二维码识别的图像预处理

1、河北大学工商学院2016届学年论文（课程设计）二维码识别的图像预处理摘要针对目前迅速发展的自动识别技术，二维码作为此技术最底层的信息存储载体之一，承载着它自己的优势（低成本、高存储密度、超高速识读、较强的纠错能力等），将在信息识别领域发挥着重要作用。本文针对于二维码识别的译码技术，通过深入研究其存在的不足及缺点，对其核心 RS 译码算法进行优化改进，改善其性能。二维码的核心技术包括二维码图像预处理技术，编解码算法及纠错控制技术，加密技术等。本文探讨了二维码图像的预处理技术，包括滤波去噪、边缘检测、定位矫正等内容。关键词 ：自动识别技术；图像预处理；去噪声；边缘检测Qr code identif

2、ication of image p reprocessingABSTRACTWith the rapid development of sensor network technology, the two-dimensional code is one of the automatic identification technology, carrycots own advantages (low cost, high storage density, ultra-high-speed reading, strong correction capability, etc.), which w

3、ill play a pivotal role and become a new driving force of Chinas economic growth. This paper, with the core technology in the two-dimensional code, stud in-depth of its shortcomings and weaknesses, optimizes and improves for its core algorithmic, nonperformance. The core technology of the two-dimens

4、ional code, includes the two-dimensional code image ore-processing, encoding and decoding algorithms and error correction control technology, encryption technology. This paper first discusses the two-dimensional code image teleprocessing, and finds reasonable processing algorithms, including of the

5、filter denouncing, edge detection, orientation correction.Keywords: Automatic identification technology；processing；remove noise；boundary目录第1章绪论11.二维码技术研究现状11.2本课题的研究意义1第2章二维码识别技术中的图像预处理技术22.1二维码技术概述22.2二维码图像的降噪实现6总结9参考文献10101绪论随着我国信息化技术的不断发展，自动识别技术逐步成熟起来，它将成为我 们生产生活中不可或缺的一门重要技术。自动识别技术是指以计算机技术为基础， 能够

6、自动进行数据的采集，并且进行数据信息的实时交换的一门新兴技术。它可 以实现与任何信息管理系统的连接，准确高效的实现数据的传输、查询、更改等 功能。二维码识别技术作为此技术之一，其核心技术的研究发展将对自动识别技 术起着重要作用。1.二维码技术研究现状二维码技术是目前国内外正在迅速发展的技术，从 1999 年日本最先出现的二 维码相关技术的发展到现在，二维码目前已经广泛的被应用于各个领域，极大地 改善了人们的生活，同时也促进了社会现代化的发展。目前在国外尤其是日韩等 国，手机二维码已经发展到一定的成熟阶段，而且它已经被广泛的应用在人们生 产生活的各个方面1。在 2007 年，日本最大的航空公司日

7、航就已经推广使用了二维码移动票务业 务2。同时二维码电子凭证类业务的应用让移动商务切实融入到消费者的日常生活中，大大的节省了物流费用、实现了物品信息的实时追踪，不但促进了日本移动电子商务的发展，同时也为日本运营商带来了极大的利润空间。 然而在我国，高端手机、智能手机的普及率相当低，而且能够拍照摄像的手 机有限且像素低，带有微距相机的几乎没有，支持二维码识别技术的手机普及率 更低，因此我国手机二维码技术的发展仍然还有很长的一段路要走，仍有许多问 题需要解决3。1.2本课题的研究意义我国由于对于二维码的核心技术及其相关技术掌握还不是 很成熟，其应用发展还有很长的路要走。突破二维码的核心技术将是我国

8、技术人 员重点研究内容，最终实现二维码在我国各个领域的广泛应用，从而会推动信息 自动识别技术的发展，促进物联网技术在世界技术领域中的发展。 2二维码识别技术中的图像预处理技术2.1二维码技术概述随着第三次世界信息化浪潮的兴起，无所不在的“物联网”成为了新一代信息 技术产业中的核心名词2。 物联网的技术领域涉及广泛，自动识别技术将作为其最底层的核心技术，起 着重要的基础作用。日前我们最多应用的自动识别技术主要包括二维码和射频识 别技术两种。因此二维码技术作为自动识别技术之一，也作为现代发展迅速的物 联网技术的底层技术之一，将对高度发展的信息化社会起着举足轻重的作用。2.1.1二维码技术的发展从上

9、个世纪七十年代起，经过几十年的发展，条码技术作为一门重要的信息 标识和信息采集技术，在世界范围内得到了快速发展。条码技术是目前应用最广 的自动识别技术之一。随着社会需求的不断提高及应用的不断拓深，条码技术正处于一个良好的创新发展时期，是商品交易、产品追溯、物流追踪等领域的重要 信息支撑技术4。 它解决了计算机采集物品信息困难的问题，能够实现信息的准确 高效识读的功能。它实现了物流和信息流的同步传输，对当时快速发展的社会生 产生活发挥了重要作用，促进了信息技术的发展。 但是随着现在高速信息化、自动化技术的发展，一维条码的信息存储量远不 能满足现在社会发展的需要。因而致力于自动识别技术的科研人们通

