（计算机软件与理论专业论文）qr码识别技术及在手机中的应用.pdf

摘要 一维条码在生产和生活的各个方面得到了广泛的应用，并极大的提高了生产率， 但是一维条码本身的缺点信息量小、依赖数据库等也日益的现露出来。二维条 码本身具有高容量、高密度、纠错能力强、安全强度高等特点，使得二维条码作为 信息的载体在信息自动化领域发挥着越来越重要的作用。 作为二维条码的一种，矩阵式的二维条码是建立在计算机图像处理技术、组合 编码原理等基础上的一种图形符号自动识读处理码制。由于二维条码的信息密度比 较高，其识别技术比一维条码的识别更为复杂，尤其对于矩阵式二维条码，因此二 维条码有效快速的识别成为当前重要的研究领域。 本文首先以q rc o d e 快速响应码为例，探讨了二维条码图像的灰度化、中值滤 波、二值化、定位、旋转以及分割算法；随后在介绍了编码理论后讨论了q rc o d e 的解码。实现了对q rc o d e 图像识别的智能分析，可以有效的减少识别的时间并提 高识别率，实现了手机在一般光线下拍摄的条码图像的译码工作，为以后向手机移 植奠定了基础。 最后，论述了二维条码识别在摄像手机上应用的可行性和实际引用的例子，为 以后开发手机条码识别系统提供了理论基础和初步的实际实践，可以预言二维条码 在手机上的识别和应用，必将随着3 g 时代的到来而得到飞速的发展。 硕士研究生：董强( 计算机软件与理论) 指导教师：于忠清研究员 关键词：二维条码条码识别 q rc o d e r e c o g n i t i o no fq r c o d ea n d a p p l i c a t i o ni nc e l lp h o n e a b s t r a c t 1 db a rc o d ei sw i l d l yu s e di ni n d u s t r i a lp r o d u c t i o nw h i c hi m p r o v e sp r o d u c t i v i t y g r e a t l y , b u ti t sd i s a d v a n t a g eh a sb e e ng r o w i n gu pb e c a u s eo fl i m i t e di n f o r m a t i o na n d d e p e n d e n c eo nt h ed a t a b a s e w i t hh i g h e rc a p a c i t y , h i g h e rd e n s i t y m o r ep o w e r f u l e r r o r - c o r r e c t i o na b i l i t ya n dh i g h e rs e c u r i t ya b i l i t y , t w o d i m e n s i o n a lb a rc o d eh a sp l a y e d a ni m p o r a n tr o l eg r a d u a l l yi nt h ei n f o r m a t i o na u t o m a t i cf i e l d b a s e do nd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n ga n dc o m b i n e dc o d i n gt h e o r y , t w o - d i m e n s i o n a l m a t r i xb a rc o d ei sas y m b o ls y s t e mp r o c e s s e da u t o m a t i c a l l yu s i n gi m a g er e c o g n i t i o n t e c h n o l o g y b e c a u s et w o d i m e n s i o n a lb a rc o d e sr e l a t i v e l yh i g h e rd e n s i t yi n f o r m a t i o n ，i t s r e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yi sm o r ec o m p l e xt h a nt h a to fo n e d i m e n s i o n a lb a r s or e c o g n i z i n g 2 db a rc o d ef l e e t l ya n de f f e c t i v e l yb e c o m e sa l li m p o r t a n tf i e l d t a k eq rc o d ea sa ne x a m p l e ，f i r s t l y , t h el o c a t i o na n ds e g m e n tt e c h n o l o g yo f t w o d i m e n s i o n a lb a rc o d ei sd i s c u s s e d s e c o n d l y , c