（模式识别与智能系统专业论文）高维条码识别技术和编码理论的研究.pdf

博士论文 高维条码识别技术和编码理论的研究 摘要 随赣计算机科学技术的发展，自动识别技术得到了广泛的应用。在众多自动识别 技术中，条玛技术已经成为当今主要豹计算机自魂识别技术之一。识别技术穰编码理 论是条码技术中两个非常活跃的研究热点。为了解决条码信息容量有限的问题，近年 来出现一静新的条弱二维条弱。我们把二维条码和本文中提出魄三维条码统豫 为高维条码。本文研究了高维条码的识别技术和编码理论。 条礤检测怒一个十分重要的步骤。在识别祭弱翦，要在图像中过滤掉文本翻其他 图案，检测出条码所在位置。本文提出了一种基于子区域多特征分析的条码检测算法， 先分毒厅每令子区域的蒋征，选出可爱包含条码的予区域，然后对予区域进行合并筛选， 检测条码所在位置。实验表明，基于子区域多特征分析的条码检测算法具有很好的性 能，镌予基予梯度特鬣豹裣铡算法。在褥到条磷凝在区域后，本文给出了一个二维条 码的识别算法。算法采用了多个有效的策略来掇高识别性能。实验表明本文的识别算 法具有很好豹性能，这篓提出的基于亚豫素边缘捡溅豹识别方法缆于传统的条弼识别 方法，能够获得更为准确的条空边界位鼹。 条弱识别是一令边缘检测睦蘧。长期以来，边缘检测舔是遴过一阶罨数极大值或 二阶导数零交叉进行的。当条码密度较大时，受光学系统点扩展函数的影响，边缘相 互干扰，这种技术不孬适霜。本文研究了高密度二维条碣的识鄹技术。分析了条码信 号经过点扩展函数卷积后的降质模型。针对条码信号模糊程度的不同，提出两种识别 方法：鏊于中点检测的条码识别方法和蘩于波形分析的条码识别方法。实验结栗表明， 这里提出的算法能有效克服光学系统的降曦对条码识别的影响，显著提高了识别率， 其性能优于基于边缘检测的算法。 条娼应用的进一步推广对条码的信息容量提出了更高的要求。增大条码尺寸或 增大条码密度的解决方案都有其局限性。在二维条码的基础上，本文设计了一种新的 条码三维条璃。这种条码结合条空宽度交豫、条空颜色交纯和缴岛簿癸来表示 信息，能在有限的几何空间内表示更多的信息。文中还研究了三维条码的识别技术， 并给出一个三维条码懿谚 别算法。 最肠，本文设计了一个应用二维条码进行银行票据防伪的系统。该系统防伪安全 性可靠，自动化程度高。该系统已获得专利，并强已经进入试点实用阶段，运行表明 摘要博士论文 该系统具有较好的防伪性能和稳定性。 关键词：二维条码，三维条码，条码识别，条码检测，编码理论，亚像素边缘检测 点扩展函数，票据防伪 i l 堡圭鎏塞堂丝墨璺堡型堡查翌塑塑堡笙塑塑茎 一一 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g i e s h a v eb e e nw i d e l ya p p l i e d ，a m o n gw h i c hb a rc o d eh a sb e e nt h el e a d i n go n e r e c o g n i t i o n t e c h n o l o g ya n de n c o d i n gt h e o r y a r et w oh o ts p o t si nb a rc o d et e c h n o l o g y i no r d e rt os o l v e t h e p r o b l e m o fl i m i t e di n f o r m a t i o nc a p a c i t yo fb a rc o d e ，an e wt y p eo fb a rc o d e ， t w o - d i m e n s i o n a lb a rc o d e ，h a sb e e nd e v e l o p e d + h e r e ，i ta n dt h r e e - d i m e n s i o n a lb a rc o d e p r e s e n t e di n t h i sp a p e ra r ec a l l e dh i g h d i m e n s i o n a lb a rc o d e 。t h i sp a p e rd i s c u s s e st h e r e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y a n d e n c o d i n gt h e o r yo fh i g h - d i m e n s i o n a lb a r c o d e b a rc o d ed e t e c t i o ni s 触i m p o r t a n ts t e p b e f b r ei t sr e c o g n i t i o n , b a rc o d en e e d st ob e l o c a t e db yf i l t e r i n gt e x ta n do t h e rs i g n si nt h e i m a g e t h i sp a p e rp r e s e n t s an o v e l a 】g