（电路与系统专业论文）基于嵌入式的QR码识别系统的设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 q r 码具有信息容量大、可靠性高、抗损性强、超高速和全方位 识读等优点，并能以高效的数据模式表示中国汉字，适于在我国的发 展。随着信息技术和二维条码的发展，条码识别设备呈现微形化、智 能化和网络化的发展趋势。可应用于电子商务、物流、商品流通、身 份认证、安防、防伪、广告宣传等领域，研究嵌入式下的q r 码识别 有着重要的现实意义。 本文首先介绍了二维条码的相关知识及其在国内外的发展应用 状况，分析了q r 码的结构特征；研究了q r 码不同模式下的数据编 码规则和识别解码方法，采用了b m 迭代译码算法进行纠错译码；分 析了在w i n c e 下u s b 摄像头采集图像的实现方法，研究了图像预处 理方法，采用了o t s u 算法选择阈值，并对图像进行二值化处理，利 用h o u g h 变换及双线性插值方法实现图像的几何矫正，解决了图像 噪声对条码信息的影响；给出了本系统开发采用的软、硬件平台的构 建方案，实现了嵌入式平台下的q r 码识别。 最后在t q 2 4 4 0 开发板和w i n c e 平台下实现了嵌入式a r m 平台 下二维条码q r 码的识别解码。 关键词：q r 码、a 砌垤、图像采集、图像预处理、识别 a b s t r a c t q rc o d eh a saa d v 锄t a g eo f b i gi n f o m 谢i o nc a p a c i 毗l l i 曲r e l i a b i l i t y a 1 1 ds 仃o n ga 1 1 t i 一1 0 s s ，u 1 仃a h i 曲一s p e e da n d 如1 1 一r e a d e r ，e t c a n dc 狮a l s ob e a b l et oe x p r e s sc h i n e s ec h a r a c t e rb ye m c i e n td a t am o d e l s oi t 而1 1 d e v e l o ps u i t a b l yi nc h i n a a sm ed e v e l o p n l e n to fi n f o 册a t i o nt e c h i l 0 1 0 9 y a n dt w o d i m e n s i o n a lb a rc o d e ，b a rc o d ei d e n t i f i c a t e de q u i p m e n ts h o w sa 仃e n d so fi n i c r o s h 印e d ，i n t e l l i g e n c ea 1 1 dn e 俩o r k i n g i tc a i lb e 印p l i e dt o e c o m m e r c e ，1 0 9 i s t i c s ，c o m m o d i t ye x c h a l l g e ，a u t h e n t i c a t i o n ，s e c 嘶t y ， s e c 嘶t y ，a d v e n i s i n g a 1 1 do t h e rf i e l d s ，s os t u d 姐n g t h eq rc o d e r e c o g i l i t i o n u n d e re m b e d d e d s y s t e m h a sa i m p o r t a n tp r a c t i c a l s i g n i f i c a l l c e t h i s p a p e r f i r s ti n 仃o d u c e st h er e l e v a n tl m o w l e d g eo ft h e t w o d i m e n s i o n a lb a rc o d e觚di t s印p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n ti n d o m e s t i ca n di n t e m a t i o n a l ，a n a l y z e sm es 仃u c t u r a lf e 抓l r e so fq rc o d e ， s t u d i e st h eq rc o d ed a t ac o d i n gm l e si nd i f f e r e n td a t am o d e sa n di t s i d e n t i f i c a t i o n ，d e c o d em e t h o d s ，i n c l u d ee r r o rc o l l r e c t i o nd e c o d eu s i n gt h e b mi t e r a t i v ea l g 嘶t h m ；a n di ta l s oa n a l y z e st h ei i m g ea c q u i s i t i o n m e t h o d sb