（电路与系统专业论文）基于DSP的QR码图像识别研究与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 摘要：q r 码是一种二维条码，具有信息容量大、可靠性高、超高速识别、全方位 识读和高效表示汉字等优点，是手机二维码中最常用的一种码制。随着中国第三 代移动通信技术( 3 g ) 的迅速发展，o r 码将获得更广阔的发展前景。 目前，国内对二维码的识别研究大部分是基于p c 的，不仅携带不便，而且对 于光照不均、背景较复杂的二维码图像，其识别速度和准确度也有待提高。针对 上述情况，本文设计并实现了针对该类型q r 码图像的识别算法。同时，以 1 1 s 3 2 0 d m 6 4 2d s p 为核心，结合该算法，设计并实现了具有o r 码图像采集、 识别、解码功能的嵌入式识别系统。本文的主要工作包括： 1 研究并分析了当前国内外o r 码识别技术的发展现状、o r 码的结构和编 码理论，为本文算法和系统的设计打下了坚实的基础。 2 通过多种预处理、定位等算法的对比分析，设计并实现了包括图像预处理、 定位、采样和解码四部分的q r 码图像识别算法。采用了局部阂值法、改 进的位置探测图形法和旋转的采样网络分别用于图像的二值化、定位和采 样。 3 设计并实现了嵌入式q r 码图像识别系统。系统的硬件设计包括处理器的 选型和系统结构的设计；软件设计包括图像采集程序、识别程序、译码输 出程序和系统引导程序的设计。 m a t a l b 仿真和大量的系统测试表明，基于d m 6 4 2 的嵌入式o r 码图像识别 系统能够实现略复杂背景下任意旋转角度q r 码图像的识别与解码。该系统在识别 准确率和效率上都取得了良好的效果。 关键词：二维条码；o r 码；条码识别；d s p ；t i t m s 3 2 0 d m 6 4 2 分类号：t p 3 6 8 2 a bs t r a c t a b s t r a c t ：a so i l ek i n do f t w o d i n 孵n s i o m lb a r c o d e ，q r c o d eh a sm a n ya d v a n t a g e s s u c ha sl a r g em f o r m m i o nc a p a c i t y , h i g hr e l i a b i l i t y , f a s td e c o d i n g ，o m n i d i r e c t i o n a l d e c o d i n g a n de x p r e s s i n gc h i n e s e m o r e e f f e c t i v e l y i t s ac o m m o nc o d eo f t w o d m n s j o m lb a r c o d ef o rm o b i l ep h o n e w i t ht h ed e v e l o p m e n to f 3gq r c o d ew i l l h a v eb r o a dp r o s p e c t s m o s ts t u d i e so f q rr e c o g n i t i o ns y s t e ma r eb a s e d o np cr e c e n t l y t h e s es y s t e r ma r e i n c o n v e n j e n ta n dn e e dt oi m p r o v et h er e c o g n i t i o na c c u r a c ya n ds p e e do nt m a g e sw i t h u n e v e ni l l u m i i l a t 幻na n dc o m p l i c a t e db a c k g r o u n d aq r c o d er e c o g n i t i o na l g o r i t h mf o r s u c hi m a g e si sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e di nt h i sp a p e r aq r c o d er e c o g n i t i o ns y s t e m w i t hi m a g ec o l l e c t i o n , r e c o g n i t i o n , r e s u l to u t p u t f u n c t i o n si sa l s od e s i g n e da n d i m p l e m e n t e db a s e do nt i t m s 3 2 0 d m 6 4 2d s e t h i sp a p e ri sm a d eu po ft h ef o l l o w i n g p a r t s ： t h ee x i s t i n gr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g i e s ，q rc o