o r i t h r n o fb a rc o d ed e t e c t i o nb a s e do n m u l t i p l e f e a t u r e s a n a l y s i s o fs u b r e g i o n s f i r s t ，t h e s u b r e g i o n st h a tm i g h tc o n t a i n b a rc o d ea r ef o u n do u tt h r o u g hf e a t u r e sa n a l y s i s , t h e na f t e r s u b r e g i o n sc l u s t e r i n ga n dc a n d i d a c yt e s t ，t h eb a rc o d ei sl o c a t e d e x p e r i m e n t ss h o w t h a t t h i sa l g o r i t h mi so fg o o dp e r f o r m a n c ea n ds u p e r i o rt ot h ea l g o r i t h mb a s e do ng r a d i e n t f e a t u r e + a f t e rd e t e c t i o n ，a na l g o r i t h mo fb a rc o d er e c o g n i t i o ni sp r o p o s e di nt h i sp a p e r ， s o m es t r a t e g i e si n t r o d u c e di nt h i sr e c o g n i t i o na l g o r i t h ma l ep r o v e dt ob ee f f e c t i v em x d i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h ea l g o r i t h m e x p e r i m e n t ss h o wt h er e c o g n i t i o na l g o r i t h m b a s e do n s u b p i x e le d g e d e t e c t i o n p r o p o s e d h e r ei s a d v a n t a g e o u s o v e rt r a d i t i o n a l r e c o g n i t i o na l g o r i t h ma n d c a n g e tam o r ea c c u r a t ee d g ep o s i t i o nb e t w e e nb a ra n ds p a c e b a rc o d er e c o g n i t i o ni sam a t t e ro f e d g ed e t e c t i o n ，w h i c hh a st o n gb e e nd o n et h r o u g h t h em a x i m u mv a l u eo ft h ef i r s td e r i v a t i v eo rz e r oc r o s s i n go ft h es e c o n dd e r i v a t i v e w h e n t h eb a rc o d ei so f h i g h e rd e n s i t y , a d j a c e n te d g e si n t e r a c te a c ho t h e rd u e t ot h ei n f l u e n c eo f t h e p o i n ts p r e a d f u n c t i o no fi m a g ec o l l e c t i o n s y s t e m ，t h e r e f o r e ，t h i sk i n do fm e t h o d b e c o m e si n v a l i d t h i sp a p e ra n a l y s e sd e t e r i o r a t i o nm o d e lo fb a rc o d es i g n a l sa f t e rt h e p o i n ts p r e a df u n c t i o nc o n v o l u t i o n ，a n dp r e s e n t st w ok i n d so fr e c o g n i t i o na l g o r i t h mi n c o r r e s p o n d e n c et od i f f e r e n tb t u r i n gd e g r e e so fb a rc o d es i g n a l ：o n eb a s e do nm i d p o i n t s d e t e c t i o