（计算机软件与理论专业论文）基于图像处理的嵌入式qr码识别系统的研究与实现.pdf

摘要 随着信息技术的发展，二维条码应运而生，并且具有很好的应用前景。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 基础上的一种特殊码制。由于二维条码的信息密度比较高，尤其对于矩阵式二维条 码，其识别技术比一维条码的识别更为复杂，因此二维条码有效快速的识别成为当 前重要的研究领域。因此，基于图像处理的嵌入式条码识别系统及应用的研究无论 是在理论上还是在实践中都具有十分重要的意义。 本文的主要任务是研究q r 码识别中的图像处理方法，实现q r 码的高速识别， 并且使用嵌入式技术来实现对二维条码q r 码的高速采集与识别。 本文利用多种技术和方法，解决了q r 码识别中的多种核心问题，内容如下： 1 由于光线条件的不确定性，摄像头拍摄的q r 码图像光线背景将变得复杂。 本文以全局阈值二值化方法为基础，针对q r 码符号特性，提出了基于结果的二值 化方法，较好地解决了不同光线条件下的q r 码图像识别问题。 2 充分利用q r 码的功能图形，实现了q r 码的全方位识别特性，提高了识别 的速度和识别方法的通用性，同时提高了识别的准确性。 3 构建了q r 码识别的嵌入式平台，给出了嵌入式q r 码识别系统的硬件结构 和软件组成。 最后，根据现有的工作，对进一步开发出完整的、具有市场竞争力的产品提出 了展望。 硕士研究生胡孝鹏( 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 ；图像处理；嵌入式系统 r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fe 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 m b a s e do ni m a g ep r o c e s s i n g a b s t r a c t t h e2 db a r c o d ew h i c he m e r g e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yh a s ap r o m i s i n gf u t u r e a sak i n do f2 db a r c o d e ，m a t r i x l i k e2 1 9b a r c o d ei sas p e c i a l s y m b o l o g yb 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 b e c a u 2 1 ) b a r c o d eh a 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 sr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yi sm o r e c o m p l e xt h a nt h a to fi db a r c o d e t h e r e f o r e ，i t so fi m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l m e a n i n gt os t u d yt h ep r o b l e m so fe m b e d d e db a r c o d er e c o g n i t i o ns y s t e mb a s e do ni m a g e p r o c e s s i n g t h i sp a p e rm a k e su s eo fm u l t i p l et e c h n i c sa n dm e t h o d s ，a n dh a sr e s o l v e dm a n yc o r e p r o b l e m sw h i c h a r ee n c o u n t e r e di nq rc o d er e c o g n i t i o n t h em a i na r e a sa r ea sf o l l o w s ： 1 b e c a u s eo ft h eu n c e r t a i nl i g h tc o n d i t i o n ，t h el i g h tb a c k g r o u n do fq rc o d ei m a g e c a p t u r e db yc a m e r aw