d es t r u c t u r ea n de n c o d i n gt h e o r i e sa r e s t u d i e da n da n a l y 刀e df o rt h ed e s i g no f t h ea l g o r i t h ma n dt h es y s t e m t h eq rc o d ei m a g er e c o g n i t i o na l g o r i t h m , w h i c hi sc o m p o s e do fp r e t r e a t m e n t , l o c a t i o n , s a m p l i n ga n dd e c o d i n ga l g o r i t h m , i sd e s i g n e da n di m p l e r m n t e di nt h i sp a p e r a 舭ra n a l y z i n gm a n ya l g o r i t h m s l o c a l t h r e s h o l dm e t h o d ，i m p r o v e dp o s i t i o n 劬c p l o r a t i o np a t t e r nm e t h o da n dr o t a t e ds a m p l i n g n e t w o r ka l eu s e df o rb i n a r i z a t i o n , l o c a t i o na n ds a m p l i n gr e s p e c t i v e l y a ne m b e d d e dq rc o d er e c o g n i t i o ns y s t e mi sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h e h a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e st h es e l e c t i o no f p r o c e s s o ra n dt h ed e s i g no fs y s t e ms t r u c t u r e ， t h es o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e st h em o d u l ed e s i g n so fi m a g ec o l l e c t i o n , i m a g er e c o g n i t i o n , r e s u l to u t p u ta n ds y s t e mb o o t m a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l t sa n ds y s t e mt e s t si n d i c a t et h a tt h ee m b e d d e dq r c o d e r e c o g n i t i o ns y s t e mb a s e do nd m 6 4 2c a nr e c o g n i z ea n dd e c o d eq r c o d ei m a g e sw i t h a r b i t r a r yr o t a t i o nu n d e rs l i g h t l yc o m p l i c a t e db a c k g r o u n d g o o de f f o r t so nr e c o g n i t i o n a c c u r a c ya n de f f i c i e m ya r ea c h i e v e db y t h es y s t e m k e y w o r d s ：t w o d i m e n s i o n a lb a r c o d e ；q rc o d e ；b a r c o d er e c o g n i t i o n ；d s p ； 1 f i t m s 3 2 0 d m 6 4 2 c l a s s n o ：t p 3 6 8 。2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位敝作者繇诠秀南签字嗍年7 月) 日 5 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 存害匆 签字日期1 年- ) 月- ) e t 签字日期：矿1 年) 月， 导师签名： 签字日期：_ 叼年- ) 月) 日 致谢 首先要感谢的是我的导师陈后金教授。这篇论文是在陈老师的悉心指导下完 成的。从论文的选题、开题到论文的撰写、定稿，都凝聚了陈老师的心血和精力。 在两年的研究生生活中，通过陈老师的严格要求和悉心指导，我的理论水平和科 研实践能力都得到了很大的提高。陈老师严谨的治学、渊博的知识和科学的工作 方法对我产生了极大的影响，他的教诲也让我受益匪浅。