CN102142168A - 纸币清分机高速高分辨率号码采集装置及其识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种纸币清分机高速高分辨率号码采集装置及其识别方法。纸币清分机高速高分辨率号码采集装置图像传感器、多通道模数转换器芯片、可编程逻辑芯片、数字信号处理器芯片、动态存储器芯片和通信结构芯片组成，图像传感器分别与多通道模数转换器芯片连接，多通道模数转换器芯片连接可编程逻辑芯片，可编程逻辑芯片分别连接数字信号处理器芯片和动态存储器芯片。本发明实现纸币在高速运行情况下，对纸币图像进行高分辨率采集，接触式图像传感器成本低，体积小，对光源性能要求不高。纸币号码识别方法不需要设定定位和分割阈值，在纸币发生折旧和受到污染时也能够获得准确的定位和分割位置及理想的识别结果。

Description

纸币清分机高速高分辨率号码采集装置及其识别方法

(一)技术领域

本发明涉及图像处理技术，具体说就是一种纸币清分机高速高分辨率号码采集装置及其识别方法。

(二)背景技术

现有纸币清分机号码采集装置分为两类，一类是使用CCD面阵图像传感器采集纸币号码区域图像，装置对CCD镜头数量要求高，如201001044234.2专利公开的是一种需要八个CCD镜头的装置，在纸币两个方向上分别采集四个区域的图像，这四个区域并不能覆盖纸币的全部图像，算法搜索这四个区域，确定号码所在位置。当号码区域部分的在两个相邻区域内时，需要将号码区域拼接，方法处理难度大，导致识别准确率不理想。另外，采用CCD图像传感器，对光源性能要求高，物距距离大，从而导致设备体积较大，造型不美观。另一类是适用接触式图像传感器(CIS)采集纸币图像，并使用数字信号处理器(DSP)识别纸币号码，如ZL200610155872.0和20100104848.0专利提供的方案，此类方法由于接触式图像传感器积分时间最小值的约束，使纸币运行速度受到限制。另外，接触式图像传感器成像质量差，现有纸币号码定位、分割方法在纸币发生折旧和污染时不能获得准确的定位、分割位置，从而导致不能取得理想的纸币号码识别效果。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低、体积小、对光源性能要求不高的纸币清分机高速高分辨率号码采集装置及其识别方法。

本发明的目的是这样实现的：

所述的纸币清分机高速高分辨率号码采集装置，它是由第一接触式图像传感器、第二接触式图像传感器、多通道模数转换器芯片、可编程逻辑芯片、数字信号处理器芯片、动态存储器芯片和通信结构芯片组成的，第一接触式图像传感器、第二接触式图像传感器分别与多通道模数转换器芯片连接，多通道模数转换器芯片连接可编程逻辑芯片，可编程逻辑芯片分别连接数字信号处理器芯片和动态存储器芯片，数字信号处理器芯片连接通信结构芯片。

所述的由纸币清分机高速高分辨率号码采集装置实现的识别方法：利用纸币号码的平均高度作为纸币号码水平位置定位的先验知识；利用滑动窗口内纸币号码图像水平投影序列的累加和取得最小值的滑动窗口位置作为纸币号码水平定位坐标，滑动窗口的宽度由利用纸币号码的平均高度作为纸币号码水平位置定位的先验知识决定，利用纸币号码的平均宽度作为垂直分割的先验知识；将纸币号码垂直方向投影序列在分割垂直分割位置处的亮度累加和作为目标函数，此目标函数取得最大值的分割位置为最优化的垂直分割位置；在每个纸币号码的水平定位和垂直分割区域内进行二值化处理，然后进行归一化处理，最后使用三层误差反传型人工神经网络对纸币号码进行识别。

本发明纸币清分机高速高分辨率号码采集装置能够实现纸币在高速运行情况下，对纸币图像进行高分辨率采集，所采用的图像传感器为接触式图像传感器，其成本低，体积小，对光源性能要求不高。纸币号码识别方法不需要设定定位和分割阈值，在纸币发生折旧和受到污染时也能够获得准确的定位和分割位置及理想的识别结果。

