智能視覺拍照排版嵌入式控制軟件設(shè)計(jì)研究

關(guān)鍵詞：智能視覺； 拍照排版； 嵌入式控制軟件；排版算法；材料利用率

0 引言

智能視覺拍照排版嵌入式控制軟件在制鞋、家具和服裝等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的排版方式主要依賴人工操作，存在效率低下、材料浪費(fèi)嚴(yán)重等問題。近年來，隨著圖像處理和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，開發(fā)高效、智能的排版系統(tǒng)成為可能。為此，本文設(shè)計(jì)了一種集成工業(yè)相機(jī)和單反相機(jī)自動(dòng)化拍照功能的智能視覺拍照排版嵌入式控制軟件。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的排版算法和數(shù)據(jù)管理模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)真皮等不規(guī)則材料的高效排版，有效提高了排版效率和材料利用率，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)采用三層架構(gòu)設(shè)計(jì)，包括嵌入式控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理模塊和用戶界面。如圖1所示，嵌入式控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制工業(yè)相機(jī)和單反相機(jī)對(duì)真皮進(jìn)行自動(dòng)化拍照，并將圖像數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)管理模塊；同時(shí)，該模塊還通過硬件接口控制投影儀，實(shí)現(xiàn)拍攝結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示。數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)處理和存儲(chǔ)拍攝的圖像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行初步的圖像處理，如輪廓識(shí)別和瑕疵檢測(cè)。此外，該模塊還提供對(duì)圖像數(shù)據(jù)的管理功能，包括圖像的導(dǎo)入、導(dǎo)出和刪除。用戶界面提供直觀的操作界面，方便用戶進(jìn)行拍照、識(shí)別、排版等操作，主要包括主界面、工具欄、操作區(qū)、排版區(qū)和分片欄等功能區(qū)[1]。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

用戶界面還包括任務(wù)管理模塊、材料管理模塊、排版模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。其中：

任務(wù)管理模塊：管理排版任務(wù)的創(chuàng)建、保存、導(dǎo)入和導(dǎo)出；提供對(duì)當(dāng)前任務(wù)的材料、號(hào)碼、部位、訂單等信息的管理和顯示。

材料管理模塊：負(fù)責(zé)材料的新增、刪除和屬性設(shè)置；提供材料庫(kù)存管理和實(shí)時(shí)更新功能。

排版模塊：實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)排版功能，支持混合排版和填充排版模式；提供分片的優(yōu)化策略，利用啟發(fā)式算法和動(dòng)態(tài)規(guī)劃結(jié)合回溯算法進(jìn)行排版優(yōu)化。

數(shù)據(jù)處理模塊：處理分片圖形數(shù)據(jù)的導(dǎo)入和解析，生成排版圖；提供對(duì)材料信息的管理，支持多種格式的分片圖形數(shù)據(jù)。

用戶界面設(shè)計(jì)包括主界面布局與功能區(qū)劃分、工具欄功能設(shè)計(jì)等，包含拍照、識(shí)別、排版、導(dǎo)入導(dǎo)出等常用功能按鈕[2]。

系統(tǒng)中的嵌入式控制系統(tǒng)通過控制工業(yè)相機(jī)（如Canon EOS 5D Mark Ⅳ） 和單反相機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化拍照，每次拍照時(shí)間為2秒，并將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)管理模塊進(jìn)行處理。投影儀（如Epson EB-2142W） 通過硬件接口實(shí)時(shí)顯示拍攝結(jié)果，確保用戶能即時(shí)查看拍攝效果。數(shù)據(jù)管理模塊支持每小時(shí)處理500張圖像，存儲(chǔ)容量可達(dá)1 TB，初步處理包括輪廓識(shí)別和瑕疵檢測(cè)，識(shí)別精度達(dá)95%。用戶界面設(shè)計(jì)方面，主界面包括工具欄、操作區(qū)、排版區(qū)和分片欄，工具欄上配有拍照、識(shí)別、排版、導(dǎo)入導(dǎo)出等功能按鈕，操作簡(jiǎn)便直觀[3]。

1.2 功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.2.1 拍照模塊

拍照模塊是系統(tǒng)獲取真皮圖像數(shù)據(jù)的關(guān)鍵模塊。本系統(tǒng)集成了工業(yè)相機(jī)和單反相機(jī)兩種拍照方式，以適應(yīng)不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。工業(yè)相機(jī)拍照速度快，適用于大批量、標(biāo)準(zhǔn)化真皮的拍攝；而單反相機(jī)成像質(zhì)量高，適用于對(duì)圖像細(xì)節(jié)要求較高的場(chǎng)景。

拍照模塊的功能包括：

相機(jī)參數(shù)設(shè)置：用戶可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置相機(jī)的曝光時(shí)間、增益、白平衡等參數(shù)，以獲取清晰的真皮圖像。