10、过不断的努力，研究出了高密度、超高速识读、强大存储容量及抗干扰强的二维条码技术。 1970 年 Interface Mechanisms 公司开发出了“二维码”之后，二维码技术的应 用逐步迈向了成熟。美国的 Symbol 公司是目前世界上最大的条码设备生产商，其 产品的销售额占据了国际份额的一半以上4。二维码识别技术的出现是整个条码历 史上一个重要的里程碑，它从本质上提高了条码技术水平，拓宽了条码的应用范 围，给社会的生产生活带了极大的便利。以条码技术为核心的自动识别技术已经 成为国际信息化建设中的重要部分，是推动国际经济发展，增强竞争力的重要技 术手段。 对于二维条码技术的研究我国才刚刚起步

11、，二维码条 码的使用在我国仍处于初步阶段，未来几年二维码技术的应用推广对我国还是一个值得挑战的课题。但是我们相信随着现在信息化自动化技术的快速发展，二维码技术越来越被关注，其相关的技术也会日趋成熟，将推动信息化社会的进步。2.1.2二维码简介二维码是利用某种特定的几何图形按一定的分布规则在二维方向上排列的黑 白相间的图形进行记录数据信息5。二维条码技术大大降低了对计算机网络和数据库的依赖，依靠条码标签本身它只能表示字母和数字信息不能表达 其他信息（例如汉字、图像等），且空间编码的利用率低，尤其是条码图像遭到破 损后不能被识读，造成信息丢失。二维码除了表示基本的英文、汉字、数字信息 外，还可以存

12、储声音、指纹、照片及图像等各种信息。它已经广泛应用在 交通运输、物流追踪、商场打折优惠、超市结账、医疗保险及政府管理等各个领域6。2.1.3常用二维码介绍国际上的二维码种类繁多，不同的二维码都有不同的编码规则。目前的二维条码主要有美国 Symbol 公司开发的 Maxi Code、日本 Defensive 公司开发的一种 二维条码QR 码、美国 Ci Matrix 公司开发的 Data Matrix 码以及由美国 UPS 公 司开发的 PDF417 码等三种7。下面就QR码、PDF417码及Data Matrix 码作简要介绍。 一、QR 码“QR”是快速响应（Quick Response）的

13、缩写。QR 码能存 储更多的数据信息，包括对文字、网址链接和其他类型的数据等，同时还可以与 加密技术融合提高信息的安全性8。它除了具有一般二维码的良好特点之外，还 有如下的优点：超高速识读且保密防伪性强；360 度全方位识读；能够较好地表示 日本汉字，中文汉字等信息。它采用某种特定的数据压缩模式以此来提高汉字表 示效率及信息的存储容量9。 QR 码的信息容量：表示数字达 7,089 字；各种中英文字母 4,296 字；二进位 数(8bit)最多 2,953 位；日文汉字最多可达 1,817 字；中文汉字最多 984 字10。 QR 码的码图结构如下图 2.2。QR 码呈现正方形，仅有黑白两种颜

14、色。深色模块表示二进中的“1”，浅色模 块表示二进制中的“0”。在周围 4 个角上的其中 3 个像回字的正方形图案， 它们是进行 QR 码图像进行译码定位的标志图形，使用者无需完全对准，扫描器无 论以怎样的方位扫描此图像，其数据信息仍可被准确识读。整个 QR 码图像由编码 区域和不同种类的功能图形构成。功能图形包括位置探测图形(寻像图形)、分隔符、 定位图形和校正图形，它们都不用于数据编码。 2、 Data Matrix 码 Data Matrix 由美国国际资料公司(International Data Matrix，简称 ID Matrix)在 1989 年发明。Data-Matrix 二

15、维条码也是一种矩阵式二维码，其主要的思想是能够 在较小的条码空间内存储更多的信息容量。Data Matrix 码的尺寸可以根据所需承载 信息量的大小进行调节，这是其区别与其他二维码的最主要的特点。它的尺寸变 化范围可以从 1.310 6 变化到 0.009m2 大小，是目前所有二维条码中体积最小的 11。因而 Data Matrix 码更加适用在小零件的标识上，其可以直接印制在电路板的 微小零件上。下图 2.3 为印制在机械零件上的 Data Matrix 码标识。Data Matrix 码有两种不同的标准类型：ECC000-140 与 ECC200，ECC000-140 标准具有四种不同等级

16、的纠错能力，而 ECC200 则利用 Reed-Solomon 译码算法产 生伴随多项式，计算出错误位置多项式和错误值，其尺寸大小可以根据要求印制成不同体积大小的标签，但采用的纠错码字序列应与其大小匹配，由于其译码算 法较为简单，所以采用 ECC200 标准的 Data Matrix 码较为常见12。 Data Matrix 码字符号的信息编码区由排列整齐的正方形深浅色模块组成。数据 编码区的周围是位置探测图形，探测图形的四周则是码的安全空白区，探测图形 由一个模块宽度构成，是数据区域的边界部分，其中的两条邻边为暗实线，构成 一个 L 型的边界线，用来限定其物理的大小尺寸、矫正定位及防止符号失