yu s bc a m e r ad e v i c eu n d e rw i n c ee n v i r o m n e n t ，s t u d i e st h e i m a g ep r e - p r o c e s s i n gm e t h o d sa tt h es 锄et i m e ，u s e so t s ua l g o r i 岫t o s e l e c ti m a g e 衄e s h 0 1 d ，a n d 础墩e si m a g et ob i n 撕z a t i o n ，u s e sh o u g h i i i 缸a n s f o ma n db i l i n e a r i n t e 印0 1 a t i o nm e t h o d st oc o r r e c tt h ei m a g e si n g e o m e 仃i c i ts 0 1 v e st h ei m a g en o i s eo nt h ei m p a c to f b a rc o d ei n f o m a t i o n ， g i v e st h es o f h a r ea n dh a r d w a r ep l a t f o mo fm ed e v e l o ps y s t e n l i m p l e m e n t sm eq r c o d er e c o g n i t i o nu i l d e rt h ee m b e d d e dp l a t f o m f i n a l l yi m p l e m e n t t h et w o d i m e n s i o n a lb a r c o d e ，q rc o d e ， i d e n t i f i c a t i o na n dd e c o d eu n d e rt 1 1 ee n l b e d d e da r m p l a t f - o r n lo ft q 2 4 4 0 d e v e l o 舯n e n tb o 莉肌dw i n c e e n 昕r o n l l l e n t k e yw o r d s ：q rc o d e 、删、 i m a g ea c q u i s i t i o n 、 i n l a g e p r e p r o c e s s i n g 、r e c o 印i t i o n 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：支 皇冠沙哆年 月， 日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学。 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密嘭 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 芏菇，厄 叼 口 d ， f 月月多年年 眵7 哪7 期期 日 日 基于嵌入式的q r 码识别系统的设计与实现 1 1 课题研究背景 1 绪论 二维条码技术从上世纪8 0 年代末开始出现，经过2 0 年的推广 应用，在传统行业的信息管理和信息交换领域发挥了巨大作用。如果 说一维条码对工业发展产生了巨大贡献的话，那么二维条码的明天无 疑就是一维条码的今天，甚至由于其具有的独特优势，能够对社会的 经济发展贡献更多。 常用的条码种类有e a n ( e u r o p e a na n i c l en 啪b e r l i n gs y s t e m ，欧 洲物品编码系统) 、u p c ( u n i v e r s a lp r o d u c t i o nc o d e ，通信商品代码) 、 3 9 码、交插2 5 码、1 2 8 码等一维条码和p d f 4 1 7c o d e ( p o n a b l ed a t a f i l ec o d e ，便携数据文件文件) 、q rc o d e ( q u i c kr e s p o n s ec o d e ，快速 响应矩阵码) 、d m 码( d a t am a t r i xc o d e ，数据矩阵码) 等二维条 码n 3 。目前，我国各个超市以及出版社应用广泛的还是一维条码，随 着应用领域的不断扩展，传统的一维条码渐渐显现出了它的局限： 必须通过链接数据库的方式才能明确条码所表达的信息；只能表 达字母和数字，而不能表达汉字和图像。二维条码能够在横向和纵向 两个方向同时表达信息，能够表达汉字和存储图像，具有高密度、高 可靠性等特点，拓宽了条码的应用领域。 近年来，随着信息技术和二维条码的发展，条码识别设备呈现微 形化、智能化和网络化的发展趋势。嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 硕士学位论文 由其体积小、性能强、功耗低、可靠性高和应用广泛等特点，适合开 发条码识别设备乜1 。目前，手机己发展成为一个嵌入式的智能平台。 手机上的摄像头不仅仅提供了娱乐，更重要的是为手机提供了一种新 的输入手段。