（电路与系统专业论文）二维条形码pdf417识别及其单片机实现.pdf

韭壶銮逼太堂亟兰建盈塞生塞撞碧 中文摘要 摘要：二维条码的识别是当今主要的计算机自动识别技术热点之一，基于图像式 的二维条码识读设备是目前研究的一个热点。因为二维条形码识别运算量大，当 前识读设备往往使用面阵c c d 和高性能的嵌入式处理器或者数字信号处理器来构 成二维条形码识别系统。本论文在硬件结构上提出了一种低成本的基于单片机的 二维条码识别器，该识别器以c c o g l x 单片机为核心，采用为安全和图像识别专 门设计的c m o s 图像传感器o v 7 6 6 0 快速采集二维条码图像，并配合高速s d r a m 和外置闪存，实现了对p d f 4 1 7 二维条码的高效采集和实时处理。 p d f 4 1 7 条码识别算法已比较成熟，但因为所采用的硬件平台不同成为了研究 的热点。考虑本论文采用速度较慢的单片机作为核心，为了实现对条码的实时处 理，在保持识别算法稳定的前提下提高算法的速度变得至关重要。本文在当前识 别算法的基础上，提出了快速定位条形码条空转变处的算法，大大减少了条码识 别的计算量。深入研究了p d f 4 1 7 条形码的扫描算法，提出了自适应扫描算法，提 高了扫描对图像数据的利用率。针对码字矩阵初始化问题，提出了简化的初始化 算法，进一步提高了识别速度。最后，本文将识别算法在硬件上顺利实现，实践 证明，该算法在单片机系统上能保持良好的识别率和识别速度。 本系统具有硬件结构简单、低成本、扩展性好的特点，具有良好的市场前景和 推广价值。 关键词：二维条码p d f 4 1 7 单片机c m o s 图像识别 分类号： 韭塞銮通太堂亟堂焦论塞 a b s t r a c t ：t w o - d i m e n s i o n a lb a r c o d er e c o g m t i o ni st h em 巧o rr e s e a r c ho f c o m p u t e r 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 yn o w a d a y s i m a g e - b a s e db a r c o d er e a d e r sa r eo n e o f t h ef o c u s e so f r e s e a r c h b e c a u s et h ec o m p u t a t i o n so f 2 db a f c o d em ：o g a i t i o n , c 舶r r c n t r c a d e 巧u c c do m n e r aa n dh i g h - p e r f o r m a n c ee m b e d d e dp r o c e s s e ro rd i 垂t a ls i 粤l a l p r o c e s s e rt oc o n s u l l c tr e c o g n i t i o ns y s t e m t i l i st h e s i sd e s c r i b e dal o wc o s t2 db a r c o d e r e c o g n i t i o ns y s t e mu s i n gm i c r o c o n t r o l l e r t h i ss y s t e mi sb a s e d0 1 1e c o g i xm c u u s i n go v 7 7 6 0c m o sc a m e r aw h i c hi sad e s i g n e df o rs a f e t ya n di m a g er e c o g n i t i o n t o s a m p l eb a r c o d ei m a g e ，c o m b i n e dw i t hh i g h - s p e e ds d r a ma n de x t e r i l a lf l a s ht h i s s y s t e mr e a l i z e de f f i c i e n tr e q u i s i t i o no f b a r c o d ed a t aa n dr e a l - t i m ep r o c o s s i n 吕 p d f 4 1 7b a r c o d er e c o g n i t i o na l g o r i t h mh a sb e e nr e l a t i v e l ym a t u r e , i t ss t i l lah o t r e s e a r c hp o i n tb u ta d o p t c db yd i f f e r e n th a r d w a r ep l a t f o r m s c o n s i d e rs y s t e mi n t h i s p a p e ru s i n g r a t h e rs l o wm c u ，i no r d e rt oa g h i 删 et h er e a l - t i m ep r o c e s s i n go f b a rc o d e s ， i m p r o v i n gt h es p e e da n da tt h en l e a nt i m em a i n t a i nt h es t a b i l i t yo fa l g o r i t h mb o c o m e c r u c i a l o nt h eb a s eo f c u r t o a tr e c o g n i t i o na l g o r i t h m , t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dam e t h o do f f a s tl o c a t i n gt h et r a n s i t i o nb e t w e e nt h ee l e m e n t so f b a r c o d c , g r e a t l yr e d u c e dt h ea m o u n t o fb a r e o d er e c o g n i t i o nc o m p u t a t i o n a f t e ri n - d e p t hs t u d y i n go fp d f 4 1 7s c a n n i n g a l g o r i t h m , t h et h e s i sc r e a t e da d a p t i v es c a n n i n ga l g o r i t h m , e a h a a c e dt h eu t i l i z a t i o nr a t e o fi m a g ed a t a f o rt h ec o d em a t r i xi n i t i a l i z a t i o n , a l s oi n 血o d u c e das i m p t i f i o d i n i t i a l i z a t i o na l g o r i t h m , w h i c hf u r t h e re n h a n c e dt h er e c o g n i t i o ns p e e d f i n a l l y , t h i s s y s t e mh a sb c e f is u c c e s s f u l l yc o m p l e t e d t h er e a l i z e ds y s t e mb a s e do nm c u m a i n t a i n e dag o o dr o g a i t i o nr a t ca n dr e c o g n i t i o ns p e e d 。 t h i s2 db a r c o d er e c o g n i t i o ns y s t e mh a sh a r d w a r es t r u c t m e r e l a t i v e l ys i m p l e , l o w - c o s ta n dg o o ds c a l a b i l i t yf e a t u r e s , h a sag o o dm a r k e tp r o s p e c t sa n dp r o m o t i o n v a l u e k e y w o r d s ：2 1 ) b a r o o d ep d f 4 1 7m i c r o c o n t r o l l c rc m o si m a g er e c o g n i t i o n c i a s s n 0 ： 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钓复印件狙滋盎。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作考签名：力声 导师签名：学位论文作考签名：，二尸导师签名： 郄嘲 磐醐吵7 引咖7 日 稗醐：彳仁月侈日 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夕 ，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。 学位论文作者签名：7 翟为签字日期：妒7 年f 明移日 2 0 0 7 年1 2 月 致谢 本论文的工作是在我的导师郝晓莉教授的悉心指导下完成的，郝晓莉教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。郝老师无论是学习还 是生活上都给了我很大帮助，在此衷心感谢三年来郝老师对我的关心和指导。 