（控制科学与工程专业论文）基于数字图像处理的条形码识别方法与应用研究.pdf

摘要 条码技术是信息数据自动识别和输入的重要方法 在条码技术 中 条码识别是条码应用的关键技术 传统的条码识别方法无法适应 条码技术的快速发展 在这一形势下 迫切需要研究新的条码识别算 法 本文针对一维条码和二维条码p d f 4 1 7 研究了识别方法 针对一维条码在识别过程中 受黑墨扩展等因素造成条和空比例 不符 无法准确识别及识别率比较低等问题 本文研究了基于e p s 格式的条码检测算法 与传统条码检测算法相比 该算法在一定程度 上抑制了点扩展函数对条码的影响 克服了机械设备检测的误差 检 测的精确度和条码识别的准确度得到了显著提高 对于二维条码 边缘模糊会导致二维条码识别率下降 传统的条 码边缘检测算法是先对条码信号进行一阶差分 然后找出条码图像的 边界位置 它的主要缺点是对噪声敏感和边缘定位精确度低 针对边 缘模糊使二维条码识别率下降的问题 本文研究了基于数学形态学的 二维条码边缘检测算法 根据条码的条空编码方式 选取合适的结构 元素 对条码图像进行边缘检测 实验结果表明 与传统的边缘检测 算法相比 所采用的算法能够更为有效地识别出条码边界 保护边缘 细节 提高检测精度 显著提高条码识别的准确度 同时该算法在条 码识别时能很好地抑制受点扩展函数带来的影响 最后分析了二维条码的编码原理 研究了二维条码的编解码系统 设计以及实现方法 关键词条码 数字图像处理 边缘检测 数学形态学 a b s t r a c t 砀et e c h n o l o g yo fb a rc o d eh a sb e e nr e g a r d e da st h ei m p o r t a n t m e a n sf o ra u t o m a t i o nr e c o g n i t i o na n di m p o r t so fi n f o r m a t i o nd a t a a m o n g t h et e c h n o l o g i e so fb a rc o d e b a rc o d er e c o g n i t i o ni st h ek e yf o r a p p l i c a t i o n t h er a p i dd e v e l o p m e n to fb a rt e c h n o l o g y c o u l dn o tb e f o l l o w e dw i t ht r a d i t i o n a lw a y s u n d e rt h et r e n d c r e a t i n gan e ww a y b e c o m e sn e c e s s a r ya n du r g e n t i nt h i sp a p e rt h er e c o g n i t i o nm e t h o d so f t h eo n e d i m e n s i o na n dt w o d i m e n s i o np d f 417h a sb e e na n a l y z e d 1 1 1 eb a rc o d ed e t e c t i o na r i t h m e t i co fe p sf o r m a th a sb e e n i n v e s t i g a t e d i no r d e rt oc o u n t e rs e r i o u si s s u e so ft h eb a rc o d es t r i pa n d t h es p a t i a ld i s p r o p o r t i o n u n a b l et od i s t i n g u i s hc o r r e c tb a rc o d ea c c u r a t e l y l o w e rb a rc o d er a t e w h i c ha r ec a u s e db yt h eb l a c ki n ke x p a n s i o nf a c t o r s i nt h ep r o c e s so fr e c o g n i t i o n c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lw a y s t os o m e e x t e n t t h ei m p a c to fb a rc o d eo np o i n ts p r e a df u n c t i o n a n de lr o r so ft h e c h e c kf o rm a c h i n e r ye q u i p m e r i tc o u l db eo v e r c o m e t h ep r e c i s i o nf o r d e t e c t i o na n dt h ea c c u r a c yf o rb a rc o d er e c o g n i t i o nh a v eb e e ni m p r o v e d n o t a b l y f o rt w o d i m e n s i