na n dt h eo t h e rb a s e do nw a v e f o r m a n a l y s i s e x p e r i m e n t ss h o w t h a tt h ea l g o r i t h m p r e s e n t e di nt h i sp a p e ri sa b l et oe f f e c t i v e l yo v e r c o m eb l a r i n ga f f e c t sc a u s e db yt h ep o i n t s p r e a df u n c t i o na n da p p a r e n t l yp r o m o t et h er e c o g n i t i o nr a t e ，a n dt h ea l g o r i t h mi sb e t t e r t h a nt b a tb a s e do ne d 枯d e t e c t i o n ， f f t 垒堕! 竺 生! 垒奎一一 a h i g h e r d e m a n do f b a rc o d e si n f o r m a t i o nc a p a c i t ym u s tb em e tb e c a u s e o f i t sw i d e r n s e i n c r e a s i n gb a rc o d e s i z eo ri n c r e a s i n gi t sd e n s i t yh a sl i m i t a t i o n s h e r e ，o nt h eb a s i s o f t w o d i m e n s i o n a lb a rc o d e ，an e wt y p eo f b a rc o d e ，t h r e e - d i m e n s i o n a l b a rc o d ei sd e s i g n e d i tg r e a t l yi n c r e a s e si n f o r m a t i o nc a p a c i t yw i t h i nl i m i t e ds p a c eb yc o m b i n i n g t h ev a r i e t yo f w i d t h s ，t h ev a r i e t yo fc o l o r s a n dv e r t i c a la r r a y i na d d r i o n ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h e r e c o g n i t i o n o ft h r e e d i m e n s i o n a lb a rc o d ea n dp r e s e n t st h ec o r r e s p o n d i n gr e c o g n i t i o n a l g o r i t h m f i n a l l y , u s i n gt w o - d i m e n s i o n a lb a rc o d e t h i sp a p e rd e s i g n sa n a n t i - f a k es y s t e mf o r b a n kb i l l s ，w h i c he n j o y sh i g hs e c u r i t ya n dh i g hl e v e lo f a u t o m a t i o n t h es y s t e mh a sa l r e a d y b e e np a t e n t e da n du s e di ne x p e r i m e n t a lu n i t t h er e s u l t sc e r t i f yi t ss t a b i l i t ya n dh i g h q u a l i t yo n a n t i f a k e k e y w o r d s ：t w o d i m e n s i o n a l b a r c o d e ，t h r e e d i m e n s i o n a lb a rc o d e ，b a rc o d e r e c o g n i t i o n ，b a r c o d ed e t e c t i o n ，e n c o d i n gt h e o r y , s u b p i x e l e d g ed e t e c t i o n ，p o i n t s p r e a df u n c t i o n ，b i l la n t i f a k e ， i v 博士论文高维蕊鸱识另崎 术和编码理论灼研究 1 1 霉l 言 1 绪论 裹辩技的飞速发袋，促进了覆惑开发秘悠崽黻务产韭静涎生和发展。诗算机在性 能上霾臻完善。怒大蕊漤集成毫路稻超高速计算橇技术突飞猛遴。人稍壹在研究如 何改变手工数据输入，提高输入质量酾输入速度。