在此向导师陈后金教授 两年来对我学术上的栽培和生活上的关照表示深深的感谢! 感谢刘颖教授、侯建军教授、杜普选副教授、戴胜华副教授等所有课程指导 老师。通过各位老师的课程传授，让我顺利的完成了专业课的学习，为论文的研 究工作打下坚实的基础。 感谢周航老师、马庆龙老师为本论文研究工作所提供的技术指导和硬件支持。 感谢同实验室的李雅静、赵琛、梁立中等同学。在课题的研究过程中，与你 们的探讨交流，使我受益匪浅。在论文的撰写过程中，你们的帮助和支持让我非 常感动。在九教南4 0 1 和你们朝夕相处的时光是愉快而难忘的。 感谢我的爸爸妈妈。感谢多年来你们对我的悉心栽培，在生活上无微不至的 照顾。在我的整个求学生涯，你们一直激励着我奋发前进。你们的支持和鼓励是 我一生中最宝贵的财富。 最后再衷心感谢所有关心和帮助我的人! 1 1 课题背景及意义 1 绪论 条码技术是目前在全球应用最广泛的一种自动识别技术，一维条码具有输入速 度快、准确度高、可靠性强、成本低等优点，在日常生活中取得广泛的应用。但 是一维条码信息容量较小，需要结合数据库使用才能明确条码所表达的信息。因 此在没有数据库或者无法联网的情况下，无法使用一维条码。同时，一维条码只 能表达数字和字母，不能表达汉字，冈此一维条码也无法应片j 到一些需要应用汉 字的场合。 采用在水平和垂直方向的二维空间存储信息的二维条码可以解决上述问题。它 是实现大容量信息存储、携带及自动识读的理想方法。其特点【1 】如下： 1 ) 高密度。它的全部信息都存储在条码中，不需要事先建立数据库。 2 ) 具有纠错功能。二维条码具有纠错机制，在二维条码部分污损的情况下， 也可以正确识读。 3 ) 可对多种数字信息编码。二维条码可以对所有数字信息，如照片、指纹、 掌纹、签字、声音、文字等进行编码。 4 ) 具有加密功能。可以引入加密算法对需要编码的数字信息加密，提高可靠 性。 手机二维码是二维条码与手机结合的产物。依照二维条码的编码准则，对相关 信息编码，生成的二维条码图片可以在手机里存储、阅读和传播，在移动增值服 务、物流、身份认证、广告宣传和防伪等领域具有广阔的发展前景。此类二维条 码主要采用的是矩阵式二维条码，即通过黑、白像素在一个矩形空间中的不同分 布表示编码信息。在矩阵相应位置上，用黑色方块( 圆点) 的出现表示二进制“l ， 白色方块( 圆点) 表示二进制“0 ”，其排列组合确定了二维条码所代表的意义。 目前，成功运用于手机二维码的矩阵式二维条码有q rc o d e 和d a t am a t r i x ，如图 1 1 、图1 2 所示。 在全球的手机二维码应用市场中，日本( q r 码) 和韩国( d m 码) 发展最好， 相应的技术和配套设施都较完善。在此基础上，运营商提供的移动商务、名片识 别和输入、快捷付款、导航和位置服务等增值业务已经成为了人们日常生活中不 可缺少的一部分。 图1 一lq r 码图1 - 2d m 码 f i g 1 - 1q rc o d ef i g 1 - 2d m c o d e 2 0 0 6 年9 月，巾国移动正式推出手机二维码业务。中国移动推广了d m 码和 q r 码两种码制的维码。其中q r 码具有开放的标准，是一种开放的码制；而 d m 码受到专利方面的约束较多，对未来的产业发展可能会构成一定的威胁。d m 码尺寸小，信息容量小，应用简单，在汉字的应用种类也比较少；而q r 码最多可 以放置1 4 1 7 个汉字、5 5 2 9 个数字或2 3 0 3 个英文字母，信息容量大，识别速度快， 在处理汉字的时候更具优势1 2 1 。 目前制约手机二维码业务发展的因素丰要有手机上网资费、客户认知度以及二 维码识别终端等。随着3 g 时代的到来，手机上网速率的提升，上网资费的下调以 及加大手机二维码的推广力度，可以解决前两个制约因素。而目前，国内二维码 的识别大部分是基于p c 的，而且对于光照不均、背景较复杂的二维码图像，其识 别速度和准确度也有待提高。因此，采用以1 1 公司推出的一款专用于视频图像信 号处理的d s p 芯片t i 1 m s 3 2 0 d m 6 4 2 为核心，建立一个用于q r 码识别的嵌 入式系统，一方面可以依靠其优良的图像处理性能，提升q r 码图像的识别速度和 准确度；另一方面该系统可以脱离p c 工作，符合条码识别设备微型化、智能化和 网络化的发展趋势。 1 2 国内外研究状况 1 2 1 码型标准研究 快速响应矩阵码( q r c o d e ) ，是由日本d e n s o 公司于1 9 9 4 年9 月研制成功的 一种二维矩阵码。在二维条码标准化研究方面，国际自动识别制造商协会( a r m ) 和美国标准化协会( a n s i ) 已完成了q r c o d e 的符号标准制定。国际电工委员会 第一联合委员会的第3 1 分委员会，即条码技术识别技术委员会 2 ( i s o i e c j t c l s c 3 1 ) ，已制定了q rc o d e 的国际标准( i s o i e c1 8 0 0 4 2 0 0 0 自 动识别与数据采集技7 f 卜条码符号技术规范q r 码) 1 3 1 。 我国于1 9 9 3 年开始研究二维条码技术。