o nb a rc o d e t h ed e c l i n eo fr e c o g n i t i o nw i l lb e r e f l e c t e db yt h eb l u r r e de d g e t r a d i t i o n a le d g ed e t e c t i o na l g o r i t h mf o rb a r c o d es i g n a lu t i l i z ef i r s to r d e rd i f f e r e n t i a l t h e nf i n do u tt h ee d g ep o s i t i o n o fb a rc o d ei m a g e t h em a i nf a u l t sf o rt h eo p e r a t o ra r en o i s es e n s i t i v i t y a n dl o wp r e c i s i o nf o re d g el o c a t i o n a i ma tt h ei s s u eo ft h ed e c l i n eo f r e c o g n i t i o nc a u s e db yb l u r r e de d g e t o w d i m e n s i o n a l e d g ed e t e c t i n g a r i t h m e t i cb a s e do nm a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g yh a sb e e nw o r k e do u ti nt h e p a p e r a p p r o p r i a t e s t r u c t u r a le l e m e n th a sb e e ns e l e c t e da c c o r d i n gt o e n c o d e dm o d e a n dm a k ec h e c kf o ri m a g eo fb a rc o d e t h er e s u l t s u g g e s t st h a tt h ee d g eo fb a r c o d ec o u l db ei d e n t i f i e d e d g ed e t a i l sc o u l d b ep r o t e c t e d m e a s u r e m e n to f p r e c i s i o nc o u l db ee l e v a t e de f f e c t i v e l y a n d t h ea c c u r a c yo fr e c o g n i t i o nc o u l db ei n c r e a s e do b s e r v a b l y m e a n w h i l e t h ei m p a c to fb a rc o d eo np o i n ts p r e a df u n c t i o nc o u l db er e s t r a i n e dw e l l t o o f i n a l l y t h ec o d i n gt h e o r yo ft w o d i m e n s i o nb a rc o d e t h ed e s i g no f d e c o d i n gs y s t e ma n dt h ew a y o fi m p l e m e n th a v eb e e ni n v e s t i g a t e di nt h i s p a p e r k e yw o r d sb a rc o d e d i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n g e d g ed e t e c t i o n m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g i ca l g o r i t h m i i i 原创性声明 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 及取得的研究成果 尽我所知 除了论文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料 与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明 作者签名 遂互蕴日期 2 巫年尘月卫日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文 允许学位 论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内容 可以采用 复印 缩印或其它手段保存学位论文 同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向社会公 众提供信息服务 作者签名 趱 导师签名i 童麴 鳘日期 2 型坚年 