因此手机可以作为二维条码的一种便携式阅读器，开发 出许多崭新的应用。手机二维条码的技术口1 是二维条码与手机结合运 用的产物，以二维条码标准为核心，将手机作为载体，而展开的码制 编码、译码、识别相结合的综合性技术。相关信息用二维条码进行编 码，二维条码信息便可以在手机里存储、阅读、传播，在新闻阅读、 移动增值服务、电子商务、物流、商品流通、身份认证、安防、防伪、 广告宣传等领域，都可派上用场。因此研究在嵌入式平台下的二维条 码编解码技术有着深远的意义。 1 2 二维条码的国内外发展现状 国外对二维条码技术的研究始于2 0 世纪8 0 年代末n 1 。在二维条 码符号表示技术研究方面，已研制出多种码制，二维条码的密度比传 统的一维条码有了较大的提高，如p d f 4 1 7 的信息密度是一维条码 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 m ) 、美国标准化协会( a n s i ) 已完成了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 准化组织国际电工委员会第l 联合委员会的第3 1 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 ) ，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 基于嵌入式的q r 码识别系统的设计与实现 条码符号技术规范q r 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 o i e c 标准草案嗍。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，己广泛应用于各类二维条码应用系统。目前已进入应用 阶段。美国等发达国家已经在身份证、驾驶证等证件、车辆管理、邮 件分拣及税务报关等许多领域使用了二维条码。 我国对二维条码技术的研究开始于1 9 9 3 年n 1 。中国物品编码中 心对几种常用的二维条码q rc o d e 、p d f 4 1 7 、d a t am 撕x 的技术规 范进行了翻译和跟踪研究，并在消化国外相关技术资料的基础上，结合 我国实际情况宣传推广二维条码这一新技术的实际需要，制定了两个 二维条码国家标准：g b t 1 7 1 7 2 1 9 9 7 四一七条码，g b t 1 8 2 8 4 2 0 0 0 快速响应矩阵码陷1 。在许多科研单位、开发公司、大专院校也己 开始着手进行二维条码技术的应用开发。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将与日 俱增。 传统概念中二维条码主要用于专业物流系统，本身并不是专门为 手机设计，却借助手机这样的电子信息个人终端，将其商务应用潜力 真正释放出来。手机二维码已成为很多国家民众日常生活所不可缺少 的一部分。在国外，手机条码已经是非常成熟的技术。其中最为通用 的是流行于日本的q r 码和流行于韩国的d m 码。手机二维码最早出 现在日本。1 9 9 8 年日本直接从2 g 跳到了3 g ，带来了上网速度的提 升和带宽的增加，同时开发了更多的增值应用。但在手机终端快速发 硕士学位论文 展的同时，运营商们开始面临新业务的输人问题。手机终端虽然经历 了2 0 年的发展，其间有很多功能上和设计上的变化，但是手机键盘 依然保持着2 0 年前的设计。一些手机用户连短信输人都有困难，更 不要说名片录入等应用了。同时在3 g 应用中，w e b 服务极其重要， 但如果通过输入一个地址来上网，甚至比发短信还要麻烦。这成为日 本跨越到3 g 之后业务上所面临的最大问题，而手机二维条码和业务 开发让日本找到了解决的方式和方法【3 】o 在国内的清华紫光、意锐新创、元泰科技、赛码科技等企业在进 行q 啪m 码的开发。二维码的市场价值还没有被真正挖掘，没有形 成大的产业链。专家预测，2 0 0 7 2 0 1 0 年二维条码行业将实现5 0 以 上的发展速度，2 0 l o 年整个产业规模将达到1 1 5 亿人民币左右( 仅 包括相关设备和软件的市场规模) 。专家认为，国内二维条码产业发 展呈现出如下趋势： 产业发展加快。 消费品领域是重要进军方向。 多种码制并存，国产码制看好。 市场呼唤更为开放的技术。 1 3 本文的主要工作点及创新点 本文的主要目的是研究在嵌入式a r m 平台w i n c e 环境下q r 码 识别系统的实现。文章全面阐述了q r 码的符号特征，分析了q r 码 的编解码方法，研究了q r 码的纠错算法，采用了改进的纠错算法： b m 迭代译码算法。研究了摄像头采集图像方法，以及对采集到的图 4 基于嵌入式的q r 码识别系统的设计与实现 像信息的图像预处理算法，其中给出了图像二值化方法比较，研究了 应用h o u g h 变换获取条码符号边界直线和采用双线性插值算法对 图像进行几何矫正的方法，提高了条码识别率。最后给出了嵌入式 删平台下q r 码识别系统的实现方案，实现了在嵌入式删平 台下q r 码的识别。 全文分五章，各章的内容安排如下： 第一章为绪论。