列。 中值滤波的效果主要依赖于两个方面： 1 、二维中值滤波的窗口形状对滤波效果的影响。不同的图像内容和不同的应用 要求，往往采用不同的窗口形状。常用的二维中值滤波窗口形状有线性、方形、圆 形、十字形以及圆环形等，一般来讲，对于有缓变的较长轮廓线物体的图像，采用 方形或圆形为宜，对于包含有尖顶角物体的图像，用十字形较为适合。 2 、窗口选择的尺寸对滤波效果的影响。邻域的空间范围窗口尺寸一般先用3 3 、 5 5 等，而后随滤波效果的满意程度，逐渐增大。而窗口大小则以不超过图像中最 小有效物体的尺寸为宜。 在图像处理中，噪声经常以个别像素点突变的形式出现，其中最为普遍的是“椒 盐噪声”，而中值滤波针对于“椒盐噪声”的效果十分理想，另外，中值滤波有着 能够在抑制随机噪声的同时而不使边缘模糊，一般来讲，与窗口对顶角连线垂直的 边缘线保持不变性，因而特别适合于作为图缘处理中的滤波环节使用。在这里需要 指出，二维中值滤波最值得注意的是要保持图像中有效的细线状物体，如果图像中 点、线、尖角细节较多，则不宜采用中值滤波。 2 3 ：纸币边缘检测， 由于将纸币放置在入钞口时，每张纸币的水平位置具有很大的随机性，所以纸 币图像中心点在整幅图像中的位置也是不确定的，所以必须对图像进行定位，进而 确定纸币边缘的直线方程及中。t b 点坐标，为实现纸币的识别做好准备。 2 3 1 纸币边缘的检溯步骤 以纸币的下边缘检测为例，如图2 8 所示，采用直线搜索的方法沿垂直方向由 下至上以一个像素点的步长对纸币图像进行边缘点样本采集，采集的样本数量越多 则纸币边缘方程的确定就会越准。本论文采用的是十五条垂直方向直线进行搜索的 方式，其中每相邻的三条直线作为一直线搜索组，共有五组。当进行搜索时，判断 在每次由下至上的搜索时，各直线搜索组中的相邻三条直线所在的像素点的灰度值， 若其中的任意两点灰度值都大于某个预定值，则停止该组直线搜索，并将此时三条 6 辽宁科技大学硕士论文 第二章纸币清分机图像识别算法的研究 直线中中间直线的当前搜索点坐标记为边缘采样点坐标。依此类推，可以得到五个 边缘样本点坐标。纸币上边缘的检测方法与下边缘检测方法相同，只需将直线搜索 方向改为由上至下即可。 图2 - 8 纸币边缘搜索图 然后，根据最小二乘估计的方法对得到的五个边缘样本点进行分析、计算，得 出一条近似的边缘直线方程，再依次求出上述五点坐标到该直线的距离，舍掉其中 两个距离最大的点视为无效边缘点，对余下的三个边缘点再运用最小二乘法拟合出 一条直线，此直线方程即可作为纸币边缘直线方程。 2 3 2 最小二乘法估计纸币边缘方程 依照纸币边缘检测方法通过直线搜索得到m 个纸币图像边缘采样点，可分别记 为 n ) 。其匹配的过程是把模板t p l 叠加在图像d s t 上，并比较t p l 与它覆盖下的子图像d s f 。的差别，其中( i ，j ) 代表模板在图像上移动 时的中心坐标。若两者一致则t p l 与d s t ：i 之差为零，所以可以分别用以下两种测度 d i f f ( i ，d 和r ( f ，j ) 来衡量t p l 和d j ，的相似程度： mn d i f f ( i ，) = d s t i ，( m ，n ) 一t p l ( m ，酬2 m = 】n = l mnm nmn = d s t j ，( m ，n ) 】2 2 d j ，( m ，n ) t p l ( m ， ) 十ze r p l ( m ，n ) 】2 m = in = l m = ln = l = 1n = l ( 2 - 1 9 ) 其中( m ，n ) 为模板数据的坐标。也可对上式进行简化得： f d i f f ( i ，d = i 协j n ) - t p l ( m ，n i ( 2 2 0 ) m = ln = l 上式中第一项为模板所覆盖的子图的总能量，随( i j ) 的位置变化而缓慢变化； 第三项为模板的总能量，通常是一个常数，与( i ，j ) 的位置无关；第二项表示模板与 模板所覆盖的子图之间的互相关程度，随模板相对于所考察图像的位置移动而改变， 当模板和予图匹配时，该项有极大值。也可以得到以下模板匹配的相关系数作为相 似度测度： 2 0 辽宁科技大学硕士论文第二章纸币清分机图像识别算法的研究 经归一化得 mn d s t 吖( m ，n ) x t p l ( m ，n ) r ( i ，j ) = 巫也 可一 ( 2 2 1 ) d s t 。( m ，n ) 2 m = ln = l 。 mn d s t “( m ，n ) t p l ( m ，n ) ( 2 2 2 ) 在实际的图像匹配过程中，也是按照以上匹配原则将一定大小的固定模板( 如 国徽图案模板等) 在整幅图像上进行滑动并通过计算得到r ( i ，j ) 的值，当模板和子 图完全一样时，所得的相关系数r ( i ，j ) 等于1 。在对被搜索图像d s t 完成全部搜索 后，若没有找到r ( i ，j ) 等于1 的子图，则分析r ( i ，j ) 的最大值，若最大值接近1 时， 将r ( i ，i ) 得到最大值时与其相对应的子图像判定为匹配目标，并视为匹配成功；若 最大值远远小于1 则判定为此图像没有如目标图像的子图像，视为匹配失败。