i l lb e c o m ec o m p l i c a t e d b a s e do ng l o b a lt h r e s h o l dm e t h o r da n d a c c o r d i n gi oq rc o d ef e a t u r e s t h em e t h o r do f “b i n a r i z a t i o nb a s eo nr e s u l t i s p r o p o s e d i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rr e s o l v e st h ep r o b l e m o fq rc o d ei m a g er e c o g n i t i o n u n d e rd i f f e r e n tl i g h tc o n d i t i o n 2 t h i sp a p e rf u l l yu t i l i z e sq rc o d e sf u n c t i o ni m a g e ，t h eo m n i b e r a i n gr e c o g n i t i o n f e a t u r eo fq rc o d ei sr e a l i z e d i th a si m p r o v e dt h es p e e da n du n i v e r s a l i t yo ft h e r e , c o g n i t i o nm e t h o d , a n dh a si m p r o v e dt h ea c c u r a c ya tt h es a m et i m e 3 t h i sp a p e rb u i l d sa ne m b e d d e dp l a t f o r mo fq rc o d er e c o g n i t i o na n dr e s e a r c h e st h e h a r d w a r ea r c h i t e c t u r ea n ds o f t w a r em o d u l e s g r a d u a t es t u d e n t ：x i a o p e n gh u ( c o m p u t e rs o r w a r ea n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f z h o n g q i n gy u 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 ；i m a g e p r o c e s s i n g ； e m b e d d e ds y s t e m 学位独创性说明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名：节凌菇感易 日期：九曰年r 月，幺日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密哦 ( 请在以上方框内打“4 ”) 论文作者签 导师签名： ( 本声明的 日期：弘勺年r 月，弘日 日期：弘叮年r 月膨日 未经许可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 前言 前言 自动识别技术是信息数据自动识读、自动输入计算机的重要方法和手段，它是 以计算机技术、光电技术和通信技术的发展为基础的综合性科学技术。自动识别技 术近几十年在全球范围内得到了迅猛发展，初步形成了一个包括条码技术、磁条( 卡) 技术、光学字符识别、射频识别、声音识别及视觉识别等集计算机、光、机电、通 信技术为一体的高新技术学科。 条码技术是目前在全球应用最广泛的一种自动识别技术，现在应用在计算机管 理的各个领域，渗透到商业、工业、交通运输业，邮电通讯业、物资管理、仓储、 医疗卫生、安全检查、餐饮旅游、票证管理以及军事装备、工程项目等国民经济各 行各业和人民日常生活中。条码是由一组规则排列的条和空、相应的数字组成，可 以供机器识读。条码有各种不同的组合方法，构成不同的图形符号，即各种符号体 系，也称码制，适用于不同的应用场合。常用的几种码制是e a n 、u p c 、3 9 码、交插 2 5 码、1 2 8 码等一维条码和p d f 4 1 7 、q rc o d e 、d a t aw a t r i x 等二维条码。 