運用視覺技術(shù)提升物流倉儲空間管理的路徑研究

1、運用視覺技術(shù)提升物流倉儲空間管理的路徑研究1、引言目前大多數(shù)的物流倉儲空間管理依然是人工管理或者半自動化管理，隨著現(xiàn)代物流業(yè)貨物流量的擴(kuò)大，以及客戶對于物流服務(wù)要求的不斷提高，智能化、信息化的物流倉儲空間管理需求已成為發(fā)展趨勢。物流倉儲就是利用自建或租賃庫房、場地，儲存、保管、裝卸搬運、配送貨物?，F(xiàn)代倉儲管理是在經(jīng)濟(jì)全球化與供應(yīng)鏈一體化背景下的倉儲，是現(xiàn)代物流系統(tǒng)中的倉儲。高效的倉儲管理對于支撐物流其他環(huán)節(jié)，降低物流運營費用等有重要的意義?；谟嬎銠C(jī)視覺技術(shù)的倉儲管理系統(tǒng)，通過攝像機(jī)采集物品狀態(tài)、位置、空間、環(huán)境等圖像信息，為系統(tǒng)提供管理控制與決策依據(jù)，并集成完善的軟件系統(tǒng)，構(gòu)成了一套智能化的

2、物流倉儲空間管理系統(tǒng)，因此，將計算機(jī)視覺技術(shù)與倉儲管理系統(tǒng)相結(jié)合是可行的。2、系統(tǒng)設(shè)計2.1系統(tǒng)目標(biāo)基于計算機(jī)視覺的物流倉儲空間管理系統(tǒng)是以計算機(jī)視覺技術(shù)為基礎(chǔ)，并集合數(shù)字圖像處理、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，集成先進(jìn)的硬件設(shè)備和完善的軟件系統(tǒng)而建立的智能物流倉儲空間管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于物流倉儲中心，對于倉儲中心的物品信息與空間環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測，并以此作為倉儲空間控制管理的基礎(chǔ)，因此，該系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)和需要實現(xiàn)的功能如下：（1）自動準(zhǔn)確地獲取貨物信息與倉儲信息；（2）自動形成并打印入庫清單和出庫清單；（3）動態(tài)分配貨位，實現(xiàn)隨機(jī)存儲，從而最大限度利用倉儲空間；（4）貨物庫存數(shù)量、庫存位置、

3、庫存時間和貨位信息查詢；（5）貨物庫存隨機(jī)抽查盤點；（6）倉庫系統(tǒng)綜合盤點；（7）匯總和統(tǒng)計各類信息，輸出各類統(tǒng)計報表；（8）監(jiān)測倉儲空間環(huán)境，并自動進(jìn)行溫度、濕度的調(diào)節(jié)。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于計算機(jī)視覺的倉儲管理系統(tǒng)是以電子標(biāo)識作為貨物的識別和基本信息采集的連接方式，通過在倉庫的出入口設(shè)置攝像機(jī)對貨物進(jìn)行信息識別，并通過安裝在倉庫各個位置的攝像機(jī)對倉庫的存儲空間和環(huán)境溫度、濕度進(jìn)行檢測，遇到異常情況可以自動向系統(tǒng)控制中心進(jìn)行報警提示。系統(tǒng)通過有線與無線局域網(wǎng)連接各個模塊，并獲取貨物的詳細(xì)信息，自動生成出、入庫清單，達(dá)到自動化管理的目的；庫內(nèi)各貨架中間圖像傳感器、溫濕度傳感器等終端，以監(jiān)控貨物在倉

4、庫內(nèi)的信息，實現(xiàn)物流貨物的自動識別、定位、輸送、存取、出庫等智能化的倉儲作業(yè)管理。其功能模塊包括信息采集系統(tǒng)、PML服務(wù)器、ONS服務(wù)器、倉儲管理功能模塊和本地數(shù)據(jù)中心等部分組成，通過相應(yīng)的功能模塊，實現(xiàn)庫存量管理、貨物位置控制以及查詢統(tǒng)計等功能。基于計算機(jī)視覺的物流倉儲管理空間系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。2.3系統(tǒng)工作流程系統(tǒng)主要由計算機(jī)分析系統(tǒng)、后臺數(shù)據(jù)庫、局域網(wǎng)、圖像采集與處理系統(tǒng)、攝像機(jī)等部分組成。計算機(jī)系統(tǒng)主要由專用計算機(jī)與圖像處理軟件組成，圖像處理傳送模塊主要由圖像采集、視頻壓縮、數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔糠纸M成。其貨物出入庫的掃描平臺如圖2所示。倉儲空間的狀態(tài)圖像通過安裝在倉庫相應(yīng)位置的攝像機(jī)進(jìn)行采集