以上 的模板匹配算法就是现在大多纸币清分机所采用的识别面和方向的方法。 这种算法在实际识别中由于能够对整幅的图像进行“一步一步”的细致计算， 所以在识别率上有着较高的准确性，正是基于这种准确性的优势，这也是目前大多 清分机都采用此种方法的原因之一。但是，经分析也应该看到传统的人民币模板匹 配算法在实际识别中的一些局限性，其中一点就是对于面和方向的识别有些依赖于 对面值的识别，也就是说对于面、向的识别所采用的模板匹配算法所要建立的模板 数据实际上是根据面值的不同来划分的，所以一旦识别系统在面值的识别上出现偏 差，其它参数的识别则无从谈起，那必将导致用户不可估量的损失。而目前，对于 人民币的面值识别还没有得到公认的识别方法，目前国内外最普遍的识别方法就是 利用人民币的不同版本、不同面值的纸币长度、宽度不同为特征( 其中相邻面值的 纸币之间相差几个毫米) ，用长度和宽度来对面值进行判定。但是这种做法也存在 着一定的局限性和不足，如图2 1 0 所示，首先由于纸币长度是通过搜索纸币图像的 左、右两边缘点得到的，它对图像的边缘检测精度要求得很高，一旦纸币在进行图 像边缘检测的过程中出现偏差，则会直接导致面值判断的准确性；其次，在实际的 清分机系统中所采集出来的图像通常有着一定的倾斜角度，所以在计算纸币长度的 时候还要考虑到倾斜角0 ，纸币长度f - l e n g t h c o s 0 ，其中l e n g t h 为沿水平方向 边缘检测得到的纸币长度，而在计算倾斜角度0 时所造成的误差也有可能超出纸币 长度的正常误差精度范围，所以单纯依靠计算纸币长度而进行面值的识别有一定的 辽宁科技大学硕士论文第二章纸币清分机图像识别算法的研究 风险性，而面和方向的判断则是由面值决定的，不确定好面值，面和方向就无法进 行相应判断。基于以上考虑，在进行识别时，最好只把纸币长度作为个辅助的判 别参数来考虑。 图2 1 0 纸币长度检测不意图 另外，模板匹配其庞大的计算量与清分机图像处理的实时性要求之间的矛盾也 是一直困扰清分机研发过程中一个难以解决的问题，对于普通的微型处理器如单片 机等，几乎是不可能实现的，即便是d s p 处理器也要选择性能较好的型号，并且需 要在实际的程序编制中投入很大的力量，才有可能实现。所以在算法识别速度和识 别复杂性上要有所突破已经显得颇为重要了。 综上所述，为了解决传统模板匹配算法在识别上的局限性和不足之处，本文理 论结合实际，在经过大量、反复的实验基础上提出一种针对第四套、第五套人民币 纸币以模板匹配算法理论为基础的全局匹配识别算法。 2 5 2 全局匹配识别算法 全局匹配识别算法，是基于传统模板匹配算法的基础上建立起来的一种相对简 化而实用性较高的人民币识别算法。它与传统模板匹配的相同之处在于同样选取标 准图像模板库中的子图像作为模板与实际采集到的图像进行匹配运算并得出结果； 而不同之处在于它是根据人民币的整体图案特点与纸币尺寸大小之间的关系，发现 同样以纸币中心点为基准选取一个固定大小的区域时，不同面值、不同面向、不同 方向所得到图像都各有不同，针对这一特点，结合传统模板匹配理论的主要原理构 造出一种以纸币中心为基准并在一个大小固定的区域进行匹配运算的模板匹配算 法。该算法的理论依据如下： 辽宁科技大学硕士论文 第z - 章纸币清分机图像识别算法的研究 设二维纸币图像为d i m a g e ，大小为l w ，以纸币中心为基准取大小为m x n x s 的区域，并将此区域再分成m x n 个相同大小的区域，其中每个小区域的面积是s ， 采用某种可以代表此小区域特征的数学计算方法( 如期望、方差等) 对每个小区域 进行计算，并将结果赋给其对应的小区域内的所有像素点，用这一数学计算特征来 代替区域特征，这样便可以建立一个大小为m x n 的模板t e m p l a t e ，依此类推，将 所有不同面值、面向和方向的纸币都建立起相应的模板，若共有k 种类型的纸币则 纸币模板也有k 个，记为t e m p l a t e 。其匹配的过程是在纸币图像d i m a g e 上同样以 纸币中心为中心按模板的大小、位置取出识别区域，并按照计算模板特征时所采用 的数学计算方法对其进行分块、计算，得到的数据记为d e s t ，将d e s t 与t e m p l a t e 。中 的数据逐一进行比较，当d e s t 与t e m p l a t e 。之差为零时，表示纸币识别结果应为k 值 所对应的那种纸币类型，同样也可用下列测度来衡量d e s t 和t e m p l a t e 。之间的相似 程度： 村n d i f ( k ) = d e s t ( m ，n ) 一t e m p l a t e ，k ( m ，n ) 】2 ( 2 2 3 ) m = ln = t mmnm d z f ( k ) = d e s t ( m ，n ) 】2 - 2 d s t ( m ，n ) x t e m p l a t e k ( ，l ，n ) + t e m p l a t e k ( m ，n ) 2 m = ln = l= 1n = lm = ln = l ( 2 - 2 4 ) 也可对其进行简化为： mn d i f ( k ) = i d 帮r ( ，n ) 一t e m p l a t e ( m ，n )