在原国家质量技术监督局和国家有关 部门的大力支持下，中国物品编码中心通过消化国外相关技术资料，制定了q r 码 的国家标准：g b f i 1 8 2 8 4 2 0 0 0 快速响应矩阵码。该标准中，对q r 码的结构、 编码方法、解码方法有详细的介绍。 1 2 2 算法研究 对于q r 码解码算法的研究，主要集中在图像的二值化、符号的几何校正、符 号的定位以及码字纠错四个方面。 对于图像的二值化，关键在于阈值的选择。常用的阈值选择方法主要有直方 图双峰法、迭代法、最大直方图熵阈值分割法、最大类间方差法等。对于具有单 一背景的q r 码图像，其直方图为典型的双峰状。董强【4 】采用了直方图双峰法对该 类图像进行处理，取得了很好的分割效果。但是对于背景略复杂的图像，其直方 图并没有典型的波谷，无法确定合适的阈值，因此该方法不适用。对于光照不均 的q r 码图像， y u - h s u a nc h a n g 等i s 采用自适应光照均衡技术，把图像的每一行 分割成若干部分，计算出每一部分的平均灰度，再采用自动增益控制对灰度进行 补偿，实现灰度的均衡。该算法的分割效果较好，但算法相对复杂，计算量较大。 对于具有均匀散焦模糊的图像，涂丹等 6 1 介绍了一种图像盲恢复算法，估算出模糊 图像的点扩散函数( p s f 函数) ，再采用经典的维纳滤波等去模糊方法对图像进行 复原。明安龙等m 、黄婷婷等【8 l 考虑到q r 码图形都是由正方形模块构成的矩阵， 其散焦模糊后在平面的投影也是正方形的变形，而且散焦模糊也主要集中于图像 的边缘，故采用了最大类间方差法去除边缘信息，保留模块中心的信息。该方法 结合q r 码图像的特点，较前述的去模糊方法更简单，易于实现。 对于图像的几何矫正问题，肖翔等 9 1 提出了一种基于双线性变换和插值方法的 几何失真矫正算法处理存在几何失真的图像。该方法需要找出q r 码图像的四个顶 点，但是在实际应用中，第四个顶点比较难以确定。对于在几何旋转中出现的非 整数点，一般采用双线性插值法计算旋转后非整数像素点的灰度值。该方法虽能 取得较好的效果，但在嵌入式系统中，此类浮点运算将耗费大量的时间，不利于 实时处理。胡孝鹏等【lo 】利用q r 码基本模块呈方形，对旋转后的图像进行点修补， 可以减少旋转时浮点运算所消耗的时间。 对于符号的定位，刘宏伟等【1 1 1 【1 2 1 【1 3 】【1 4 1 利用h o u g h 变换与s o b e l 边缘检测算子 来进行顶点定位，但是h o u g h 变换需要对每个边缘点计算其在参数空间的p - 0 曲 线，运算量较大，因此胡孝鹏等【1 0 】采用对q r 码隔行隔列扫描运算，减少运算面 积，降低了运算量，勉强满足嵌入式系统的实时需求。明安龙等1 7 1 采用外部轮廓检 测算法，对q r 码图像顶点进行初始定位，再通过反透视变换和双切线逼近，精确 定位。谷晓琳等 1 s l 根据q r 码寻像图形固有的结构特征建立q r 码识别模型，采 用遗传算法实现图像的定位和识别。此类方法需要建立的模板一般都比较大，匹 配时耗时较多，不利于实时处理。y u - h s u a nc h a n g , 等 s l ，刘东等【1 6 i 则根据寻像图 形深浅模块l ：1 ：3 ：1 ：1 的特定结构，标记图像中水平和竖直方向都符合该比例的部 分，由于在q r 码的生成中已经消除了其他位置有这种图形的可能性，所以也能用 于确定q r 码的位置。这类方法结合了q r 码结构特征，算法较为简单，但该方法 对位置探测图形处的噪声较敏感。 q r 码采用r e e d s o l o m o n ( r s ) 纠错码。r s 码是一种非二进制的b c h 码， 具有同时纠突发错和随机错的能力，对突发性的错误干扰很有效。但是当纠错级 数较大时，其运算复杂度也相应增加。祁晓莉等 1 7 1 采用下述方法，降低了运算的 复杂度。首先由接收码字计算伴随式，若存在错误，则使用b - m 迭代算法确定错 误位置多项式，再使用陈氏搜索算法确定错误位置多项式的根，其倒数为差错位 置，最后使用f o r n e y 算法计算错误值，并纠错错误。 1 2 3 应用研究 手机二维码的应用【l 】1 1 8 】主要包括以下几种形式： 1 ) 电子票务。该应用需要在售票单位的网站和售票信息发布平台的协作下完 成。当消费者需要购票时，首先通过上网等方式查找相关的票务信息，点 击购买后，进入支付阶段。支付完成后，售票系统会把电子票以二维码的 形式发送到购票者手机中，完成购票流程。用户只需把手机中的二维码对 准售票单位扫码设备的识别窗口，即可实现电子票的使用。目前航空公司 推出的手机二维码电子客票业务就是该应用的具体实现。 2 ) 识读应用。消费者利用拍照手机拍摄平面杂志或者户外广告上的二维码， 使用手机内安装的识读软件，就可以将二维码图像转化为文字，或者网址 链接，实现手机快速上网或下载。除此以外，还可以在名片、产品包装上 印制二维码，采用相应的识读设备可以方便的识读，避免手工输入的繁杂 及失误。目前，日本街头的户外广告和海报、宣传单、优惠券、电子票证 上都印有二维码，是手机用户登录网站、下载资源以及获得广告商品信息 的重要途径。 3 ) 防伪应用。二维条码具有多重防伪特性，它可以采用多种加密算法对信息 4 加密，具有很强的保密防伪性。