o d i n ga n dd e c o d i n go fq rc o d ea r e d i s c u s s e di nd e t a i l t h i sp a p e rs u c c e e d si ni m p l e m e n t i n gi n t e l l i g e n ta n a l y s i so ft h eq r c o d ei m a g e t h i sm e t h o dc a nr e d u c et h ei d e n t i f i c a t i o nt i m ee f f e c t i v e l ya n di tc a ni d e n t i f y t h eo r d i n a r yp i c t u r e sw h i c ha r et a k e nb yt h ec e l lp h o n e t h em e t h o dm a k e si ti sp o s s i b l e t ot r a n s p l a n tt h es o f t w a r et ot h ec e l lp h o n e a tl a s t ，w ed i s c u s s e dt h ea v a i l a b l ee x a m p l e si na c t u a la p p l i c a t i o no fc e l lp h o n e ， w h i c hp r o v i d e st h eb a s i ct h e o r ya n dp r i m a r yp r a c t i c ee x p e r i e n c ef o rt h es y s t e m i tc a nb e p r o v e dt h a tt h es y s t e mw i l la c h i e v ef a s td e v e l o p m e n ta l o n gw i t ht h e3 ga g e s g r a d u a t es t u d e n t ：d o n gq i a n g ( c o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h e o r y ) a d v i s o r ：z h o n g q i n gy n k e yw o r d s ：2 db a r - c o d e ，r e c o g n i t i o nb a rc o d e ，q rc o d e 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景 近几年来，随着信息领域自动识别技术的发展，用条码符号表示更多信息的要 求与日俱增。传统条码( 即一维条码) 技术自出现以来，得到人们普遍的关注，发 展速度十分迅速，仅仅2 0 年的时间，它已广泛用于交通运输业、商业、医疗卫生、 制造业、金融业、仓储业等各个领域。传统条码的使用，极大地提高了数据采集和 信息处理的速度，改善了人们的工作和生活环境，提高了工作效率，为管理的科学 化和现代化做出了很大的贡献。但是，传统条码受到信息容量的限制，它仅仅是对 “物品”的“标识”，而不是对“物品”的“描述”，传统条码自身无法解决的不足 而出现以下的问题： 信息密度较低，信息容量较小； 没有错误纠正能力： 保密防伪性较差，不能进行有效的加密； ， 使用可靠性差，受外界损伤条码后，毁损信息； 必须依赖数据库的存在； 表示汉字信息十分困难。 二维条码正是为了解决上述传统条码无法解决的问题而诞生的。二维条码具有 高密度、大容量等特点，可以用它表述数据文件( 特别是汉字文件) 、图片等。二维 条码是各种证件及卡片等大容量、高可靠性信息实现存贮、携带、自动识读并能实 现网络化信息管理的最理想方法。 与其它自动识别技术相比，二维条码具有其独特的优势，下面是二维条码与其 它自动识别技术的比较吼 二维条码磁辟i c 卡射频技术 信息载体 纸或物质表面 磁条 存储卡 存储器 信息量大较小大大 读写性读，写读，写读写读写 读取方式光电扫描转换磁电转换电路接口无线通信 保密性好一般好好 智能性无无 有 有 抗环境污染较强较差一般较强 抗干扰能力较强较差一般一般 识读距离0 5 m接触 接触 0 2 m 使用寿命较长短长最长 国际标准有有不全制订中 青岛大学硕士学位论文 基材价格 低中 由 局 扫描器价格 由 低低 向 优点数据密度高，输输入速度快数据密度高，输可在灰尘、油垢 入数度快，设各 入数度快 等环境下使用， 种类多，设备价 可非接触式识读 格适中，可非接 触识读 缺点 数据不能修改 不能非接触式识不能非接触式识发射、接收装置 读读价格昂贵，发射 装置寿命短，数 据可改写 1 2 二维条码起源和发展 为了在相同的条码面积内装入更多信息，1 9 8 7 年符号设计专家d a v i da i l a i s 博 士提出一种称为c o d e4 9 的二维条码，实际上是把一维条码的高度截短并按照行堆 积，由2 到8 行构成，5 位数字用3 个字符表示，使用2 字符为码词，是一种多行 连续型，且长度可变的条码，可使用现有的条码阅读设备和打印设备。