随着应用领域的不断扩展，传统的一维条码渐渐表现出了它的局限：首先，使 用维条码，必须通过连接数据库的方式提取信息才能明确条码所表达的信息含意， 因此在没有数据库或者不便联网的地方，一维条码的使用就受到了限制；其次，一 维条码表达的只能为字母和数字，而不能表达汉字和图像，在一些需要应用汉字的 场合，一维条码便不能很好的满足要求。 二维条码正是为了解决一维条码无法解决的问题而产生的。e 具有高密度、高 可靠性等特点，全部信息都存储在一个二维条码中，不需要事先建立数据库。而且 多数二维条码都具有字节表示模式，即提供了一种表示字节流的机制，从而使对照 片、指纹、掌纹、签字、声音，文字等凡可数字化的信息进行编码成为可能。二维 条码是大容量、高可靠性信息实现存储、携带并自动识读的最理想的方法。由于条 码技术具有输入速度快、准确度高、成本低、可靠性强等优点，因此在各行业得到 了广泛应用。 国外对二维条码的研究始于2 0 世纪8 0 年代末。在二维条码符号表示技术方面， 已研制出多种码制，常见的有p d f 4 1 7 、q rc o d e 、c o d e4 9 ，c o d e1 6 k 、c o d eo n e 等。 这些二维条码的密度都比传统的一维条码有了较大的提高，如p d f 4 1 7 的信息密度是 维条码c o d e3 9 的2 0 多倍。在二维条码标准化研究方面，国际自动识别制造商协 会( a i w ) 、美国标准化协会( a n s i ) 己完成了p d f 4 1 7 、q rc o d e 、c o d e4 9 、c o d e1 6 k 、 c o d eo n e 等码制的符号标准。新成立的国际标准化组织一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( i s o i e c 7 j t c 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术一条码 青岛大学硕士学位论文 符号技术规范- q g 码) ，起草了p d f 4 1 7 、c o d e1 6 k 、d a t am a t r i x 、m a x ic o d e 等 二维条码的i s 0 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，已广泛应用于各类二维条码应 用系统。 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，而且也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成线的自动化管理。 我国对二维条码技术的研究开始于1 9 9 3 年。中国物品编码中心对几种常用的二 维条码p d f 4 1 7 、q rc o d e 、d a t am a t r i x 、m a x ic o d e 、c o d e4 9 、c o d e1 6 k 、c o d eo n e 的技术规范迸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，制定了两个二维条码的国家标准：g b t 1 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。 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会议和全国政协第九届三次会议期间，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。在北京市地铁内， 我们已经看到了用二维条码作为信息载体的宣传海报。随着中国移动对手机二维条 码业务地大力推广，我国二维条码的研究与应用将越来越广泛。 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是继i t 网络技术之后，又一个新的技术发展 方向。由于嵌入式系统具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高以及面向行业应用 的突出特征，目前已广泛地应用于军事国防、消费电子、网络通信、工业控制等各 个领域。它几乎包括了生活中的所有电器设备，如机顶盒、手机、数字电视、汽车、 微波炉、数字相机、电梯、空调、工业自动化仪表与医疗仪器等。 本文中的二维条码识剐系统采用现在流行的嵌入式技术，可以脱离p c 独立工 作，符合条码识别设备微型化、智能化和网络化的发展趋势。它采用o m n i v i s i o n 的 3 0 万像素c m o s 图像传感器o v 7 6 4 0 或者中星微的z c 3 0 1 p 3 0 万像素u s b 摄像头， 以及a r m 的高性能的3 2 位微处理器a r m 9 2 叮来实现二维条码q r 码的采集与识 别，包括二维条码图像的获取、图像的处理、条码的译码，以及最终识别结果的显 示、保存和传输等。 