二維條碼識讀技術及其應用研究畢業論文-資料下載頁

【導讀】性好、使用成本低廉等諸多優點。近年來，二維條碼識別技術與射頻識別等自動識。論文工作深入地研究了二維條碼識讀技術，設計并實現了基于DSP的二維條。論文，針對DataMatrix等二維條碼識讀中的圖像預處理及條碼定位等關鍵技。套完整的二維條碼識讀算法，并將其應用于產品設計。二值化效果差而影響解碼的問題。論文在條碼定位方面的創新也有兩點：其一，提出了基于。Matrix條碼定位方法，克服了利用Hough變換或Radon變換檢測直線邊緣實現DataMatrix. 條碼定位難以在計算量和定位精度之間取得平衡的缺點。與獨自設計的硬件平臺共同構成了具有自主知識產權的二維條碼識讀終端。Matrix、PDF417等二維條碼以及Code39、Code128等一維條碼，識讀速度和精準度均達到國。內領先和國際先進水平。的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均。已在文中作了明確的說明并表示了謝意。

　　

【正文】 方波信號，經譯碼器解釋為計算機可以識別的數字信號。其基本構成如圖 21 所 示。 掃描系統由光學系統及探測器即光電轉換器件組成，完成對條碼符 號的光學掃描，并通過光電探測器將條碼條空圖案的光信號轉換成電信號。 信號整形部分由信號放大、濾波、波形整形組成，它的功能在于將條碼的光電掃描信號處理成為標準電位的方波信號，其高低電平的寬度和條碼符號的條空尺寸相對應。 碼字生成及譯碼部分則完成將信號整形部分輸出的方波信號轉化為對應的二進制序列，按照碼制規則轉換為相應碼字并譯碼。 攝像式圖像采集 攝像式識讀方式是通過光學透鏡將條碼成像在半導體傳感器上，再通過模 /數轉換或直接數字化得到數字圖像并輸出，經后續圖像處理操作，包括預處理、條碼定位、失真校正 等，得到二維條碼攜帶的信息并譯碼，最終完成二維條碼圖像的采集和識讀工作。從長遠發展的角度看，攝像式技術既能采集矩陣式二維條碼圖像，也能采集堆疊式二維條碼和一維條碼圖像，采用此方式將是一個必然的趨勢。所以本文主要研究攝像式識讀器，后面所介紹的所有識讀技術均針對攝像式識讀方式。 光學成像方式又有兩種，分別對應不同的半導體傳感器：一種是面陣 CCD；另一種是 CMOS。攝像式圖像采集的應用中絕大多數采用技術較為成熟的 CCD，少數采用了 CMOS 器件。 CCD（電荷耦合器件）技術是一種傳統的圖像 /數字光電耦合器件，目前已 經廣泛應用。其基本原理是利用光學鏡頭成像，將圖像信息轉化為時序光電信號，實現 A/D 轉換為數字信號。 CCD 的優點是像質好，感光速度快，有許多高分辨率的芯片供選擇。但其信號特性是模擬輸出，必須加入模數轉換電路，加上 CCD 本身要用時序和放大電路來驅動，所以硬件開銷很大，電路復雜，成本很高，且價格下降的空間已經很小。 CMOS（金屬氧化物半導體）技術是近年發展起來的新興技術。與 CCD 一樣，是一種光電耦合器件，但其時序電路和 A/D 轉換是集成在芯片上的，無需輔助電路實現。其優點是，單塊芯片就能完成數字化圖像的輸出，硬件 開銷非常少，成本低。缺點是像質一般（感光像素間的漏電流比較大），感光速度較慢。但在圖像采集和轉換方面， CMOS 可以和大規模邏輯陣列技術（ FPGA）或高速嵌入式微處理器（ ARM 或 DSP）配合使用，從而能夠滿足圖像采集和信號傳輸的要求。