c o d e4 9 具 有信息容量大和使用灵活等优点而受到重视，开创了进行二维条码研究的先河，c o d e 1 6 k 码近似c o d e4 9 码，由2 到1 6 行组成，分隔条分离各行，利用u p c 码和1 2 8 码 字符集，最大信息长度可达7 7 个a s c i i 字符。p a v l i d i s 教授等人进行了二维条码 译码解码算法的研究，l o n g a c r e 教授着手进行堆积式二维条码符号学基础理论的研 究，大大促进了堆积式二维条码的发展。 1 9 9 0 年，美国s y m b o l 技术公司的v n j i u n e w a n g 等人设计了一种便携式数据文 件条码p d f4 1 7 ( p o r t a b l ed a t af i l e ) 高密度条码，利用行鉴别原理，错误检测校正等 技术正确地收集组织数据，在识读设备与印刷技术上兼容条码工业标准。中国也在 1 9 9 7 年制定了p d f4 1 7 的国家标准g b t 1 7 1 7 2 1 9 9 7 。 上述c o d e4 9 ，p d f4 1 7 码其信息密度大大高于普通条码，但这些符号表示法主 要是为静态应用或手持应用系统设计的。 美国v e r i t e c 公司提出了一种新的二维码符号，在矩阵图形里载有数据的条码， 称之为矩阵符号码，其矩阵符号格式和图像处理系统已经获得美国专利。该符号是 一种用于微小型产品上的二进制数据编码系统，便于机器书写和阅读，准确性和可 重复性达到最佳水平，具有扩大和缩小数据单元而不改变其数据信息，容量奇偶校 验和错误修改代码等特点。具体产品信息的矩阵符号按特定算法编制的软件生成数 据单元和数据图像帧，可用激光蚀刻方法标记于产品之上，其面积大小的限制因素 是激光蚀刻的精度和图像识别设备的分辨能力。矩阵符号码在微小产品自动识别、 2 第一章绪论 工厂生产自动线以及计算机集成制造系统( c i m s ) 中具有广阔的应用前景。 菲利普研究实验室的w i l jw a ng i l s 等人提出一种新型的二维码方案，即用标 准几何形体圆点构成自动生产线上产品识别标记的圆点矩阵二维码表示法。这一方 案由两大部分组成，一是源编码系统，用于把识别标志的编码转换成通信信息字： 另一是信道编码系统，用于对随机误码进行错误检测和校正。点阵码除了具备信息 密度高、占用较少的产品标志面积等特点外，也便于用雕刻腐蚀制板工艺将点阵码 印制在机械零部件上，用摄像头设备识读和图像处理系统识别，也是一种具有较大 应用潜力的二维编码方案。 d a t a m a t r i x 原名d a t ac o d e ，由美国国际资料公司( i n t e r n a t i o n a ld a t a m a t r i x ) 于1 9 8 9 年发明。d a t am a t r i x 是一种矩阵式二维条码，其发展的构想是希望在较小 的条码标签上存入更多的资料信息。d a t am a t r i x 的最小尺寸是目前所有条码中最 小的，尤其适用于小零件的标识，直接印刷在实体上。d a t am a t r i x 又可以分为e c c o o o 一1 4 0 和e c c 2 0 0 两种类型，e c c 0 0 0 - - 1 4 0 具有多种不同等级的错误纠错功能，而 e c c 2 0 0 则通过r e e d s o l o m o n 纠错算法产生多项式计算出错误纠正码，其尺寸可以 依据需求印刷成不同大小。由于d a t am a t r i x 只需要读取资料的2 0 就可以精确辨 认，因此适合应用在条码容易受损的场合，例如印在暴露在高温、化学清洗剂、机 械剥蚀等特殊环境的零件上，如图1 1 ( b ) 所示。 m a x i c o d e 是美国知名的u p s ( u n i t e dp a r c e ls e r v i c e ) 快讯公司在1 9 世纪8 0 年 代晚期，为了能达到高速扫描的目的，重新研发一种新的条码，在1 9 9 2 年推出u p s c o d e ，并研发出相关的设备。1 9 9 6 年美国自动辨识协会( a i m u s a ) 制定统一的符号规 格，称为m a x i c o d e 。m a x i c o d e 是一种中等容量、尺寸固定的矩阵式二维条码，它由 紧密相连的六边形模块和位于符号中央位置的定位图形组成。m a x i c o d e 是特别为高 速扫描而设计，主要应用于包裹搜寻和追踪上，如图1 1 ( c ) 所示。 q rc o d e 码( q u i c kr e s p o n s ec o d e ) 是日本d e n s o 公司于1 9 9 4 年9 月研制的一种 矩阵二维条码符号，它除具有一维条码及其他二维条码所具有的信息容量大、可靠 性高、可表示汉字及图像多种文字信息、保密防伪性强等优点，如图1 1 ( d ) 所示。 图1 1 常见的二维条码 青岛大学硕士学位论文 近几年来，国内大力进行条码推广应用，并积极跟踪国外技术发展，进行条码 理论基础和关键技术的研究。中国物品编码中心条码高新技术研究立项进行二维码 研究工作。