2 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景 第一章绪论 条码技术是在计算机技术与信息技术基础上发展起来的一门容编码、印刷、识 别、数据采集和处理于一体的新兴技术 3 1 ，起源于零售业的自动结算，它为物品管 理、各国间的贸易往来，提供了简便的共同语言和独特的交往方式。2 0 世纪3 0 年 代人们就开始探索零售自动结算的方法和手段，直到1 9 4 9 年美国的w o o d l a n d 提出 “牛眼式条码”，并申请了美国专利。由于受到印刷技术和识别技术及设备方面的局 限，直到1 9 7 2 年美国辛辛那堤的k r o g e r 商店开始使用牛眼式条码进行自动结算， 标志着条码技术由理论探索阶段进入实际应用阶段。1 9 7 3 年l b m 公司设计的u p c 条码成为北美食品杂货业的行业标准。1 9 7 7 年欧洲1 2 国成立了欧洲物品编码协会 ( e a 哪，开始在欧洲大力推广e a n 条码。随着欧洲以外的国家加入，e a n 更名为国 际物品编码协会( e a ni n t e r n a t i o n a l ) 。中国物品编码中心于1 9 9 1 年4 月代表我国正式 加入这一组织，在我国大力推广条码技术，对我国商品的顺利出口和商业自动化的 发展起到了极大的推动作用嗍。 由于条码符号制作容易，扫描操作简单易行，信息采集速度快、可靠性高，设 备结构简单，成本低等特点，很快得到了广泛的应用。目前条码技术的应用已经从 零售业扩展到仓储、工业生产线、军事、医疗卫生、图书情报以及金融保险，甚至 名片、食品、广告宣传、电子门票等行业，对社会经济的发展起到了巨大的推动作 用。 1 9 8 8 年1 2 月，我国成立了中国物品编码中心，并于1 9 9 1 年4 月1 9 日正式申 请加入了国际编码组织e a n 协会【引。近年来，我国的条码事业发展迅速，各种条形 码系统在物流、超市、商品、邮政等领域得到了广泛的应用，一维条码系统日益成 熟，二维条形码的应用也已崭露头脚。二维条码具有储存量大、保密性高，追踪性 高、抗损性强、备援性大、成本便宜等特性，这些特性特别适用于表单、安全保密、 追踪、证照、存货盘点、资料备援等方面。随着信息技术的发展，我国二维条码的 应用范围越来越广，物流、邮政、证件、商品等领域已出现二维条码的影子二维 条码的电子票业务也已兴起。 q rc o d e 码是由日本d e n s o 公司于1 9 9 4 年9 月研制的一种矩阵二维码符号，它 除具有一维条码及其它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外，还具有超高速、全方位识别等特点，并 且q r 码具有对汉字信息进行独特优化处理的功能，非常适合汉字国家的市场应用， 因此在我国有巨大的市场潜力i l l 【2 l 。 3 青岛大学硕士学位论文 二维条码的使用，将对我国经济发展起到巨大的促进作用。但是由于我国二维 条形码的研究工作起步较晚，一些核心技术都由国外条码公司所掌控，阻碍了我国 二维条码技术的推广和应用，因此研究二维条形码的识别，显得尤为必要。 手机二维条码是二维条码与移动通讯终端( 手机) 结合运用的产物。近年来， 随着拍照、彩信手机的扩大推广及移动通信增值业务的快速增长，可应用在手机上 的二维条码技术应运而生。手机二维条码是指将相关信息用二维条码进行编码，使 二维条码信息以彩信的形式在手机里存储、阅读、传播。手机既可作为二维条码信 息的载体结合二维条码识读设备加以应用，也可在手机中内置或下载二维条码识读 引擎来识读商品、杂志上的二维条码标识，从而获取二维条码内隐含的有效信息， 来进行相关应用的开发i ”。目前，手机二维条码在欧美、日韩等发达国家和地区都 有较成熟的市场应用。随着我国移动通讯行业的发展，3 g 时代的到来，手机二维条 码将融入到人们的衣、食、住、行等方方面面，深刻改变我们的生活习惯，在我国 掀起应用高潮。 1 2 主要二维条码的起源和发展 一维条码自出现以来，得到了人们的普遍关注，发展速度十分迅速。它的使用， 极大地提高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。 由于受信息容量的限制，一维条码仅仅是对“物品”的标识，而不是对“物品”的 描述。故一维条码的使用，不得不依赖数据库的存在。在没有数据库和不便联网的 地方，一维条码的使用受到了较大的限制，有时甚至变得毫无意义。