条码自动识裂技术就怒在这样的环 境下应运蔼生的l l 一。祭妈识爨攘拳憝以计算钒、光电技术鞠遴信技术的发耱为基磷 的一蹶综合性科学技零，是信怠数摄自动识嬲、输入的重要方法。在众多叠动识射技 术中，祭玛技术越来越拨人们所认谚 _ 籀接受，基经成为当今主要豹计算梳囊动识别技 术之一f l _ 3 l 。 一维条码鸯斑袋数来，发袋遮度十分遗速。它的使雳极大遗提高了数糖采集秘信 息处理的速度，提禽了工作效率，并为管理的科学化和现代化做出了很大贡献”j 。出 于受信感容量的限铡，一维条码静蕊用受到了较大的隈铡 5 搿。二维条褥正楚为了解 决一维条码信息容量有限的问题丽产生的。纂于这个原因，在9 0 年代发明了二维条 码。二缀条码除了其蠢一维条码的饯点补，同辩还有信息量犬、可靠性蔫、保密骑傍 性强等优点f 7 譬j 。因为它具有商密度、高可靠性等特点，所暇可以用来表示多国文字、 数据文 宰、图像等。二绦条码豹结构不同予一缍条弱，密度逛涎太子维条舔澈其 识别技术不同子一维条码。如何快速准确的识别条码一直是条码技术的研究热点。此 外懿旃敬进现有编携倦意4 ，提密新静编码理论，疆毫条礴铸弩魏信息密鹰，使在商陵 的几何空闯内表示更多，更可靠的信息也是一个值得深入研究的问题。 这鬃我们恕二维条褥和本文中援出的三绥条褥统称巍高壤条码。零文研究了离维 条码豹识剐技术弱编码理论。本馕中先对条码技术进行了阐述，并介绍了一维条码向 二维象褥豹演变和二维条码的特注，然厩介绍u 条码识舄技术释编码理论靛骈究和发 展，袋麓本章对于本文酌主要研究工 乍和内容蜜梅进行了阐述。 1 。2 条码技术概论 条硒是一种信息酌图形标示符，它是由一组规列排列的条、空以及对应的字符组 成懿搽诞1 9 】。这壁条耧空组成静数据表达定嚣傣息，并能够蔽识读，转换或与计算 机兼容黥二进涮信息。出条码、条蔼符号豹生成发其扫描阕读簿部分组成的自动识别 第一章绪论 博士论文 系统称之为条码系统。应用条码系统进行信息处理的技术称之为条码技术【4 3 1 。 1 2 1 条码的含义 条码技术是在计算机的应用实践中产生和发展起来的。由于其优点众多，因而发 展迅速应用广泛。它不仅扩大了计算机的应用范围，而且使计算机技术的应用无论 是在深度上还是广度上都有了新的发展【4 3 1 。条码技术在商品、工业、邮电业、医疗卫 生、物资管理、安全检查、服务业、证卡管理、军事工程、办公室自动化等领域中得 到广泛应用”。 条码是由一组规则排列，宽窄不一的条、空组成的标记，用以表示一定的信息， 它是一种由光电扫描识读设备自动识读并实现信息自动输入计算机的图形标示符。条 是指条码中反射率较低的部分，也就是指黑色或深色的条形。空是指条码中反射率较 高的部分，也就是指白色或浅色的条形。条码是一个标记，表示一定的信息，不同的 条码标记不同的信息。条码中条与空的排列是有规律的，不是任意排列、杂乱无章的， 条与空的排列的形状反映了条码包含的信息内容。一个完整的条码大体由以下几个部 分构成1 4 j j ： 1 条码字符( b a r c o d ec h a r a c t e r ) 条码字符是表示一个字符的若干条和空。这里需要注意区别的是，条码字符指的 是条空的图形，而字符指的是条码字符代表的信息，如数字、字母。前者释为图形， 后者释为代码。 在条码中有三种条码字符，一是条码数据字符，它表示特定的信息。用户数据首 先被编码成码字，然后这些码字再转化成由条、空间隔表示的数据字符。二是条码容 错字符，在条码中，除了包含用户信息外，还包含一些错误控制的信息。有些条码的 容错字符只具有校验功能，没有纠错功能，如大多数一维条码。有些条码容错字符具 有很强的纠错功能，如p d f 4 1 7 码。三是填充字符，它并不代表特定的信息，只是为 了填充成一定的几何结构而设置的。 2 起始符和终止符( s t a r t s t o pp a t t e r n s ) 起始符指位于条码开始位置的若干个条与空，标志着条码的开始，表示从它之后 开始显示条码字符的信息。终止符指位于条码结束位置的若干个条与空，标志着条码 的结束，表示条码字符信息至此结束。起始符和终止符还有个作用就是提供了码制识 别信息和阅读方向信息。这两个字符在每种条码中都是唯一的或者说是专用的。 3 空白区( c ie a t a r e a ) 空白区指条码起始符、终止符两端外侧与空的反射率相同的限定区域，它能使阅 博士论文高维条码识别技术和编码理论的研究 读器进入准备阅读的状态，当两个祭码相距距离较近时，空囱区静区则有助于对它们 加以区分。 1 2 2 条码的特点 滏今匏信息毒会裹不开计算搬，正是量凌识剐技7 | 乏静鹱起，提供了抉速、准确邋 行数据采集输入的有效手段，解决了由于计算机数据输入速废慢、错误率高等造成的 “瓶颈”难题，因两蠡动识别技术作为一种革命牲的高额技术，正迅速为人们所关注。 自动识别技术是信息数据自动识读、臼动输入计算机的重要方法和手段，它魁以计算 机技术和通信技术为基础的综合性科学技术。自动识别技术j 琏几十年在全球范围内缮 到了迅猛发展，初步形成了一个包括条码技术、光学字符识剐、磁卡技术、镏能卡、 射频技术、声音识别及视觉识别等集计算机、光、机电、通傣技术为一体的离新技术 学科群】。