在开展论文研究工作期间，英国c y a n 公司的a n d yc r o m a r t y 、e d w a r dh a r r i s 、 s t e v ec l a r k e 、a n d r ep o w e l l 工程师和e eb e n gl a i n 、s e a nc o c h r a a e 、t o n yw a r d 博 士对我的研究工作给予了热情的帮助和支持，他们对系统的硬件和算法设计提供 了宝贵的意见，并在硬件设计上提供了大量帮助，他们的支持和理解使我最终顺 利将系统实现和完成，在此向他们表示衷心的感谢。 李杰、李昌、张鹏、赵伟、王忠琴、e m m a y a p 等同学对我论文中的条形码研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢父母，他们的理解和支持使我在实习和论文的研究过程中一直坚 持，克服重重困难，顺利完成我的学业。 韭 夏窑盈盔堂鲤宝僮论塞i i直 1 1 一维条形码 1 引言 条码技术自问世2 0 多年来发展迅速，它具有输入速度快、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。目前一维条码技术在我国已广 泛应用于商业、金融业、交通运输业、医疗卫生、邮电、制造业、仓储业等领域【， 极大的提高了工作效率，提高了数据采集和信息处理的速度，为管理科学化和现 代化做出了积极的贡献。但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，使用一维条码，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义，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。附带庞大数据库的方法显然无法适应某些服务对象数量巨 大的行业要求，比如户籍管理、医疗信息卡、物流信息卡等。其次，一维条码只 能表达字母和数字，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；另外，在某些场合下，大信息容量的一维条码通常 受到标签尺寸的限制，也给产品的包装和印刷带来了不便。例如：c o d e 3 9 码最大 密度只有9 4 c p l ( c h a r a c t e r p e ri n c h e s ) ，c o d e l 2 8 的最大密度也只有1 2 2 c p i 。最后， 一维条码不具有备纠错功能，比较容易受外界污染的干扰。 1 2 二维条形码 1 2 1 二维条码特点 二维条码技术是在一维条码无法满足实际应用需求的前提下产生的。国外对 二维条码技术的研究始于2 0 世纪8 0 年代末。在二维条码符号表示技术研究方面， 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 e 4 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 密度是一维条码c o d e 3 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 ) 己完成了p d f 4 1 7 ，q rc o d e ，c o d e 4 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 , q e c j t c l s c 3 1 ) ，已制定了q ro d d e 的国际标准( i s o 1 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 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。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。二维条形码在信息携带、信 息自动传递、信息防伪方面具有以下优点【1 j ： 信息容量大 它能够在横向和纵向两个方位同时表达信息，能在很小的面积内表达 大量的信息，使条码脱离数据库成为独立的信息载体。一维条码最大容量 不超过8 0 字节，而二维条码根据不同的条空比例，每平方英寸可以容纳2 5 0 到1 1 0 0 个字符 编码范围广 能对图片、指纹、声音、签字、文字等可数字化的信息进行编码。 保密、防伪性好 。 二维条码是将信息通过数学方法转变成图形，有很强的防伪性。也可 以在二维条码形成的过程中采用索引密码、数据加密等手段对其进行加 密 解码可靠性高 二维条码的误码率不超过千万分之一，可靠性极高。一维条码的解码 误码率为百万分之一。 纠错能力强 在二维条码中采用了世界上最先进的数学纠错算法，选择适当的纠错 级别，在破损面积不超过整个条码符号5 0 时，依然可以恢复丢失的信息。 印制简单、成本低、寿命长 二维条码能利用激光、热传印、热敏等方式制作在各种不同类型的介 质上，不受任何电、磁信息干扰，只要二维条码的图形符号存在，它的 信息就存在。 1 2 2 二维条码分类 目前二维条码有许多不同的编码方法，或称码制。