现代高新技术 的发展，迫切要求用条码在有限的几何空间内表示更多的信息，从两满足千变万化 的信息表示的需要。二维条码正是为了解决一维条码无法解决的问题而产生的。因 为它具有高密度、高可靠性等特点，所以可以用它表示数据文件( 包括汉字文件) 、 图像等。二维条码是大容量、高可靠性信息实现存储、携带并自动识读的最理想的 方法。 二维条码作为一种新的信息存储和传递技术，从诞生之时就受到了国际社会的 广泛关注。经过几年的努力，现已应用在国防、公共安全、交通运输、医疗保健、 工业、商业、金融、海关及政府管理等多个领域。 1 2 1 堆叠式二维条码 堆叠式二维条码( 又称堆积式二维条码或层排式二维条码) ，其编码原理是建立 在一维条码基础之上，按需要堆积成二行或多行。它在编码设计、校验原理、识读 方式等方面继承了一维条码的一些特点，识读设备与条码印刷与一维条码技术兼容。 4 第一章绪论 但由于行数的增加，需要对行进行判定，其译码算法与软件也不完全相同于一维条 码。有代表性的行排式二维条码有：c o d e1 6 k ，c _ x l d e4 9 、p d f 4 1 7 等。 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 1 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 l 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 教授着手进行堆叠式二维条码符号学基础理论 的研究，大大促进了堆叠式二维条码的发展1 3 l l 。 1 9 9 0 年，美国s y m b o l 技术公司的台湾赴美学入王寅君博士等人设计了一种便 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 l 高密度条码【4 】，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 f 4 1 7 的国家标准g b t 1 7 1 7 2 1 9 9 7 0 。如图1 1 0 ) 所 示。 1 2 2 矩阵式二维条码 短阵式二维条码( 又称棋盘式二维条码) 它是在一个矩形空间通过黑、白像素 在矩阵中的不同分布进行编码。在矩阵相应元素位置上，用点( 方点、圆点或其他 形状) 的出现表示二进制“1 ”，点的不出现表示二进制的“o ”，点的排列组合确定了 矩阵式二维条码所代表的意义。矩阵式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新型图形符号自动识读处理码制。具有代表性的矩阵式 二维条码有：c o d co n e 、m a x ic o d e 、q rc o d e 、d a t am a t r i x 等。 d a t am a t r i x 原名d a t ac o d e ，由美国国际资料公( i n t e r n a t i o n a ld a t am a t r i x ) 于 1 9 8 9 年发明1 4 】。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 a m 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 0 0 0 1 4 0 和e c c 2 0 0 两种类型，e c c d 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。 q r c o d e 码( q u i c k r e s p o n s e c o d e ) 1 1 j 是日本d e n s o 公司于1 9 9 4 年9 月研制的一 5 青岛大学硕士学位论文 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r e ( e ) 所示。 f 曲p d f 4 1 7 ( ”rd a t a m a t r i x 1 c ) o r 码 图1 1 常见的二维条码 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。上海龙 贝信息科技有限公司研发的龙贝二维条码和矽感公司发明的矽感g m 码，已经通过 相关认证并进入实用阶段。 ( a ) 龙贝码( b ) 矽感伽码 图1 2 我国研制的二维条码 1 3 二维条码的应用 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，不能阅读此码。