条码技术和其谴自动识剐技术比具商以下特点： 1 可靠准确 精光电扫描装置识读条码的误读率极低，雨且大多数条码具有自梭验功能，实际 应用中，条码输入的误读率约在百万分之一下。人工输入方法的可靠性受人为因素影 晌缀大，祷剿对于信惠位长的字符审，是狠容易出镨的，有资料可鸯，键盘输入平均 每3 0 0 个字符出现个错误。字符识别技术，由于字符图形的不规则性和复杂性，以 及易受噪声干扰等影嫡，识别率有硪，而且实麓成本商。语鬻识别技术大为鹩因素较 大。因此，这些识别技术在可靠性上很难与条码匹敌。 2 徐入速度| 浃 祭码的条空容易识读，用光电扫描装置识读条码并将信息输入的方法比人工键盘 辕入豹方法要快懿多。键盘输入，对予操佟受来说，输入速度稷两且繁琰。傻羯条璃 可以大大提商输入速度，实现“既时数据输入”。字符识别技术、声音识别及视觉识 别淤涉及到的处理算法复杂，因瑟谈剐速度邋远馒于条码谈湖。 3 成本低廉 与其它蠡动谖裂技术鞠毖较，雄广瘟躅条码技术，掰嚣赞爆较羰。条羁辍签易予 制作而且成本低，对印刷技术设备和材料无特殊要求。对于量大的条码图形，可以通 过印嚣4 大量产生，对予量小的条码强形，则可以通过计算机是动生成，由打印机输出。 条码符号的识读设备普遍采用光电技术，价格便宜，而且操作设备简单易学，无需专 门训练。 4 自由度大 条码通常在图形耱编码上都有一定的纠错功能，这样即便是标签商部分欢欠，仍 篓二兰堑堡 j ! 兰堡墨一 可以从正常部分输入正确的信恩。与磁祭信息掬比，象码信怠不会受到电磁场的影响 和干扰。识澍装置与条妫标签檑对位嚣躺自由度簧魄o e r 大褥多。 5 。灵活实用 条碱符号谗为一静识聚手段可以零张使用，也可 ；王和有关竣备蕴藏识瘸系绕实现 自动化识瓣，还可和其能控制设备联系超来实糯蹩个系统的舀动纯管瑾。 1 。3 ：维条码 1 3 1 二维条码懿发展 一步走 强】| 31 维袋码与二线条羁的工作流程 一德条码妇池现以来，褥戮了入们酾普遍关注，发鼹速瘦一分分迅速。它静搜稻裰 大地键商了数据采集和信息处理的速度，提高了工作效率，并为管理的科学化和现代 化做出了很大贡献。毽一维条码所携带的信息爨有限，如e a n * 1 3 码仅能容纳1 3 位 簿拉倍数字。斛此一缭祭谲倥仪是对“秘晶”的标识，磷不是对“物品”的描述( 阮如形 狡、往辘等特 莲) ，更多酶信息风髭袄黢猿据鬻豹支持。敲在没商数菇黠霸不馕联两 的地方，一维条玛的使爝受到了较大静限制，有时甚至变得毫无意义。努外，维条 毒 罢下上基 博士论文 高维条码识别技术和编码理论的研究 码无法表示多国文字、图像等信息。现代商新技术的发展，迫切要求用条码在有限的 几何空间内袭示更多的信息，从而满足千变万化的傣息表示的需要。基于这个原因， 出现一种新的条码二缎条码 2 1 。二维祭码工 乍流程不弼于一维条码，如图1 3 1 所示，二维条码无需数据库的支持，真正实现了数据的便携化。而且二维条娼可以袭 示汉字、图像等信怠。 二维条码除了具有一维条码的优点外，同时还有信息量大、可靠性高、保密防伪 往强等优点。二维祭码是一稀雳图形表示的数据文 牛，是利耀图形俸为表示和携带倍 息的载体。这是信息时代的巨大变薄。 姨结橡上篱单说，二维条璃是绞需要堆积成多行豹鹃翻。侄萃缝的将条褥撵列成 多行，是不可能实现信息容凝上百倍的提升，因此二维条码和传统条码比，采用高密 度黉形表达，先透豹数据基缭方式等赣技术。获两使倍惠容麓麸嚣来一维条粥豹几十 个字节提升到几千个字节，通过压缩技术能将凡是可以数字化的信息，包括汉字、照 片、 舞绞、声音等遂 亍壤鹃，在远蔫数据瘁耪不矮联网静遗方实瑷镲惑豹携带、传递 和防伪。图1 3 2 为一幅指纹图像经过编码厝生成的二维条码。有代表性的二维条码 有p d f 4 1 7 、c o d e 4 9 、c o d e l 6 k 条璐等。 图1 3 2 含寄指绞圈像的二维条码 1 3 2 二维条码的特性 = 维条码霉一维条码毙，有诸多特性f 瓠，趣表1 1 瘊示。 1 商密度 二维条码通过利用垂壹方向的堆积来攫离条码哟信息密度。两虽采震毫密度图形 表示，通常情况下其密度是一维条码的几十刘几百倍，这样我们就可以把信息全部存 储在一个二维条码中，要查褥信息，只要用识读设备扫描二维条码即可，因此不需要 事先建立数据库，真正实现了用条码对信息的直接描述。 2 舆有纠错功能 整二皇缝堕 一 堕圭婆墨； 一维条码的应用建立在这样一个基础上，琊就是识读时拒读( 即读不出) 要比误读 f 读镶 好。霾拢一维条褥遥常黧其表示斡信感蕊露副出来。当蓊码受蓟臻嚣( 船污染， 脱墨等1 时，可以通过镳盎录入代替扫描条码。浆于以上原则，一维条粥没有学虑到 条鹤本隽豹纠锩磅巍，尽管g l 入了较验字符獒糍念，僖扳滩予耱止读镑。二缝条码霹 以表矛奇数以千计字节的数据，通常情况下，所袭示的信息不可能与条码符号一同印刷 出来。始巢没露鲻罐功戆，当二维条强静菜聱分臻繇辩，该条羁便变褥囊薏意义，疆 此二维祭码引入错误纠i e 机制。这种纠错机制使得二维条码因穿孔、污损等引起局部 损坏霹；照样可娃正确褥裂识读。这种鲥错枫铡使褥二维条玛或为一秘安全可靠戆信 息存储嗣识剐鹋方法，这是一缩条码无法相比的。 3 。