近年來 CMOS 技術發展很快，圖像質量與分辨率都有非常大的提高，并且性價比越來越高。目前，國際上開發的產品正在逐步采用該項技術。本文所提出的二維條碼自動識讀終端就選用了基于 CMOS 傳感器的攝像頭。 條碼圖像預處理 二維條碼主要通過各模塊的黑白來表示相應信息，而攝像式獲取的二維 條碼圖像難免會出現對比度不高、噪聲較大、以及光照不均等問題造成像素黑白不明產生誤判，尤其在工業應用中，問題更加嚴重。為了解決上述問題，需要采用一些數字圖像處理的手段如對比度增強、圖像去噪、消除光照影響并二值化等對條碼圖像進行預處理以將這些問題對條碼識讀帶來的嚴重影響降到最小。故二維條碼圖像預處理操作主要包括圖像對比度增強、圖像去噪和圖像二值化三步。 對比度增強 對比度增強是通過改變二維條碼圖像像素的灰度，擴展圖像灰度的動態范圍，使圖像明暗更加分明，改善視覺效果，也有利于機器對圖像亮區域和暗區域的區 分和識別，直接影響到機器能否正確區分出二維條碼的黑白模塊從而正確識讀，在一定程度上決定了識讀器所能適應的應用環境。一般情況下，對比度增強主要可以通過直接灰度變換和直方圖修正兩大類方法來實現。 直接灰度變換是一種點操作，根據原始圖像中每個像素的灰度值，按照某種映射規則，將其轉化為另一灰度值，來達到圖像增強的目的。直接灰度變換可使圖像灰度動態范圍加大，擴展圖像對比度，使圖像清晰、特征更加明顯。其關鍵是根據增強要求設計映射規則或稱變換函數。根據變換函數的不同，常用的直接灰度變換方法包括：線性變換、分段線性變換和非 線性變換等。 直方圖修正方法是以概率論為基礎的圖像增強方法。直方圖反映了圖像灰度分布的統計特征，直方圖修正就是以直方圖作為變換的依據，使變換后的直方圖成為期望的形狀，來實現圖像增強。直方圖修正主要包括直方圖均衡化和直方圖規定化兩種。上述兩大類對比度增強方法都是建立在圖像質量不是太差，黑白像素的灰度值之間存在一定差別的前提下的，大多數情況下可以奏效。但如遇到環境極其惡劣，造成局部對比度極低，使得原本黑白分明的像素在圖像上無法分辨甚至毫無差別時，這兩類方法就無能為力了。針對這種情況，本文提出了一種利用圖像融合的 方法對條碼圖像進行增強的方案，將在第 節中詳細介紹。 圖像去噪 圖像去噪，顧名思義，就是去除圖像中的噪聲。圖像獲取過程中產生的隨機噪聲是不可避免的，為了提高后續條碼的識別工作的準確性，在預處理階段進行去噪處理是必要的。噪聲多體現為高頻干擾，因此為了抑制噪聲，最簡單的便是選用線性低通濾波，但由于邊緣輪廓中同樣含有大量高頻信息，所以在低通濾波濾除噪聲的同時，也必然使邊界變模糊。此時，如果再采用高通濾波銳化邊緣，則之前殘留的噪聲也同時被加強了，去噪效果不好。而圖像去噪要求既消除噪聲又盡量保持圖像 的細節，由于此處的圖像噪聲主要表現為脈沖噪聲，所以本文選用中值濾波去除圖像噪聲，可克服低通 高通濾波去噪的缺點，具體細節將在第 節中詳細介紹。 圖像二值化 圖像二值化，顧名思義，就是將灰度圖像上的所有像素分為兩類：黑像素和白像素。二維條碼是通過各模塊的黑白來分別代表“ 1”“ 0”信息的，要正確識讀二維條碼就必須正確區分像素的黑白，因此能否正確地將圖像二值化，直接影響到識讀正確與否。圖像二值化的關鍵是選取區分黑白像素的灰度閾值，灰度值大于等于閾值的像素為白像素，灰度值小于閾值的像素為黑像素。但圖像 的光照分布往往會影響閾值的選取，尤其是光照不均的情況下，閾值選取比較困難。