自動(dòng)對(duì)焦：系統(tǒng)采用基于圖像處理的自動(dòng)對(duì)焦算法，確保拍攝的圖像清晰銳利。

圖像預(yù)處理：對(duì)拍攝的圖像進(jìn)行去噪、增強(qiáng)等預(yù)處理操作，提高圖像質(zhì)量，為后續(xù)的識(shí)別和排版提供更準(zhǔn)確的輸入數(shù)據(jù)。

拍照模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)真皮圖像的快速、高質(zhì)量采集，為后續(xù)的識(shí)別和排版提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[4]。

1.2.2 識(shí)別模塊

識(shí)別模塊負(fù)責(zé)對(duì)拍攝的真皮圖像進(jìn)行分析，識(shí)別出真皮的輪廓、瑕疵等信息。該模塊采用基于深度學(xué)習(xí)的圖像識(shí)別算法，能夠快速、準(zhǔn)確地識(shí)別出真皮的關(guān)鍵特征。

識(shí)別模塊的功能包括：

輪廓提?。翰捎眠吘墮z測(cè)、輪廓跟蹤等算法，提取真皮的完整輪廓信息。

瑕疵檢測(cè)：識(shí)別真皮表面的瑕疵，如疤痕、褶皺、色差等，并對(duì)其進(jìn)行分類和標(biāo)記。

識(shí)別模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)真皮特征的自動(dòng)、精確識(shí)別，為后續(xù)的排版提供準(zhǔn)確的輸入數(shù)據(jù)[5]。

1.2.3 排版模塊

排版模塊是系統(tǒng)的核心模塊，負(fù)責(zé)根據(jù)識(shí)別出的真皮輪廓和瑕疵信息，以及用戶設(shè)定的排版規(guī)則，生成最優(yōu)的排版方案。該模塊采用了混合排版和填充排版兩種模式：

混合排版：將不同形狀、大小的真皮分片進(jìn)行混合排放，以最大限度地利用材料。

填充排版：將形狀、大小相似的真皮分片進(jìn)行填充排放，以提高排版效率。

為了找到最優(yōu)的排版方案，排版模塊結(jié)合了啟發(fā)式算法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃和回溯算法：

啟發(fā)式算法：用于快速生成初始排版方案，例如貪婪算法、模擬退火算法等。

動(dòng)態(tài)規(guī)劃：用于優(yōu)化排版方案，例如最長(zhǎng)公共子序列算法。

回溯算法：用于在搜索空間較大時(shí)，尋找全局最優(yōu)解。

排版模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)真皮分片的自動(dòng)、高效、高質(zhì)量排版，最大限度地利用材料，并滿足用戶的個(gè)性化需求。

1.3 數(shù)據(jù)管理

在數(shù)據(jù)管理中，系統(tǒng)支持多種格式的分片圖形數(shù)據(jù)導(dǎo)入與處理，能夠?qū)肴鏒XF、SVG等格式的分片圖形數(shù)據(jù)。系統(tǒng)能夠解析這些導(dǎo)入的分片圖形數(shù)據(jù)，并生成對(duì)應(yīng)的排版圖。例如，系統(tǒng)可以在5秒內(nèi)解析并導(dǎo)入一個(gè)包含50個(gè)分片的DXF文件，生成的排版圖能夠準(zhǔn)確反映分片的形狀和尺寸[6]。

材料管理與屬性設(shè)置方面，系統(tǒng)提供對(duì)材料信息的全面管理功能，支持材料的新增、刪除和修改。用戶可以通過界面輸入材料的名稱、類別、顏色、厚度等屬性，并進(jìn)行相應(yīng)的管理操作。系統(tǒng)能夠在3秒內(nèi)完成材料信息的新增操作，修改或刪除材料信息也只需2秒。此外，系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)更新材料庫(kù)存信息的功能，確保材料管理的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。例如，當(dāng)一批新的材料被使用時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)減少庫(kù)存數(shù)量，更新后的庫(kù)存信息在1秒內(nèi)顯示給用戶，確保材料使用的透明度和可追溯性[7]。

當(dāng)導(dǎo)入一個(gè)包含100個(gè)分片的SVG文件時(shí)，系統(tǒng)能夠在10秒內(nèi)完成解析，并生成高精度的排版圖，準(zhǔn)確度達(dá)到98%。對(duì)于材料管理，系統(tǒng)能夠處理100種不同材料的新增、刪除和修改操作，每次操作的響應(yīng)時(shí)間均保持在2～3秒內(nèi)。在材料庫(kù)存管理方面，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)追蹤和更新多達(dá)1 000批次材料的庫(kù)存信息，每次庫(kù)存更新操作在1秒內(nèi)完成，確保用戶能夠及時(shí)獲取最新的庫(kù)存數(shù)據(jù)[8]。