月丛日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 条形码研究背景及意义 条形码 简称条码 技术是在计算机技术和信息技术基础上发展起来的一门 集编码 印刷 识别 数据采集于一体的新兴技术 l 条码技术是信息数据自动 识别和输入的重要方法 它主要研究如何用条码标识信息 如何将标识的信息转 换成计算机可识别的语言 以实现自动输入 自动识别 自动统计 条码技术有 许多优点 如方法简单 成本低廉 可靠性高 信息采集量大 灵活性高等 一 维条码自出现以来 受到人们的普遍关注 它己被广泛应用于商业 金融业 交 通运输业 仓储业等领域 不仅可以应用于生产过程 也可用于管理工程 在我 国条形码技术已被广泛应用于工业 商业 图书出版 医疗卫生事业 2 目前条 形码在我国己随着全球经济贸易体系的形成 它将被更广泛地应用于其他领域 条形码的出现极大地提高了工作效率 提高了数据采集和信息处理的速度 一维条形码是由一组规则排列 宽窄不一的条 空组成的标记 用来表示一 定的信息 由于受信息容量的限制 一维条码仅能标识商品 而不能描述商品 一维条码所携带的信息量与二维条码相比十分有限 如商品上的条码仅能容纳 1 3 位 e a n 1 3 码 阿拉伯数字 更多的信息只能依赖商品数据库的支持 离开 了预先建立的数据库 这种条码就没有意义了 因此在一定程度上限制了条码的 应用范围 3 基于这个原因 在9 0 年代发明了二维条码 它是在一维条码基础 上形成的高密度 高信息量的条码 可以将大量信息在小区域内编码 二维条码 除了具有一维条码的优点外 同时还有信息量大 可靠性高 保密防伪性强等优 点 二维条码依靠其庞大的信息携带量 能够把过去使用一维条码时存储于后台 数据库中的信息包含在条码中 可以直接通过识读条码来得到其信息 并且二维 条码还有错误修正技术及防伪功能 这样就大大增加了数据的安全性 二维条码 的工作流程不同于一维条码 二维条码无需数据库的支持 真正实现了数据的便 携化 而且二维条码可以表示汉字 图像等信息 一维条码主要有e a n 和u p c 两种 其中e a n 码是我国主要采取的编码标 准 e a n 是欧洲物品条码 e u r o p e a n a r t i c l e n u m b e r b a r c o d e 的英文缩写 是以 消费资料为使用对象的国际统一商品代码 与一维条码一样 二维条码 4 也有许 多不同的编码方法或称码制 根据二维条码实现原理 结构形状的差异 可分为 堆叠式或层排式二维条码 s t a c k e db a r c o d e 和棋盘式或矩阵式二维条码 d o t m a t r i xb a rc o d e 两大类型 硕士学位论文第一章绪论 1 线性堆叠式或层排式二维条码 线型堆叠式二维条码是在一维条码编码原理的基础上 按需要堆积成两行或 多行的条码 它在编码设计 校验原理 识读方法等方面继承了一维条码的一些 特点 但是由于行数的增加 需要对行进行判定 其编译码算法又与一维条码有 很大不同 典型的条码如 c o d e1 6 k c o d e4 9 p d f 4 1 7 等 2 矩阵式或棋盘式二维条码 矩阵式二维条码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 编码的条码 在矩阵相应元素位置上 用点 方点 圆点或者其它形状 的出现 表示二进制的 1 一 点的不出现表示二进制的 0 力 点的排列组合确定了矩阵式 二维条码所代表的意义 典型的码制如 q rc o d e d a t am a t r i x m a x ic o d e c o d e o n e c o m p a c t m a t r i x 龙贝码等 二维条码是用某种特定的几何图形按一定规律在平面 二维方向 上分布的 条 空相间的图形来记录数据符号信息 它具有条码技术的共性 即每种码制有 其特定的字符集 每个字符占有一定的宽度 具有一定的校验功能等 具有高信 息容量 强纠错能力 安全性好 编码范围广和不依赖后台数据库等优点的二维 条码瞪 6 已经成为现代条码应用的新兴技术 从符号学的角度讲 二维条码和一维条码都是信息表示 携带和识读的手段 它们有着共同的特点 1 简单 条码符号制作容易 扫描操作简单易行 2 信息采集速度快 普通计算机的键盘录入速度是每分钟2 0 0 字符 而利 用条码扫描录入信息的速度是键盘录入的2 0 倍 3 采集信息量大 利用条码扫描 一次可以采集十几位字符的信息 而 且可以通过选择不同码制的条码增加字符密度 使录入的信息量成倍地增加 4 设备结构简单 成本低 从应用角度讲 尽管在一些特定场合可以选择其中的一种来满足需要 但它 们的应用侧重点是不同的 一维条码是对物品的标识 二维条码则是对物品的描 述 除了用途方面的差别外 二维条码同传统条码在信息容量等方面也存在较大 差别 如表1 1 所示 通常主要利用数字图像处理技术实现条码译码系统和条码 编码方式的研究 条码技术 7 1 现已应用在计算机管理的各个领域 渗透到了商业 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 因此研究条码技术有着重要 意义 2 硕士学位论文第一章绪论 表i 1一维条码与二维条码比较 