介绍了二维条码q r 码的研究背景和目前国内外 的研究动态。并对本文内容结构进行安排和规划。 第二章阐述了q r 码的编码方法。以q r 码符号特征为起点，给 出了q r 码的编码流程。分析了不同数据模式下数据编码、纠错编码 方法，介绍了q r 码符号矩阵数据信息、功能图形等的摆放方法。形 成q r 码符号。 第三章研究了q r 码识别解码算法。研究了q r 码的识别定位方 法，数据采样网格的确定，版本信息和数据信息的读取。研究了数据 的纠错算法，采用了b m 迭代译码算法对数据进行纠错译码。 第四章研究了嵌入式a r m 平台w i n c e 环境下q r 码识别出系统 的实现。介绍了嵌入式平台q r 码识别系统的软硬件开发环境。给出 了摄像头采集条码图像方案。研究了图像预处理方法，分析了基于曲 面拟合的二值化方法，解决了图像噪声带来的识别率降低的问题，实 现了嵌入式平台下的条码识别。 第五部分是结束语。总结了论文的全部工作，给出了q r 码识别 解码中还存在的不足，并指出了下一步的研究探索方向。 基于嵌入式的q r 码识别系统的设计与实现 2 q r 码编码的实现 本章介绍了q r 码的符号特征，研究了各个数据模式下q r 码数 据编码规则和纠错编码的方法，给出了q r 码编码流程，分析了q r 码符号的形成过程。 2 1q r 码简介 q r 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 条码符号，具有信息容量大、可靠性高、可表示汉字、保密防伪性强 等优点。 2 1 1q r 码符号特征 q r 码是一种矩阵式二维条码。每个q r 码符号由正方形模块组 成的一个正方形阵列构成，由编码区域和包括寻像图形、定位图形和 校正图形等的功能图形组成，其符号大小由版本决定畸1 。图2 1 表示 了版本7 的q r 码符号，符号大小为4 5 个模块4 5 个模块。 ( 1 ) 符号版本和规格 q r 码符号共有4 0 种版本，分别为版本1 、版本2 版本4 0 。 版本l 的规格为2 l 模块2 1 模块，版本2 的规格为2 5 模块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( 模块指每一个黑色或白色小正方形) 。 硕士学位论文 空白区 位置探 测图形 分黼特 定位图形 校正刚彤 格式信息 版本信息 数据和纠 错码字 圜2 1 版率7 的q r6 9 符号 ( 2 ) 寻像图形 寻像图形包括二个相同的位置探测图形，分别位于符号的左上 角、右上角和左卜珀，如图2 - l 所示。每个位置探测图形可以看作是 由3 个重叠的i 司心正方形组成，它们分别为7 7 个深色模块、5 5 个 浅色模块、3 x 3 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 ：l ：l 。识别组成寻像图形的三个位置探测图形，可以确定 q r 码符号的位置和和旋转角度。 豳2 2 。r 码寻像图形 基于嵌入式的q r 码识别系统的设计与实现 ( 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。如图2 1 所示。 ( 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，提供确定模块坐标的基准位置。如图2 1 示。 ( 5 ) 校正图形 校正图形可以看作是3 个重叠的同心正方形，由5 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( 参见参考文献5 附录e ) ，版本2 及以上版本符号均有校正图形。如图2 1 示。 ( 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 符号区域。 ( 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。 ( 8 ) 版本信息 版本信息包含q r 码符号的版本大小，在图形中出现两次，提供 硕十学位论文 信息冗余。如图2 1 示。 ( 9 ) 格式信息 格式信息包含q r 码符号的纠错级别和掩模信息，在图形中出现 两次，提供信息冗余。如图2 1 示。 2 1 2q r 码基本特性 q r 码具有独立功能和自动鉴别能力。具有以下基本特性： ( 1 ) 编码字符集 q rc o d e 条码编码字符集包括数字型数据( 数字o 一9 ) 、字母 数字型数据( 数字o 一9 ；大写字母a z ；9 个其它字符：s p a c e ，$ ， ，：i ，+ ，一，：) 、8 位字节型数据( a s c i i 字符集) 中国汉 字字符( g b 2 31 2 图形代码表表示的字符集) 。 ( 2 ) 数据表示法 深色模块表示二进制“1 ，浅色模块表示二进制“0 ”。 ( 3 ) 数据类型及最大容量 最大数据容量为：数字7 0 8 9 个字符、字母4 2 9 6 个字符、8 位 字节2 9 5 3 个字符、中国汉字1 8 1 7 个字符。 ( 4 ) 纠错能力 q rc o d e 条码有4 种纠错等级，分别为l 级、m 级、q 级和 h 级。