在二维码制设计、编码原理等方面进行了探索，提出了一种自动识别方 位进行校正的结构方案与中心符相结合的二维码制初步编码方案。对二维码图像处 理译码解码算法以及隐形码等关键技术进行了研究，并取得一些初步成果。2 0 0 3 年， 上海龙贝信息科技有限公司研发了龙贝二维条码，它的多项技术指标超过国际上现 有的同类码制，整体技术达到国际先进水平，实用性强，专家一致同意通过鉴定。 龙贝码是具有我国自主知识产权、完整技术体系的二维条码系统，并且已经在民航 等领域得到了实际的应用。 1 3 二维条码应用前景 二维条码的应用前景很广阔，在多个领域都可以使用并能够极大的提高工作效 率，提高信息化的建设水平。 1 、二维条码用于i d 卡( 也称鉴别卡) 由于二维条码所具有的特点，可以把管理与防伪有机地结合在一起。可将证件 正面的照片及相关文字编译成二维条码附在背面，将原始数据加密处理，只有当指 定的识读器阅读此码后，照片与文字才可出现在屏幕上，与正面的照片和文字进行 比较可知其真伪，而非指定的识读器，阅读不出此码。因此i d 卡可广泛应用于居民 身份证、暂住证、军人及重要场所的人员出入证等各种现有证件存在的领域。 2 、二维条码用于生产过程管理 一 二维条码可作为产品的维修卡和信誉卡等，为企业树立良好的形象。利用二维 条码数据容量大，能对表格进行编码的特点，可将其用于汽车生产线管理、药品生 成线管理等。在此之前国外都用一维条形码管理，某些部件的包装箱上贴有一维条 形码单七八张之多。而一些重要部件均需文字说明，用二维条码最为理想，同时也 对今后产品的修理服务大有好处，可防止假冒伪劣产品，保护厂家和消费者的利益。 3 、 二维条码在运输、邮政领域上的应用 无论是路运、水运还是空运，采用二维条码装箱单，都会给运输带来方便和快 捷。特别是当货物进出海关时，报关单被二维条码化后，识读器能快速识别，可大 大提高检查效率及可靠性。将二维条码用于邮政，可极大地提高分捡效率和邮件的 登记管理水平。 4 、 二维条码在车辆年审、驾驶证、车辆违章登记罚款上的应用 将二维条码印在这些证件或单据上，可减轻工作人员的重复劳动强度，增加管 理部门的透明度。 在二维条码标准化研究方面，国际自动识别制造商协会( h i m i ) 、美国标准化协 4 第一章绪论 会( a n s i ) 已完成了p d f4 1 7 ，q rc o d e ，c o d eo n e ，c o d e1 6 k ，c o d e4 9 等码制的符 号标准。新成立的国际标准化组织国际电工委员会第一联合委员会的第三十一分委 员会即条码自动识别技术委员会( i s o i e c j t c l s c 3 1 ) ，己制定了q r c 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术条码符号技术规范q r 码) ，起草了p d f4 1 7 ，c o d e1 6 k ，d a t am a t r i x 、m a x i c o d e 等二维码的i s o i e c 标准草案。在二维条码设备开发研制、生产方面，美国、日本等国的设备制造商生 产的识读设备、符号生成设备，已经广泛应用于各种二维条码应用系统，处于领先 的优势。 二维条码作为一种全新的信息存储、传递和识别技术自诞生之日起就得到了世 界上许多国家的关注。美国、德国、日本、墨西哥、埃及、哥伦比亚、巴林、菲律 宾、南非、加拿大等国，不仅已将二维条码技术应用于公安、外交、军事等部门对 各类证件的管理，而且将二维条码应用于海关、税务等部门，对各类报表和票据的 管理，商业、交通运输等部门对商品及货物运输的管理，邮政部门对邮政包裹的管 理，工业生产领域对工业生产线的自动化管理等。 我国对二维条码技术的研究开始于1 9 9 3 年，中国物物品编码中心对几种常用的 二维条码p d f4 1 7 ，q rc o d e ，d a t am a t r i x ，c o d eo n e ，c o d e1 6 k ，c o d e4 9 的技术 规范进行了翻译和跟踪研究。随着我国市场经济的不断完善和信息技术的迅速发展， 国内对二维条码这一新技术的需求与日俱增，中国物品编码中心在原国家质量技术 监督局和国家有关部门的大力支持下，对二维条码技术的研究不断深入，在消化国 外相关技术资料的基础上，结合我国宣传推广二维条码技术的实际需要，编著出版 了我国两部关于二维条码的专著二维条码技术和q rc o d e 二维码一种新 型的矩阵符号，在二维条码的标准化研究方面，制定了两个二维条码国家标准：g b t1 7 1 7 2 1 9 9 7 四一七条码，g b t1 8 2 8 4 2 0 0 0 快速响应矩阵码。为使二维条码 技术能够在我国的证照管理等领域得到应用，在国外应用软件平台的基础上，中心 开发了人像照片和指纹数据压缩软件。 二维条码技术己在我国的汽车行业自动化生产线、医疗急救服务卡、涉外专利 案件收费、珠宝玉石饰品管理及银行汇票上得到了应用。1 9 9 9 年3 月在北京举行的 全国人大第九届三次全体会议和全国政协第九届三次全体会议期间，在随行人员证 件记者证、旁听证上成功地应用了二维条码技术，引起了与会代表和新闻界的极大 关注；我国香港特别行政区已将二维条码应用在特别行政区的护照上，我国现己着 手开始二维条码在工商证照管理的应用试点工作。