从我国目前研究现状来看条码在印刷中存在着许多严重的质量问题 据条码 工作会议统计 我国商品条码印刷不合格率高达3 0 条码印刷质量是影响其正 确识读的重要因素 若因质量低劣出现扫描误读 不仅会造成一定的经济损失而 且将大大影响工作效率 印刷质量不合格主要表现在条码展宽或漏印 再加上运 输过程中造成的磨损 断裂和脏污 所有这些因素将不可避免地对条码的识读造 成影响 使条码的识读率很低 严重影响了条码的正确识读 所以条码的识别技 术是条码应用的关键 如何克服数据采样中的系统误差和流通中的条码破损 从 而准确 高效地识别出条码一直是条码技术研究的热点 1 2 条形码识别技术国内外研究现状 目前一维条码的自动识别主要是由条码扫描和译码两部分组成 是通过硬件 设备来进行检测的 扫描是利用光束来扫读条码符号 8 将光信号转换成电信号 然后根据条和空对光照反射不同的效果依此来得出条和空的波形宽度 9 1 译码是 将扫描获得的电信号按一定的规则翻译成相应的数据代码 然后输入计算机 并 且通过一个整形电路来进行处理 由此得出条形码的数字 其主要识别的流程是 当扫描器扫读到条码符号时 光敏元件将扫描到的光信号转变成模拟电信号 模 拟电信号经过放大 滤波 整形等信号处理转变为数字信号 译码的过程是通过 测量并比较分析条空宽度的方法把数字脉冲信号转换成条码符号所表示的信息 即脉冲宽度侧量法 1 0 译码器按一定的译码逻辑对数字脉冲进行译码处理后 便 可得到与条码符号相对应的数字代码 条码识别技术是条码应用的关键 近几年国内外许多学者 对于一维条码的 研究 l l 主要是通过计算机来实现条码的检测 这种方法与传统的用条码识读器硬 件进行检测相比 软件检测具有更大的灵活性和较低的成本 因此具有很大的发 展潜力 对二维条码的发展前景 应用领域 编解码以及识别方法进行了深入广 泛的讨论和研究 n o r m a n d 等人研究了基于二阶导数分析寻找条码边界的识别方 法 1 2 s h e l l h a m m e r 等人提出了基于选择性采样的条码边界处理技术 s 9 1 计算 3 硕士学位论文第一章绪论 条码的边缘强度 根据边缘强度进行选择性采样除去噪声引起的伪边界 再用拉 普拉斯变换增强条码边界 j o s e p h 等人研究了基于反模糊技术的条码识别算法 1 3 闱 分析条码信号的高斯模糊模型 计算得到模糊函数的方差 对条码信号进行 补偿 l i a o 1 5 和l i u 1 6 等人研究了 基于神经网络的识别方法 统计条码图像每 列的有效像素 归一化后输入b p 神经网络识别 o k o l n i s h n i k o v a 研究了多项式 算法的条码识别 1 7 1 利用回归迭代的方法识别条码 w a n g l l 8 1 p a v l i d i s t l 9 等人进 一步研究了二维条码信息编码方式 扫描模式 二维条码应用特性等一系列二维 条码的关键技术 国内有关二维条码识别方法的文献主要有国内刘宁钟 杨静宇提出的基于波 形分析的二维条码识别 2 0 即先在图像上定位条码位置 并在条码中分割出单行 码字符号的图像 然后分析条码波形 计算出点扩展函数的标准方差 根据点扩 展函数 重建条码波形 最后为了提高对图像噪音的抗干扰性 根据波形峰点定 位条码边界 然后提出基于傅利叶变换的二维条码识别 2 l t2 2 首先探讨了二维 条码的定位分割技术 即在条码中分割出单行码字符号的图象 分析条码信号经 过点扩展函数卷积后的降质模型 并讨论条码信号的一阶导数和中点的性质 通 过分析条码信号 提出了一种计算点扩展函数标准方差的算法 然后利用傅立叶 变换对条码信号进行反模糊滤波 最后对复原的条码信号做差分处理 并采用边 界强度直方图策略自适应地选取阈值滤去噪声导致的无效边界 在边界强度直方 图中 采用基于矩阈值选取的方法寻找最佳闽值 郑河荣等人 2 3 对于倾斜的条码 给条码的识别带来困难 利用h o u g h 变换 对条码图像进行矫正 并在此基础 上实现对条码码字的识别 戴扬 于盛林提出基于滤波 还原的二维条码识别投 影算法 2 4 1 该方法设计滤波器滤除噪声部分 再采用点搜索法进一步去除不符合 条码边界特点的孤立点和容易与边界混淆的竖直划痕 对条码图像进行复原 甘 岚 刘宁钟提出了基于亚像素边缘检测的二维条码识别 2 习 首先定位条码位置并 在条码中分割出单个码字符号图像 然后根据分割出来的单个码字符号图像讨论 了基于亚像素边缘检测的识别算法 在众多二维条码中 p d f 4 1 7 的应用最为广 泛 二维条码本身所具有的信息容量大 保密防伪性强 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 1 3 数字图像处理技术的研究现状 数字图像处理是将图像信号转换成数字信号并利用计算机进行处理的过程 其优点是处理精度高 处理内容丰富 可进行复杂的非线性处理 数字图像处理 技术的发展涉及信息科学 计算机科学 数学 物理学以及生物学等学科 由于 数字图像处理的飞速发展 它广泛应用于空间检测 遥感 生物医学 人工智能 4 硕士学位论文第一章绪论 以及工业检测等许多领域 数字图像处理技术 2 6 是2 0 世纪6 0 年代随着计算机技术和大规模集成电路的 发展而产生 并不断成熟起来的 n 新兴的技术领域 数字图像处理技术在理论 上和实际应用中都取得了巨大的成就 