就这些码制的编码原理而 言，通常可分为以下三种类型【3 l ： 麟匿黼饕蠼黧 蠼量】矩阵式 图l l 二维条形码 f i g u r e1 - 12 db a r c o d e 堆叠式。堆叠式二维条码形态上是由多行短截的一维条码堆叠而成，具有 代表性的堆叠式二维条码包括p d f 4 1 7 、c o d e4 9 、c o d e1 6 k 等。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。但由于行数的增加，需要对行进行判定、其解 码算法与软件也不完全相同于一维条码。堆叠式二维条码中包含附加的格 式信息，信息容量可以达到l k ，倒如：p d f 4 1 7 码可用来为运输，收货标签 的信息编码，它作为a n s im h l 0 8 标准的一部分为“纸上e d i ”的送货标签 内容编码，这种编码方法被许多的工业组织和机构采用。 矩阵式。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“l ”，空的出现表示二进制“o ”，由点的排列组合确定了代 码表示的含义。有代表性的矩阵式二维条码包括c o d eo i l e 、a z t e c 、d a t e m a t r i x 、q r 码等。矩阵式二维条码带有更高的信息密度( 如：d a t am a t r i x 、 m a x i c o d e 、a z t e c 、q r 码) ，可以作为包装箱的信息表达符号，在电子半 导体工业中，将d a t a m a u i x 用于标识小型的零部件。矩阵式二维条码只能 被二维的c c d 或者c m o s 图像式阅读器识读，并能以全向的方式扫描。 邮政码。通过不同长度的条进行编码，主要用于邮件编码例如f o s t n c t 和 b p 0 4 - s t a t e 。 1 2 3 二维条码的应用 二维条码能够将任何语言( 包括汉字) 和二进制信息( 如签字、照片) 编码， 并具有由用户选择不同的纠错级别以及符号残损的情况下恢复所有信息的能力。 因此人们也叫二维条码便携式数据文件( p o r t a b l ed a t af i l e ) 、自备式数据库 ( s e l f - c o n t a i n e d d a t a b a s e ) 、纸上网络( p a p e r n e t ) 。 9 臀1 - 2 二维条形码的应用 f i g u r e1 - 2a p p l i c a t i o no f 2 db c o 如 图1 2 列出了二维条形码的一些应用。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、新加坡、菲律宾、南非、加拿大等国，已 将二维条码技术应用于政府部门( 如：档案管理) 、公共安全( 如：枪械证、身份证) 、交 通运输( 如：驾驶证) 、邮政( 如：包裹单) 、医疗保健( 如：医疗卡) 、工商行政管理( 如：代 码证、营业执照) 、金融业( 如：银行的汇票、支票) 、海关( 如：海关报关单) 等需要信 息携带、信息传递、信息防伪的行业。例如美国在身份证、驾驶证、军人证等证 件中，除了将人的姓名、单位、地址、电话、个人简历等信息进行编码外，还将 人体的特征，如指纹、视网膜扫描以及照片等个人信息存储在可识别的条码中， 这样可以实现证件信息的自动录入，进入网络化管理，有效地防止证件的伪造， 减少犯罪p j 。 由于二维条码具有成本低，信息可随载体移动，不依赖于数据库和计算机网 络，保密、防伪性能强等优点，结合我国人口多、底予簿、计算机网络投资资金 难度较大，对证件的防伪措旌要求高等特点，可以预见，二维条码在我国极有推 广价值。 我国对二维条码技术的研究开始于1 9 9 3 年。中国物品绽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研究和震求与日俱增。例如： 矽感科技条码识别子系统采用自主知识产权的c i s 影像传感技术，配合自主研发 的c o m p a c t m a t d x 二维条码，克服了软硬件方面的专利壁垒，有效地降低了二维条 码识别子系统的成本。龙贝二维码系统拥有包括底层核心技术的全套自主知识产 权，填补了我国空白。 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 , t1 7 1 7 2 - 1 9 9 7 理一七条码，g b t1 8 2 8 4 - - 2 0 0 0 快 速响应矩阵码。有关龙贝二维条码，矽感二维条码的中国标准正在制定过程中。 为使二维条码技术能够在我国的证照管理领域得到应用，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已在我国的汽 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，弓l 起了与会代表和新镯界的极大关注；我国香港特别行政 区己将二维条码应用在特别行政区的护照上。