Wdrażanie kompaktowego systemu śledzenia i identyfikowalności o wysokiej wydajności

Projektanci automatyki przemysłowej i systemów śledzenia towarów potrzebują optycznych czytników kodów kreskowych, które są w stanie odczytywać takie typy etykiet kodowych, jak druk termiczny, grawerowanie laserowe lub nadruk mozaikowy na metalu. Dekodowanie szybko poruszających się i zmieniających się etykiet kodowych na przenośnikach taśmowych wymaga czytników z przetwarzaniem obrazu charakteryzującym się niską latencją i wysoką rozdzielczością, które są w stanie dokładnie dekodować uszkodzone lub zabrudzone kody kreskowe. Czytniki muszą zapewniać niezawodność działania w trudnych warunkach środowiskowych, pomimo niekorzystnych warunków oświetlenia, nieprzewidywalnej orientacji etykiet i ich nierównej geometrii.

Aby zaspokoić te potrzeby, a jednocześnie sprostać ograniczeniom kosztowym i czasowym, projektanci instalacji przemysłowych mogą korzystać z gotowych czytników kodów kreskowych, które można łatwo konfigurować w celu dopasowania do szerokiej gamy zastosowań docelowych.

W tym artykule krótko omówiono standardy kodów kreskowych i wymagania dotyczące czytników, a następnie przedstawiono odpowiednie czytniki kodów kreskowych oparte na obrazowaniu firmy Omron Automation and Safety, które można łatwo konfigurować w terenie i które są obsługiwane przez różne moduły barwnego oświetlenia oraz filtrów. W artykule omówiono obsługiwane standardy kodów, okablowanie i sposób konfiguracji oprogramowania czytników.

Rodzaje standardów kodów kreskowych

Istnieje wiele rodzajów kodów kreskowych, a każdy z nich ma unikalne cechy i wymagania. Ilustracja 1 przedstawia przykłady kodów kreskowych liniowych (1D), piętrowych liniowych, mozaikowych (2D) i punktowych, a także zdjęcia bezpośredniego znakowania części (DPM) na różnych materiałach o różnym kontraście i jakości rozdzielczości.

Ilustracja 1: czytniki kodów muszą obsługiwać różne kody, w tym liniowe (1D) kody kreskowe, piętrowe liniowe kody kreskowe, dwuwymiarowe symbole matrycowe i symbole punktowe (u góry). Bezpośrednie znakowanie części (DPM) ma różne charakterystyki kontrastu i rozdzielczości (na dole). (Źródło ilustracji: Omron)

Dwuwymiarowy kod matrycowy po prawej stronie ilustracji 2 ilustruje strukturę kodu QR: cztery kwadratowe znaczniki referencyjne określają orientację odczytu etykiety kodu, podczas gdy dwa paski „zebry” sygnalizują zegar odczytu. Ponad połowa komórek zawiera słowo danych użytkownika; reszta służy jako redundancja do korekcji błędów.

Ilustracja 2: kod QR zawiera korekcję błędów, a także znaczniki referencyjne i zegarowe dodatkowo do słowa danych (po lewej). Regulowane poziomy korekcji błędów mogą odtworzyć od 7% do 30% utraconego obszaru symbolu (po prawej). (Źródło ilustracji: Omron)

Jeśli symbol kodu QR jest generowany przy użyciu algorytmu Reeda-Solomona, korekcja błędów może zrekonstruować od 7% do 30% utraconego obszaru symbolu, w zależności od wybranego poziomu (ilustracja 2, po prawej). Zgodnie z normą ISO/IEC 24778, dwuwymiarowy kod mozaikowy Aztec do zastosowań o ograniczonej przestrzeni, może być odczytywany w dowolnej orientacji i umożliwia regulowaną korekcję błędów od 5% do 95%.