可以表示多辨语言文字 多数一维条码所麓表示的字符集不过是1 0 个数字，2 6 个蕊文字母殿一些特殊字 符。条粥字符集最大熬c o d e1 1 8 条码，所能表示的字德个数瞧不过是1 2 8 个a s c i i 符。因此要用一维条码表示其它语言文字( 如汉字、目文等) 是不可能的。二维祭码具 有字节表示模式，即提供了一耱表示字节瀛静擞越。我识知遴，不论树穗语言文字， 它髑在计算机中存储时班机肉秘晌形式表现，而内部码都是字节码。这样我们就可以 设法将备神语蠹文字信息转换贼字节流，然蜃露将字节滚用二维条码表示，从蕊鸯多 种语言文字游条码表示提供了一条前掰未有的途径。 4 可袭示图像数据 鬣然二维条褥可戬表示字节数据，而图像多以字节形式存储，因此使图像( 如照片、 指纹等) 的条码袭示成为可能。 5 哥雩 入秘密橇瀚 加密机制的g l 入是二维条褐的又一优点。比如我们用二维条码表示照片时，我们 爵激竞臻一定静燕密算法糨鬣豫嚣怠黧密，熬囊褥用二维条璃表示。在识嗣二维条码 时，再加以一定的解密辩法，就可以恢复所表示的照片。这样便可以防止各种证件、 卡片等瓣镑造。 s 表1 1 二维条码和一维条码的比较 、堪较煮 慧患量 校验霸$ 啦善表示信惑保密往 协型 一缍条码密度低，信只有较验功麓，数字，字符等加密骑伪 息掇小无纠错功能 a s c i i 码能力弱 = 缝条羁密嶷鑫，癌繇舂校验功撩，任籍字节流，可翔密跨镑 息量大也有纠错功能以表示图像和能力强 多雪语言 博士论文 高维条码识别技术和编鸫理论的研究 1 3 3 二维条码懿应用领域 i - - 维条褐作为一耱薪的倍感存储酾传递按木，歇诞生之辩裁受蓟了国际社会的广 泛关往。二维条码依靠其庞大的信息携带量，能够把过去使用一维条码时存储于后台 数据库中豹信息包含在条码中，可以麓接通过阅读条码得到楣应豹信息，蒡登二维条 码还有错误修正技术投防伪功能，增加了数据的安全性。由于二维条码这种新兴的自 动识剐技术有羞其它蠡动识别技术无法比拟的优势，故面应溺广泛”。珏 。 1 证照识读 随蓑享会和科技遴步，对人员进行强代化管理懿需要目懿馔增，这就是簿饔在证 件上对管理对象进行精确描述。二维条码这种成本优势较大的自动技术较易被各个管 理部门酝接受。二维条码可把照片、指纹编制予其中，可有效翘解决证件熬自动识别 问题和防伪的问题。因此，可广泛应阁于护照、身份证、行车汪、军人证、健康证、 保险卡等。在人事管璞综合数据疼较雉建立的情况下，一个隧房携带的身份卡上的二 维条硝便可将人的身份信息全部包含，因此这种技术的推广檄具潜力。美国亚利桑纳 州等十多个州的驾驶i 正、美国军人证、军人医疗涯等已采用了二维条码技术。将证件 上的个人信息及指纹照片编在二维条码中，不但可以实现身份证的自动识读，而且可 以有效的防止伪冒证件事件的发生。嚣律宾、埃及、巴林等许多国家也已在身份证或 驾驶诞上采用了二维条码，我国香港特区护照上也采用了二维条码技术。 2 物流管理 二维条硝亦将在物流管理中得到较大发展，二维条码在物流中的应用必将加快物 流管理现代化的进程。在物流的每个过程中都牵涉到物流单据的处理。物流单据含有 大量的信息，单据处避的前提是数据的录入，人工键盘录入的方式存在着效率低、差 错率高的问题，已不能适应现代物流错理的要求。 二维条码在这方舔提供了一个攫好的解汝方案，用二维祭褐描述物流是二维条码 应用的又一方面。在物流的存贮、运输中对其进行描述必不可少。现在的描述方式大 多采用囊然语言，这大大影响了信息采集速度和精度。将二绦条码应用于扬流，即将 二维祭码制作在包装上，对其进行描述，这是其它自动技术( 如i c 卡) 无法做到的。在 运输照务豹各个环节锼用二维条羁洒读器扫攒条鹞，描述信惑经录入到诗算机管理系 统中，既快速又准确。 3 。荤涯稼记 国外二维条码在海关报关单、税务报表、保险登记表、公文单证、订购单证、长 途货运单上也都有使瘸。二维条码技术能够解决数据输入及藏虚伪造、艇致。在菱达 国家，二维条码技术正在成为单证标记的首选技术。在我国部分地区注册会计师证和 第一章绪论 博士论文 汽车销售及售后服务等方面，二维条码也得到了初步的应用。 4 姿$ 津保密防饶 由于二维条码g l k j n 密机制，我们用z - 维条码表示信息时，我们可以先用一定的 加密算法将信意麓密，然后蒜麓二维条码表示。在识别二维条褐对，荐糖戳一定的解 密算法，就可以恢复所表示的信息。因此二维条码可以应用于商业机密、政治情报、 军事撬密、私入镲丞。 5 电予数据交换( e d i ) 耄予二维条码的信息容量大，可以用来表示图像、文件等。而且二维条码制作成 本低，识读可靠，易于流通，舆有出色的纠错功能，因此二维条码广泛应用于电子数 据交换。 1 3 。4 著名的二维条码介绍 1 3 4 。 c o d e4 9 c o d e 4 9 2 1 祭褥壶美黧i n t e r m e c 公司设计发鞠的，它是第一个出现的堆积式二维条 码。它是一种多层、遣续型、可变长度的条码。c o d e 4 9 条码的每个符号字符由4 个 条帮4 个空组成，每个条或空囱1 - 6 个模块组减，其模块总数为1 6 。每个c o d e 4 9 条 码符号由2 8 层组成。层与层之间由一个模块徽的层分隔条分隔。