【正文】 等多種二維條碼和一維條碼。 第五章詳細(xì)介紹了基于 DSP 的嵌入式二維條碼識讀終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 第二章二維條碼識讀技術(shù) 二維條碼識讀是通過獲取載體上的圖像信息，譯碼得到二維條碼符號承載的信息的過程。所以為了實(shí)現(xiàn)二維條碼識讀終端的通用性，本文主要研究攝像式識讀技術(shù)，對掃描式識讀方式僅進(jìn)行簡單介紹。 掃描式識讀的基本原理為：由光源發(fā)出的光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)照射到條碼符號上，反射回來的光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像在光電轉(zhuǎn)換器上，使之產(chǎn)生電信號， 信號經(jīng)過電路放大后產(chǎn)生一模擬電壓，它與照射到條碼符號上被反射回來的光強(qiáng)成正比，再經(jīng)過濾波、整形，形成與模擬信號對應(yīng)的方波信號，經(jīng)譯碼器解釋為計(jì)算機(jī)可以識別的數(shù)字信號。 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(zhuǎn)化為對應(yīng)的二進(jìn)制序列，按照碼制規(guī)則轉(zhuǎn)換為相應(yīng)碼字并譯碼。 光學(xué)成像方式又有兩種，分別對應(yīng)不同的半導(dǎo)體傳感器：一種是面陣 CCD；另一種是 CMOS。 CCD 的優(yōu)點(diǎn)是像質(zhì)好，感光速度快，有許多高分辨率的芯片供選擇。其優(yōu)點(diǎn)是，單塊芯片就能完成數(shù)字化圖像的輸出，硬件 開銷非常少，成本低。目前，國際上開發(fā)的產(chǎn)品正在逐步采用該項(xiàng)技術(shù)。故二維條碼圖像預(yù)處理操作主要包括圖像對比度增強(qiáng)、圖像去噪和圖像二值化三步。直接灰度變換可使圖像灰度動態(tài)范圍加大，擴(kuò)展圖像對比度，使圖像清晰、特征更加明顯。直方圖反映了圖像灰度分布的統(tǒng)計(jì)特征，直方圖修正就是以直方圖作為變換的依據(jù)，使變換后的直方圖成為期望的形狀，來實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)。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(jìn)行增強(qiáng)的方案，將在第 節(jié)中詳細(xì)介紹。此時(shí)，如果再采用高通濾波銳化邊緣，則之前殘留的噪聲也同時(shí)被加強(qiáng)了，去噪效果不好。圖像二值化的關(guān)鍵是選取區(qū)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。而局部閾值法處理光照不均或背景十分復(fù)雜的圖像時(shí)效果比全局閾值法好，但計(jì)算量大且存在塊效應(yīng)，效果仍不理想。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(shí)際應(yīng)用中圖像背景很復(fù)雜，使得精確確定條碼的位置和形態(tài)成了一件非常困難的事。 條碼的解碼則是對已經(jīng)確定位置的條碼進(jìn)行幾何校正、信息提取、碼流糾錯(cuò)、碼流譯碼等操作最終得到二維條碼中存儲的信息。所以本文就以 Data Matrix 為例，提出了相應(yīng)的定位算法，并對其解碼方法進(jìn)行了介紹，詳見第 4 章。 按工作距離分類，可分為：接觸式識讀系統(tǒng)，包括卡槽式條碼掃描器等；非接觸式識讀系統(tǒng)，包括 CCD/CMOS 識讀器，激光識讀器等。 通訊接口 二維條碼識讀系統(tǒng)中的通訊接口主要用于將譯碼后的數(shù)據(jù)輸出到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，一般有以下幾種： RS232， RS485，通用網(wǎng)絡(luò)接口， ，紅外線，藍(lán)牙等。 識讀速度 二維條碼識讀系統(tǒng)每秒鐘能夠識讀條碼的個(gè)數(shù)。該終端的硬件平臺包括以高性能浮點(diǎn) DSPTMS320C6713為核心的數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和以 FPGA為控制中心的圖像采集子系統(tǒng)。系統(tǒng)具體描述將在第 5章詳細(xì)介紹。 圖像對比度增強(qiáng) 常用的圖像對比度增強(qiáng)方法 圖像對比度增強(qiáng)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]。 當(dāng)采集到的圖像整體亮度過暗或過亮，使圖像灰度動態(tài)范圍過小造成圖像模糊不清，沒有灰度層次感時(shí)，可采用一個(gè)線性單值函數(shù)，對圖像灰度作線 性變換，擴(kuò)展其動態(tài)范圍，從而有效地增強(qiáng)圖像對比度，改善視覺效果。 (2)分段線性變換 分段線性變換是將原圖像灰度分布區(qū)間 [a, b]分隔成兩段或多段分別進(jìn)行線性變換，從而 突出用戶感興趣的目標(biāo)或灰度范圍，相對抑制用戶不感興趣的灰度范圍，使感。,b39。即 g (x ,y) =T [f (x ,y)] （ 31） 直接灰度變換可使圖像灰度動態(tài)范圍加大，擴(kuò)展圖像對比度，使圖像清晰、特征更加明顯 [27]。最后介紹了本文所設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的二維條碼自動識讀終端的情況，具體情況見第 5 章。創(chuàng)新的識讀算法與獨(dú)自設(shè)計(jì)的硬件平臺共同構(gòu)成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的 二維條碼識讀終端，能同時(shí)快速準(zhǔn)確地識讀 Data Matrix、 PDF41 Code39 及 Code128 等多種二維條碼和一維條碼。如工作溫度、存儲溫度、相對濕度、跌落規(guī)格、密封標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境光抗擾度等。 分辨率在景深范圍內(nèi)可識讀的二維條碼符號的最小模塊尺寸。 按設(shè)備移動性分類，可分為：固定式識讀系統(tǒng)，其工作場合固定，不便于移動，例如工廠自動化識讀設(shè)備、門禁系統(tǒng)的臺式識讀設(shè)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。 按識讀原理分類，可分為：激光式識讀系統(tǒng)，使用時(shí)將掃描線對準(zhǔn)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(tǒng)，采用 CCD/CMOS 成像方式獲取條碼圖像后進(jìn)行 圖像處理和譯碼，可識讀矩陣式和堆疊式二維條碼。 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。粗定位就是在復(fù)雜的背景中，提取出大概的條碼區(qū)域?yàn)橄乱徊骄ㄎ蛔鰷?zhǔn)備；而精定位則是要找到條碼的精確位置以便于后續(xù)步驟中對條碼進(jìn)行幾何校正和譯碼。 條碼定位與解碼 條碼定位是二維條碼識讀中的關(guān)鍵一環(huán)，是進(jìn)行正確解碼的前提條件。目前常用的閾值選取方法包括：大津法、最大熵法、最小錯(cuò)誤概率法、迭代閾值法和局部閾值法等，第 節(jié)將會一一予以詳細(xì)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。圖像獲取過程中產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲是不可避免的，為了提高后續(xù)條碼的識別工作的準(zhǔn)確性，在預(yù)處理階段進(jìn)行去噪處理是必要的。上述兩大類對比度增強(qiáng)方法都是建立在圖像質(zhì)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(shù)情況下可以奏效。根據(jù)變換函數(shù)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。一般情況下，對比度增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)。 條碼圖像預(yù)處理 二維條碼主要通過各模塊的黑白來表示相應(yīng)信息，而攝像式獲取的二維 條碼圖像難免會出現(xiàn)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(chǎn)生誤判，尤其在工業(yè)應(yīng)用中，問題更加嚴(yán)重。但在圖像采集和轉(zhuǎn)換方面， CMOS 可以和大規(guī)模邏輯陣列技術(shù)（ 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?shù)囊蟆? CMOS（金屬氧化物半導(dǎo)體）技術(shù)是近年發(fā)展起來的新興技術(shù)。 CCD（電荷耦合器件）技術(shù)是一種傳統(tǒng)的圖像 /數(shù)字光電耦合器件，目前已 經(jīng)廣泛應(yīng)用。從長遠(yuǎn)發(fā)展的角度看，攝像式技術(shù)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(gè)必然的趨勢。 掃描系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)及探測器即光電轉(zhuǎn)換器件組成，完成對條碼符 號的光學(xué)掃描，并通過光電探測器將條碼條空圖案的光信號轉(zhuǎn)換成電信號。因?yàn)槎询B式二維條碼可視為由多行一維條碼堆疊而成，所以對于二維條碼，掃描式識讀可以也僅能用于堆疊式二維條碼的識讀。 二維條碼圖像采集 二維條碼圖像采集有兩種方式：掃描式和攝像式。 第七章對本文工作進(jìn)行總結(jié)，并給出未來工作展望。 