Oparty na obrazie czytnik kodów kreskowych ze zintegrowanym przetwarzaniem obrazu

Dobrym przykładem zaawansowania i wydajności czytników jest kompaktowa seria czytników kodów kreskowych MicroHAWK V430-F firmy Omron. Wspomniane czytniki mogą niezawodnie odczytywać różne mozaikowe kody kreskowe na różnych powierzchniach w wymagających środowiskach fabrycznych. Wykorzystują one zaawansowane algorytmy korekcji błędów do dekodowania uszkodzonych i niekompletnych symboli z prędkością do 60 klatek na sekundę (fps). Zaawansowana optyka łączy w sobie monochromatyczne lub kolorowe sensory obrazu o rozdzielczości do 5 megapikseli (MP) z różnymi opcjami stałego lub automatycznego nastawiania ostrości.

Monochromatyczny czytnik kodów kreskowych V430-F000L12M-SRX charakteryzuje się rozdzielczością 1280 x 960 pikseli (1,2MP) (ilustracja 3). Urządzenie posiada układ automatycznego nastawiania ostrości z głębią ostrości 1160mm, osiem czerwonych diod LED i procesor obrazu 800MHz, a wszystko to w obudowie o wymiarach 44,5 x 25,5 x 56,9mm (szer. x wys. x gł.).

Ilustracja 3: czytnik kodów kreskowych V430-F000L12M-SRX z wbudowanym podświetleniem (po lewej), wzbogacony o pierścień LED i moduł dyfuzora (po prawej). (Źródło ilustracji: Omron)

Czytnik V430-F posiada stopień ochrony IP67. Można go łatwo instalować i konfigurować na miejscu, w przemysłowych strefach produkcyjnych. Wbudowane funkcje obrazowania przechwytują kody 1D, 2D i mozaikowe oraz wykrywają bezpośrednie znakowanie części (DPM) w warunkach słabego kontrastu. Algorytmy przetwarzania błędów i obrazu mogą dekodować uszkodzone, brudne, rozmazane lub zniekształcone etykiety kodów, wyprowadzając na wyjściu zwykły tekst ASCII.

Niektóre ważne cechy grupy produktów V430-F:

• Obsługa standardów kodu:
  • ISO/IEC 15415: DataMatrix (ECC200, GS1), QR Code, Micro QR
  • ISO/IEC TR 29158: DataMatrix (ECC200, GS1)
  • ISO/IEC 15416: Code 128/GS1-12, UPC/EAN (JAN), ITF, Code 39, Code 93, Codabar
  • ISO/IEC 16022: DataMatrix (ECC200, GS1)
• Trzy opcje rozdzielczości:
  • 752 x 480 (0,3MP) lub 1280 x 960 (1,2MP) w trybie monochromatycznym i 2592 x 1944 (5,0MP) w kolorze
• Automatyczne nastawianie ostrości od 50 do 300mm, automatyczne nastawianie ostrości od 75 do 1200mm i stała ostrość
• Długość ogniskowa: szeroki, średni lub wąski kąt
• Cykl odczytu 32ms przy prędkości do 60fps
• Zasilanie od 5 do 30V, opcjonalne zasilanie przez Ethernet (PoE) (tryb B) i pobór prądu 180mA przy 24V
• Trzy porty sterowania wejścia-wyjścia (I/O) izolowane sprzęgaczem optycznym
• Komunikacja przez RS-232, TCP/IP, Ethernet/IP lub Profinet
• Połączenie łańcuchowe maksymalnie ośmiu czytników
• Graficzny interfejs użytkownika (GUI) WebLink do konfiguracji i monitorowania przez przeglądarkę

Wersja V430-F000W12M-SRP wykorzystuje soczewkę szerokokątną i oferuje tryb Plus w oprogramowaniu układowym do przetwarzania obrazu zamiast korekcji błędów X-Mode. Tryb Plus jest odpowiedni dla kodów o wysokim kontraście, takich jak etykiety, podczas gdy agresywne pozycjonowanie symboli, analiza i algorytmy rekonstrukcji trybu X-Mode sprawiają, że jest on odpowiedni dla wszystkich etykiet, w tym kodów o niskim kontraście i bezpośredniego znakowania części (DPM). Urządzenia z serii F430 są dwufunkcyjne, co oznacza, że mogą pracować jednocześnie jako czytniki kodów kreskowych i jako wizyjne systemy inspekcji.