到了7 0 年代中期 随着计算机技术和人 工智能的迅速发展 人们开始研究如何利用计算机系统解释图像 称为图像理解 或计算机视觉 2 7 1 在9 0 年代开始 随着小波理论与变换方法的迅速发展 它克 服了傅里叶分析不能用于局部分析等方面的不足 进入2 l 世纪 随着计算机技 术的迅猛发展和相关理论的不断完善 图像处理在图像通讯 办公自动化系统 地理信息系统 医疗设备 卫星照片传输及分析和工业自动化领域应用越来越多 数学形态学是一种非线性滤波方法 数学形态学可以用来解决抑制噪声 特征提 取 边缘检测 图像分割 形状识别 纹理分析 图像恢复与重建 图像压缩等 图像处理问题 边缘检测方法是人们研究的比较多的一种方法 在计算机视觉和 图像处理领域中发挥着重要的作用 它通过检测图像中不同区域的边缘来达到分 割图像的目的 广泛用于图像分割 目标自动识别 遥感 医学图像分析等领域 一幅图像就是一个信息系统 其大量信息是由它的轮廓边缘提供的 因此边缘提 取与检测在图像处理中占有很重要的地位 所以其算法的优劣直接影响着检测与 识别的效果 条码中条的宽度由两个边缘位置确定 因此条码识别通常是一个边 缘检测问题 1 3 1 数字图像处理技术的优点 1 再现性好 数字图像处理技术可以实现图像的真实再现 2 处理精度高 理论上不论图像的精度有多高 处理总是能实现的 3 适用面宽 图像可以来自多种信息源 只要被变换为数字编码形式后 均是用二维数组表示的灰度图像的组合而成 因而均可用计算机来处理 4 灵活性高 数字图像处理不仅可以进行线性运算 而且可以实现非线 性处理 即用数学表达式或逻辑关系表达的一切运算均可用数字图像处理实现 5 信息存储量大 利用数字图像处理技术可以最大化的压缩图像信息 1 3 2 数字图像处理技术研究内容 目前数字图像处理主要研究的内容有以下几个方面 一 1 图像变换 由于图像阵列很大 直接在空间域中进行处理 涉及计算 量很大 因此 往往采用各种图像变换的方法 如傅立叶变换 沃尔什变换 离 散余弦变换等间接处理技术 将空间域的处理转换为变换域处理 不仅可减少计 算量 而且可获得更有效的处理 如傅立叶变换可在频域中进行数字滤波处理 2 图像增强和复原 图像增强和复原的目的是为了提高图像的质量 如 5 硕士学位论文第一章绪论 去除噪声 提高图像的清晰度等 图像增强不考虑图像降质的原因 突出图像中 所感兴趣的部分 如强化图像高频分量 可使图像中物体轮廓清晰 细节明显 如强化低频分量 可减少图像中噪声影响 3 图像分割是数字图像处理中的关键技术之一 图像分割是将图像中有 意义的特征部分提取出来 其有意义的特征有图像中的边缘 区域等 这是进一 步进行图像识别 分析和理解的基础 虽然目前已研究出不少边缘提取区域分割 的方法 但还没有一种普遍适用于各种图像的有效方法 因此 对图像分割的研 究还在不断深入之中 是目前图像处理中研究的热点之一 4 图像描述 图像描述是图像识别和理解的必要前提 作为最简单的二 值图像可采用其几何特性描述物体的特性 一般图像的描述方法采用二维形状描 述 它有边界描述和区域描述两类方法 对于特殊的纹理图像可采用二维纹理特 征描述 随着图像处理研究的深入发展 已经开始进行三维物体描述的研究 提 出了体积描述 表面描述 广义圆柱体描述等方法 5 图像分类 识别 属于模式识别的范畴 其主要内容是图像经过某些预 处理 增强 复原 压缩 后 进行图像分割和特征提取 从而进行判决分类 1 4 论文研究内容与结构安排 本文主要是研究一维和二维条形码 通常商品条形码采用e a n 1 3 码 经分 析发现在条码电子文件制作过程中 由于制作软件等诸多因素导致条码符号出 错 最后在识别过程中 会导致条码识别率下降 而且对条码识别工作造成了很 大的浪费 文中研究了e p s 一维条形码的格式 分析了一维条码的编码规则 讨论了如何提高条码识别的准确率 降低条码误码率等相关的问题 对于二维条形码 首先研究二维条码的编码规则和纠错能力 对采集到的二 维条码p d f 4 1 7 利用数字图像处理技术对条码图像进行预处理 使得图像质量 得到改善 解决了条码图像质量对条码识读的影响嘲 2 9 然后运用中值滤波对 条码图像进行去噪处理 最后分析了如何运用数学形态学对二维条码进行边缘检 测 实验结果分析 可以得到清晰的条码边缘 论文分为六章 各章内容安排如 下 第一章绪论介绍条形码和条形码识别方法的发展与现状 目前图像处理技术 在条码检测中的运用 阐述了一维条码和二维条码的优缺点 第二章详细地阐述了一维条码的编码方式和二维条码的结构和编码原理 分 析一维条码和二维条码的译码方法 第三章基于e p s 格式的一维条形码 研究了e p s 格式的一维条码 分析由 p o s ts o i p t 语言描述条码符号的形式 运用e p s 格式条码译码算法 提取出条形 6 硕士学位论文第一章绪论 码中条和空的有效数据 对这些数据进行分析 最后利用v c 6 0 结合数据库 知识 依据条码的编码规则 开发出基于e p s 格式的一维条码识别软件 并对 检测结果进行分析研究 第四章依据数字图像处理技术 对采集到的二维条码p d f 4 1 7 进行图像预 处理 研究经典的边缘检测算子 对预处理过的图像进行边缘检测 最后运用数 学形态学知识 对二维条码进行形态学上的仿真研究 得到m a t l a b 