17、真。另 外的两条邻边由相互交替的深色和浅色模块构成，主要用来限定码图符号的单元 结构，也有助于确定其物理尺寸及防止图像失真13。 三、PDF417 码 PDF417 主要是应用于包裹的传递及文件资料的标识14。PDF417 不仅能 够检测信息中的错误数据，还能将破损的二维码图像中存储的信息恢复出来，尤其当破损率达到 35%仍能恢复出数据信息。它除了有二维码的一般特点外，还有 保密防伪性能好，能够利用多项加密技术进行多重防伪，译码可靠性能高，误码率不超过千万分之一，纠错能力强及条码形状可变的特点，其可以根据载体大小 及实际需求进行形状的变换。2.1.4二维码与 RFID 技术比较此两种技术目前是

18、物联网感知识别技术中最 重要的技术。无线射频识别技术也是自动识别技术的一种，也是物联网感知层最 重要的技术之一。RFID 技术的发展也越来越受到人们的关注。 总的来说，它们各自有其优缺点。二维码标签印制后其存储的信息无法修改， 但其低成本的优势使其在低利润的零售行业广泛应用，而射频设别技术其存储容 量较大，可以多次擦除再写，读写距离远可以实现无线通信，但其成本较高，应用领域没有大的进展。因此无论是现在还是将来这两种技术都将长期共存，谁也取代不了谁，它们将共同推动我国自动识别技术的发展，同时将在我国的各个行业的不同领域共同发挥作用。2.1.5二维码的识读二维码的识读系统是整个二维码识别技术 的核

19、心15，主要包括光学处理系统、图像传感器、图像处理系统、及计算机技术 部分，除外还有一些外围的接口电路、存储器等。整个系统设计要求可靠性能高，且有高效准确的识读率。2.2二维码图像的降噪实现当我们利用传感器及其他识别设备在获取图像信息的过程中都无可避免的会 引入噪声，数字图像的噪声主要来源于图像获取和传输过程中。我们知道存在的 噪声种类很多，比如一般常见的有高斯噪声、脉冲噪声、均匀分布噪声等，针对 不同的噪声有不同的处理方法。因而对于二维码图像中存在的噪声将选择不同的 去除噪声的方法。本文主要介绍了有利于二维图像噪声消除的几种噪声处理方法， 主要有空域滤波、频域滤波、时域滤波等。其中空域滤波经

20、常采用的有中值滤波、 均值滤波等，频域滤波常见的有高斯滤波、巴特沃斯滤波等。 中值滤波： 中值滤波是顺序统计滤波方法的一个重要分类，它是最常用的。顺序统计滤 波器是一种非线性的空域滤波，他们的响应取决于滤波器包围的图像区域中像素 点的排序，然后依照统计排序的结果来决定中心像素的值，因而滤波器在任意点的响应都是由其排序方式决定的18。 。 从图 2.8 可以看出，3*3窗口的中值滤波比 5*5窗口的中值滤波有较好的效果。 因而针对于不同的像素值选择合适的中值滤波窗口，得到的滤波效果将会不同。图 2.9 折线图表示了不同滤波方法与误码率之间的关系，对于可以看出较低 的像素图像，5*5 十字形的滤波

21、效果优于其他的两种方法。码图像的畸变矫正畸变矫正是数字图像形态变换中的一个重要部分。二维码图像信息在识别扫 描的过程中很容易发生图像的几何畸变失真，例如旋转、平移、缩放，相似变换 等，将导致图像信息无法正确的被识读。因而作为数字图像处理的一个重要环节，必然要对图像进行矫正定位。一般较为常见的畸变有梯形、桶形、枕形畸变等。 一般消除畸变有两种基本的方法：一种是预畸变法，即采用与畸变方式相反 的扫描方法，来抵消预计的图像畸变。另一种就是后校验矫正方法，其理论是选 择特定的多项式曲线在二维方向上与每条畸变线进行拟合，然后求出矫正函数， 再利用其实现图像的矫正19。 二维码图像一般采用 Radon 线

22、性变换，获得图像的轮廓边界信息（角度、斜 率等）。针对于二维码图像的梯形畸变，一般采用多项式矫正的方法，同时与双线 性插值方法进行结合，最终实现图像的矫正定位，获得定位准确的二维码图像。 下图 2.13 为汉信码几何矫正结果。3总结主要讲解了针对于二维码数字图像，其预处理技术中的几个重要步骤。 二维码图像作为较为简单（只有黑、白像素）的数字图像之一，必然会利用图像 处理的相关技术进行二维码信息的预处理。图像预处理技术是二维码感知识别技 术的重要技术基础，只有合适选择相应的图像处理技术才能有利于更好的获取二 维码图像中的数据信息。本章重点介绍几种处理过程包含有：二维码灰度图像的 二值化算法，用于将二维码变换成像素值只有“0”和“255”两个像素值的二值图像； 用于轮廓提取和特征识别的边缘检测技术，主要采用 Lobes 检测算子和 Radon 变换进行处理；还有采用中值滤波等对二维码图像扫描传输过程