目前我国的部分大专院校、科研 院所、设备制造商己开始对二维条码技术表示关注，二维条码技术在我国的推广应 用己展露出诱人的前景m ，。 青岛大学硕士学位论文 1 4 二维条码基本知识 设计二维条码的目的是提高信息密度，在相同的面积上印刷更多的信息。这一 问题的解决可用两种方法：一是在一维条码的基础上向二维条码的方向扩展，二是 利用图像识别原理，采用新的几何图形和结构设计出二维条码码制。目前，根据二 维条码的编码原理，结构形状差异，可分为堆叠式和矩阵式二维条码两大类型。 堆叠式二维条码的编码原理建立在一维条码基础上，按需要堆积成多行。它 在编码设计、检验原理、识读方式等方面继承了一维条码的特点。识读设备、条码 印刷与一维条码兼容。但由于行数的增加，行的鉴别，译码算法和软件与一维条码 不完全相同。典型的二维条码有c o d e4 9 ，c o d e1 6 k ，p d f 4 1 7 等。 矩阵式二维条码以矩阵的形式组成。在矩阵相应元素位置上，用点的出现表 示二进制“1 ”，点的不出现表示二进制的“0 ”，点的排列组合确定了矩阵码所代表 的意义。矩阵码是建立在计算机图像处理技术、组合编码原理等基础上的一种新型 图形符号自动识读处理码制。具有代表性的矩阵码有c o d eo n e ，d a t em a t r i x ， m a x i c o d e 等。 1 、堆叠式二维条码 ( 1 ) p d f 4 1 7 条码1 1 8 】【1 9 】 p d f 取自英文p o r t a b l ed a t af i l e 的首字母，意为“便携数据文件”。因为组成条 码的每一个字符符号都是由4 个条和4 个空，共1 7 模块组成，所以称为p d f4 1 7 条 码。 图1 2p d f 4 1 7 条码 p d f4 1 7 条码是一种多层、可变长度、具有高容量和纠错能力的二维条码。每 一个可以表示1 1 0 0 个字节，或1 8 0 0 个a s c i i 字符或2 7 0 0 个数字信息。其特点是： 每一个条码符号均由多层堆积而成，其层数为3 9 0 。每一层条码符号由起 始终止符、左右指示符，及1 到3 0 个符号字符组成。由于层数及每一层的符号字 符数是可变的，故p d f4 1 7 条码符号的高宽比，即纵横比可以变化，以满足不同可 印刷空间的要求。 通过错误纠正码词，p d f 4 1 7 条码拥有纠错功能。每个p d f 4 1 7 符号需要 两个错误纠正码词进行错误检测，并可通过用户定义纠错等级纠正多达5 1 0 个错误 6 第一章绪论 码词。由于这种纠错功能，使得污损情况不是特别严重的p d f4 1 7 条码仍然可以正 确地识读。 p d f4 1 7 条码的变体。在相对理想的环境中，不可能损坏条码标签，故可 利用截短p d f 4 1 7 符号。这种版本省略了右侧标识符并将终止符缩减到一个模块宽 的条。这种压缩版本减少了非数据符号的数量，但却以降低其坚固性及抗噪音、损 坏、污染等能力为代价。截短p d f4 1 7 条码与普通p d f4 1 7 完全兼容。 ( 2 ) c o d e4 9 条码 c o d e 4 9 是一种多层、连续性、可变长度的条码符号， 它完全可以表示全部的 a s c i i 字符。每个c o d e 4 9 条码符号由2 到8 层组成，每层有1 8 个条和1 7 个空。 层与层之间由一个层分割条分开。每层包含一个标识符，最后一层包含表示符号层 数的信息。 图1 3 c o d e 4 9 条码 ( 3 ) c o d e1 6 k 条码 c o d e1 6 k 条码是一种多层连续性可变长度的条码符号，可以表示全字符集的 1 2 8 个字符及扩展a s c i i 字符。它采用u p c 和c o d e1 2 8 字符。c o d e1 6 k 通过唯 一的起始符终止符标识层号，通过字符自校验及两个模块1 0 7 的校验字符进行错误 校验。 图1 4 c o d e l 6 k 条码 2 、矩阵式二维条码 ( 1 ) o r c o d e o r c o d e 是日本d e n s o 公司于1 9 9 4 年9 月研制的一种矩阵式二维条码，它除 了具有二维条码所具有的信息容量大，可靠性高、可表示汉字及图像多种信息、保 密性强等优点外，还具有以下特点： 青岛大学硕士学位论文 图1 5 q r c o d e 超高速识读 q r c o d e 是英文q u i c kr e s p o n s ec o d e 的缩写。超高速识读是q r c o d e 区别于p d f 4 1 7 条码、d a t am a t r i x 等二维条码的主要特征。用c c d 二维条码识读设备，每秒可 识读3 0 个q r 条码字符；对于含有相同数据信息的p d f4 1 7 条码字符，每秒只能识 读2 3 个条码字符。q r 条码的超高速识读特性，使得它适用于工业自动化生产线管 理等领域。 全方位识读 具有全方位识读特点，这是o rc o d e 优于堆叠式二维条码的另一主要特点。 