仿真图 并 对仿真结果进行分析比较 第五章研究了二维条码p d f 4 1 7 的编码规则 依据二维条码的校验方法 来 实现对二维条码编码系统的设计 最后利用v i 阱1 1 6 0 开发平台完成对二维条码 图像的开发 第六章总结与展望 对论文中的研究成果予以总结 指出在条码识别中存在 的不足及下一步的工作重点 7 硕士学位论文第二章条形码编码规则和校验方法 第二章条形码编码规则和校验方法 条码技术是在计算机应用实践中产生和发展起来的 由于其优点众多 因而 发展迅速 应用广泛 它不仅扩大了计算机的应用范围 而且使计算机技术的应 用无论是在深度上还是广度上都有了新的发展 条码技术 孙3 1 在商品 工业 邮电业 医疗卫生 物资管理 安全检查 服务业 证卡管理 军事工程 办公 室自动化等领域中得到广泛应用 条码是由一组规则排列 宽窄不一的条 空组成的标记 用以表示一定的信 息 它是一种由光电扫描识读设备自动识读并实现信息自动输入计算机的图形标 示符 条是指条码中反射率较低的部分 也就是指黑色或深色的条形 空是指条 码中反射率较高的部分 也就是指白色或浅色的条形 3 2 条码是一个标记 表 示一定的信息 不同的条码标记不同的信息 条码中条与空的排列是有规律的 不是任意排列 杂乱无章的 条与空的排列形状反映了条码包含的信息内容 条形码有一维条码和二维条码 3 3 1 在国际贸易往来中 已公布的条码系统 有1 5 0 多种 现在普遍使用的一维条码有 国际物品条形码 i n t e r n a t i o n a l a r t i c l e n u m b e rb a rc o d e 简称e a n 条形码 通用产品条形码 u n i f o r mp r o d u c tc o d e 简称u p c 条形码 二五条形码 c o d e 2 5 三九条形码 c o d e 3 9 库得巴条形 码 c o d a b a rb a rc o d e 等 这些条形码各有各的功能特点 分别适用于不同领 域 例如u p c e a n 码常用于商业物流系统中 三九码在工业中的应用占主要地 位 二五条码在仓储和物流管理中被广泛使用 库得巴条码在制造业 医院 图 书馆 大学 政府机构中被广泛采用 2 1 一维条码编码规则和校验方法 一维条码主要有e a n 和u p c 两种 其中e a n 码是我国主要采取的编码标 准 e a n 是欧洲物品条码 e u r o p e a n a r t i c l e n u m b e r b a r c o d e 的英文缩写 是 以消费资料为使用对象的国际统一商品代码 不论哪个国家 只要用条形码阅读 器扫描该条码 便可以了解该商品的名称 型号 规格 生产厂商 所属国家或 地区等丰富信息 2 1 1e a n 条形码 e a n 通用商品条码是模块组合型条码 模块是组成条码的最基本宽度单位 每个模块的宽度为o 3 3 毫米 在条码符号中 表示数字的每个条码字符均由两 个条和两个空组成 它是多值符号码的一种 即在一个字符中有多种宽度的条和 硕士学位论文第二章条形码编码规则和校验方法 空参与编码 条和空分别由l 4 个同一宽度的深 浅颜色的模块组成 一个模块 的条表示二进制的 l 一 一个模块的空表示二进制的 0 每个条码字符共有7 个模块 即一个条码字符条空宽度之和为单位元素的7 倍 每个字符含条或空个 数各为2 相邻元素如果相同 则从外观上合并为一个条或空 并规定每个字符 在外观上包含的条和空的个数必须各为2 个 所以e a n 码是一种 7 2 码 e a n 条码字符包括0 9 共1 0 个数字字符 但对应的每个数字字符有3 种编 码形式 左侧数据符奇排列 左侧数据符偶排列以及右侧数据符偶排列 这样 l o 个数字将有3 0 种编码 数据字符的编码图案也有3 0 种 至于从这3 0 个数据 字符中选哪1 0 个字符要视具体情况而定 在这里所谓的奇或偶是指所含二进制 1 一的个数为偶数或奇数 2 1 2e a n 1 3 码的格式 e a n 条码有两个版本 一个是1 3 位标准条码 勘蝌 1 3 条码 另一个是8 位缩短条码 e a n 8 条码 e a n 1 3 条码由代表1 3 位数字码的条码符号组成 如图2 1 所示 前2 位 欧共体1 2 国为f l f 2 或3 位 其他国家为f l f 3 数 字为国家或地区代码 称为前缀码或前缀号 有关国际物品编码协会 e a n 国 标码规定可以参阅有关资料 前缀后面的5 位或4 位数字为商品制造商的代码 是由该国编码管理局审查批准并登记注册的 厂商代码后面的s 位数字为商品代 码或商品项目代码 用以表示具体的商品项目 即具有相同包装和价格的同一种 商品 最后一位数字为校验码 用以提高数据的可靠性和校验数据输入的正确性 校验码的数值按国际物品编码协会规定的方法计算 2 1 3e a n 1 3 条形码的构成 e a n 1 3 条形码主要有左侧空白区 起始符 左侧数据符 中间分隔符 右 侧数据符 条码校验符 终止符 右侧空白区组成 其中每个模块的构成如下所 示 1 左 右侧空白 没有任何印刷符号 通常是空白 位于条码符号的两 侧 用以提示阅读 准备扫描条码符号 共有1 8 个模块组成 其中左侧空白不得 少于9 个模块宽度 一般左侧空白1 1 个模块 右侧空白7 个模块 2 起始符 