可恢复的数据码字为： l 级：约7 的数据码字； m 级：约15 的数据码字； q 级：约2 5 的数据码字； 1 n 基于嵌入式的q r 码识别系统的设计与实现 h 级：约3 0 的数据码字。 ( 5 ) 结构链接( 可选) 允许把数据文件最多用1 6 个q r 码符号在逻辑上连续地表 示。以任意的顺序扫描，原始数据能正确地重新连接起来。 ( 6 ) 掩模( 固有) 可以使条码符号中深色与浅色模块的比例接近1 ：1 ，使因相邻模 块的排列而影响高效译码的可能性降为最小。 ( 7 ) 扩充解释( 可选) 这种方式使符号可以表示缺省字符集以外的数据( 如阿拉伯字 符、古斯拉夫字符、希腊字母等) ，以及其它数据解释( 如用一定的 压缩方式表示的数据) 或者根据行业特点的需要进行编码。 2 1 3q r 码主要特点 ( 1 ) 超高速识读 用c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，电荷耦合器件) 二维条码识读设 备，每秒可识读3 0 个含有l o o 个字符的符号；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 撕x 矩 阵码，每秒仅能识读2 3 个符号。q rc o d e 的超高速识读特性，使它能 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 码通过三个角上的位置探测图形实现全方位( 3 6 0 。) 识读，同时 避免负面影响与背景干扰。 ( 3 ) 能有效地表示中国汉字 硕士学位论文 q r 码用特定的数据压缩模式表示中国汉字，仅用1 3b i t 表示一 个汉字，而d a t a m 谢i x 、p d f 4 1 7 等没有特定的汉字表示模式，用字 节模式表示汉字时，需用1 6b i t ( 两个字节) 表示一个汉字，因此q r c o 曲比其它的二维条码表示汉字的效率提高了2 0 。 ( 4 ) 占有范围小 q rc o d e 拥有很大的数据的同时，它又具有占有体积小的特点。 在图2 ，3 中给出rq r 码与d m 码、p d f 4 1 7 码在识读速度、汉 字表示和最大数据容量等方而的比较。 识读 速度 汉字 袭月r qr 码 d a l dm dl r l x 码p d f 4 1 7 码 懑隧 i 鳓 矩阵式矩阵式行排式 30 个每秒2 3 个每秒 3 个每秒 l3 位 16 位 16 位 7 0 8 9 个数字或 3 1 1 6 个数宁或2 7 1 0 个数字或 4 2 9 6 个宁母数据 2 ：1 3 5 个文本字符1 8 5 0 个文本字符 或1 5 5 6 个字节或或1 1 0 8 个字节或 或2 9 5 3 个r 扣国汉 7 7 8 个中国汉字5 5 4 个中国汉字 瑚2 3 蛳c o d e 与d a t am a t r l x 和p d f 4 1 7 的比较 2 2q r 码的编码算法 q r 码的编码包括两个部分：数据编码，纠错编码。数据编码分 基丁嵌入式的q r 码识别系统的设计与实现 为扩充解释( e c i ) 模式、数字模式、字母数字模式和8 位字节模式 等几种编码模式。纠错编码采用有限域g f ( 2 8 ) 上的r s ( r e e d s o l o n o 玛 里德索罗门) 纠错编码算法。 2 2 1 数据编码 分析输入数据流，根据内容选择采用缺省的或者其它适当的 e c i 与模式，将输入数据根据编码模式转换为一个位流。其中每个模 式段以模式指示符的最高位开始，以数据流的最低位结束，整个符号 的结束由4 位终止符o o o o 表示，当符号数据位流后所余的容量不足 4 位时，终止符将被截短。再将位流转换为一个码字流，即每8 位构 成一个字节，根据版本和纠错等级以及输入数据大小( 见参考文献5 表9 ) ，选择是否要交替添加填充码字1 1l o l l o o 和o 0 0 1 0 0 0 1 ，将数据 位流扩展，以填充数据容量。表2 1 给出了不同模式的指示符。因各 版本规格不同，其所容纳的数据量也不同，每个版本有一个最大信息 量，表2 2 定义了采用不同模式和符号版本的字符计数指示符的长度。 表2 1 模式指示符 模式指示符模式 指示符 e c i 0 1 1 1 中国汉字 1 1 0 1 数字 0 0 0 1 结构链接 0 0 1 l 字母数字 0 0 1 0f c n l0 1 0 l ( 第一位置) 1 0 0 1 ( 第二位置) 8 位字节 0 1 0 0 终止符( 信息结尾) 0 0 0 0 表2 2 字符计数指示符的位数 版本数字模式字母数字模式 8 位字节模式中国汉字模式 1 一一9l o988 1 0 2 61 21 11 6 1 0 2 7 一一4 01 41 31 6 1 2 硕士学位论文 下面将依次介绍不同模式下q r 码的编码方法。 1 、e c i 模式编码 本模式用于按可选的字节值解释对某类数据进行编码，可选的字 节值解释应符合a i me c i 规范中对该类数据进行预处理的规则。模 式用模式指示符0 1 1 l 引入。在符号的开始，不需要引入qr 码缺省 扩充解释( e c i 标头o o 0 0 2 0 ，对应于a s c i i 字符集) 。