在实际应用中，一般采用手机或二维码识 别设备扫描二维码，并提交验证服务器以核实产品或服务的有效性。主要 用于产品真伪的验证或支付领域中支付凭证的核实。 在日本，q r 码采用开放的运营模式，用户可以任意编码；运营商免费提供解 码软件，只对q r 码内容中的增值服务收费。二维码扫描是手机的一项功能，不作 为运营商的服务。 手机条码已经成为运营商整合新业务的高速通道，利用这种便捷的识别通道， 运营商可以大大缩短新业务的推广周期。考虑到手机二维码所带来的巨大潜在效 益，中国移动在2 0 0 5 年就将二维码推广业务纳入中国移动数据部的业务计划中， 2 0 0 6 年就在小范围内开展了该项业务。中国移动采用的应用策略是q r 码和d m 码并举。目前北京意锐新创科技有限公司是中国移动o r 码唯一技术合作伙伴。其 已开发出的魔印3 0 手机软件二次开发平台，可支持s y m b i a n $ 6 0 手机操作系统平 台和w i n d o w sm o b i l e 手机操作系统平台上多种条码扫描引擎的开发。 1 3 论文工作及组织结构 本文的研究内容包括针对光照不均、背景略复杂的q r 码图像识别算法的设计 及实现，以及嵌入式q r 码图像识别系统的软硬件设计，实现q r 码图像的采集、 识别和解码功能。算法研究中关键的问题是光照不均条件下q r 码图像的二值化算 法以及较复杂背景下q r 码图像的定位及采样算法；系统设计的关键问题是如何保 证系统具有较高的识别准确度和识别速度。 本文的组织结构如下： 第一章：绪论。介绍了课题的背景及意义，q r 码识别技术的国内外研究现状。 第二章：q r 码结构及编码理论。介绍了q r 码的基本结构和相关的编码理论。 第三章：q r 码图像识别算法。依照图像处理的一般流程，设计了q r 码图像 识别算法，同时详细阐述了算法各部分的原理。通过m a t l a b 仿真，对该算法的 可行性、识别准确度和速度进行了分析。 第四章：q r 码识别系统。在对1 1 一聊s 3 2 0 d m 6 4 2 和c c s 开发环境简要介绍 的基础上，设计了q r 码识别系统的结构、软件流程和系统b o o t 流程。最后通 过系统测试，分析了系统的识别性能。 第五章：总结与展望。对本文所做工作的总结及展望。 5 j 盛至盟古堂堡士芏焦监垄qb 氆盐控厘蟹班堡监 2 1 q r 码结构 2q r 码结构及编码理论 快速响应矩阵码( q rc o d e ) ，是由日本d e m o 公司于1 9 9 4 年9 月研制成功 的一种一维矩阵码。我国于2 0 0 0 年1 2 月发布了快速响应矩阵码标准o w l 1 8 2 8 4 - 2 0 0 0 。它除具有信息容量大，可靠性高，保密性好等二维条码共有的优点外 还具有超高速识别，全方位识读，能够采用比特压缩的方式表示汉字等优点。 如图2 1 所示，q p - 码由一系列正方形模块排列于正方形图形巾，每一模块代 表l 比特，深色模块代表1 ，浅色模块代表0 。它由编码区域和功能图形组成。符 号的四周为空白区，颜色与浅色模块相同。功能图形包括寻像图形、分隔符、定 位图形和校正图形不用于数据编码忡l 。 目2 - 1q r 码结构图( 版本7 ) f 嘻2 - 1t h es 眦t e d l a g r mo f q rc o d e ( v e r s i o n7 ) q r 码共用4 0 个版本，分别为版本1 、版本2 版本4 0 ，规格分别为2 l 模 块x 2 1 模块、2 5 模块2 5 模块1 7 7 模块1 7 7 模块。版本号增加1 ，水平和 竖直方向的模块数增加4 。 q r 码采用r e e d - s o b m o n ( r s 码) 生成一定数量的纠错码字，使q r 码符号 具有一定的纠错能力。它具有四个纠错等级，分别为l ，m ，q ，h 。对应的纠错 容量分别近似为7 ，15 ，2 5 ，3 0 。 q r 码所容纳的数据容量范围很广泛。版本l 的q r 码最少可以表示的数字、 字母数字、8 位字节和汉字分别为1 7 个，1 0 个，7 个，4 个；而版本4 0 的q r 码 最多可以表示的数字、字母数字、8 位字节和汉字分别为5 5 2 9 个，3 3 5 1 个，2 3 0 3 个，1 4 1 7 个。下面结合图2 1 介绍q r 码中的功能图形及编码区的格式信息和版 本信息。 2 1 1寻像图形 寻像图形为三个相同的位置探测图形，分别位于符号的左上角、右上角和左 下角。如图2 一l 所示。每个位置探测图形由三个重叠的同心正方形组成，由内至外 依次为3 3 个深色模块，5 5 个浅色模块，7 7 个深色模块，如图2 2 所示。位 置探测图形的模块宽度比为1 ：1 ：3 ：1 ：1 。在符号生成的过程中，已通过掩模消 除了其他位置具有该图形的可能性，因此可以通过三个位置探测图形识别出可能 的q r 码符号，并获得符号相应的位置及方向信息【1 9 】【2 0 1 。 l：1： 3 ：1 ：1 2 1 2 分隔符 图2 - 2 位置探测图形结构 f i g 2 2t h es 订u c t u r eo fp o s i t i o ne x p l o r a t i o np a t t e r n a ：3 模块 b ：5 模块 c ：7 模块 分隔符是每个位置探测图形和编码区域之间宽度为1 个模块的浅色模块，如 图2 1 所示。 