2 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

2.1 測(cè)試環(huán)境與測(cè)試數(shù)據(jù)

2.1.1 硬件與軟件測(cè)試環(huán)境配置

本系統(tǒng)的硬件配置包括：Intel i7-10700K CPU（8 核心，3.8GHz） 、32GB DDR4 RAM、1TB NVMe SSD 存儲(chǔ)空間。軟件配置方面，操作系統(tǒng)為Microsoft Win?dows 10 Pro，開發(fā)工具采用Visual Studio 2019，數(shù)據(jù)庫(kù)使用MySQL 8.0。測(cè)試環(huán)境還包含Epson EB-2142W 投影儀和Canon EOS 5D Mark Ⅳ相機(jī)，用于拍照和投影顯示。

2.1.2 測(cè)試數(shù)據(jù)與案例分析

測(cè)試數(shù)據(jù)包括多種格式的分片圖形數(shù)據(jù)和材料信息。具體測(cè)試數(shù)據(jù)如下：包含100個(gè)分片的DXF文件，大小為10 MB；包含50個(gè)分片的SVG文件，大小為5 MB。材料信息測(cè)試數(shù)據(jù)包括：材料名稱“皮革A”，厚度2 mm，庫(kù)存數(shù)量1 000件；材料名稱“皮革B”，厚度1.5 mm，庫(kù)存數(shù)量500件[9]。

2.2 功能測(cè)試

2.2.1 排版任務(wù)管理與優(yōu)化測(cè)試

測(cè)試過程中，排版任務(wù)的創(chuàng)建、編輯和刪除的響應(yīng)時(shí)間如下：創(chuàng)建任務(wù)平均用時(shí)3秒，編輯任務(wù)平均用時(shí)2秒，刪除任務(wù)平均用時(shí)1秒。排版優(yōu)化的材料利用率平均達(dá)到92%，優(yōu)化時(shí)間為20秒。如表1、表2 所示。

2.2.2 材料管理與數(shù)據(jù)處理測(cè)試

材料管理操作的響應(yīng)時(shí)間分別為：新增材料3秒，刪除材料2秒，修改材料信息2秒。數(shù)據(jù)處理模塊在解析100個(gè)分片的DXF文件時(shí)，穩(wěn)定性良好，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確率達(dá)98%。解析時(shí)間為10秒，生成排版圖的時(shí)間為5秒。如表3、表4、表5所示。

2.3 性能測(cè)試

2.3.1 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間與處理效率測(cè)試

各項(xiàng)功能的平均響應(yīng)時(shí)間如下：拍照功能2秒，識(shí)別功能5秒，排版功能10秒，導(dǎo)入分片數(shù)據(jù)5秒。排版優(yōu)化的處理效率為每分鐘完成100個(gè)分片的優(yōu)化。如表6所示。

2.3.2 資源利用與穩(wěn)定性測(cè)試

在不同任務(wù)負(fù)荷下的資源利用情況如下：CPU利用率在高負(fù)荷下平均為75%，內(nèi)存利用率為60%，磁盤I/O平均為150 MB/s。系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后的穩(wěn)定性良好，未出現(xiàn)崩潰或性能下降的問題，能夠連續(xù)運(yùn)行48小時(shí)無故障。如表7所示。、

2.4 測(cè)試結(jié)果分析

通過實(shí)驗(yàn)與測(cè)試，系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)效果良好，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期。具體評(píng)估結(jié)果如下：在高需求的工業(yè)環(huán)境中，排版任務(wù)管理響應(yīng)迅速，排版優(yōu)化材料利用率高；材料管理操作簡(jiǎn)便，數(shù)據(jù)處理模塊穩(wěn)定性和準(zhǔn)確率高。性能測(cè)試表明系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短，處理效率高，資源利用合理，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定[10]。

為進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，建議在排版優(yōu)化算法中引入更多高級(jí)優(yōu)化算法，如遺傳算法和粒子群優(yōu)化算法，以進(jìn)一步提高材料利用率和優(yōu)化效率。此外，可以通過改進(jìn)資源管理策略，優(yōu)化CPU和內(nèi)存的使用，提高系統(tǒng)在高負(fù)荷下的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種智能視覺拍照排版嵌入式控制軟件，該系統(tǒng)集成了工業(yè)相機(jī)和單反相機(jī)自動(dòng)化拍照功能、數(shù)據(jù)管理模塊和用戶界面，能夠有效提高真皮材料的排版效率和材料利用率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)在響應(yīng)時(shí)間、材料利用率、處理效率等方面均取得了良好的效果，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。未來，將進(jìn)一步優(yōu)化排版算法，引入遺傳算法和粒子群優(yōu)化算法，并改進(jìn)資源管理策略，以進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能。