项部和底部各有一 个分疆条延 申至左右空囊区，英结褐如图l ，3 3 所示。 1 。3 。4 ，2c o d e1 6 k 嚣1 。3 3c o d e 4 9 条羁 c o d et 6 k 憝一种多层、连续型、霹变长度煞条码，每个c o d e1 6 k 条露峦2 1 6 层组成。层与层之间由一个模块宽的层分隔条分隔。顶部和底部各有一个分隔条延伸 至左右空白区。c o d e l 6 k 条码盼每个符号字符蠡 3 个条帮3 令空组成，每个象或空由 l 一4 个模块组成，其模块总数为1 1 。其结构如图1 3 4 所示。 博士论文商维条鸱识别技术和编码理论的研究 1 。3 ，4 3p d f 4 1 7 墅1 3 4c 列e 1 6 k 条隅 p d f 4 1 7 k 臻：码壅荚国s y m b o l 公司发鞠的，p d f 4 1 7 条弱被称 睾便携式数据文件 ( p o r t a b l ed a t af i l e ) 。p d f 4 1 7 条码的结构在文中以后的部分有较为详细的分析 移奔锈。 p d f 4 1 7 条码之所以称为便携式数据文件，就是因为它的大容量，实现了条码本身 就是数据。每个p d f 4 1 7 条鹤可懿表示2 7 1 0 个数字字符、1 8 5 0 个a s c i i 字符或11 0 8 个字节的数据。例如一篇林肯的演说稿，计有1 4 5 8 个字符，可以存储在4 5 9 c m ? 。2 7 c m 大，l 、瓣p d f 4 1 7 条褥孛。p d f 4 1 7 条璃不仅哥戳表示数字与餐弩字母，褥置还可 以显示指纹、图像、照片，因此广泛运用在工业、运输、邮电、医疗以及各和证件管 理等镖域，其缝梭热图1 3 5 爨示。 1 3 4 4 矩阵式条码 麟黼黼 图1 3 5p d f 4 1 7 条码 近年来，在堆积式二维条码的基础上，出现了一种新的二维条码：矩阵式二维条 码。矩阵式二维条码是以矩阵形式组成，在矩阵相应元素位_ 鬟上，用点的出现来表示 “l ”，点的不出现袭示“0 ”。具有代表性的矩阵式二维条码有d a t a 愉t r i x i 强 、 m a x i c o d e 嘲、q r 1 钉，其结构如图1 36 所示。 9 第一章绪论 博士论文 ( a ) m a x i e o d e 码( b ) d a t am a t r i x 码 图1 3 6 矩阵式二维条码 1 4 条码识别技术和编码理论的研究及发展 早在四十年代，美国乔伍德兰德( j o ew o o dl a n d ) 和伯尼西尔沃( b e r n y s i l v e r ) 两位工程师就开始研究用图像代码表示商品项目及相应的自动识别设备，于 1 9 4 9 年获得了美国专利，这种图像代码就是早期条码的雏形p 1 。七十年代条码技术开 始推广，发展十分迅速 z s , s 2 1 。由于条码应用领域的不断拓展，对一定面积上的条码的 信息量提出了更高的要求。为了更好地满足这种需求，一种新的条码编码形式二 维条码便应运而生。a 1 1 a s 博士于1 9 8 7 年提出一种称之为c o d e 4 9 的二维条码，这是 第一个出现的二维条码1 2 9 】。接着l o n g a e r e 着手进行二维条码符号学基础理论的研究， 大大促进了二维条码的发展 7 】。到目前为止，常用的条码类型已有二十多种 2 l 。 1 4 1 条码的检测和识别 条码检测是识读条码的第一步。一般情况下，条码仅仅是输入图像的一部分，因 此识别前要在图像中检测出条码。对于条码的检测，学者们已经送行了一些有益的研 究。纹理是条码的一个显著特征，g a b o r 滤波器的技术在纹理分析中被广泛采用。j a i f i 等人研究了基于g a b o r 小波纹理分析的条码检测【1 8 】，讨论了有监督和无监督【1 9 l 两种 情况下的算法。神经网络技术也是条码检测的常用手段之- - 2 0 - 2 2 1 。c h a n gc a l e c d e n 等人研究了基于神经网络的条码检测定位技术1 2 1 使用b p l 神经网络对图像的几何 特征点进行训练，定位条码。v i a r d 等人利用梯度特征进行条码检测1 2 ”，先根据梯度 方向将图像分成4 个梯度图像，再选取其中梯度值较大的进行区域合并和几何分析。 a r n o u l d 等人提出用形态学的方法检测条码【2 “。 条码的识别技术是条码应用的关键1 25 ，”】。如何克服数据采样中的系统误差和流通 1 0 博士论文 商维条码识别技术和编码理论的研究 中的污染，从而准确、高速地识别条码一直是条码技术研究的热点。国内外的学者对 条礤识别避行了一些有益懿研究。边缘捻测是簇单有效懿条码识别技术睇。“1 ， n o r m a n d 等人研究了基于二阶导数分析寻找条码边界的识别方法弘州。s h e l l h a m m e r 等 人撼如了基予选择性采样的条码边爨处理技术 3 0 , 3 1 】，计算条码的边缘强度，根据边 缘强度进行选择性采样除去噪声引起的伪边界，再用拉普拉斯变换增强条码边界。 j o s e p h 等人研究了藻于反模糊技术的条码识别算法 3 2 , 3 3 l ，分析条码信号的窝斯模糊 模黧，计算得到模糊函数的方差，对条码信号进行补偿。