e c l 只能用于识 读器可以传送标识的情况，不能传送符号标识的识读器无法从包含 e c i 的符号中传输数据。输入的e c i 数据需要编码系统作为一系列8 位字节的值进行处理。e c i 序列中的数据可以是一种或几种模式对其 字节值进行最高效的编码，而不必考虑其实际意义。 每个扩充解释分配一个6 位的任务号，它为紧接在q r 码符号的 e c i 模式符后的1 个、2 个或3 个码字。如表2 3 示。 表2 3e c i 任务号的编码 e c i 任务号 码字码字值 0 0 0 0 0 0 至0 0 0 1 2 7 1o b b b b b b b o o 0 0 0 0 至0 1 6 3 8 321 0 b b b b b bb b b b b b b b 0 0 0 0 0 0 至9 9 9 9 9 9311 0 b b b b bb b b b b b b bb b b b b b b b b b 是e c i 任务号的二进制值 在译码时，通过第一个e c i 指定符码字( e c i 模式中模式指示符 后的码字) 的二进制位图，确定e c i 指定符序列的长度。第一个“o ” 前面的“1 的个数量表示e c i 任务号的第一个码字的附加码字的数 量。第一个“o 后面的各位，是e c i 任务的二进制表示。较低的e c i 任务号有多种编码方式，最短的方式为首选的。 例如：假设编码数据为希腊字母“a b r e ”，字符集选用i s o 8 8 5 9 - 7 ( e c i o o o 0 0 9 ) ，符号的版本为1 h ，则编码过程如下： 1 4 基于嵌入式的q r 码识别系统的设计与实现 查找数据对应的字符值为o x a l 、o x a 2 、 0 x a 3 、o x a 4 、 o x a 5 查表2 1 得e c i 模式指示符为：0 1 l l 获得e c i 模式任务分配号( o o o 0 0 9 ) ：o o 0 0 1 0 1 1 查表2 1 得模式指示符( 8 位字节模式) ：0 1 0 0 将数据信息转化为对应的位流序列：1 0 1 0 0 0 0 l1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 l1 0 l 0 0 1 0 0l o l o o l 0 1 由形成最终序列：0 1 1 1o o 0 0 1 0 0 l0 1 0 0 o o o 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 11 0 1 0 0 0 1 01 0 l o o o l l1 0 1 0 0 1 0 01 0 1 0 0 1 0 1 将位流序列转化为码字：将上述位流序列每8 位一组划分为码 字，末位不够时添加终止符o o o o ，并添加所需填充位：0 1 11 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0o o o 0 0 1 0 11 0 1 0 0 0 0 11 0 1 0 0 0 1 01 0 1 0 0 0 1 l1 0 1 0 0 1 0 01 0 1 0 0 1 0 1 o o o oo o o o ，最后添加填充码字。对版本1 h ，数据码字容量为9 ，因 此不需要填充码字。 2 、数字模式编码 将输出的数字数据信息转化为二进制位流。其中每3 位分一组， 将每组数据转换为l o 位二进制数。如果所输入的数据不是3 的整数 倍，则剩余的1 位或2 位数字，分别转换为4 位或7 位二进制数。再 将二进制数据连接起来并在前面加上模式指示符和字符计数指示符， 形成一个位流序列。最后将位流转换为码字流。 例如：输入数据串“0 1 2 3 4 5 6 7 ”，版本1 m ，其码字形成如下。 将输入数据每3 位一组进行分组：0 1 23 4 56 7 。 硕十学位论文 将每组转换为二进制：0 1 2 转换为o o o o o o l l o o ；3 4 5 转换为 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 ；6 7 转换为1 0 0 0 0 1 1 0 构成数据位流：o o o o o 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 l 加入模式指示符0 0 0 l 以及字符计数指示符：o o o o 0 0 1 0 0 0 形成最终位流o 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1o o oo o o o 0 0 1 1 0 00 1 0 1 0 1 1 0 0 l 1 0 0 0 0 l lo o o o 。 将位流转换为码字流：o 0 0 1 0 0 0 0o o l o o o o o o o 0 0 1 l o o0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0o o o ，最后添加所需填充码字。