Moduły dodatkowe służące do poprawy kontrastu

Seria F430 dostępna jest z wieloma opcjami dopasowanymi do danego zastosowania. Przykładowo, łatwe w instalacji moduły dodatkowe, takie jak lampy pierścieniowe (V430-AL) z ośmioma lub 24 diodami LED w kolorze czerwonym, białym, niebieskim lub świecące w podczerwieni, rozszerzają zakres kontrastu czytnika kodów kreskowych. Ponadto filtry kolorowe i polaryzacyjne oraz dyfuzory (V430-AF) redukują światło rozproszone i odblaski z błyszczących powierzchni (ilustracja 4).

Ilustracja 4: dyfuzory i filtry polaryzacyjne redukują odbicia i światło rozproszone, poprawiając kontrast i zmniejszając błędy odczytu. (Źródło ilustracji: Omron)

Podłączanie czytnika kodów kreskowych

Czytnik kodów kreskowych V430-F posiada dwa gniazda M12 i kilka opcji połączeń (ilustracja 5). Gniazdo komunikacyjne umożliwia komputerowi hosta odczyt zdekodowanych danych za pośrednictwem protokołów Ethernet/IP, TCP/IP lub Profinet, konfigurację i monitorowanie czytnika kodów kreskowych oraz opcjonalne zasilanie przez Ethernet (tryb B). Druga wtyczka łączy się z programowalnym sterownikiem logicznym (PLC) do sterowania procesami i zawiera wejście wyzwalające, interfejs RS-232 oraz trzy sygnały przełączające wejścia-wyjścia. Służy ona również do zasilania urządzenia V430-F. Odczyt dekodowanych danych, konfiguracja i monitorowanie czytnika kodów kreskowych można również wykonywać za pośrednictwem terminala RS-232 urządzenia V430-F.

Ilustracja 5: opcje łączności czytnika kodów kreskowych V430-F obejmują Ethernet, linie sterowania wejścia-wyjścia, RS-232 i linie zasilające. (Źródło ilustracji: Omron)

Firma Omron oferuje kable Ethernet, wejścia-wyjścia i RS-232 skonfigurowane dla serii V430 (V430-W). Podczas instalacji urządzenia V430-F w połączeniu z komponentami peryferyjnymi (takimi jak fotoczujnik, pomocnicze oświetlenie LED i zasilacz), interfejs 98-000103-02 zapewnia przydatny czterodrogowy punkt rozdziału.

Interfejs użytkownika WebLink

Serwer WebLink zintegrowany z czytnikiem kodów kreskowych zapewnia użytkownikowi graficzny interfejs użytkownika (GUI), który można wyświetlić przez wpisanie adresu http://192.168.188.2 w przeglądarce. Z tego miejsca projektant może sterować, monitorować, konfigurować i odczytywać dane z urządzenia V430-F.

Ilustracja 6: urządzenie V430-F może być kontrolowane, odczytywane i konfigurowane przez interfejs użytkownika WebLink. (Źródło ilustracji: Omron)

Karta <Start> zawiera informacje specyficzne dla modelu wszystkich połączonych czytników i jest punktem wyjścia do tworzenia profili konfiguracji. Karta <Setup> (Konfiguracja) wyświetla ważne ustawienia konfiguracyjne po lewej stronie, podczas gdy środkowy obszar pokazuje obraz z kamery i oferuje narzędzia do przetwarzania obrazu w celu zdefiniowania obszaru przechwytywania kodu kreskowego. Po prawej stronie, w okienku wyjściowym, stale wyświetlane są słowa danych zdekodowane z kodu kreskowego, które mogą być również śledzone przez terminal WebLink lub odczytywane przez interfejs RS-232.

Konfiguracja parametrów

Aby znacznie przyspieszyć dekodowanie, projektanci mogą precyzyjnie wyznaczać obszar detekcji, definiując oczekiwane rodzaje kodów i optymalnie ustawiając algorytmy przetwarzania obrazu. Mogą one również modyfikować format wyjściowy dekodowanego słowa danych oraz wstawiać, zamieniać lub wyodrębniać znaki.