能够有效地表示中国汉字、日本汉字 q rc o d e 特定的数据压缩模式表示汉字，仅用1 3 b i t 就可以表示一个汉字，而 p d f4 1 7 条码、d a t am a t r i x 等二维条码没有特定的汉字表示模式，需用1 6 b i t 表示一 个汉字。因此，q rc o d e 比其他二维条码表示汉字的效率提高了2 0 。 ( 2 ) d a t am a t r i x 条码【1 l 】 d a t am a t r i x 是一种矩阵式二维条码。有两种类型，即e c c 0 0 0 1 4 0 和e c c 2 0 0 。 d a t am a t r i x 能表示1 2 8 个字符及扩展a s c i i 字符。 图1 6 d a t a m a t r i x 条码 每个d a t am a t r i x 符号由规则排列的方形模块构成的数据区组成。数据区四周由 寻像图形包围，寻像图形的四周则由空白区包围。寻像图形是数据区域的一个周界， 为一个模块宽度。两边邻边为实线，形成了一个l 型边界，主要用于限定物理尺寸、 定位和符号失真。另外两边由交替的深色和浅色模块组成，主要用于限定符号的单 元结构，也能帮助确定物理尺寸以及失真。 d a t am a t r i x 主要用于电子行业小零件的标识，如i n t e l 的奔腾处理器的背面就印 刷了这种条码。 ( 3 ) m a x i c o d e 条码【5 ”】 第一章绪论 m a x i c o d e 条码是一种固定长度的矩阵式二维条码，它由紧密相连的平行六边形 模块和位于符号中央位置的定位图形组成。m a x i c o d e 符号共有7 种模式。可以表 示1 2 8 个a s c i i 字符及扩展a s c i i 字符。 图1 7m a x i c o d e 条码 每个m a x i c o d e 符号有一个中央寻像图形，四周是成正方形排列着由六边形模块 组成的层，符号共3 3 层，每层由3 0 个或2 9 个模块组成，符号四周有空白区。寻像 图形由3 个同心圆构成的暗带及其相间的明带组成。寻像图形的中央为一个虚拟模 块，定位的信息由6 组以3 个模块组成的图形给出。 ( 4 ) c o d e o n e 条码 c o d eo n e 条码是一种用成像设备识别的矩阵式二维条码。c o d eo n e 条码符号中 包括可由快速线形探测器识别的识别图案。c o d eo n e 符号共有1 0 个版本及1 4 种尺 寸。最大的符号，即版本b ，可以表示2 2 1 8 个数字字母型字符或3 5 5 0 个数字，以 及5 6 0 个纠错字符。c o d eo n e 可以表示2 5 6 个a s c i i 字符，另加4 个功能字符以及 一个填充字符。 图1 8 c o d e o i l e 条码 1 50 rc o d e 符号简介 q rc o d e 是由日本d e n s o 公司于1 9 9 4 年9 月研制的一种矩阵式二维条码符号， 具有识读速度快，全方位识读，可表示汉字等优点。我国已经制定了快速相应码的 国家标准( g b t1 8 2 8 4 2 0 0 0 ) ，并在诸多行业中得到了广泛地应用“1 。 q r 码符号具有正方形模块组成的一个正方形阵列构成，由编码区和包括寻像图 像、分割符、定位图像和校正图形在内的功能图像组成，功能图像不用于数据编码， 符号的周围为空白区，其结构如图所示： 9 青岛大学硕士学位论文 图1 9q rc o d e 符号 1 5 1 符号版本和规格 q r 码符号共有4 0 种规格，分别为版本1 、版本2 、版本4 0 。版本1 的规格 为2 1 模块x 2 1 模块，版本2 的规格为2 5 模块x 2 5 模块，依此类推，每一版本比前 一版本每一边增加4 个模块，直到版本4 0 ，其规格为1 7 7 模块1 7 7 模块。不同的 版本可以包含不同的信息量。 1 5 2 寻像图形 寻像图形包括三个相同的位置探测图形，分别位于符号的左上角、右上角、左 下角，如图1 6 所示。每个位置探测图形可以看作是由3 个重叠的同心正方形组成， 它们分别为7 7 个深色模块、5 x5 个浅色模块、3 3 个浅色模块。如图1 1 0 所示， 位置探测图形的模块宽度比为1 ：1 ：3 ：1 ：l 。符号中其他地方遇到类似图形的可 能性很小，因此可以在视场中迅速地识别可能的q r 码符号。识别组成寻像图形的3 个位置探测图形。从而明确地确定视场中条码符号的位置和旋转角度。 图1 1 0 位置探测图形的结构 1 5 3 分割符 在每个位置探测图形和编码区域之间有一个宽度为1 个模块的分割符。这样也 便于从整个图像中找到位置探测图形，进而确定q r 图像的具体位置。 1 0 第一章绪论 1 5 4 定位图形 水平和垂直定位图形分别为一个模块宽的一行和一列，由深色和浅色模块交替 组成，开始和结尾都是深色模块。水平定位图形位于符号上部的两个位置探测图形 之间，在第6 行。垂直定位图形位于符号左侧的两个位置探测图形之间，在第6 列。 它们的作用是确定符号的密度和版本，提供决定模块坐标的基准位置。 1 5 5 校正图形 每个校正图形可以看作是3 个重叠的同心正方形，由5 x 5 个的深色模块，3 3 个 的浅色模块以及位于中心的一个深色模块组成。