一套基于ARM的卷煙防偽識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了保證消費(fèi)者利益，卷煙防偽技術(shù)越來越受到煙草行業(yè)的重視，煙草工商企業(yè)不斷尋求技術(shù)含量高、保密性強(qiáng)的新型防偽技術(shù)和防偽產(chǎn)品。目前常見的卷煙防偽技術(shù)有包裝新型激光全息防偽標(biāo)識(shí)和防偽技術(shù)光致變色油墨等。一些卷煙產(chǎn)品采用數(shù)碼防偽技術(shù)，如部分“芙蓉王”香煙在每一盒（條）產(chǎn)品透明紙上噴印有一組惟一性的18位產(chǎn)品防偽數(shù)碼（即產(chǎn)品的身份代碼），使造假者無法批量假冒，對(duì)該數(shù)碼進(jìn)行查詢，便可獲得產(chǎn)品真?zhèn)?a target="_blank">信息。

該方法可以確定該產(chǎn)品是否出自正規(guī)廠家，但無法得知卷煙是由哪家零售戶出售的，且只適用于特定品牌的香煙。因此，本文利用國家煙草專賣局對(duì)每條卷煙所編32位代碼進(jìn)行查詢，32位代碼是每條卷煙的惟一身份代碼，與零售戶信息存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過32位碼可獲取條煙的準(zhǔn)確來源及出庫的初始日期等信息，由此辨認(rèn)是否假冒或者串貨卷煙。

卷煙32位碼是根據(jù)零售戶訂單在煙草專賣局出庫時(shí)由激光打碼機(jī)或者是噴碼機(jī)直接打印或噴涂在卷煙薄膜外側(cè)的一組數(shù)字。由于數(shù)字串較長(zhǎng)，采用人工方式讀取編碼效率較低，為了讓稽查員能迅速將條煙上的代碼輸入到信息系統(tǒng)，繼而獲取條煙對(duì)應(yīng)的零售戶信息。需要一個(gè)類似于條碼掃描器的設(shè)備，快速獲取條碼信息，由于圖像識(shí)別技術(shù)較為成熟，應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，本文采用圖像識(shí)別算法識(shí)別條煙上的32位碼，形成數(shù)字信息并通過遠(yuǎn)程通信的方式從遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫中查詢條碼所對(duì)應(yīng)的零售戶信息。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)由前臺(tái)和后臺(tái)兩部分組成，前臺(tái)系統(tǒng)主要是便攜式手持識(shí)別設(shè)備，后臺(tái)系統(tǒng)是條碼查詢系統(tǒng)。便攜式手持設(shè)備包括軟硬件兩部分，硬件部分由以下四個(gè)模塊構(gòu)成：32位碼掃描模塊、數(shù)字識(shí)別模塊、數(shù)字顯示和修改模塊、短信收發(fā)模塊。軟件部分以圖像識(shí)別系統(tǒng)為主。條碼查詢系統(tǒng)由條碼處理系統(tǒng)以及短信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器兩部分組成。防偽識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

識(shí)別過程是首先由32位碼掃描模塊拍攝條煙上的條碼作為圖像，輸入到識(shí)別模塊，由數(shù)字識(shí)別模塊使用智能圖像識(shí)別算法識(shí)別圖像中的數(shù)字和字母，并將識(shí)別后的數(shù)字顯示在顯示屏上，同時(shí)對(duì)識(shí)別錯(cuò)誤的數(shù)字進(jìn)行人工更改，使用短信收發(fā)模塊將識(shí)別出的條碼以短信形式發(fā)送到短信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器中，短信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器通過數(shù)據(jù)庫觸發(fā)器查詢條碼數(shù)據(jù)庫，并接收返回查詢結(jié)果，與此同時(shí)條碼處理系統(tǒng)每天定時(shí)增加當(dāng)天的打碼數(shù)據(jù)，以確保條碼數(shù)據(jù)庫的完整性。

2 防偽識(shí)別系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2．1 便攜式手持識(shí)別設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)

便攜式手持識(shí)別設(shè)備由嵌入式硬件設(shè)備以及運(yùn)行在該硬件設(shè)備上的軟件系統(tǒng)兩部分組成。

2．1．1 嵌入式硬件設(shè)備

采用ARM9 SamsungS3C2440為微處理器，并采用專業(yè)穩(wěn)定的CPU內(nèi)核電源芯片和復(fù)位芯片來保證系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，PCB電路板的制作采用沉金工藝的四層板技術(shù)，保證關(guān)鍵信號(hào)線的信號(hào)完整性。

圖像掃描模塊由數(shù)字?jǐn)z像頭、自帶補(bǔ)償光源組成。采用9650數(shù)字?jǐn)z像頭作為圖像采集設(shè)備，同時(shí)使用照明LED作為自帶補(bǔ)償光源，可以不受外界干擾地拍攝香煙盒外包裝上的防偽碼高清圖像。采集圖像分辨率為800x600，24 b位圖格式。