7 2 1 3 定位图形 水平定位图形位于符号的第6 行，即符号上部的两个位置探测图形之间的部 分。垂直定位图形位于符号的第6 列，即符号左侧两个位置探测图形之间的部分。 定位图形的宽度为一个模块，由深色和浅色模块交替组成，其开始和结尾都是深 色模块( 如图2 1 所示) 。主要用于确定符号的密度和版本并提供决定模块坐标的 基准位置。 2 1 4 校正图形 校正图形的数量与q r 码符号的版本有关，从条码符号的左上角到右下角沿对 角线两边对称地分布。每个校正图形可看作是三个重叠的同心正方形，由内至外 依次为l 1 个深色模块，3 3 个浅色模块，5 5 个深色模块，如图2 3 所示。主 要用于条码识别时校正当前区域的坐标值。 2 1 5 格式信息 a ：l 模块 b ：3 模块 c ：5 模块 图2 3 校正图形结构 f i g 2 - 3t h es t r u c t u r eo fa l i g n m e n tp a t t e r n 格式信息的正确解码对整个符号的解码至关重要，因此它在符号中出现两次 以提供冗余，分别位于符号的第9 行和第9 列。如图2 4 所示。 扯斑奎丑占堂强芏位j 盘奎qb 盟缝拄盈编码堡监 一 啊 口 图2 - 4 格式信息位置 f i g , 2 - 4 t h e p o s i t i o no f f o r m a t i n f o r m a l i o n 格式信息共有1 5 位，其中前5 位为数据位后l o 位是采用b c h ( 1 5 ，5 ) 编码计 算得到的纠错位。在前5 位数据位中，第1 ，2 位代表符号的纠错等级，如表2 - 1 所示。第3 ，4 ，5 位代表符号所采用的掩模图形参考。格式信息的最高位模块编 号为1 4 。最低位编号为0 。 表2 - 1 纠错等级指示符 t a b k2 - ll a d i c a t o ro f e 们rc o t t 茁t i o nl e v e l - 2 1 6 版本信息 与格式信息相似，版本信息的正确解码对整个符号的解码也至关重要因此 它在符号也中出现两次以提供冗余，分别位于符号右上角位置探测图形左侧的6 行x 3 列以及左下角位置探测图形匕部的3 行6 列，如图2 1 所示。版本信息麸 1 8 位，前6 位为数据位，后1 2 位为通过b c h ( 1 8 ，6 ) 编码计算出的纠错码。6 位数 据位是版本信息，第l 位是最高位。版本信息的最高位模块编号为1 7 ，最低位模 块编号为0 。如图2 5 所示。 回- 回 012345 6789l ol l 1 21 3 1 4 1 5 1 61 7 2 2 编码理论 ol2 3 45 678 91 0l l 1 2 1 31 4 1 51 61 7 ( 1 ) 位于左下角的版本信息( 2 ) 位于右上角的版本信息 图2 5 版本信息模块编号 f i g 2 - 5s e r i a ln u m b e ro fv e r s i o ni n f o r m a t i o nm o d u l e 2 2 1 编码方法概述 编码过程【1 9 】包括七步，分别为数据分析、数据编码、纠错编码、构造最终信 息、布置模块、掩模及添加格式信息版本信息。其流程图如图2 - 6 所示。 2 2 2 数据分析 图2 - 6 编码流程图 f i g 2 - 6e n c o d i n gf l o wc h a r t q r 码的编码模式包括数字模式、字母数字模式、8 位字节模式、中国汉字模 式、混合模式、结构链接模式等。因此需要对输入码流进行分析，选择合适的编 码模式。此外，还需根据需要选择相应的纠错等级提高符号的可靠性。如果没有 预先规定所采用的符号版本，则选择与数据相适应的最小版本。 1 0 2 2 3 数据编码 不同的编码模式具有不同的编码规则以及对应的模式指示符和字符计数指示 符长度。表2 2 为常用编码模式对应的模式指示符和字符计数指示符长度。 表2 2 常用编码模式的模式指示符及字符计数指示符长度 t a b l e 2 2m o d ei n d i c a t o ra n dc h a r a c t e rc o u n ti n d i c a t o rl e n g t ho f c o m m o ne n c o d i n gm o d e 模式数字数宁宁母8 位宁节汉字 模式指示符 0 0 0 l0 0 1 00 1 0 0ll o l 字符计数版本1 - 9 1 0988 指示符长度版本1 0 2 61 2 1 1 1 61 0 版本2 7 4 0 1 4 1 31 61 2 1 ) 数字模式编码规则 1 9 1 输入的数据按每3 位一组的方式转换成1 0 位二进制数。若输入的数据位数不 是3 的整数倍，所余的l 位或2 位分别转换成4 位或7 位二进制数。将二进制数 据连接起来并在前面加上模式指示符( 0 0 0 1 ) 和字符计数指示符( 即数据位数的 二进制表示，长度随版本改变，如表2 2 所示) 。 例如，要编码的数字为1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 ，选择的版本为1 m 。