因此i d 卡可广泛应用于居民 6 第一章绪论 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 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 无论是陆运、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。 1 4 二维条码在手机上的应用 手机二维条码是二维条码与移动通讯终端( 手机) 结合运用的产物。近年来， 随着拍照、彩信手机的扩大推广及移动通信增值业务的快速增长，可应用在手机上 的二维条码技术应运而生。手机二维条码是指将相关信息用二维条码进行编码，使 二维条码信息以彩信的形式在手机里存储、阅读、传播。手机既可作为二维条码信 息的载体结合二维条码识读设备加以应用，也可以作为二维条码识读设备来识读商 品、杂志上的二维条码标识，从而获取二维条码内隐含的有效信息。目前，手机二 维条码在欧美、日韩等发达国家和地区都有较成熟的市场应用。随着我国移动通讯 行业的发展，3 g 时代的到来，以及中国移动对手机二维条码业务地大力推广，手机 二维条码将融入到人们的衣、食、住、行等方方面面，深刻改变我们的生活习惯， 在我国掀起应用高潮。 1 。4 1 手机二维条码阕读弓l 擎的应用 手机二维条码阅读引擎是一种支持手机扫描、识别二维条码的软件。带摄像头 的手机只要内置或下载二维条码阅读引擎后，就可以通过扫描物品上的二维条码， 解读二维条码内隐含的信息，畅享二维条码所带来的便利。条码识别引擎功能已成 为继照相和听音乐之后的第三大功能。 数据录入应用 7 青岛大学硕士学位论文 用手机拍摄二维条码，识读条码内的信息并储存的应用都可归为此类应用。 图i 3 手机二维码应用 1 )名片信息录入 在制作名片时，可以将姓名、电话等信息用二维条码编码，打印在名片的一角。 人们交换名片时，用手机拍摄二维条码图案，解码后就可将对方信息储存在自己手 机的电话簿里，省略了传统的手工录入过程，也克服了目前使用名片识别软件对名 片识别不准确的难题，即可实现电子数据交换，非常方便。 2 )应用二维码技术结合手机二维条码阅读引擎处理交通事故。 交警在执勤时，一旦发现车辆违章( 例如闯红灯、酒后驾驶等，交警可通过手 机对违章车辆的行使证上的二维码进行识读，同时输入相应的违章代码，完成数据 录入后，通过警车上的便携式打印机打印出罚款通知单，二维码中的信息和违章记 录将自动传送到中心数据库中。所有这些程序在短短的3 0 秒内就可全部完成。这样 将大大提高车辆的管理水平及交警的工作效率，保障交通的安全与畅通。 手机解码上网应用 未来生活中，一般的商品、名片甚至报纸、杂志上的广告都会附有相应的二维 码，把网站链接录入n - - 维码中，人们用内置二维条码阅读引擎的手机扫描二维条 码后，解析网址i p ，就可以自动链接到相应的w a p 网站上，可直接浏览商品、下载 折扣券、用手机支付购票等。亦可随时随地的轻松体验像铃声、游戏、视频等流媒 体信息，为消费者带来了一种全新的手机上网模式。 手机解码防伪应用 长期以来，假冒伪劣商品危及着企业和消费者的切身利益，严重影响着国家的 经济发展。为保护企业和消费者利益。保证市场经济健康发展，国家和企业每年都 要花费大量的人力和财力用于防伪打假。然而，受制于防伪技术、防伪方式的单一， 8 第一章绪论 普通消费者缺乏防伪工具等因素，防伪效果不理想。 利用安装了二维条码阅读引擎的手机，即可有效解决上述问题。二维条码具有 多重防伪特性。它可以采用密码防伪、软件加密及利用所包含的信息如指纹、照片 等进行防伪，因此具有极强的保密防伪性能。 二维条码防伪认证平台同时引入了硬件和基于业务的结构，提供商品的基本信 息和离线认证。厂家给每件出厂的商品分配产品编码，该产品编码是生产商品时依 据相应的编码标准给该商品分配的二维编码。并建立商品信息数据库，存储已经出 厂的商品相关信息。用数据库系统做为商品防伪的认证平台。消费者购买商品时， 用安装了二维条码阅读引擎的手机扫描产品上的二维条码并查询生产商的商品信息 数据库就可以辨识该商品的真伪。通过这种防伪技术，将对维护正常的市场秩序起 到很大的推进作用。 1 4 2 电子票务 目前在民航、铁路、影院、体育场馆、旅游景点等行业和部门，纸质票务的应 用还占据着绝对主要地位。相对于电子票券来说，传统的纸质票务，如机票、火车 票、电影票、各种门票等，在应用环节存在着比较明显的几个不足；如印刷成本较 高( 机票的票面成本在4 0 元张左右，包括印刷、运输、保管等几方面构成) 、容易 被复制、仿冒、易损毁等；对票券运营单位来说，面临着售票的人力成本高、防止 假票的安全验证、票务使用信息不能留存等问题的困扰。对消费者来说，存在着要 亲自到售票场地去取票，有时还要排队等待、被假票欺骗、保存票券等诸多不便。 