數(shù)字識(shí)別模塊采用SamsungS3C2440A處理器，外接128 MB SDRAM和64 MB FLASH，使用WinCE操作系統(tǒng)。

數(shù)字顯示和修改模塊為1塊NEC 3．5英寸TFT觸摸屏，是系統(tǒng)的人機(jī)交互接口。

短信收發(fā)模塊采用Siemens公司的TC35i GSM短信收發(fā)模塊，能夠穩(wěn)定的發(fā)送識(shí)別結(jié)果。由于此裝置為便攜式設(shè)備，采用9 V，2 500 mA鋰電池為其提供電能。

2．1．2 嵌入式設(shè)備上的軟件

軟件系統(tǒng)主要包括兩部分：基于WinCE系統(tǒng)的人機(jī)交互界面和內(nèi)嵌的圖像識(shí)別程序。

人機(jī)交互界面界面使用EVC 4．0開發(fā)，當(dāng)需要使用本系統(tǒng)進(jìn)行圖像識(shí)別時(shí)，先啟動(dòng)操作系統(tǒng)，啟動(dòng)應(yīng)用程序，將帶光源的攝像頭扣到卷煙條碼的位置，當(dāng)條碼完全放到顯示框中后，點(diǎn)擊“識(shí)別”按鈕進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，識(shí)別數(shù)字將顯示到第一個(gè)文本編輯框中，如果有未識(shí)別出的字符，系統(tǒng)用“*”號(hào)代替，然后采用人工方式進(jìn)行辨認(rèn)和修改，點(diǎn)擊發(fā)送后識(shí)別結(jié)果將顯示到第二行文本框中。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，將圖像識(shí)別過程初步分化為以下幾個(gè)步驟：

步驟1：色彩模型轉(zhuǎn)換及灰度化處理

為保證在色彩無失真的情況下實(shí)現(xiàn)圖像處理，將彩色圖像從RGB模型轉(zhuǎn)化為HIS模型，并依據(jù)該模型對(duì)彩色圖像進(jìn)行灰度化處理。式（1）和（2）分別給出了模型轉(zhuǎn)換和灰度化公式：

步驟2：圖像平滑及二值化處理

采用中值濾波方法對(duì)灰度化圖像進(jìn)行平滑以去除各種加性噪聲。二值化處理則采用最大類間方差法（OTSU），該方法通過選取最佳閾值將原圖像分成差別最大的前景和背景兩個(gè)圖像。

設(shè)前景點(diǎn)數(shù)占圖像比例為w0，平均灰度為u0；背景點(diǎn)數(shù)占圖像比例為w1，平均灰度為u1。則圖像的總平均灰度為：

當(dāng)方差g最大時(shí)，可以認(rèn)為此時(shí)前景和背景差異最大，也就是此時(shí)的灰度是最佳閾值。

步驟3：去除聯(lián)通區(qū)域

進(jìn)行噪聲處理，去掉一些不必要的小連通區(qū)域。通過統(tǒng)計(jì)各連通區(qū)域內(nèi)的像素點(diǎn)數(shù)，將小于給定閾值的連通區(qū)域去除掉。

步驟4：基于支持向量機(jī)的數(shù)字識(shí)別

首先將灰度圖像切割成多個(gè)具有單獨(dú)數(shù)字的圖像，然后采用支持向量機(jī)技術(shù)的數(shù)字進(jìn)行識(shí)別。由于數(shù)字全為打印格式，參考文獻(xiàn)中算法，采用水平垂直投影和左右輪廓投影結(jié)合的方法提取如下特征：垂直和水平投影及投影極值、左右輪廓投影、左右輪廓投影_階差分、左右輪廓投影變化峰值、數(shù)字長(zhǎng)、寬及長(zhǎng)寬比等。由于數(shù)字只有10種情形，故可以將多個(gè)支持向量機(jī)的二類分類器組合起來構(gòu)成一個(gè)多類分類器來實(shí)現(xiàn)數(shù)字的識(shí)別。如果測(cè)試樣本與某個(gè)訓(xùn)練樣本匹配，則給出對(duì)應(yīng)的數(shù)字，如果不匹配，則會(huì)出現(xiàn)誤匹配，這個(gè)時(shí)候盡量能給出錯(cuò)誤提示，提示無法識(shí)別。

2．2 后臺(tái)處理程序的關(guān)鍵技術(shù)

后臺(tái)處理系統(tǒng)由打碼數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、短信網(wǎng)關(guān)處理程序以及后臺(tái)Web監(jiān)控程序三個(gè)部分組成。