(四)附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的可编程逻辑芯片内部存储器组织及控制示意图；

图3为本发明的数据及控制信号时序图；

图4为本发明的水平定位位置示意图；

图5为本发明的水平定位滑动窗口移动过程示意图；

图6为本发明的垂直分割寻优过程示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

实施例1：结合图1，本发明一种纸币清分机高速高分辨率号码采集装置，它是由第一接触式图像传感器(1)、第二接触式图像传感器(2)、多通道模数转换器芯片(3)、可编程逻辑芯片(4)、数字信号处理器芯片(5)、动态存储器芯片(6)和通信结构芯片(7)组成的，第一接触式图像传感器(1)、第二接触式图像传感器(2)分别与多通道模数转换器芯片(3)连接，多通道模数转换器芯片(3)连接可编程逻辑芯片(4)，可编程逻辑芯片(4)分别连接数字信号处理器芯片(5)和动态存储器芯片(6)，数字信号处理器芯片(5)连接通信结构芯片(7)。

由纸币清分机高速高分辨率号码采集装置实现的识别方法是：利用纸币号码的平均高度作为纸币号码水平位置定位的先验知识；利用滑动窗口内纸币号码图像水平投影序列的累加和取得最小值的滑动窗口位置作为纸币号码水平定位坐标，滑动窗口的宽度由利用纸币号码的平均高度作为纸币号码水平位置定位的先验知识决定，利用纸币号码的平均宽度作为垂直分割的先验知识；将纸币号码垂直方向投影序列在分割垂直分割位置处的亮度累加和作为目标函数，此目标函数取得最大值的分割位置为最优化的垂直分割位置；在每个纸币号码的水平定位和垂直分割区域内进行二值化处理，然后进行归一化处理，最后使用三层误差反传型人工神经网络对纸币号码进行识别。

实施例2：结合图1，所述纸币清分机高速高分辨率号码采集装置包括第一和第二接触式图像传感器，多通道模数转换芯片，可编程逻辑芯片，动态存储器芯片，数字信号处理器芯片和通信接口芯片。第一和第二接触式图像传感器分别与多通道模数转换芯片和可编程逻辑芯片连接，可编程逻辑芯片分别和多通道模数转换芯片、数字信号处理器芯片、动态存储器芯片连接，数字信号处理器芯片和通信接口芯片连接；所述的多通道模数转换芯片为AD9822芯片，可编程逻辑芯片为Xilinx FPGA XC3S200芯片，数字信号处理器芯片TITMS320C6000系列芯片，动态存储器芯片为MT48LC16M16A2芯片，通信接口芯片为MAX232A芯片。所述高速高分辨率纸币号码图像采集装置由可编程逻辑芯片完成其过程控制，可编程逻辑芯片控制模数转换芯片和数字信号处理器芯片，使纸币号码采集和数据传输完全并行执行。可编程逻辑芯片的片内图像行存储器的组织结构为“乒乓”结构，在两行图像采集之间不需要预留时间来完成数字信号处理器芯片对可编程逻辑芯片片内存储器中的数据读取。高分辨率纸币号码图像在数字处理器芯片中完成预处理后被保存到动态存储器芯片中。根据纸币面值、面向识别结果，将纸币号码区域的图像从动态存储器芯片读取到数字信号处理器芯片的内部存储器中，由数字信号处理器对纸币号码进行定位、分割和识别。

所述的由纸币清分机高速高分辨率号码采集装置实现的识别方法，包括最优化纸币号码定位和分割方法和号码识别方法，利用纸币号码的平均高度作为纸币号码水平位置定位的先验知识。利用滑动窗口内纸币号码图像水平投影序列的累加和取得最小值的滑动窗口位置作为纸币号码水平定位坐标，滑动窗口的宽度由利用纸币号码的平均高度作为纸币号码水平位置定位的先验知识决定。利用纸币号码的平均宽度作为垂直分割的先验知识。将纸币号码垂直方向投影序列在分割垂直分割位置处的亮度累加和作为目标函数，此目标函数取得最大值的分割位置为最优化的垂直分割位置。在每个纸币号码的水平定位和垂直分割区域内进行二值化处理，然后进行归一化处理，最后使用三层误差反传型人工神经网络对纸币号码进行识别。

实施例3：结合图1--图6，纸币清分机高速高分辨率号码采集装置包括第一和第二接触式图像传感器(CIS)，多通道模数转换器芯片，可编程逻辑芯片，数字信号处理器芯片，动态存储器芯片和通信结构芯片。交错放置的两个接触式图像传感器可同时采集纸币上，下两侧的图像，其中至少一侧图像包括纸币号码区域；模数转换器芯片将两个接触式图像传感器的输出电压信号转换位数字信号，作为可编程逻辑芯片的输入信号；可编程逻辑芯片完成在纸币高速运行的情况下，使图像采集和图像数据在可编程逻辑芯片与数字信号处理器芯片之间的数据传输并行执行，得到高分辨率图像；动态存储器芯片用于保存包括纸币号码区域图像在内的完整的高分辨率纸币图像；通信芯片将纸币号码识别结果发送给清分机***的上位机。可编程逻辑芯片的内部存储器组织可实现纸币号码图像的高速高分辨率采集。此内部存储器组织结构为“乒乓”结构，由两个等长的双端口片内存储器，三组逻辑开关，前端地址发生器和控制信号发生器等模块组成。其控制过程如下：