目前常用的閾值選取方法包括：大津法、最大熵法、最小錯誤概率法、迭代閾值法和局部閾值法等，第 節將會一一予以詳細介紹。 但大津法、最大熵法、最小錯誤概率法和迭代閾值法都屬于全局閾值法，使用單一閾值對整幅圖像進行二值化，對于光照不均或背景十分復雜的圖像效果不好。而局部閾值法處理光照不均或背景十分復雜的圖像時效果比全局閾值法好，但計算量大且存在塊效應，效果仍不理想。故本文提出基于小波分解和大津法結合的圖像二值化方法，具體將在第 節詳細介紹。 條碼定位與解碼 條碼定位是二維條碼識讀中的關鍵一環，是進行正確解碼的前提條件。簡單說來，條碼定位就是要在包含條碼的圖像中，準確找到二維條碼的位置。在不同的圖像中，條碼的大小，位置和方向都是不同的，加之實際應用中圖像背景很復雜，使得精確確定條碼的位置和形態成了一件非常困難的事。二維條碼定位分為兩步：粗定位和精定位。粗定位就是在復雜的背景中，提取出大概的條碼區域為下一步精定位做準備；而精定位則是要找到條碼的精確位置以便于后續步驟中對條碼進行幾何校正和譯碼。由于各種不同碼制的二維條碼符號有 著不同的形狀特征，具有各自不同的尋像圖形和定位圖形，所以具體的條碼定位方法也是隨著碼制的不同而不同的。 條碼的解碼則是對已經確定位置的條碼進行幾何校正、信息提取、碼流糾錯、碼流譯碼等操作最終得到二維條碼中存儲的信息。上述的操作只是一個通用的流程，具體的實現是與各種二維條碼的編碼規則密切相關的，不同碼制的二維條碼有不同的解碼方法。 具體的條碼定位及解碼方法都是隨條碼碼制不同而各異的。而 Data Matrix 條碼是一種很具有代表性的二維條碼，其最大特點就是“小”，信息容量大、密度高，被廣泛用于標示集成電路、藥品 等小件物品，在制造業的流水線生產過程中應用也很普遍，但在國內的研究和應用還比較少。所以本文就以 Data Matrix 為例，提出了相應的定位算法，并對其解碼方法進行了介紹，詳見第 4 章。 二維條碼識讀系統 二維條碼識讀系統分類 二維條碼識讀系統可以按照識讀原理、工作方式、工作距離、設備功能、設備移動性等方面分類。 按識讀原理分類，可分為：激光式識讀系統，使用時將掃描線對準條碼，由光柵部件完成掃描，可識讀堆疊式二維條碼； CCD/CMOS 成像式識讀系統，采用 CCD/CMOS 成像方式獲取條碼圖像后進行 圖像處理和譯碼，可識讀矩陣式和堆疊式二維條碼。 按工作方式分類，可分為：在線式識讀系統，主要由光電掃描頭、光電轉換器和譯碼器組成，需要與計算機即時通信，通過串口、并口或 USB 等接口將掃描后的信息傳回計算機，不能脫離計算機使用；嵌入式識讀系統，以嵌入式微處理器為核心，具有數據存儲、信息處理、通信傳輸等功能，可以脫離計算機進行條碼掃描、識讀、信息的采集和處理，可編程。 按工作距離分類，可分為：接觸式識讀系統，包括卡槽式條碼掃描器等；非接觸式識讀系統，包括 CCD/CMOS 識讀器，激光識讀器等。 按設備功能分類，可 分為：識讀器，不具備信息管理、大容量信息存儲功能的識讀設備；數據采集器，除了可以識讀二維條碼，還具有信息存儲、信息管理功能的識讀設備。 按設備移動性分類，可分為：固定式識讀系統，其工作場合固定，不便于移動，例如工廠自動化識讀設備、門禁系統的臺式識讀設備；便攜式，較為輕便，適合在各種工作場合下使用，例如手持終端、無線型終端、無線掌上電腦等。 二維條碼識讀系統的主要技術指標 二維條碼識讀系統的主要技術指標包括： 可識讀的碼制 通常二維條碼識讀系統的識讀碼制包括 Code3 Code128 等一維條碼和 PDF41 Data Matrix 等二維條碼。 