对于我国自主开发的龙贝二维条码 和c m 二维条码的应用已经有相关的报道，她将广泛地应用于安全性要求高的各 类证照，物流和信息流同步要求高的邮政、生产线，仓储、货物配送等领域以及 管理要求高的银行、工商、税务、海关等部门中国民航总局在全国1 2 7 个机场 的机动车驾驶证安全防伪系统中开始采用龙贝二维条码。在中国民航驾驶证的龙 贝二维码中装有2 4 位全天然彩色面部照片生物装置，面积只有6 0 厘米且信息 密度比美国军入身份证采用的二维码技术要高2 4 5 5 倍，比美国最先进的肯塔基州 驾驶证要高6 6 2 6 倍。矽感科技研究开发的拥有完全自主知识产权的c m 二维条码 及相应的识读技术，在其关键的信息存储量最大可达3 2 k b ，从而使得利用这一技 术对诸如头像、指纹、声音、掌纹等更多的信息进行编码和存储成为可能，且可 容纳信息密度高、纠错能力强、解码可靠性高，加之该公司采用独特的c i s 影像 传感专利技术，使其识读设备具有极高的价格竞争力。美国4 0 个州驾照制作有望 全面采用中国的c m 二维条码( c o m p a c t m a t r i x ) 技术，还与墨西哥达成了其全国身 份证使用这一技术的维介应用意向 1 2 4 二维条码识读设备 二维条码的识读设备依识读原理的不同可分为f i l ： ( 1 ) 线性c c d 和线性图像式识读器( l i n c a fl m a g e x ) 韭塞窑煎太堂亟堂位论塞i i宣 可识读一维条码和行捧式二维条码( 如p d f 4 1 7 ) ，在阅读二维条码时需要沿 条码的垂直方向扫过整个条码，又称为扫动式阅读”，这类产品的价格比较便宜。 ( 2 ) 带光栅的激光识读器 可识读一维条码和行排式二维条码。识读二维码时将扫描光线对准条码，由光 栅部件完成垂直扫描，不需要手工扫动 ( 3 ) 图像式识读器( i m a g e r e a d e r ) 采用面阵c c d 或者c m o s 摄像方式将条码图像摄取后进行分析和解码，可识 读一维条码和二维条码。 另外，二维条码的识读设备依工作方式的不同还可以分为：手持式、固定式 和平版扫描式。 二维条码的识读设备对于二维条码的识读会有一些限制，但是均能识别一维条 码 1 3p d f 4 1 7 二维条码 1 3 1p d f 4 1 7 二维条形码的特点 表1 1p d f 4 1 7 和q rc o d c x , l 比 t a b l e1 - 1c o m p a x eo f p d f 4 1 7a n dq rc o d e 二维条码q r ( 快速响应)p d f 4 1 7 ( 便携式敦据文件) 类型矩阵式堆叠式 发明公司d e n s o w a v e 日本1 9 9 4 s y m b o l ，关国1 9 9 0 使用国家日本、中国中国、美国等2 4 个国家 大小i ，2 。到2 。l ，4 x i ，s l x2 竹 几何形状方形长方形 密度 5 0 0 5 0 0 数字 7 0 8 92 7 2 9 字符 4 2 9 61 8 4 8 子节 2 9 5 31 1 0 0 中文独立模式 同步 3 个角边缘 纠错4 个级剐 依据安全级别而定 安全级别l o 个级别 国际标准 塔0 2 0 0 0 a “ a n s i a i m ，i s o 识别速度3 “秒3 ，秒 表1 1 列出了两种有代表性的堆叠式二维条形码和矩阵式二维条形码特性对 比从表中可以看出，p d f 4 1 7 的优点包括：( 1 ) 信息容量大密度高。例如，p d f 4 1 7 韭基銮遁太坐亟堂焦监 塞 i l 直 条码符号可以容纳1 8 4 8 个字母字符，或2 7 2 9 个数字字符。或字母数字混合编码。 当窄条模宽为6 6 密耳( o 1 7 m m ) 时，p d f 4 1 7 条码表示标准i s o 卡，大约只占面积 7 6 m mx2 5 r a m ( 包括周围空白区) 。( 2 ) 修正错误能力强，解码可靠性高。二维条 码采用世界上先进的错误修正技术，可以有效地防止解码错误。可将由于条码符 号破损、玷污等丢失的信息破译出来。同时还能提高解码速度。用户可根据需要 选择错误修正等级。最高时，可将符号受损面积达5 0 的条码符号所含信息复现 出来。最近，在美国国防部举办的管理数据库测试中，阅读2 0 0 0 万个p d f 4 1 7 条 码，没出现一例解码错误，说明其具有极高的可靠性。( 3 ) 保密性高。信息按密码 格式编码，可以防止伪造条码或非法使用有关编码的信息( 4 ) 易打印且耐用持久。 条码可印在纸、卡片等各种条码载体上，可使用激光、热敏热转印、喷墨等打印 技术，读条码时不需要物理接触，所以不受读卡次数限制，使用寿命长。( 5 ) 识读 条码方法灵活。堆积型二维条码( 如p d f 4 17 ) 可以使用线性c c d ，2 dc c d 、c m o s 、 激光扫描器识读。( 矩码码只能用2 dc c d 或c m o s 图像传感器识读) 。( 6 ) 成本低。 可以将重要文档编为一系列二维条码，打印或印刷在普通纸介质上，使用二维条 码存储相同量的信息比使用磁带等存储介质成本低。