5、，在對動態(tài)視頻進(jìn)行圖像處理與數(shù)字壓縮后，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊將其傳送到專屬網(wǎng)絡(luò)交互平臺。計算機(jī)系統(tǒng)通過控制網(wǎng)絡(luò)得到壓縮的數(shù)據(jù)信息，先進(jìn)行解壓縮處理，然后通過相應(yīng)的算法模型進(jìn)行分析，綜合分析得到倉儲物品的實時狀態(tài)信息、出入庫信息、庫存信息、空間環(huán)境信息等，系統(tǒng)根據(jù)這些狀態(tài)信息對倉儲空間進(jìn)行管理與控制。其圖像信息采集流程如圖3所示。系統(tǒng)信息的綜合查詢主要包括貨物信息查詢、庫存狀況查詢、出入庫查詢、位置查詢、環(huán)境空間查詢等。管理員可手動修改數(shù)據(jù)，修改后要系統(tǒng)自動更新數(shù)據(jù)庫。其倉儲信息訪問流程如圖4所示。3、基于計算機(jī)視覺的圖像處理方法基于計算機(jī)視覺的圖像處理方法是針對動態(tài)視頻和三維立體圖像的處理方法

6、，綜合運用包括圖像特征分析、圖像校正、灰度變化、降噪、分析統(tǒng)計、攝像機(jī)坐標(biāo)標(biāo)定等計算機(jī)技術(shù)。本文重點分析以下三個部分。3.1圖像特征分析在本系統(tǒng)中的圖像特征分析包括：倉庫背景特征、物流物品特征、圖像對比特征。倉庫背景特征：倉庫中的背景圖像，比如貨架，要有規(guī)則地進(jìn)行排列，物品的存儲空間大小要盡量相同。貨物的前后排列要按照透視投影的比例關(guān)系由前至后逐漸變小，要有規(guī)律的變化。同時，對于不同的倉庫，其空間大小高低各不相同，要根據(jù)實際空間狀況，設(shè)置攝像機(jī)的位置，從而保證倉儲空間都能采集到視頻圖像。物流物品特征:物流貨物通常都是包裝好的，其外包裝材料與外包裝顏色都是特定統(tǒng)一的，與倉庫中的其他背景顏色往往有

7、明顯差別，圖像顏色特征反差較大，利于特征提取。另外，在外包裝上還有信息標(biāo)識圖像，用于貨物的信息提取。灰度對比特征:通過圖像的中的灰度值變化可以判斷出貨物的存儲位置，其原理是貨物的顏色與亮度與背景環(huán)境的存在較大不同，其灰度值有強(qiáng)烈的的變化。3.2攝像機(jī)模型圖像采集的任務(wù)就是將實際的三維空間圖像投影到平面。圖像中。投影成像模型如圖5所示。在倉庫的相應(yīng)位置設(shè)置攝像機(jī)，攝像機(jī)坐標(biāo)標(biāo)定過程就是確定攝像機(jī)的焦距與攝像機(jī)平面相對于世界坐標(biāo)系的位置和朝向的過程。對攝像機(jī)坐標(biāo)進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定后，就可以通過倉儲空間的三維坐標(biāo)預(yù)測平面圖像坐標(biāo)，即根據(jù)已知的存儲位置的三維坐標(biāo)計算其在背景圖像中的尺寸，由此建立世界坐標(biāo)系和