条形码符号的第一位字符是起始符 它特殊的条空结构用于 识别条形码符号的开始 由3 个模块组成 3 左侧数据符 位于中间分隔符左侧 表示一定信息的条码字符 由4 2 个模块组成 4 中间分隔符 位于条码中间位置的若干条与空 用以区分左 右侧数 据符 由5 个模块组成 9 硕士学位论文 第二章条形码编码规则和校验方法 5 右侧数据符 位于中间分隔符右侧 表示一定信息的条码字符 由3 5 个模块组成 6 条码校验符 表示校验码的条码字符 用以校验条码符号的正确与否 由7 个模块组成 7 终止符 条形码符号的最后一位字符是终止符 它特殊的条空结构用 于识别条形码符号的结束 由3 个模块组成 一个标准e a n 1 3 条形码如图2 1 所示 右侧 数籀 符 2 l l 技终 验止 符符 图2 1e a n 1 3 条码图案 2 1 4e a n 1 3 的编码规则 e a n 1 3 的编码是由二进制表示的 它的数据符 起始符 终止符 中间分 隔符编码见图2 1 左侧数据符有奇偶性 它的奇偶排列取决于前置符 所谓前 置符是国标识别码的第一位f 该位以消影的形式隐含在左侧六位字符的奇偶性 排列中 这是国际物品编码标准版的突出特点 前置符与左侧六位字符的奇偶排 列组合方式的对应关系见表2 2 实际上由表2 1 这种编码规定可看出 条码字 符与这种组合方式是一一对应固定不变的 例如 中国的国别识别码为 6 9 0 一 因此它的前置符为 6 左侧数据符的奇偶排列为 0 e e e 0 0 一 条码表示方式如 表2 1 所示 2 1 5e a n 1 3 条形码的校验方法 校验码的主要作用是防止条形码图案因印刷质量低劣或包装运输中引起条 码符号破损而造成扫描设备误读信息 作为确保商品条形码识读正确性的必要手 段 条形码用户在条码符号设计完成后 需校验条码码字符号的正确性 其计算 步骤如下 1 从序号2 开始 将所有偶数位的数字代码求和 得出s 1 2 s 1 宰3 舵 3 从序号3 开始 将所有奇数位的数字求和 得出 1 0 硕士学位论文第二章条形码编码规则和校验方法 4 蟠2 弓舛 5 c 1 0 4 得到校验码c 的值 并且当斜的个位数为0 时 c 均 表2 1 e a n 1 3 编码 表2 2 左侧数据符奇偶排列组合方式 2 2 二维条码编码规则和校验方法 二维条码 蚓技术是近年来的新兴技术 由于传统条码 即一维条码 受信 息容量的限制 在没有数据库和不方便联网的地方使用受到限制 另外 要用一 维条码表示汉字信息几乎是不可能的 这在有些应用汉字的场合 显得十分不方 硕士学位论文 第二章条形码编码规则和校验方法 便且效率很低 为了解决传统条码所存在的问题 出现了二维条形码 这里首先 介绍一下二维条码在国内外的应用现状 3 5 t3 6 及发展前景 在美n 维条码 3 7 己在身份证 驾驶证 军人证件上开始应用 它除了可 以将人的姓名 单位 地址 电话等信息进行编码外 还可将人体的特征如指纹 视网膜扫描以及照片等个人信息贮存在可识别的条码中 这样不但可以实现证件 信息的自动录入 而且可以防止证件的伪造减少犯罪 p d f 4 1 7 已在美国 加拿 大 新西兰的交通部门的执照年审 车辆违章登记 罚款及年检上开始应用 在 欧洲 美国 日本等己将二维码c o d e0 1 1 0 应用于汽车及电子产品的组装 在墨 西哥p d f 4 1 7 已在报关单证上开始应用 从而防止了伪造及犯罪 在国外二维条码的标准化工作已经开始 例如p d f 4 1 7 c o d eo n e c o d e1 6 k c o d e 4 9 d a t a m a t r i x 与m a x c o d e 等二维条码己成为国际自动识别设备制造商协 会 a i m i 与美国标协 a n s i 的符号标准 欧洲标准化委员会 c e n 已经 起草了p d f 4 1 7 的欧洲标准 国际民航组织也正在审阅p d f 4 1 7 决定将增加为 国际旅游证件 包括护照 签证及其它旅游证件的机读符号标准 新成立的 i s o i e c 玎c 1 s c 3 l 国际标准化组织与国际电工委员会的第一联合委员会的第 三十一分委员会 已经起草p d f 4 1 7 c o d e1 6 k d a t am a t r i x 及m a x i c o d e 四种 二维码的i s o 标准 其标准草案己于1 9 9 7 年6 月完成 除了上述标准化机构外 二维条码已经或正在被一些政府部门或工业团体采纳 目前已公布的二维条码 3 8 码制有很多种 其中的p d f 4 1 7 层叠式条码己经成 为国际通用的二维条码而且被定为我国二维条码的标准 作为低成本 高速度的 便携数据文件 p d f 4 1 7 在管理 运输 证件识别等方面得到了广泛的应用 与 其它信息载体相比有着很多的优越性 本文中的p d f 4 1 7 二维条码是在它的基础 上提出的 所以下面对p d f 4 1 7 条码的起源 标准化现状进行介绍 2 2 1 二维条码p d f 4 17 的符号结构和特性 p d f 4 1 7 码 3 是由留美华人王寅敬博士发明的 p d f 是取英文p a r t a b l e d a t a f i l e 三个单词的首字母的缩写 意为 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4 