l i a 0 9 4 j 和l i u 3 s l 等人研究了 基予神经网络的条码识别方法，统计条码图像每列的有效像素，归一化后输入b p 神 经嘲络识别。o k o l n i s h n i k o v a 研究了多项式级算法的条码识别f 3 “，利用回归迭代的 方法识别条码。t u r i n 等人提出了利用e m ( e x p e c t a t i o nm a x i m i z a t i o n ) 算法的条码僚 号复原技术 3 7 , 3 8 。b o i e d n 和m a r o m 等人研究了嗓声对条码识别的影响。 1 4 。2 条碣编码理论 条码的设计原则决定其应用场合。随着条码应用的推广和深入，需要条码可以表 示多图文字、图像、图形等务静信息，适用不同的应用环境。因此需耍提高祭码符号 的信息密度，使在有限的几何空闻肉表示更多，更可靠的信息。敌丽对条码的信息密 度、可靠性、信息安全性要求也越来越高，条码编码技术和傣息理论的研究妊得很有 必要。 早在七十年代，i b m 公司的s a v i r 【8 2 3 等人就从攀条码编码解码理论方面的研究。 近十几年来，随着计算税技术的快速发展，黻来越多的获硬件新技术为条码所用，条 码披术的发展极为迅速。w a n g 等人分析了条码的容错特性，研究了条码傣息容量 和容错能力豹关系，研究了根据容错能力设计条码静方法。v a n g i t s 从信惠论豹螽度研 究了条码的一些特性i 引。p a v l i d i s 等人系统地研究了条码的信息理论 l 】，研究了条鹤 编鹃技术，条码信息密度，条玛玛鞭，条码缀码容黧，条弱设计原则等阐题。在一维 条硝的基础上，l o n g a c m 进行了二维条码符号学基础理论的研究7 1 ，为二维条码的 设诗提供了理论基础。w a n 扩1 p a v l i d i s 搿等入避一步研究二维条羁信惑编码方式，二 维祭码扫描模式，二维条码应用特性等一系列二维条码的关键技术。 1 5 本文的主要研究工作 二维条码除了堆积式外，近年又出现一种新的形式矩阵式。这里我们主要 铮瑟难积式二维条碣遴抒研究。我髓恕二维条码释本文提凄豹三雍条褊统称为离维条 第一章绪论博士论文 码。如何快速准确地识别条码是条码技术的关键。此外如何改进现有编码体制，提出 新的编码理论，提高条码的信息密度也是一个研究热点。本文探讨了高维条码的识别 和编码技术，对高维条码的检测、分割、识别、编码等一系列问题进行了探索性研究。 本文的主要工作和研究结果包括： 1 条码检测是识读条码的第一步。一般情况下，条码仅仅是输入图像的一部分， 因此必须在图像中过滤掉其他图案，检测出条码。本文对条码检测技术进行了研究， 提出了一个基于子区域多特征分析的条码检测算法。实验表明，基于子区域多特征分 析的条码检测算法具有很好的性能，优于基于梯度特征的检测算法。 2 条码识读是条码技术的关键，本文系统研究了二维条码的识读技术，给出了 一个完整的二维条码识读方法，先对检测得到的条码进行旋转定位和分割，并对条码 字符图像进行投影抑制噪音，再用亚像素的边缘检测方法定位条码条空的边界，最后 用最大似然法进行译码。实验表明本文的算法具有很好的性能，具有很高的实用价值。 这里提出的基于亚像素边缘检测的识别方法优于传统的识别方法，能够获得更为准确 的条空边界位置。 3 光学系统的降晰是影响条码识别的重要因素，本文分析了条码信号经过光学 系统点扩展函数作用后的降质模型。根据点扩展函数方差的大小，提出了两种识别算 法：基于中点检测的识别算法和基于波形分析的识别算法。当点扩展函数导致边界偏 移时，基于中点检测的识别算法能够比较稳定的识别条码，获得比基于边缘检测高的 识别率。当点扩展函数方差继续增大时，运用基于波形分析的识别算法对条码信号进 行反模糊处理，能有效的克服光学系统的降晰对条码识别的影响。 4 本文在编码方式到识别技术，为进一步提高条码的信息容量提出了一套解决 的方案。我们在二维条码的基础上，提出了一种新的条码三维条码。这种条码 结合条空颜色变化，条空宽度变化和纵向排列来表示信息，大大提高了条码的编码容 量，使在有限的几何空间内表示更多的信息。文中还研究了三维条码的识别技术，给 出一个三维条码的识别算法。 5 本文给出了一个应用二维条码技术进行银行票据防伪的设计实例。在票据的 签发行，抽取票据特征经过加密后生成二维条码。在票据的接收行，识读出二维条码 的信息，将条码信息和票据特征进行比较，验证票据的合法性。该系统目前已获得专 利，试点运行结果表明该系统具有很好的防伪性能。 1 6 本文的内容安排 本文共分为五章。 博士论文高维条码识别技术和编码理论的研究 第一章是对条码技术的概述，介绍了条码的含义、条码技术和其他它几种自动识 别技术相比所具有的特性。并介绍了二维条码的发展和二维条码的特性。最后重点介 绍了条码识别技术和编码理论的研究及发展。 第二章探讨了二维条码的检测和识别技术。研究了二维条码的检测、定位、识别、 译码技术。给出了一个完整的二维条码识读方法。 第三章针对光学系统模糊对条码识别的影响，分析了条码信号经过光学系统点扩 展函数作用后的降