1)在第2n个接触式图像传感器积分时间到达时刻，可编程逻辑控制其内部逻辑开关SW1将内部存储器A的前端数据线接通模数转换器的输出数据线，前端地址发生器根据接触式图像传感器数据输出的时序为内部存储器A顺序产生地址信号，保存接触式图像传感器采集的纸币图像数据于内部存储器A中，n＝0，1，2，L。

2)同时向数字信号处理器产生中断信号，并控制内部逻辑开关SW2和SW3分别将内部存储器B的数据线和地址线分别与数字信号处理器芯片的数据总线和地址总线连接；数字信号处理器检测到中断信号后从可编程逻辑芯片中的内部存储器B中读取2n-1时刻采集的纸币图像数据。

3)在第2n+1个接触式图像传感器积分时间到达时刻，可编程逻辑控制其内部逻辑开关SW1将内部存储器B的前端数据线接通模数转换器的输出数据线，前端地址发生器根据接触式图像传感器数据输出的时序为内部存储器B顺序产生地址信号，保存接触式图像传感器采集的纸币图像数据于内部存储器B中。

4)同时向数字信号处理器产生中断信号，并控制内部逻辑开关SW2和SW3分别将内部存储器A的数据线和地址线分别与数字信号处理器芯片的数据总线和地址总线连接；数字信号处理器检测到中断信号后从可编程逻辑芯片中的内部存储器A中读取2n时刻采集的纸币图像数据。

5)循环执行1)-4)步骤，直到采集一幅完整的纸币图像。

如图3所示，可编程逻辑芯片通过内部存储器的“乒乓”组织结构，能够实现纸币图像数据采集和数据在可编程逻辑芯片与数字信号处理芯片之间传输完全并行执行。本发明的纸币图像采集装置最大限度的提高了纸币运行的速度，并实现了在接触式图像传感器积分时间的约束下获得最高分辨率的纸币图像，为纸币号码定位、分割和识别提供了良好的数据基础。

由于高分辨率纸币图像数据量较大，不能在数字信号处理器芯片的片内存储器中保存，所以将高分辨率纸币图像保存于片外动态存储器中。当数字信号处理器完成纸币的面值、面向识别后，数字信号处理器将该面值、面向对应的纸币号码区域局部图像从片外动态存储器中读取到片内存储器中，用于纸币号码的定位、分割和识别。

所述纸币号码识别方法中纸币号码水平定位方法如图4和图5所示，其过程为：

1)将纸币号码区域图像各像素点在水平方向投影。较亮的像素点有较大的亮度值，纸币号码上的像素点较暗，有效小的亮度值。假设纸币号码区域图像的高度为H，纸币号码的平均高度的先验估计为h，偏差为Δh，如图4所示。纸币号码区域图像的水平投影值形成长度为H的整数序列P₁＝{p₁(0)，p₁(1)，L，p₁(H-1)}。

2)将宽度为h+2Δh的窗口在水平投影序列P₁＝{p₁(0)，p₁(1)，L，p₁(H-1)}上滑动，每次移动一个位置，如图5所示。

3)计算滑动窗口每次移动后窗口内水平投影序列P₁＝{p₁(0)，p₁(1)，L，p₁(H-1)}的局部和，分别记为s₁(0)，s₁(1)，L，s₁(k)，L，其中s₁(k)，k∈{0，1，L}由下式计算：

$s_1\left(k\right)=\underset{i=k}{\overset{k+h+2\mathrm{\Δh}}{\mathrm{\Σ}}}{p}_1\left(i\right)$

4)在序列S₁＝{s₁(0)，s₁(1)，L，s₁(k)，L}中搜索最小值，其对应得序号为水平定位的上边界位置，即其水平定位的上边界位置为l_down＝l_up+h+2Δh

所述纸币识别方法中纸币号码垂直方向分割方法如图6所示，其过程为：

1)在纸币号码水平定位上下边界[l_up，l_down]之间，对纸币号码图像进行垂直投影，假设纸币号码区域图像宽度为W，则可以得到长度为W的垂直投影值序列P₂＝{p₂(0)，p₂(1)，L，p₂(W-1)}。