对版本1 m ，数 据码字容量为1 6 ，因此需要添加1 0 个填充码字，最终码字序 列如下：o o o l o o o o0 0 1 0 0 0 0 0 o o 0 0 1 1 0 0 o 0 0 1 0 0 0 l1 ll o l l o o 1 ll o l l o oo 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 00 1 1 0 0 0 0 l1 0 0 0 0 0 0 01 11 0 l l o o 1 11 0 1 1 0 0o 0 0 1 0 0 0 11 11 0 1 1 0 0o 0 0 1 0 0 0 1o 0 0 1 0 0 0 l 。 3 、字母数字模式编码 字母数字字符集( 数字o 9 ；大写字母a z ：9 个其它字符：s p a c e ， ，木，+ ，一，：) 中的4 5 个字符。将数据信息分为两个信息一 组，用1 1 位二进制数表示。将每组中的前面字符的值乘以4 5 与第二 个字符值相加，将结果转换为1 1 位二进制数。如果所要表示的数据 字符数不是2 的整数倍，则将最后一个字符的字符值编码为6 位二进 制数。然后将二进制数连接起来，并在前面加上模式指示符和字符计 数指示符，最后将形成的最终位流转化为码字流。 例如：以输入信息“a c 4 2 ”，版本为1 h ，编码流程如下： 从参考文献5 的表5 查出字符对应值：a c 4 2 分别对应：1 0 ，1 2 ， 1 6 基于嵌入式的q r 码识别系统的设计与实现 4 l ，4 ，2 。 将字符值每两个分为一组：( 1 0 ，1 2 ) ( 4 1 ，4 ) ( 2 ) 将每组转换为1 l 位二进制数表示：( 1 0 ，1 2 ) ：1 0 木4 5 + 1 2 = 4 6 2 ( 0 0 1 1l 0 0 1 11 0 ) ；( 4 1 ，4 ) ：4 1 木4 5 + 4 = 1 8 4 9 ( 1 ll o o l ll 0 0 1 ) ；( 2 ) ：2 ( o o 0 0 1 0 ) 构成一个二进制序列：0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 01 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1o o 0 0 1 0 。 加入模式指示符及字符计数指示符，形成最终位流序列： o o l oo o o o 0 0 1 0 l0 0 1 11 0 0 1 11 01 l1 0 0 1 1l 0 0 1o o 0 0 1 0o o o o 。 然后将位流序列转换为码字序列：0 0 1 0 0 0 0 00 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 11 0 0 1 ll0 0 1 0 0 0 0 1o o o o o o o o1 11 0 1 1 0 0o 0 0 1 0 0 0 11 11 0 1 1 0 0 。 4 、8 位字节模式编码 每个8 位码字可以直接表示一个输入数据字符的a s c i i 字符值， 即密度为每个字符8 位。在非缺省的其他e c i 中，它直接表示一个8 位字节的值。然后将二进制数连接起来，并在前面加上模式指示符和 字符计数指示符，将输入字符数转换为8 位或16 位二进制数据放在 模式指示符之后，二进制数据序列之前。 5 、中国汉字模式编码 g b 2 31 2 国家标准中规定了中国汉字和非汉字字符共7 4 4 5 个，其 中汉字字符6 7 6 8 个。g b 2 31 2 规定的字符由两个字节表示，字符值为 g b 2 31 2 中图形字符的内码值。将输入数据字符转换为1 3 位二进制数 据，然后在二进制数据前添加模式指示符、中国汉字子集指示符和字 符计数指示符。 硕士学位论文 用下列方法将数据字符转换为13 位二进制数据： ( 1 ) 对于第一字节值在o x a l 到o ) a 范围，第二字节值在o x a l 到o x f e 范围的字符：将第一字节值减去o ) a 1 ，所得的差值乘以 o x 6 0 ，再加上第二字节值减去o x a l 的差，将结果转换为1 3 位二进 制串。 ( 2 ) 对于第一字节值在o x b o 到o x f a 范围，第二字节值在o x a l 到 o x f e 范围的字符：将第一字节值减去o x a 6 ，所得的差值乘以o x 6 0 ， 再加上第二字节值减去o x a l 的差，将结果转换为1 3 位二进制串。 例如：输入字符：“安” 查找内码值：b o b 2 将第一字节值减去a 1 h e x ：b o a 6 = o a 将的结果乘以6 0 h e x ：o a 木6 0 = 3 c o 第二字节值减去a 1 h e x ：b 2 a l = 1 1 将的结果加上的结果：3 c o + 1 1 = 3 d 1 将的结果转换为1 3 位二进制串：oo o l l1 1 0 lo o o l 6 、混合模式编码 混合模式就是把上述各种模式中的任意组合进行编码，以减小数 据的位流长度，增加编码密度。基本结构为模式指示符字符计数指 示符数据，其后紧跟着下一段的模式指示符开始另一段。