随着手机二维条码( 电子票) 的市场应用，可以有效的解决传统票务领域存在的上 述问题。在票务市场，将逐步实现纸质票的电子化。便利、安全、时尚、高效。 电 子票的实现方式是结合售票单位的网站、售票信息发布平台共同来完成。首先是消 费者有购票的需求，查找相关的票务信息，接触到票务信息后，根据相关信息的指 引，发短信( 上行) 到售票系统，按提示进行手机支付( 支付过程也可以通过网上 支付来完成) 支付完成后，售票系统会把电子票以二维条码的形式发送到购票者手 机当中，完成购票流程。在消费时，经过终端的验票设备进行检验后，可享受相应 的服务。在需要发票、登机凭证的民航等场合，可在机场设置打印票务的自助终端， 扫描条码后打印登机凭证，实现上述功能。使用电子票后带来的价值： 。1 符合各行业的信息化建设要求，提升企业管理水平，增强竞争力。 2 节约大量的印刷成本、人力成本，减少资源浪费，环保高效。 3 带给消费者便利、自由的购票过程。 9 青岛大学硕士学位论文 1 5q r 码简介 q rc o d e 码( q u i c kr e s p o n s ec o d e ) 又叫快速响应矩阵码，是由日本d e n s o 公 司于1 9 9 4 年9 月研制的一种矩阵二维条码【”。为了与国际条码技术水平接轨，我国 于2 0 0 0 年制订了g b t1 8 2 8 4 2 0 0 0 快速响应矩阵码，此标准根据我国二维条码的 应用现状，在认真分析和研究的基础上，对i s o i e c1 8 0 0 4 ：2 0 0 0 自动识别与数据 采集技术一条码符号技术规范- - q r 码进行了取舍和补充，提高了中国汉字的二维 条码表示效率，满足了用二维条码表示汉字的需求。 q r 码符号具有正方形模块组成的一个正方形阵列构成，由编码区和包括位置探 测图形、分隔符、定位图形和校正图形在内的功能图形组成，功能图形不用于数据 编码，符号的周围为空白区，其结构如图所示： 图1 4q l 【码的符号结构 1 5 1o r 码图像的特性分析 o r 码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“1 ”，浅色模块代表二进制中的“o ”。条码的识别实质上就是识别条码基本模块 代表的是“o ”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， 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 0 第一章绪论 1 5 2q r 码的特点 q r 码除具有其它二维条码所具有的信息容量大、可靠性高、可表示图像及多种 文字信息、保密防伪性强等优点外，还具有以下特点： ( 1 ) 超高速识读 从o r 码的英文名称q u i c kr e s p o n s ec o d e 可以看出，超高速识读特点是q r 码 区别于p d f 4 1 7 、d a t am a t r i x 等二维条码的主要特性。由于在用c m o s 识读q r 码 时，整个q r 码符号中信息可以通过q r 码符号的位置探测图形来读取，因此，信 息识读过程所需时间很短，具有超高速识读特点。用c m o s 二维条码识读设备，每 秒可识读3 0 个含有1 0 0 个字符的q r 码符号；对于含有相同数据信息的p d f 4 1 7 条 码符号，每秒仅能识读3 个符号；对于d a t am a t r i x 矩阵码，每秒仅能识读2 3 个 符号。q r 码的超高速识读特性使它能够广泛应用于工业自动化生产线管理等领域。 ( 2 ) 全方位识读 q r 码具有全方位( 3 6 0 。) 识读特点，这是q r 码优于行排式二维条码如p d f 4 1 7 条码的另一个主要特点。 ( 3 ) 能够有效的表示中国汉字和日本汉字 q r 码用特定的数据压缩模式表示中国汉字和日本汉字，它仅用1 3 b i t 可表示一 个汉字，而p d f 4 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 ( 十个字节) 表示一个汉字。因此，q r 码比其它二维条码表示汉字的效率提 高了2 0 。 ( 4 ) q r 码与d a t am a t r i x 和p d f 4 1 7 的比较，见表1 1 表1 1矾码与d a t am a t r i x 和p d f 4 1 7 的比较 码制q r c o d e d a t am a t r i xp d f 4 1 7 符号结构 鬻糕 砌到 d e n s oc o r p 1 d m a t r i xi n c s y m b o lt e c h n o l o g i e si n c ( 美 研制公司 ( 日本)( 美国) 国) 码制分类矩阵式堆叠式 青岛大学硕士学位论文 识读速度 3 0 个每秒 2 - 3 个，每秒 3 个每秒 识读方向全方位( 3 6 0 。) 