Korzystając z poleceń K za pośrednictwem wiersza poleceń terminala lub bezpośrednio zmieniając wartości w pozycji menu WebLink <Advanced Settings> (Ustawienia zaawansowane), projektanci mogą konfigurować parametry dla następujących obszarów funkcjonalnych: Camera Setup (Konfiguracja kamery), Communications (Komunikacja), Read Cycle (Cykl odczytu), Symbologies (Symboliki), I/O (Wejście-wyjście), Symbol Quality (Jakość symboli), Match String (Ciąg dopasowania), Diagnostics (Diagnostyka), Image Storage (Zapis obrazów) oraz Configuration Database (Baza danych konfiguracji).

Gdy okno zainteresowania (WOI) zostanie zidentyfikowane w obszarze podglądu kamery, definiowane są w nim wszystkie istotne obszary etykiety z kodem, określane jako obszar zainteresowania (ROI). W bazie danych konfiguracji można skonfigurować do dziesięciu takich obszarów zainteresowania (ROI) dla określonych kodów. W trybie <Run> (Praca) czytnik V430-F może przełączać się między tymi zestawami parametrów.

Różne algorytmy specjalne mogą poprawiać słabą jakość symboli, a konfiguruje się je za pomocą pozycji menu <Advanced Decoding Parameters> (Zaawansowane parametry dekodowania):

• 2D Damaged Mode (Tryb uszkodzenia 2D) może dekodować symbole ze zniekształceniami wyrównania siatki lub niedopasowaniem komórek. Ilustracja 7 w lewym górnym rogu pokazuje, jak to działa. Funkcję tę można włączyć za pomocą polecenia szeregowego <K567,1> (0/1 = wyłączone/włączone).
• Attempt Morphology Manipulation (Próba manipulacji morfologii) stosuje dylatację lub erozję morfologii i podejmuje próbę dekodowania. W prawym górnym rogu ilustracji 7 pokazano, jak ta funkcja zwiększa siłę sygnału i redukuje szumy. Algorytm jest włączany za pomocą polecenia szeregowego <K568,1>.

Ilustracja 7: algorytmy przetwarzania obrazu, takie jak Damaged Mode (Tryb uszkodzony), Morphology (Morfologia) i Scale Up/Down (Zwiększanie/zmniejszanie skali), umożliwiają dekodowanie nawet obrazów o niskiej jakości. (Źródło ilustracji: Omron)

• Tryb Curved 2D (Zakrzywiony 2D) jest przeznaczony dla symboli Data Matrix oraz QR Code.
  Jeśli stosunek długości między czerwoną i zieloną linią, pokazany na ilustracji 8, przekracza 20:1, aktywowany jest algorytm Curved 2D (Zakrzywiony 2D). Tę funkcję włącza się za pomocą polecenia szeregowego <K563,1>.

Ilustracja 8: algorytm przetwarzania zakrzywionego obrazu Curved 2D automatycznie wykrywa zakrzywione etykiety kodów i prostuje je przed dekodowaniem. (Źródło ilustracji: Omron)

• Opcja Symbol Quality (Jakość symbolu) wyświetla szczegółowe oceny w stopniach od A do F zgodnie z normą ISO/IEC 15416. Każdy pojedynczy parametr można włączyć oddzielnie za pomocą polecenia seryjnego <K726, apertura, tryb ogólny, określanie krawędzi, dekodowanie, kontrast, minimalny współczynnik odbicia, minimalny kontrast krawędzi, modulacja, defekty, dekodowalność i strefa ciszy>. Polecenie szeregowe <VAL4> odpowiada raportem tekstowym podsumowującym klasyfikację ISO/IEC15416 (tabela 1).

Tabela 1: polecenie szeregowe <VAL4> odpowiada raportem tekstowym podsumowującym klasyfikację ISO/IEC15416. (Źródło tabeli: Omron)

Podsumowanie

Kompaktowe, oparte na przetwarzaniu obrazów czytniki kodów kreskowych z serii V430-F zapewniają niezawodność dekodowania szerokiej gamy standardów kodów na różnych powierzchniach i przy dużych prędkościach w wymagających środowiskach fabrycznych. Zaawansowane zintegrowane przetwarzanie obrazu można łatwo skonfigurować za pomocą przeglądarki, co pozwala projektantom na uruchomienie czytnika kodów kreskowych bez specjalistycznego doświadczenia w przetwarzaniu obrazu.