编码的数字每3 个 一组，即分为1 2 3 ，4 5 6 ，7 8 9 ，0 。分别转换成- 进制，即0 0 0 1 1 1 1 0 1 l ，0 1 1 1 0 0 1 0 0 0 ， 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 ，0 0 0 0 。添加模式指示符0 0 0 1 及字符计数指示符( 长度为l o 位) 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 ，故最后形成的位流是 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 11 l1 0 1 1 0 1 11 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 。 2 ) 字母数字模式编码规则 1 9 1 按照表2 3 字母数字模式的编码表，对每个输入的字符转换为一个数值v 。v 的取值范围从0 4 4 。输入的数据每2 位为一组，根据式2 1 计算m 。 m = kx 4 5 + k( 2 1 ) 将m 转换为11 位的二进制数。若输入的数据字符数不是2 的整数倍，则将最 后一个字符对应的数值转换成6 位二进制数。将所有二进制数连接并在其前面添 加模式指示符( 0 0 1 0 ) 和字符计数指示符。 例如，要编码的字母数字为a 1 8 2 c ，按照表2 3 所示，对应的数值分别为1 0 ， 1 ，1 1 ，2 ，1 3 。每两个分为一组，根据式2 1 分别得4 5 1 ，4 9 7 ，1 3 。分别转换成 1 1 位和6 位的二进制数，即0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 ，0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 ，0 0 1 1 0 1 。添加模式指示 符0 0 1 0 和字符计数指示符( 长度为9 ) 0 0 0 0 0 0 1 0 1 ，最后的位流是 0 0 】0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 】0 0 0 0 11 0 0 11 】1 】0 0 0 1 0 0 11 0 】。 表2 - 3 字母数字模式编码表 t a b l e 2 - 3a p h a - n u m e r i cm o d ee n c o d i n gt a b l e 字符值字符值字符值 字符 值字符值字符值 0088g1 6o2 4w3 2 + 4 0 l199h1 7p2 5x3 34 1 22a1 0i1 8 q 2 6y3 44 2 33b1 1j1 9r2 7z3 5t4 3 44c 1 2 k 2 0s2 8s p3 64 4 55d1 3l2 1t2 9$3 7 66e1 4m2 2u3 03 8 77f1 5n2 3 v 3 l 3 9 3 ) 8 位字节模式编码规则1 1 9 | 输入数据的每个字符依照a s c i i 字符集转换成8 位的二进制数据。将二进制 数据连接起来，并添加模式指示符( 0 1 0 0 ) 和字符计数指示符。 4 ) 中国汉字模式编码规则 1 9 1 汉字的字符值为g b 2 3 1 2 中图形字符的内码值，有两个字节。采用下述规则将 其转换为1 3 b i t 。最后再添加模式指示符( 11 0 1 ) 、中国汉字子集指示符( 0 0 0 1 ) 和字符计数指示符。 规则1 ：对于第一字节值范围在彳l 脚和之间，第二字节值范围在彳1 脚 和皿腑r 之间的字符： a ) 第一字节值减去彳1 麟，再乘以6 0 脚； b ) 第二字节值减去4 1 脚，加上a ) 的结果； c ) 转换成1 3 位的二进制位流。 规则2 ：对r 丁第一字节值范围在b o 脚和之间，第二字节值范围在彳l 脚 和尼f r 之问的字符： a ) 第一字节值减去彳6 脚，再乘以6 0 脚； b ) 第二字节值减去彳1 删，加上a ) 的结果； c ) 转换成1 3 位的二进制位流。 5 ) 混合模式编码规则【1 9 】 为增加编码密度或根据输入数据内容的要求，可以从一种模式转换到另一种模 式来表示数据。其基本结构为模式指示符字符计数指示符数据，再接下一段的 模式指示符字符计数指示符数据。图2 7 所示所示为n 段数据的结构。 1 2 段1段2段n 模式指示字符计数模式指示字符计数模式指示字符计数 符1指示符1 数据数据数据 符2指示符2符n指示符n 图2 7 混合模式数据结构 f i g 2 7d a t as t r u c t u r eo fh y b r i dm o d e 按照上述规则，将数据字符转换为二进制位流，再在其后添加终止符( 0 0 0 0 ) 。 若符号所余的容量不足4 位时，截断终止符。按照8 位一组将位流分为若干码字。 若最后一个码字不足8 位，则对该段码字后补0 以填满8 位。最后，必要时加入 填充宁符( 1 11 0 11 0 0 和0 0 0 1 0 0 0 1 交替) 以满足相应版本所要求的数据码字数1 1 9 1 。 