结构如下： 基于嵌入式的q r 码识别系统的设计与实现 表2 4 混合模式下的数据位流结构 段1 段2段n 模式指字符计数据模式指字符计数据模式指字符计数据 示符l数指示 示符2数指示示符n数指示 符符2 符n 7 、数据编码实例 假设输入信息为q rs y n b o l 选择版本3 h ，按照8 位字节模式编 码规则。 查找输入信息a s c i i 字符集值分别为：8 1 、8 2 、3 2 、8 3 、1 2 1 、 1 0 9 、9 8 、11 1 、1 0 8 转换为二进制位：0 1 0 1 0 0 l o0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 00 1 0 1 0 1 0 0 0 1 11 1 0 0 l0 1 1 0 1 1 0 l0 1 1 0 0 0 1 00 1 1 0 1 11 1 0 1 1 0 0 l o o0 1 1 0 0 0 0 1 数据前添加模式指示符：o l o o 在模式指示符后添加字符计数位：o o o o1o ol 在数据码字后交替添加1 l1 0 1 1 0 0 和o 0 0 1 0 0 0 l 填充该版本容量 将位流转换为码字：6 、1 8 4 、1 4 l 、1 0 1 、5 0 、1 8 5 、1 8 0 、8 5 、 2 2 2 伽罗瓦域理论 1 5 、1 7 3 、3 1 、1 2 2 、1 0 0 、1 2 2 、1 0 0 、1 2 2 、 1 0 0 、 1 2 2 、1 0 0 、1 2 2 、1 0 0 、1 2 2 、1 0 0 、1 2 2 、 1 0 0 、1 2 2 q r 码的纠错码生成算法中，多项式的运算采用模2 算法和字节 的模1 0 0 0 1 11 0 1 算法。这是伽罗瓦解域2 8 以l o 0 0 1 11 0 l 表示的主模块 1 9 硕士学位论文 多项式：工8 + x 4 + x 3 + x ：+ 1 。在分析q r 码的纠错编码之前，先介绍下 伽罗瓦域3 理论。 如果一个域只包含有限个元，称它为有限域或伽罗瓦域。如这个 域包含g 个元，则这个域简记为g f ( g ) 。 如果任取一个素数p ，若，( p ) = o ，1 ，2 ，p 1 ) ，在，( p ) 上规定加法 为m o d p 加法，乘法为m o d p 乘法，构成g f ( p ) 域。设6 为g f ( p ) 的元， 则满足6 0 = 1 的朋的最小正整数，称为6 的级。如6 g f ( p ) ，6 为f 级， 则f 的取值范围为( 1 ，p 1 ) 。若在g f ( p ) 中，某一元素口的级为p 一1 ，则 称口为本原域元素。任何一个g f ( p ) 域至少包含一个本原域元素。 凹( p ) 中所有非零元可以表示成本原域元素口的p 1 个连续幂： 口o ，口l ，口2 ，口7 ，口g ，口g 一，口口= 口o 对于g 阶的伽罗瓦域g f ( g ) ，g 一定是素数的幂，如果任取一个素 数p ，则g f ( p ) 为一有限域，这个域含有p 个元，凹( p “) 是其扩域， 含有p 肼个元。域中的各个元素可由域中的本原域元素口的幂产生。例 如：凹( 2 8 ) 域上有2 5 6 个元素，这些元素都是由本原域元素口产生。 设8 阶的本原多项式g ( x ) = x 8 + z 4 + 石3 + x 2 + 1 ，则任何超过8 阶的口的 幂由等式口8 = 口4 + 口3 + 口2 + 1 ，即f ( 口) = 口8 + 口4 + 口3 + 口2 + 1 = o ，转换为8 阶以下的口的幂。这个等式重复使用，直到口的最高次幂小于8 ，得 到这个域的不同元素。以g ( 曲= z 8 + x 4 + x 3 + x 2 + 1 为本原多项式的 凹( 2 8 ) 元素依次为：口o ，口1 ，口2 ，口7 ，口4 + 口3 + 口2 + 1 伽罗瓦域的模2 加法和模2 乘法运算，实际上就是异或运算。 例如：g ! 尸( 2 s ) 域上的两个域元素口8 = 2 9 和口2 1 ：1 1 7 ，则： 基于嵌入式的q r 码识别系统的设计与实现 口8 + 口2 1 = 1 0 4 = 口1 0 7 例如：卯( 2 8 ) 域上的两个域元素口= 2 5 3 和口2 2 1 = 6 9 ，则： 2 5 3 6 9 = 口8 0 口2 2 1 = 口( 8 0 + 2 2 1 ) “川2 5 5 = 口5 1 = 1 0 2 2 3 纠错编码 根据版本和纠正等级，将数据码字序列分为1 个或多个块，对 每一个块分别进行纠错运算。添加在数据码字序列后，使得符号可以 在遇到损坏时不丢失数据。 数据码字为多项式各项的系数，第一个数据码字为最高次项的系 数，第一个纠错码字前的最后一个数据码字是最低次项的系数。纠错 码字是数据码字被纠错码多项式g ( x ) ( 见参考文献5 附录a ) 除得的 余数。余数的最高次数为第一个纠错码字，最低次项系数为最后一个 纠错码字，也是整个块的最后一个码字嵋1 。 纠错算法也可以由图2 4 所示的除法电路实现。生成编码的状态 有两种，在第一种状态时，开关位置向下，数据码字同时经过电路与 输出，第一种状态在n 个时钟脉冲后结束；第二种状态( 刀+ 1 靠+ 尼时 钟脉冲) 时，开关位置向上，通过保持输入为o 顺序释放寄存器而生 成纠错码字。 图2 4 纠错