8、圖像坐標(biāo)平面的映射關(guān)系。如圖5中模型所示，視點為O,空間點P(Xw,Yw,Zw)，在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(X,Y,Z)，它在攝像機(jī)成像平面上的投影點為p(x,y)，它們的透視投影幾何關(guān)系為：x=f（X/Z),y=f(Y/Z)。3.3灰度變換彩色的視頻圖像通過灰度變化可以轉(zhuǎn)換為灰度圖。BMP格式圖像顏色，都可以都可以用紅、綠、藍(lán)的組合值，這種模型稱為RGB模型。灰度圖則是灰度變換的結(jié)果，灰度變換就是使彩色的紅（R）、綠(G)、藍(lán)（B）分量值相等的過程。因為紅（R）、綠(G)、藍(lán)（B）取值范圍是0255，所以，灰度級別總共有256級。根據(jù)不同的圖像環(huán)境特點，采用不同的灰度變化方法，常用的方法主要

9、有以下三種。A最大值法：即R、G、B的值等于這三個值中最大的一個，最大值法會形成亮度很高的灰度圖像，適用于光線較為暗淡的環(huán)境。（1）B平均值法：即求出紅（R）、綠(G)、藍(lán)（B）和的平均值，平均值法會形成較柔和的灰度圖像，適用于光線照射不均勻的環(huán)境。（2）C加權(quán)平均值法:即根據(jù)重要性或其他指標(biāo)給紅（R）、綠(G)、藍(lán)（B）賦予不同的權(quán)值，并使紅（R）、綠(G)、藍(lán)（B）的值加權(quán)平均，加權(quán)平均值法得到的灰度圖像最為理想，因此，適用于光線較強(qiáng)的環(huán)境。（3）其中Wr,Wg,Wb分別為紅（R）、綠(G)、藍(lán)（B）的權(quán)值。由于人眼對綠色的敏感度最高，對紅色的敏感度次之，對藍(lán)色的敏感度最低，所以，使WgW

10、rWb，將得到較合理的灰度圖像。根據(jù)實驗可知，當(dāng)Wr=0.30，Wg=0.59，Wb=0.11時，能得到最理想的灰度圖像。本系統(tǒng)選用的攝像頭具有自動白平衡、自動增益、自動亮度調(diào)節(jié)等功能，而且，倉庫空間內(nèi)有照明設(shè)備，光線環(huán)境比較良好，采集到的視頻圖像質(zhì)量基本比較好，因此，采用加權(quán)平均值法進(jìn)行灰度變換。4、關(guān)鍵技術(shù)4.1計算機(jī)視覺與數(shù)字圖像處理技術(shù)計算機(jī)視覺主要用計算機(jī)來模擬人的視覺功能，但并不僅僅是人眼的簡單延伸，更重要的是具有人腦的部分功能：通過提取客觀事物的圖像特征信息，進(jìn)行理解并加以處理，然后得到用于實際檢測、控制和測量的信息。一個典型的計算機(jī)視覺應(yīng)用系統(tǒng)，包括數(shù)字圖像處理技術(shù)、機(jī)械工程技

11、術(shù)、控制技術(shù)、光源照明技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)、傳感器技術(shù)、模擬與數(shù)字視頻技術(shù)、計算機(jī)軟硬件技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)等。計算機(jī)視覺系統(tǒng)是指通過圖像攝取裝置，獲取圖像，然后將該圖像傳送至處理單元，通過數(shù)字化處理，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，來進(jìn)行尺寸、形狀、顏色等的判別。進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制設(shè)備動作。計算機(jī)圖形學(xué)是一種使用數(shù)學(xué)算法將二維或三維圖形轉(zhuǎn)化為計算機(jī)顯示器的柵格形式的科學(xué)。計算機(jī)圖形學(xué)的主要研究內(nèi)容就是研究如何在計算機(jī)中表示圖形、以及利用計算機(jī)進(jìn)行圖形的計算、處理和顯示的相關(guān)原理與算法。圖形通常由點、線、面、體等幾何元素和灰度、色彩、線型、線寬等非幾何屬性組成。從處理技術(shù)上來看，圖形主要分為