1 0 。 识读方法深色浅色模块判别 条空宽度尺寸判别 汉字表示1 3 b i t1 6 b i t 1 6 b i t 最大数据容 7 0 8 9 个数字或4 2 9 6 字 3 1 1 6 个数字或2 3 3 5 母数据或2 9 5 3 个字节 个文本字符或1 5 5 6 2 7 1 0 个数字或1 8 5 0 个文本 量 个字节或7 7 8 个中 字符或1 1 0 8 个字节或5 5 4 或1 8 1 7 个中国汉字 个中国汉字 国汉字 每一条码符号表示1 0 0 个字符信息。 图1 6 显示的是q r 编码的生成界面，以及由输入的内容所生成的q rc o d e 条码。 图1 6q r 编码生成界面与生成的条码 1 2 第二章基于图像处理的q r 码识别 第二章基于图像处理的0 r 码识别 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 1 6 j 是人工智能的个重要领域。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。模扳匹配模型认为，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。原型匹配模型则认咖，在长时记忆中存 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。 本文采集到的图像是包含q r 码符号图像彩色图像，灰度化后是有定灰度背景 的图像，如图2 2 所示。由于光照的不均匀、在采集过程中的抖动等原因，使采集 到的图像背景的灰度值不为常数，条码符号图像与背景的对比度也有变化。图像中 的q r 码图像是识别的主体，所以在对条码进行识别前，必须对先对图像进行处理， 将图像转换成黑白两个灰度级的图像，并将条码符号图像从整幅图像中分离出来。 另外，摄像头聚焦也造成图像有一定的扭曲变形。由于所选用的c m o s 图像传感器 的分辨率不是很高，采集到的图像受摄像头聚焦的影响比较小，对图像进行分割处 理时，可以对此忽略；但在对分割后的图像进行识别时，由摄像头的聚焦带来的变 形会对识别产生定的影响，为了尽量减少这种影响，我们选择在对q r 码图像分 离出各符号字符后，以各符号字符的宽度和条码符号的宽度相结合的方法来确定条 码的模块宽度而不以条码符号的宽度来确定模块宽度。这样，对图像的处理主要是 青岛大学硕士学位论文 图像的二值化处理。 因此，q r 码图像识别的基本思路是首先要对采集的彩色图像i ( x ，y ) ，进行灰度 化，然后用适当的阈值t 对灰度图像进行二值化，得到二值图像b ( x ，y ) 。因为对于 o r 码，其三个位置探测图形是确定q r 码是否存在的重要标志，因此，得到二值化 图像后，就要在二值图像中扫描边界，求出位置探测图形，通过三个位置探测图形， 确定条码的符号区域范围，定位并提取q r 码符号，然后求出条码的版本信息和格 式信息，进而求出条码的校正图形的坐标。根据上述信息在条码的符号区域范围内 读取q r 符号码字信息。条码图像识别算法的基本流程如图2 1 所示。 1 4 第二章基于图像处理的q r 码识别 图2 1q r 码图像识别流程图 1 5 重 新 计 算 阈 值 青岛大学硕士学位论文 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，彩色图像包含着大量 的颜色信息，不但在存储上开销很大，而且在处理上也会降低系统的执行速度，因 此在对图像进行识别等处理中经常将彩色图像转变为灰度图像，以加快处理速度。 由彩色转换为灰度的过程叫做灰度化处理。灰度图像就是只有强度信息而没有颜色 信息的图像，存储灰度图像只需要一个数据矩阵，矩阵每个元素表示对应位置像素 的灰度值。彩色图像中的每个像素的颜色有r 、g 、b 三个分量决定，而每个分量有 2 5 5 中值可取，这样一个像素点可以有1 6 0 0 多万( 2 5 5 x 2 5 5 x 2 5 5 ) 的颜色的变化范 围。而灰度图像是r 、g 、b 三个分量相同的一种特殊的彩色图像，其一个像素点的 变化范围为2 5 5 种，灰度图像的描述与彩色图像一样仍然反映了整幅图像的整体和 局部的色度和亮度等级的分布和特征。 设像素彩色各分量值为( r ，gb ) ，其中，0 = r = 2 5 5 ，0 = g = 2 5 5 ，0 = b = 2 5 5 ，那么