个条4 个空的总模块数一定为1 7 所以称为4 1 7 码或p d f 4 1 7 码 如图2 2 所示 图2 2p d f 4 1 7 符号的符号结构 1 2 硕士学位论文 第二章条形码编码规则和校验方法 p d f 4 1 7 码的特点 1 信息容量大 p d f 4 1 7 码除可以表示字母 数字 a s c i i 字符外 还能表达二进制数 为 了使得编码更加紧凑 提高信息密度 p d f 4 1 7 在编码时有三种格式 扩展的字母数字压缩格式可容纳1 8 5 0 个字符 二进n a s c n 格式可容纳1 1 0 8 个字节 数字压缩格式可容纳2 7 1 0 个数字 在相同面积情况下 二维条码比一维条码信息含量高几十倍 2 修正错误能力强 一维条码通常具有校验功能以防止错读 一旦条码发生污损将被拒读 p d f 4 1 7 采用了目前世界上最先进的错误修正技术r s 纠错码 这种隐含于符 号内的错误修正技术 不仅可以有效地防止译码错误 提高译码的速度及可靠性 而且可以将由于条码符号破损 沾污等丢失的信息破译出来 错误修正可分为九 个等级 最高时可以将符号受损面积5 0 的条码符号所含信息复现出来n 町 3 容易印制且寿命长 成本低 p d f 4 1 7 条码可以印在纸 片片及各种常用条码载体上 可以用多种标准的 打印技术及卡片印制 包括 喷墨打印 激光打印 热敏 热转印条码打印机打 印等 磁卡寿命一般为两年 i c 卡寿命为三年 但价格昂贵 p d f 4 1 7 二维条码 卡的寿命为9 1 0 年 而单价只有i c 卡的四分之一 批量生产价格更低 4 可用多种阅读设备阅读 p d f 4 1 7 码可用带光栅的激光阅读器 线性及面扫描的图像式阅读器阅读 5 尺寸可调以适应不同的打印空间 6 保密性强 p d f 4 1 7 可以把编码信息按密码格式进行编码 以防止伪造条码符号或非法 使用有关编码的信息 7 码制公开 已形成国际标准 我国也已制定了四一七条码的国标 g b r r1 7 1 7 2 1 9 9 7 4 f 1 p d f 4 1 7 是一种多层 可变长度 具有高容量和错误纠正能力的连续型二维 条码 每一个p d f 4 1 7 符号可以表示超过1 1 0 0 个字节 1 8 0 0 个a s c i i 字符或2 7 0 0 个数据 具体数目取决于所表示的数据的种类及表示模式 p d f 4 1 7 符号是由一 定数目的符号字符组成 从整体上看每一个p d f 4 1 7 符号都是由空白区包围的一 序列条空和若干层组成 与一维条码相比 除了编码规则外 为了便于理解可以 形象的说p d f 4 7 条码符号是截短的一维条码符号的层层堆积 如图2 3 所示 从每一层的结构看 从左向右方向它包括 1 3 硕士学位论文第二章条形码编码规则和校验方法 左空白区 对其有一定的宽度要求 起始符 层起始标志 左层指示符字符 显示一些条码符号信息 1 到3 0 个数据符号字符 每层数据符号个数最多不能超过3 0 个 右层指示符字符 显示一些条码符号信息 终止符 层结束标志 右空白区 同 区 酬陋鼬琳慨删鲞 图2 3 二维奈码符号排布 2 2 2 二维条码p d f 4 17 的符号表示 p d f 4 1 7 条码码字集包含9 2 9 个码字 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 0 9 2 8 在每一模式中 用于具有特定目的符号字符的表示 具体规 定如下 码字9 0 0 9 0 1 9 0 2 9 1 3 和9 2 4 用于模式标识 码字9 2 5 9 2 6 9 2 7 用于 g l i 码字9 2 2 9 2 3 9 2 8 用于宏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 保留待用 p d f 4 1 7 条码的符号字符集由三个簇构成 每一簇包含以不同的条 空形式 表示的所有9 2 9 个4 1 7 条码的码字 在每一簇中 每一符号字符对应唯一的码字 其范围为0 9 2 8 4 1 7 条码使用簇号0 3 6 簇号的定义适用所有的4 1 7 条码符 号字符 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 簇的符号字符 第2 行使用第3 簇的符号字符 第3 行使用第6 簇的 符号字符 第4 行再使用第0 簇的符号字符 依此类推 行号由上向下递增 最 上一行的行号为l 对于一个特定的符号字符 其簇号由公式 2 1 确定 簇号 6 i 一6 2 岛一钆 9 m o d 9 2 1 1 4 硕士学位论文第二章条形码编码规则和校验方法 式中 b l b 2 b 3 钆分别表示自左向右四个条的模块 对于每一特定的行 使用的符号字符的簇号由公式 2 2 式计算 簇号 行号 1 r o o d 3 3 2 2 行指示符号字符包括左行指示符号字符 厶 和右行指示符号字符 愚 分 别与起始符和终止符相邻接 见图2 3 行指示符号字符的值指示4 1 7 条码的行 号 i 行数 3 9 0 数据区中数据符号字符的列数 1 3 0 错误纠下等级 啦8 对于一个p d f 4 1 7 符号 允许有3 9 0 层 每层最多3 0 个码词数据