系統(tǒng)解析文本數(shù)據(jù)并存入本地?cái)?shù)據(jù)庫，移動(dòng)聯(lián)通短信網(wǎng)關(guān)可以接收來自用戶的查詢短信也可接收來自便攜式識(shí)別設(shè)備發(fā)過來的查詢短信。Web查詢系統(tǒng)的主要作用是領(lǐng)導(dǎo)可以在Web頁面上查看使用手持設(shè)備的稽查員都檢查了哪些零售戶，對(duì)稽查員的工作情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。另一方面，稽查人員可以通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)查詢32位條碼，并查詢?cè)摼頍煂?duì)應(yīng)的零售戶所的基本信息和違規(guī)信息等，同時(shí)普通用戶也可在計(jì)算機(jī)上查詢卷煙條碼真?zhèn)巍?/p>

2．2．1 短信網(wǎng)關(guān)處理系統(tǒng)

前臺(tái)短信查詢是通過短信網(wǎng)關(guān)MAS服務(wù)器接收用戶請(qǐng)求，并通過查詢數(shù)據(jù)庫的方式將查詢結(jié)果返回給用戶。使用華為企業(yè)代理服務(wù)器V4．1D32，為了使得MAS短信網(wǎng)關(guān)自動(dòng)回復(fù)短信，在短信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器的SQL SERVER數(shù)據(jù)庫中需要設(shè)計(jì)一系列觸發(fā)器，用于自動(dòng)處理查詢請(qǐng)求。為了讓觸發(fā)器調(diào)用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫上的數(shù)據(jù)，有兩種途徑，一種是通過Windows系統(tǒng)自帶的MSDTC遠(yuǎn)程傳輸控制服務(wù)直接獲取數(shù)據(jù)，另一種是在觸發(fā)器中調(diào)用一段Java代碼從遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)。

2．2．2 打碼數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

打碼處理系統(tǒng)的作用是定時(shí)處理中軟公司提供的打碼到條接口，將中軟公司每天給出的打碼數(shù)據(jù)文本文件通過文本解析的方式拼接出卷煙32位碼，然后定時(shí)存入本地?cái)?shù)據(jù)庫中。處理程序由Java語言swing類庫編寫的桌面應(yīng)用程序，當(dāng)設(shè)置好FTP的IP地址、用戶名密碼、定時(shí)處理時(shí)間后，程序會(huì)每天自動(dòng)從中軟接口中獲取當(dāng)天的打碼數(shù)據(jù)。

2．2．3 后臺(tái)Web查詢系統(tǒng)

后臺(tái)網(wǎng)絡(luò)查詢程序使用J2EE體系架構(gòu)設(shè)計(jì)，采用WebWork這種MVC設(shè)計(jì)框架使得整個(gè)軟件系統(tǒng)層次清晰、復(fù)用性強(qiáng)，便于系統(tǒng)的二次開發(fā)和升級(jí)維護(hù)。32位碼查詢系統(tǒng)包括卷煙32位碼詳細(xì)查詢子系統(tǒng)、客戶記錄查詢子系統(tǒng)、手機(jī)號(hào)碼查詢子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、信息協(xié)作子系統(tǒng)以及系統(tǒng)管理子系統(tǒng)6個(gè)部分。

3 系統(tǒng)性能分析

圖像處理程序的效率對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能有著重要的影響，雖然ARM9處理器具有較強(qiáng)的處理能力，但在運(yùn)行較復(fù)雜的圖像處理算法時(shí)依然會(huì)有些吃力，尤其是在使用了支持向量機(jī)進(jìn)行智能識(shí)別后，識(shí)別速度變慢。為此，這里特別針對(duì)本系統(tǒng)圖像特點(diǎn)對(duì)處理程序進(jìn)行了大量?jī)?yōu)化，主要從以下三方面進(jìn)行：一是在不影響質(zhì)量或?qū)|(zhì)量影響很小的情況下盡量簡(jiǎn)化處理步驟；二是對(duì)支持向量機(jī)模型進(jìn)行了最優(yōu)化設(shè)計(jì)；三是對(duì)程序中代碼進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，使其在內(nèi)存占用量和執(zhí)行效率上均達(dá)到接近最優(yōu)的程度。經(jīng)過以上優(yōu)化設(shè)計(jì)后，最終系統(tǒng)的性能達(dá)到了基本滿意的程度。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于ARM的卷煙防偽識(shí)別系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)涉及到嵌入式硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、圖像識(shí)別算法的實(shí)現(xiàn)、短信網(wǎng)關(guān)的處理程序以及J2EE數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)等內(nèi)容?？墒褂帽銛y式識(shí)別設(shè)備、手機(jī)短消息以及網(wǎng)站等方式為稽查員、普通消費(fèi)者以及卷煙零售戶提供鑒別真假的手段，試驗(yàn)表明該系統(tǒng)的使用可有效的提高煙草商業(yè)的專賣管理水平。隨著設(shè)備硬件性能的不斷提升，在今后的研究工作中，可考慮使用更為復(fù)雜的智能識(shí)別算法進(jìn)一步提升系統(tǒng)的識(shí)別和使用效果。

編輯：jq