2)从纸币号码区域左侧开始，向右侧搜索序列P₂＝{p₂(0)，p₂(1)，L，p₂(W-1)}中由大到小的第一个突变位置，记为l0，此位置作为第一个号码左边界分割的初始位置。

3)设纸币号码平均宽度的先验估计为w，两个相邻号码之间平均距离的先验估计为2Δw，如图6所示，搜索垂直投影子序列{p₂(l₀+w)，p₂(l₀+w+1)，L，p₂(l₀+w+2Δw)}中的最大值对应的序号作为第一个号码右边界分割位置，记为l₁，l₁由下式计算：

$l_1=\underset{k}{\arg }\max p_2(l_0+w+k),k\∈[0,2\mathrm{\Δw}]$

4)将l₁作为第二个号码左边界的分割位置，搜索垂直投影子序列{p₂(l₁+w)，p₂(l₁+w+1)，L，p₂(l₁+w+2Δw)}中的最大值对应的序号作为第一个号码右边界分割位置，记为l₂。l₂也是第三个号码的左边界分割位置。

5)用与4)相同的方法可得到所有号码的左右边界的分割位置，且这些位置的数值由下式计算：

$l_m=\underset{k}{\arg }\max p_2(l_{m-1}+w+k),k\∈\left[\mathrm{0,2}\mathrm{\Δw}\right]$

6)设纸币共有M个号码，计算上述分割位置垂直投影亮度和，记为

7)上述分割方法的精度依赖于初始分割位置l₀，为提高分割精度，将初始分割位置l₀在区间[l₀-Δw，l₀+Δw]内移动。每移动一次，用上述3)，4)，5)方法计算一组分割位置

其中i为初始分割位置移动的次数，并用6)所述方法计算对应分割结果的垂直投影亮度和，记为

8)取序列

中最大值对应的分割位置

作为最终分割结果，其中k满足下式：

$k=\underset{i}{\arg }\max s_2^{\left(i\right)}$

所述纸币号码定位、分割方法确定的分割位置在纸币号码区域中亮度和最大，即使纸币号码区域发生折旧或受到污染，本发明方法也能够获得最优化的定位、分割位置。

所述纸币号码识别方法为：

1)纸币每个号码区域由上下边界l_up，l_down和左右分割位置

决定，该区域的左上角顶点和右下角顶点坐标分别为和

2)在该区域内对号码图像进行二值化处理。

3)在二值化结果图像中，收紧上下和左右边界，即从上到下，第一个黑点为上边界位置l′_up，从下到上，第一个黑点为下边界位置l′_down，从左到右，第一个黑点为左边界位置l′_i，从右到左，第一个黑点为右边界位置l′_i+1。

4)在左上角顶点和右下角顶点坐标分别为(l′_i，l′_up)和(l′_i+1，l′_down)的区域内，用双线形插值方法进行归一化处理。

5)用三层误差反传型人工神经网络对每个号码进行识别。

Claims (2)

1.一种纸币清分机高速高分辨率号码采集装置，它是由第一接触式图像传感器(1)、第二接触式图像传感器(2)、多通道模数转换器芯片(3)、可编程逻辑芯片(4)、数字信号处理器芯片(5)、动态存储器芯片(6)和通信结构芯片(7)组成的，其特征在于：第一接触式图像传感器(1)、第二接触式图像传感器(2)分别与多通道模数转换器芯片(3)连接，多通道模数转换器芯片(3)连接可编程逻辑芯片(4)，可编程逻辑芯片(4)分别连接数字信号处理器芯片(5)和动态存储器芯片(6)，数字信号处理器芯片(5)连接通信结构芯片(7)。

2.一种由权利要求1所述的纸币清分机高速高分辨率号码采集装置实现的识别方法，其特征在于：利用纸币号码的平均高度作为纸币号码水平位置定位的先验知识；利用滑动窗口内纸币号码图像水平投影序列的累加和取得最小值的滑动窗口位置作为纸币号码水平定位坐标，滑动窗口的宽度由利用纸币号码的平均高度作为纸币号码水平位置定位的先验知识决定，利用纸币号码的平均宽度作为垂直分割的先验知识；将纸币号码垂直方向投影序列在分割垂直分割位置处的亮度累加和作为目标函数，此目标函数取得最大值的分割位置为最优化的垂直分割位置；在每个纸币号码的水平定位和垂直分割区域内进行二值化处理，然后进行归一化处理，最后使用三层误差反传型人工神经网络对纸币号码进行识别。

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