校正图形的位置数量视符号的版本 号而定，版本2 以上( 含版本2 ) 的符号均有校正图形。对于摄像头拍摄的图像大多都 有不同程度的失真，通过校正图形便于确定图像的失真程度，对分割单行条码具有 很好的辅助功能。 1 5 6 编码区域 编码区域包括表示数据码字、纠错码字、版本信息和格式信息的符号字符。不 同的版本符号根据规范，其中包含的信息量是不同的。编码时，如果没有明确的版， 本规定，则自动使用满足信息量的最小版本。 1 5 7 空白区 空白区为环绕在符号周围的4 个模块宽的区域，其反色率应与浅色模块相同。但 是在实际情况中，条码的周围往往不是标准的空白区域，而会出现一些杂质背景或 者条码破损。 1 5 8 版本信息 如图1 9 所示的位置，在条码的两个特定的区域有版本信息，因为版本信息在译 码时相当重要，所以图形中出现两次，提供信息冗余。版本信息为1 8 位，其中6 位数 据位，1 2 位通过b c h ( 1 8 ，6 ) 编码计算出来的纠错位。 1 5 9 格式信息 格式信息如图1 9 所示，也是出现两次，提供信息冗余，包含了条码的纠错等级 和掩码图形参考等信息。格式信息为1 5 位，其中有5 位数据位，1 0 位用b c h ( 1 5 ，5 ) 编码计算得到的纠错位。第l 、2 数据位是符号的纠错等级，第3 、4 、5 位是掩模图形 参考。 1 5 1 0q rc o d e 条码图像的特性分析 q rc o d e 矩阵式的二维条码是由深色模块和浅色模块组成的，深色模块代表二进 制中的“l ”，浅色模块代表二进制中的“0 ”。条码的识别实质上就是识别条码基本 模块代表的是“0 ”还是“1 ”，识别的错误率越低，图像处理算法的性能就越好。 在实际的应用中，条码周围的空白区域可能会有其它的背景图像存在，例如商 品的名称编号以及各种原因造成的污损等，这些对于条码的定位会带来一定的困难， 青岛大学硕士学位论文 但是可以通过一些技术方法减少或者消除这方面对识别条码的影响，因此，需要根 据条码的特征对图像进行智能分析，在快速识别出条码图形区域的同时有效地去掉 各种背景和噪声，并且结合二维条码中的纠错功能，可以有效的保证在各种污损情 况下的识别准确率。 1 2 第二章二维条码图像的预处理 第二章二维条码图像的预处理 2 1 图像处理简介 自动识别技术是2 0 世纪7 0 年代发展起来的集光、机、电、计算机等技术为一 体的高新技术，是数据自动采集、自动输入的基础，是计算机“实时”处理的重要技 术保障。自动识别技术包括：条码识别技术、射频识别技术、生物识别技术、智能 卡识别技术、光字符识别技术、视觉识别技术、语音识别技术、图像识别技术等。 图像识别1 2 6 】是人工智能的一个重要领域。为了编制模拟人类图像识别活动的计 算机程序，人们提出了不同的图像识别模型。模板匹配模型认为，识别某个图像， 必须在过去的经验中有这个图像的记忆模式，又叫模板。当前的刺激如果能与大脑 中的模板相匹配，这个图像也就被识别了。原型匹配模型则认为，在长时汜忆中存 储的并不是所要识别的无数个模板，而是图像的某些“相似性”。从图像中抽象出来 的“相似性”就可作为原型，拿它来检验所要识别的图像。如果能找到一个相似的原 型，这个图像也就被识别了。 条码技术是集编码、符号表示、印刷、识别、数据采集和处理于一身的新兴技 术。其核心内容是利用光电扫描设备识读条码符号，从而实现机器的自动识别，并 快速准确地将信息录入到计算机进行数据处理，以达到自动化管理之目的。 条码图像的预处理在整个条码识别系统中起着至关重要的作用，直接影响着系 统的性能指标，是整个系统的核心。条码图像的预处理首先要充分考虑到要识别的 条码图像的特点，做出相应的图像处理方案，并通过大量的实验去调整和优化。对 于应用于嵌入式方向的设备，还应该考虑到图像处理的速度是否满足实际的要求， 识读速度的快慢将极大地限制算法的实用性。 条码图像预处理的基本思路是首先要对采集的彩色图像，o ，y ) ，使用标准的灰度 化公式进行灰度化，然后对灰度图像进行滤波得到，协，y ) ，之后用适当的阈值t 对灰 度图像进行二值化，得到二值图像口“，y ) ，接着在二值图像中扫描位置探测图形， 通过三个位置探测图形，求出条码的旋转角度和条码的四个顶点坐标( x l ，y i ) ， ( x l ，y 2 ) ，( x 2 ，y 1 ) ，( x 2 ，y 2 ) ，然后把条码图像，t 0 ，y ) 旋转到水平位置，并且把条码从图 像，仁，y ) 分割出来得到g o ，y ) 。条码图像预处理算法的基本流程如图2 1 所示。 青岛大学硕士学位论文 图像荻度化 工 中值滤波 工 图像- - i l l 化 工 匪像定位 图像分割 0 图像旋转 工 分割单行条码 图2 1 图像处理的基本流程 2 2 图像的灰度化 在实际的摄像设备中，大多的设备采集到的是彩色图像，彩色图像存储占用大 量的空间，处理起来时间相对灰度图像也要长很多。灰度图像的信息量比r g b 彩色图 像小得多，条码打印又是按照黑白方式打印的，所以在识读条码的过程中，实际拍 摄的条码图像的彩色信息分量对于条码的识别没有多大作用，因此把彩色图像转化 为灰度图像，将会大大地减少后续操作的运算时间，在实际识读设备研发的过程可 以节省内存的开支。