2 2 4 纠错编码 q r 码采用r e e d s o l o m o n ( r s 码) 错误控制码实现纠错功能，纠错面积最高 可达3 0 。r s 码是一种非二进制的b c h 码，可以同时纠正突发错误和随机错误。 纠错码生成步骤1 1 9 1 如下所示： 1 ) 根据版本和纠错等级，将数据码字分成相应的块，每一块分别计算纠错码； 2 ) 构造降幂的多项式m ( x ) ，其系数为分块后的数据码字，第一个数据码字 为多项式最高次项的系数，最后一个码字位最低次项的系数； 3 ) 纠错码是m ( x ) 除纠错码牛成多项式g ( x ) 的余数。余数的最高次项是第一个 纠错码字，最低次项是最后一个纠错码字。 纠错码的运算是在本原多项式为x 8 + z 4 + x 3 + x 2 + l 的伽罗华域g f ( 2 s ) 内进行 的。其加减法为逐比特的异或运算，乘除法为伽罗华域g f ( 2 s ) 内幂指数的模2 5 5 加减法。 2 2 5 构造最终码字 在计算纠错码时，把数据码字分成了m 块，每块包含n 个码字，生成了m 块 的纠错码字，每块包含k 个码字。对于这m 块的数据码字和纠错码字，按照数据 块1 的码字1 ，数据块2 的码字1 数据块1 1 3 - l 的码字n ，数据块m 的码字n ， 纠错块1 的码字1 ，纠错块2 的码字1 “纠错块m - 1 的码字k ，纠错块m 的码字 k 的顺序，排列出最终的码字。若该码字数量小于符号的码字容量，则在最终的码 字后补0 ( 剩余位) 以填满整个符号【l9 1 。 j e 瘟窑丑厶芏鳃堂擅j 金毫qb 型结擅盈蟹醴堡监 2 2 6 布置模块 如图2 - 8 所示，每个8 位的码字以2 个模块宽的纵列从符号的右下角开始，按 照蛇形排列。位序列在纵列中从右至左，按照模块的排列方向从最高位至最低位 依次捧放。图2 - 9 所示为图2 - 8l 】部分模块的位序列排列。 嘲2 - 8 模块柞州( 版本2 - m ) 匝阳网 出匪崩 图2 - 9 位序列排列 f e 2 9 b i ta r r a n g e m e n t 即 e e 囝掣。宙。 口崩*崩 1 2 1一 !i 3 1 2 2 7 掩模 为确保符号的深浅模块比例相近，并避免符号的其他位置出现位置探测图形 1 0 111 0 1 序列，需要进行掩模。根据表2 4 所示的掩模图形生成条件，生成8 种掩 模图形，分别与上述已布置好的模块进行异或运算。对8 种结果打分，选择得分 最低的作为最终结果，并将相应的掩模图形参考添加进格式信息 1 9 1 。 表2 - 4 掩模图形生成条件 t a b l e 2 - 4g e n e r a t e dc o n d i t i o no fm a s kp a t t e r n 掩模图形参考条件 0 0 0 ( i + j 9r o o d22 0 0 0 1im o d 2 = 0 0 1 0 jr o o d3 = 0 0 l1 ( h ) r o o d3 = 0 1 0 0 ( ( id i v2 ) + ( jd i v3 ) ) r o o d2 = o 1 0 l ( i j ) m o d2 + ( i j ) m o d3 = 0 l l o ( ( i j ) r o o d2 + ( i j ) m o d3 ) m o d 2 = 0 1 ll ( ( i j ) m o d3 弋i + j ) m o d2 ) m o d 2 = 0 注：i 为模块的行位置，j 为模块的列位置。 2 2 8 添加格式版本信息 根据纠错等级和掩模图形参考，得到格式信息的5 位数据位。使用b c h ( 1 5 ，5 ) 编码得到1 0 位纠错位。1 5 位的格式信息与掩模图形1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 进行异或运 算，将异或结果放入格式信息的相应位置。 根据版本号生成版本信息的6 位数据位，再由b c h ( 1 8 ，6 ) 纠错编码得到1 2 位 纠错位。将1 8 位版本信息放入符号相应位置。只有版本7 以上的符号才包含版本 信息，版本1 版本6 的版本信息为全o 。 2 3 本章小结 本章为o r 码识别算法的理论基础。主要介绍了q r 码结构的基本特征及q r 码的相关编码理论，重点研究了q r 结构中的寻像图形以及编码理论中不同编码模 式的编码方法。 3 1 算法设计 3q r 码图像识别算法 对于q r 码的识别，首先需要采集一幅包含q r 码的图像。现有采集设备所采 集的q r 码图像，不可避免会带有噪声、旋转等效果。因此，首先需要对图像进行 预处理，消除上述影响，提高q r 码的识别率。其次，为识别q r 码符号中各深浅 模块所代表的“0 ”或“1 ”比特，需要确定q r 码符号在整幅图像中的精确位置， 然后建立采样网络，对各模块采样。最后，根据q r 码的编解码规则，对采样后的 比特序列解码。算法的设计过程中，首先应结合q r 码的结构特征，因地制宜，设 计相应的图像处理方案，并根据处理效果进行调整，以提高识别的准确度；其次 应考虑本算法将应用在嵌入式系统上，因此应避免大运算量的算法，以提高识别 的速度