相对于q r 码，p d f 4 1 7 使用 更加广泛，所以，本文使用p d f 4 1 7 码进行二维条形码识别的研究。 1 3 2p d f 4 1 7 应用举例 作为最可靠的自动识别技术之一，p d f 4 1 7 条码在管理、运输、p o s 系统，电 子数据交换等方面得到广泛的应用。由于p d f 4 1 7 条码不仅可以将数字、字符等信 息存入编码，而且可以把指纹、人脸、虹膜等图象信息存入条码，因此p d f 4 1 7 条码可以应用于人事管理、证件识读。目前。p d f 4 1 7 条码已经或者正在被许多政 府部门、工业l 羽体所采纳。a t a g o d e t r e d t 美和欧洲汽车组织，将p d f 4 1 7 条码 选定为e d i t 电子数据交换) 标准。a a m v a ( 美国机动车管理局) 将p d f 4 7 条码选 定为所有驾驶员和机动车管理的二维条码标准。t c i f ( 美国电信工业论坛1 将 p d f 4 1 7 条码做为重要电讯产品的标识标准。美国国防部在其新的军人证上采用 p d f 4 1 7 条码作为机读标准，己经在全球7 0 0 多个美军基地投入使用。我国的一些 金融系统也开始采用p d f 4 1 7 条码【2 】。图1 3 列出了p d f 4 1 7 的几种应用。 图1 - 3p d f 4 1 7 应用举例 嘶1 - 3e x a m p l eo f p d f 4 1 7a p p l i f i o l l 1 4 本课题的意义 综上所述，二维条形码在国内外都在飞速发展，已经逐渐成为电子数据交换 ( e d i ) 的载体。虽然二维条码的识别已有了许多成熟的系统和算法，但由于一般采 用c c d c m o s 图像传感器和高性能嵌入式处理器数字信号处理器构成条码识别 系统，系统复杂，成本较高，对于二维条形码的推广有一定的阻力。而且，由于 二维条码识别技术具有商业保密性。资料来源较少，相关研究受到了很大限制。 现在许多二维条码的识别设备还是需要从国外引进，更增加了使用成本。 本课题的目的是设计一套主要由单片机和c m o s 图像传感器构成的二维条码 识别系统。该系统相对于现有系统有着更简单的结构，更低的成本，并且在算法 上更加容易移植和实现。因为图像识别和解码模块算法已经封装为应用程序接口 ( a p i ) ，所以并不局限于这个硬件平台，在其他硬件平台上也能使用。该系统具有 良好的扩展性，不仅可以单独的作为一个二维条码识别设备，也能作为数据采集 设备或者资产跟踪器的一部分。它具有广泛的市场翦景和推广价值，使得二维条 形码的使用变得更加简单和灵活，也为二维条码在国内的推广铺平了道路。 1 5 本课题的主要研究内容 本课题对p d f 4 1 7 二维条码识别系统的研究按功能主要可以分为下面几个部 分； ( 1 ) 系统硬件设计 为了提高研究的效率，该课题使用的是e c o g i x 单片机开发板作为主要开发 平台，并自行设计了c m o s 图像传感器子卡，配合开发板上的s d r a m 外置闪存 和串口构成了识别系统。 ( 2 ) 条码图像的采集 首先，研究了o v 7 6 6 0c m o s 图像传感器的工作模式。因为o v 7 6 6 0 芯片内 部具有模拟和数字信号处理功能需要寻找一种适合条码识别的工作模式能够 使用o v 7 6 6 0 采集最佳图像其次，因为e c o g i x 较慢，为了能够使单片机对图 像的采集达到一定的速度，需使用汇编编写图像采集程序。 ( 3 ) 条码图像的识别 准确解码的关键之一是准确分析条码图像，读取条码的条空分界信息，由i 嘲e 得条码的符号字符。关于条码图像的定位和扫描的方法，目前国内外都有一些理 论上的研究和探索，如文献 1 5 r e 提出的利用条码纹理特征确定其在载体上的位置 和方向的方法，文献 1 7 仲提出的利用双低通滤波器判定的方法。但这些方法复杂， 在单片机上运行十分缓慢。 本文对条码图像识别算法进行了深入研究，对国内外各种条码定位和扫描算法 进行了尝试，探讨了一种快速定位条形码条空转换处的算法，该算法结合了图像 的局都阕值和低通滤波，提高了条码扫描的速度。提出了一种不需要对整幅图像 进行处理的自适应扫描算法，大幅简化了条码扫描的运算。并通过硬件实现和测 试检验了该方法的有效性。 ( 4 ) p d f 4 17 二维条码解码 p d f 4 1 7 - - 维条码的解码主要可以分为低级解码和高级解码。本文使用了构建 二维数组对低级解码表扩展的方法进行低级解码，并对码字矩阵初始化的算法进 行了简化。文献0 6 1 d e 使用了对计算每个码字的权值的码字矩阵初始化算法。本文 使用的算法无需计算码字的权重，只需要对矩阵的关键参数进行计算。最后，还 讨论v r s 纠错算法和高级解码算法。 完成对算法的研究之后，本课题将算法在硬件系统上进行实现，并进行了各种 不同的识别测试。 2p d f 4 1 7 条码结构和编码原理 2 1 p d f 4 1 7 条码的结构 p d f 4 1 7 码由美国s y m b o l 公司发明。