通訊接口 二維條碼識讀系統中的通訊接口主要用于將譯碼后的數據輸出到計算機系統，一般有以下幾種： RS232， RS485，通用網絡接口， ，紅外線，藍牙等。 景深 景深是指二維條碼識讀系統讀取距離的范圍，與能夠識讀的條碼符號最小模塊尺寸以及識讀設備的光學系統有關。 分辨率在景深范圍內可識讀的二維條碼符號的最小模塊尺寸。首讀率 識讀系統對一組條碼進行一次性識讀，其中能夠正確識讀的概率。 識讀速度 二維條碼識讀系統每秒鐘能夠識讀條碼的個數。 其他技術指標 其他技術指標涉及識讀系統的工作環境、安裝要求等方面的參數。如工作溫度、存儲溫度、相對濕度、跌落規格、密封標準、環境光抗擾度等。 本文所設計實現的二維條碼識讀系統 本文創新性地設計并實現了一種新型的基于 DSP 的高速二維條碼識讀終端。該終端的硬件平臺包括以高性能浮點 DSPTMS320C6713為核心的數據處理子系統和以 FPGA為控制中心的圖像采集子系統。而識讀終端的軟件設計則基于本文所提出的創新性的圖像預處理和條碼定位算法。創新的識讀算法與獨自設計的硬件平臺共同構成了具有自主知識產權的 二維條碼識讀終端，能同時快速準確地識讀 Data Matrix、 PDF41 Code39 及 Code128 等多種二維條碼和一維條碼。其最大圖像分辨率為 752*480，配備 RS232 接口與計算機通信，景深為 5~15cm，最小可分辯模塊寬度可達 3mil，識讀速度可達每秒 10 次以上，最高可達每秒 60 次，首讀率在 98%以上，達到了國內領先和國際先進水平。系統具體描述將在第 5章詳細介紹。 本章小結 本章概要介紹了二維條碼識讀技術，包括二維條碼圖像的采集技術、條碼圖像預處理技術、條碼定位與解碼技術等，并簡要介紹了 二維條碼識讀系統的分類和主要技術指標。最后介紹了本文所設計實現的二維條碼自動識讀終端的情況，具體情況見第 5 章。 第三章 二維條碼圖像預處理 二維條碼圖像預處理操作主要包括圖像對比度增強、圖像去噪和圖像二值化三步。 圖像對比度增強 常用的圖像對比度增強方法 圖像對比度增強主要可以通過直接灰度變換和直方圖修正兩大類方法完成 [26]。 灰度變換 直接灰度變換是一種最簡單、有效的對比度增強方法，它是將原圖像灰度函數 f (x, y)經過一個變換函數 g =T[ f]轉換為一個新的灰度函數 g (x, y)。即 g (x ,y) =T [f (x ,y)] （ 31） 直接灰度變換可使圖像灰度動態范圍加大，擴展圖像對比度，使圖像清晰、特征更加明顯 [27]。根據變換函數的形式，灰度變換可分為： (1) 線性變換。 當采集到的圖像整體亮度過暗或過亮，使圖像灰度動態范圍過小造成圖像模糊不清，沒有灰度層次感時，可采用一個線性單值函數，對圖像灰度作線 性變換，擴展其動態范圍，從而有效地增強圖像對比度，改善視覺效果。 假設原圖像灰度函數為 f (x, y)，灰度分布范圍為 [a ,b]，增強后的圖像灰度函數為 g (x, y)，灰度范圍為 [a 39。,b39。]，則 （ 32） 圖 31 為線性變換示意圖，圖 32 則為變換前后對比圖。 (2)分段線性變換 分段線性變換是將原圖像灰度分布區間 [a, b]分隔成兩段或多段分別進行線性變換，從而 突出用戶感興趣的目標或灰度范圍，相對抑制用戶不感興趣的灰度范圍，使感