在t c 环境下，常规内存的申请一次不能超过3 0 0 k ，因此有效的 减少内存开销对于软件的整体性能是至关重要的。 设象素彩色各分量值为( r ，g ，聊，其中0 s rs 2 5 5 ，0 s g e 2 5 5 ，0 e b s2 5 5 ； 那么标准的灰度值矽的计算公式为： 一0 3 0 r + 0 5 9 g + 0 1 l b2 一( 1 ) 当然，一些摄像设备可以进行设置，在拍摄其它图像的时候采用彩色的方式， 而在采集条码图像的时候采用灰度模式，直接得到的就是灰度的条码图像，这样图 像的灰度化环节由设备硬件来完成，减少了软件处理图像的环节。 软件读取图像时要先判断图像的文件格式信息，图像文件大多是j p e g 或者b b i p 格 式，了解他们的文件结构后，就可以直接得到图像的存储格式、黑自或者彩色图像 格式并读取图像的信息数据。 对于条码图像拍摄的图像虽然是彩色的，但是拍摄的对象往往已经呈现出黑白 的特征，出现的彩色图案往往是条码周围的无效图像，而条码本身已经较好的呈现 灰度图像特征。 1 4 第二章二维条码图像的预处理 2 3 图像的中值滤波 设备采集到的图像一般都因受到干扰而含有噪声。噪声产生的原因决定了噪声 的分布特性及它和图像信号的关系。根据噪声和信号的关系可以将其分为两种形式： ( 1 ) 加性噪声：有的噪声与图像信号g ( x ，y ) 无关，在这种情况下，含噪声图像，o ，_ ) ) 可表示为： ，o ，y ) ；g ( x ，) ，) + n ( x ，y ) 2 一( 2 ) 信道噪声及扫描图像时产生的噪声，都属于加性噪声。 ( 2 ) 乘性噪声：有的噪声与图像信号g o ，y ) 有关。这可以分为两种情况：一种是某 象素处的噪声只与该象素的图像信号有关；另一种是某象素处的噪声与该象素 及其邻域内的图像信号有关。如果噪声和信号成正比，则含噪声图像， ，y ) 可 以表示为： ，0 ，_ ) ，) = g ( x ，y ) + n ( x ，y ) 9 0 ，y ) = ( 1 + n ( x ，y ) ) 9 0 ，y ) = n 0 ，y ) g ( x ，) ，) 2 一f 3 ) 另外，还可以根据噪声服从的分布对其进行分类，可以分为高斯噪声、泊松噪 声和盐粒噪声。 条码图像的噪声主要来自两个方面。首先是条码表面的各种形式的污损，这方 面噪声只能凭借条码本身的纠错算法进行纠错。噪声的另外一个来源是来自光学采 集系统，这部分的噪声是满足泊松分布的盐粒噪声，用适当大小的矩形窗口的中值 滤波非常适于条码图像，特别适合q rc o d e 。当然，由于当前各种设备的硬件性能比 较好，这方面的噪声还不是很严重，对于q r 这样的块状的条码，可以对每一块区域 统计黑白点数，确定是黑、白块的时候直接就会去掉了盐粒噪声的影响，但是对于 成像质量不是很高，而条码图像本身比较小的情况下( 即最小模宽没有超过3 个象素 点) ，对图像的进行滤波去掉噪声就显得比较重要了。 中值滤波是抑制噪声的非线性处理方法。对于给定的n 个数，将它们按大小有序 排列。当n 为奇数时，处于中间位置的那个数值称为这n 个数的中值。当r l 为偶数时， 位于中问位置的两个数值的平均值称为这n 个数的中值。中值滤波的方法运算简单， 易于实现，而且能较好地保护边界；但有时会失掉图像中的细线和小块的目标区域。 邻域的大小决定在多少个数值中求中值，窗口的形状决定在什么样的几何空间中取 元素计算中值。对二维图像，窗口的形状可以是矩形、十字形等，它的中心一般位 于被处理点上。窗口的大小及形状对滤波效果影响很大。一般是5 5 窗口，过大和 过小都会对条码图像产生较大的副作用。 考虑到该软件最终要在手机等嵌入式设备上使用，因此采用了十字形窗口，对 于每一个点，处理的点数由2 5 个减少到1 1 个，运行效率提高了一倍多。 青岛大学硕士学位论文 2 4 图像的二值化 1 ) 图像的直方图 灰度直方图是数字图像处理中的最简单且最有用的工具，它直观地描述了一幅 图像的灰度级内容。灰度直方图是灰度级的函数，描述的是图像中具有该灰度级的 象素个数：其横坐标是灰度级，纵坐标是该灰度出现的频率。假设连续图像d 阮y ) ， 它平滑地从中心的高灰度级变化到边沿的低灰度级。可以选定某一灰度级d 1 ，然后 定义一条轮廓线。 图2 2 原始灰度图像 该轮廓线连接了图像上所有的具有灰度级d l 的点，所得到的轮廓线形成了包围灰 度级大于等于d l 的区域的封闭曲线。同样定义第二条轮廓线d 2 ，并且o l d z ，定义a l 和a 2 分别为第一条轮廓线和第二条轮廓线所包围的面积。将一幅连续图像具有灰度 级d 的所有轮廓线所包围的面积，成为它的面积函数a ( d ) ，则直方图可定义为： 日( d ) = 烘型掣一去邶) 2 羽) 因此一幅连续图像的直方图是其面积函数的导数的负值。 2 ) 图像的二值化技术 二值图像是指整幅画面内仅黑( 灰度值为o ) 白( 灰度值为1 ) 二值的图像。不呈现 出灰度的变化，如文字图像、进行指纹识别的指纹图像，都属于二值图像。在数字 图像处理中，二值图像占有非常重要的地位，一方面，有些要处理的图像本身就是 二值的；另一方面，在某些情况下即使图像本身是有灰度的，也应该设法使它变成 二值图像再进行处理。二值图像具有存储空间小、处理