p d f ( p o r t a b l ed a t af i l e ) 意思是“便携数 据文件”，因为组成条码的每一符号字符都是由4 个条和4 个空构成，如果将组成条 码的最窄条或空称为一个模块，则上述的4 4 条和4 个空的总模块数一定为1 7 ，所以 称4 1 7 码或p d f 4 1 7 码【4 l 。p d f 4 1 7 条码是一个多行可变长结构，相当于一维条形码 在纵向上的叠加。符号顶部和底部为空白区，上下空白区之间为多行结构。每行 数据符号字符数相同，行与行左右对齐，直接衔接。其最小行数为3 ，最大行数为 9 0 。以下为一个l l 行的p d f 4 1 7 条码，每行自左向右结构如图2 1 。 圳随隧瞵臣龄辫 起赡符丘糟永符量姑右骷示符 终止符 第一行 革，：行 图2 - 1p d f 4 1 7 的结构 f i g u r e2 - 1s t r u c t m eo f p d f 4 1 7 p d f 4 1 7 条码的可编码字符集包括全a s c h 字符及扩展a s c i i 字符或8 位二迸制 数据，多达8 l l ，8 0 0 种不同的字符集或解释。条码符号的尺寸是可变的，高度范围 为3 - 9 0 行，宽度范围为9 0 x - 5 8 3 x , x 是符号的模块宽度。条码的最大数据量( 错误 纠正等级为0 时) 为每个符号表示1 8 5 0 + 大写字母或2 7 l o 个数据或l1 0 8 个字节。 2 2p d f 4 1 7 条码的符号 2 2 1符号字符的结构 在p d f 4 1 7 中。由特定的条和空组合而成的表示信息的基本单位叫符号字符。 每个符号字符由4 个条和4 个空组成，从左至右。每个条和空最多包括6 个模块，在 每个符号中，4 个条和4 个空的总模块数为固定值1 7 。如果2 2 所示： 1 6 、ti_。l一 扯宝銮亟太堂亟堂僮论塞q 41z 盘舀结控塑蕴码压强 符号 2 2 2 码宇集 、_ _ - - ，、一 条 空 图2 - 2 符号字符 f t g m e 2 2p a t t e r no f p d f 4 1 7 p d f 4 1 7 条码字集包括9 2 9 + 码字，码字的取值范围为0 - - , 9 2 8 。在码字集中，码 字的使用遵循下列规则： 码字0 - - 8 9 9 ：根据当前的压缩模式和g l i 解释，用于表示数据 码字9 0 0 - 9 2 8 ：在每一模式中，用于具有特定的符号字符的表示。具体规定如下： 码字9 0 0 * 9 0 1 ，9 1 3 和9 2 4 用于模式标识； 码字9 2 5 ，9 2 6 和9 2 7 用于g u ： 码字9 2 2 ，9 2 3 和9 2 8 用于宏p d f 4 1 7 条码： 码字9 2 1 用于阅读器初始化： 码字9 0 3 - 9 1 2 9 1 4 - - - 9 2 0 用于保留待用。 2 2 3 符号字符的簇 条码符号字符由三个簇构成，每一簇包含不同的条、空形式表示的所有9 2 9 + p d f 4 t 7 条码的码字。在一簇中，每一符号字符对应唯一的码字，其范围为0 - 9 2 8 。 p d f 4 1 7 条码使用簇号0 ，3 ，6 ，簇号的定义适用于所有的p d f 4 1 7 条码符号字符。 p d f 4 1 7 条码的每行只使用一个簇中的符号字符，同一簇每三行重复一次。第一行 使用第0 簇，第二行使用第3 簇，第二行使用第6 簇，第四行使用第o 簇，以次类推。 符号由上往下递增，最上一行行号为1 。对于特定的符号字符，其簇号由下式确定： 簇号= 他- b 2 + 岛一屯+ 9 ) m o d9( 1 ) 式中6 l 、巩、b 3 、b 4 分别比表示自左向右的四个条的模块数。 例如：对于图2 - 2 中的符号字符，其簇号计算如下： 簇号= ( 5 一l + l 一2 + 9 ) m o d9 = 3( 2 ) 对于每一特定的行，使用发符号字符的簇号由下式计算： 一 _i 簇号= 【( 行号一1 ) m o ds i x 3 2 2 4 行指示符号字符 行指示符号字符包括左行指示字符( l i ) 和右行指示符号字符( i 己i ) ，分别与起始 符和终止符相连接，见图3 1 。行指示符号字符的值( 码字) 指示p d f 4 1 7 条码的行 号，行致，数据区中数据符号字符的列数和错误纠正等级。左行指示符号字符和 右行指示符号字符由下式确定： r 3 0 i i + y 当c i = o 时f 3 0 x j + v当q = o f 时 厶= l3 0 x ，+ z当c = 埘r i = i3 0 x i + y当q = 3 时 l3 0 x ，十v 当c f = 6 时 l3 0 一+ z 当q = 6 f 时 其中而= i n t 【( 行号- 0 3 1 ，f = 1 , 2 , 3 9 0 ；y = i i l 姒行号- 0 3 】 z ；错误纠正等级3 + ( 行数一1 ) m o d 3 ，v = 数据区的列数- 1 ，q = 第i 行的簇号， 如果一个p d f 4 1 7 的符号为3 行，3 歹l l ，错误纠正等级为l ，那么，岛，厶) 为( o ，5 ，2 ) ， ( 墨，是，焉) 为( 2 ，o ，5 ) 。 