12、兩類，一類是基于線條信息表示的，如工程圖、等高線地圖、曲面的線框圖等，另一類是明暗圖，也就是通常所說的真實感圖形。計算機(jī)圖形學(xué)一個主要的目的就是要利用計算機(jī)產(chǎn)生令人賞心悅目的真實感圖形。為此，必須建立圖形所描述的場景的幾何表示，再用某種光照模型，計算在假想的光源、紋理、材質(zhì)屬性下的光照明效果。所以計算機(jī)圖形學(xué)與另一門學(xué)科計算機(jī)輔助幾何設(shè)計有著密切的關(guān)系。4.2圖像采集與視頻編碼技術(shù)把運動圖像從背景圖像中分離出來，對不同的對象采用不同的編碼方式是視頻編碼技術(shù)的實現(xiàn)基礎(chǔ)，其目的是為了實現(xiàn)高效的視頻壓縮。通過對視頻圖像的分割進(jìn)行分析，得出其其基本分割過程是:首先，為了便于分割，要簡化原始視頻?圖像數(shù)

13、據(jù),比如：幀差、位移幀差、顏色、紋理、運動、語義等圖像特征；其次，確定圖像分割的決策依據(jù)要基于均勻性標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)所提取圖像特征將視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類；最后，對視頻圖像進(jìn)行處理,從而能準(zhǔn)確提取圖像邊界并降噪。視頻對象在某個時刻的采樣被稱作視頻對象平面,視頻編碼技術(shù)的核心要素就是視頻對象平面。視頻圖像在編碼過程中針對不同的視頻對象采用不同的編碼方式,分為前景對象編碼與背景對象編碼。對于前景視頻對象的壓縮編碼應(yīng)盡量保留圖像細(xì)節(jié)與邊緣平滑；而對背景對象編碼則要用高壓縮的率的方法，甚至不用對背景圖像進(jìn)行采集，在解碼的時候應(yīng)用其他背景進(jìn)行代替，其目的是為了更好的提取主要目標(biāo)對象而忽略次要的背景圖像對象。4.3控

14、制網(wǎng)絡(luò)的實時數(shù)據(jù)傳輸處理在基于計算機(jī)視覺的物流倉儲管理系統(tǒng)中，大多數(shù)情況下在倉庫中會有多個攝像機(jī)連接入控制網(wǎng)絡(luò)，而此計算機(jī)主機(jī)就需要把采集得到的視頻圖像數(shù)據(jù)同時發(fā)給多個客戶端，即一對多的傳輸方式，因此，IP組播技術(shù)對于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的多點實時傳輸比較適合?？刂浦行膶τ跀?shù)據(jù)的實時性要求較高，基于此我們建立如下的數(shù)據(jù)傳輸方式：客戶端與服務(wù)器端通信，可靠性要求較高的信息采用TCP協(xié)議和單播技術(shù)；服務(wù)器與客戶端的視頻傳輸采用RTP、RTCP、UDP協(xié)議和組播技術(shù)；控制中心通過控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)送命令驅(qū)動攝像機(jī)采集數(shù)據(jù)。其所采用的控制網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議層次如圖6所示。5、結(jié)語基于計算機(jī)視覺技術(shù)的物流倉儲空間管理系統(tǒng)將計算機(jī)

15、視覺技術(shù)應(yīng)用于物流倉儲管理系統(tǒng)，能對物流產(chǎn)品的倉儲進(jìn)行智能化的控制和管理，有效識別物品的狀態(tài)信息與位置信息，從而實現(xiàn)了倉儲空間的統(tǒng)一化、系統(tǒng)化的管理，不但能加快物流產(chǎn)品的中轉(zhuǎn)、調(diào)度、出入庫效率，而且能通過局域網(wǎng)對倉儲空間的溫度、濕度環(huán)境進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，保障了物流產(chǎn)品的安全性，物流參與者還可以通過系統(tǒng)對物流產(chǎn)品的倉儲信息進(jìn)行綜合查詢，從而了解產(chǎn)品庫存情況、空間利用情況等信息，增強(qiáng)了倉儲管理系統(tǒng)的信息化程度，能更好地適應(yīng)現(xiàn)代物流管理模式下對于倉儲空間控制管理的需求。參考文獻(xiàn)：1謝勇,王紅衛(wèi).基于物聯(lián)網(wǎng)的自動入庫管理系統(tǒng)及其應(yīng)用研究J.物流技術(shù),2007,26(4):90-93.2陳武凡.小波分析及其在圖像處理