2 3p d f 4 1 7 编码压缩模式 为了有效地压缩并表示数据，p d f 4 1 7 条码采用三种数据压缩模式设置来组成 字符集三种数据压缩模式分别是文本压缩模式f r c ) 、字节压缩模式( b c ) 和数字 压缩模式( n c ) 通过应用模式锁定，转移( l a t c h s h i t t ) 硒j 字，可在一个p d f 4 1 7 条码符 号中应用多种模式表示数据。 2 3 1 文本压缩模式( t c ) 文本压缩模式是每一符号起始的默认有效的压缩模式。为了更有效的表示数 据，文本压缩又分为大写字母型子模式( a l p h a ) 、小写字母型子模式( a l p h a ) 、混合 型子模式( m i x e d ) 和标点型子模式岫c t i i a t i o n ) 四个子模式。 每种子模式选择了文件中出现频率较高的一组字符组成的字符集。在子模式 中，每一个字符对应一个值( 0 2 9 ) ，这样就可以用一个单独的码字表示一个字符对， 表示字符对的码字由下式计算： 码字= 3 0 x h + 三 ( 5 ) 式中：h l 依次表示字符对中的高位和低位字符值 任何模式到文本压缩模式f r c ) 的锁定都是到大写字母型子模式( a l p h a ) 的锁定。 在文本压缩模式中，每一个码字用两个基为3 0 的值表示( 范围为0 - - 2 9 ) 如果在一个字 符串的尾部有奇数个基为3 0 的值，需要用值为2 9 的虚拟字符p s 填充最后一个码字。 如果在一个字节转移( 码字9 1 3 ) 之前紧接着应用p s ( 2 9 ) 做为一个填充，那么p s 则 无效。不允许在一个子模式转移之后的另一个子模式马上转移或锁定。 2 3 2 字节压缩模式( b c ) 字节压缩模式通过基2 5 6 至基9 0 0 的转换，将字节序列转换为码字序列。 对于字节压缩模式，有两个模式锁定( 9 0 l , 9 2 4 ) ，当所要表示的字节总数不是6 的倍数时，用模式锁定9 0 l ；当所表示的字节总数为6 的倍数时，用模式锁定2 9 4 当所要表示的字节数不是6 的倍数时，必须使用模式锁定码字9 0 1 ，前6 个字节 的转换方法是通过基2 5 6 至基9 0 0 的转换；对被6 整除所剩余的字节应每个字节对应 一个码字，逐字节用码字直接表示 2 3 3 数字压缩模式( n c ) 数字压缩模式通过从基l o 到基9 0 0 的转换压缩数据。将约3 个数字位用一个码 字表示，在表示数字时效率最高。在数字压缩模式下，将根据下述算法对数字位 进行编码： 1 ) 将数字序列从左向右每4 4 位分为一组，最后一组包含的数字位可以少于4 4 个。 2 ) 对每一组数字，首先在数字序列前加一位有效数字l ( 即前导位) ，然后执行基 1 0 至基9 0 0 的转换。 例：数字序列0 0 0 2 1 3 2 9 8 1 7 4 0 0 0 压缩方法如下： 首先，对其进行分组，因为它只有十五位，故只有一组： 其次，在其最左边加l 。将得到数字序列1 0 0 0 2 1 3 2 9 8 17 4 0 0 0 ； 最后，将其转换为基9 0 0 的码字序列，结果为1 , 6 2 4 , 4 3 4 , 6 3 2 , 2 8 2 , 2 0 0 。解码算法 与编码算法相反： 1 ) 将每1 5 个码字从左向右分为一组，( 每1 5 个码字可以转换成4 4 个数字位) ，其 中最后一组的码字可以少于1 5 个： 2 ) 对于每一组码字： 先执行基9 0 0 至基l o 的转换。然后去掉前导位l 。 2 4 错误检测和纠正 1 9 p d f 4 i 7 - - 二维条形码之所以具有纠错能力强、解码可靠性高等诸多的特点，是 由于它采用了目前世界上最先进的纠错码技术之一，r e e d s o l o m o n ( r s ) 错误控制 码。r s 码的纠错能力非常强大，尤其是对那些突发性的成片干扰特别有效。显著 地提高了p d f 4 1 7 码的抗干扰能力和可靠性。r s 码具有卓越的性能，但是实现r s 纠错算法的计算量很大，尤其当纠错级数较大时，对速度的影响非常大，目前使 用的r s 码纠错算法主要是b e r l e k a m p - m a s s e y 算法( b m 算法) 。为提高其运算速度， 国内外学者都开展了很多相关研究。方向大致分为两种，一种是在算法上对b m 算 法加以改进，比如文献 2 q ，另外一种是结合四一七条码中纠错码的域结构特点， 设计一些技巧性的解决方案，比如文献【2 0 】就利用g o o d t h o m a sf f r 算法，将四一 七条码在伽罗华域g f ( 9 2 9 ) 勾分解成两个正交的子集，以达到减小计算量的目的， 本文使用的是改进的b m 算法。 每个p df 4 1 7 条码符号至少包含两个错误纠正码字，用于符号的错误检测与纠 正。p d f 4 1 7 条码的错误纠正等级可由用户选择，不同的错误纠正等级对应的错误 纠正码字数不同，最高的错误纠正等级是8 级，可以纠正5 1 2 个