第三章詳細(xì)介紹二維條碼圖像預(yù)處理過程中的核心算法，包括圖像對比度增強(qiáng)、圖像去噪和圖像二值化等。該處理器的使用保證了數(shù)據(jù)處理的精度，大大提高了條碼識讀成功的概率。該終端的硬件平臺包括以高性能浮點(diǎn) DSPTMS320C6713 為核心的數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和以 FPGA 為控制中心的圖像采集子系 統(tǒng)。 176。 GFBPNN 首先由不同尺度不同方向的 Gabor濾波器對圖像進(jìn)行濾波提取其紋理特征；再進(jìn)行特征變換，使所得特征具有尺度和旋轉(zhuǎn)不變性；然后利用 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)按照前述 特征對像素進(jìn)行分類；最后經(jīng)過形態(tài)學(xué)后處理提取 Data Matrix 條碼區(qū)域。 *提出了一種先用小波分析估計(jì)光照分布來消除光照不均的影響再用大津法進(jìn)行二值化的方法，解決了工業(yè)應(yīng) 用中出現(xiàn)的由于光照不均或背景過于復(fù)雜造成圖像二值化效果差而影響解碼的問題。該算法通過融合多幅條碼信息互補(bǔ)的條碼圖像來增強(qiáng)圖像，使圖像信息完 整清晰以利于解碼。該終端的硬件平臺包括以高性能浮點(diǎn) DSPTMS320C6713 為核心的數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和以 FPGA 為控制中心的圖像采集子系統(tǒng)。因此對二維條碼的識讀技術(shù)及其應(yīng)用的研究有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和使用價(jià)值。對光照不均、幾何畸變、形變、散焦模糊等狀況下的條碼圖像識讀率不高。盡管國內(nèi)也有少數(shù)幾家公司或者研究機(jī)構(gòu)也研發(fā)類似的二維條碼的識讀設(shè)備，但是識讀設(shè)備的識讀率、識讀速 度等性能尚與國外的同類產(chǎn)品有很大的差距。攝像式識讀器卻可以用于所有一維及二維條碼的識讀，但目前基于圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺的攝像式二維條碼識讀器處于發(fā)展階段，產(chǎn)品本身有很大的局限性，且被少數(shù)國外企業(yè)壟斷。 帶光柵的激光識讀器：可以閱讀一維條碼和線性堆疊式二維條碼。表 12 給出了二維條碼與磁卡、IC 卡和射頻識別等技術(shù)的對比。射頻識別標(biāo)簽?zāi)軌蛟谌藛T、地點(diǎn)、物品和動物上使用，其適用領(lǐng)域包括物料跟蹤、運(yùn)載工具和貨架識別等要求非接觸數(shù)據(jù)采集和交換的場合，由于射頻識別標(biāo)簽具有可讀寫能力，對于需要頻繁改變數(shù)據(jù)內(nèi)容的場合尤為適用。接觸式 IC 卡應(yīng)用廣泛，如公共電話卡、現(xiàn)金卡、會員卡等等。其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)可讀寫，即具有現(xiàn)場改變數(shù)據(jù)的 能力；數(shù)據(jù)存儲量能滿足大多數(shù)需要，便于使用，成本低廉；還具有一定的數(shù)據(jù)安全性；能粘附于許多不同規(guī)格和形式的基材上；這些優(yōu)點(diǎn)使之在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如信用卡、銀行 ATM 卡、機(jī)票、公共汽車票、自動售貨卡、會員卡、現(xiàn)金卡（如電話磁卡）等。自動識別技術(shù)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展為基礎(chǔ)的綜合性科學(xué)技術(shù)，近幾十年在全球范圍內(nèi)得到了迅猛發(fā)展。為了跟蹤每根管子，他們將管子的各種信息編成一個(gè) PDF417 條碼，制成標(biāo)簽后貼在管子上。日本 Seimei 保險(xiǎn)公司的每個(gè)經(jīng)紀(jì)人在制作保單的同時(shí)將保單內(nèi)容編成一個(gè) PDF417 條碼，打印在單據(jù)上，這樣當(dāng)他們回到辦公室就可以使用二維條碼閱讀器掃描條碼將數(shù)據(jù)錄入主機(jī)，提高了數(shù)據(jù)錄入的準(zhǔn)確性和速度。 貨運(yùn)運(yùn)輸方面的應(yīng)用。 AAMVA(美國機(jī)動車管理局 )將 PDF417 條碼選定為所有駕駛員和機(jī)動車管理的二維條碼標(biāo)準(zhǔn)。 PDF417 的發(fā)展和應(yīng)用 作為成熟的條碼技術(shù)， PDF417 條碼已經(jīng)或者正在被許多政府部門、工業(yè)團(tuán)體所采納。 我國有關(guān)二維條碼的研究和應(yīng)用開始于 1993 年，相對一些發(fā)達(dá)國家起步較晚，大部分技術(shù)及設(shè)備目前仍是從國外引進(jìn)，導(dǎo)致二維條碼使用成本較高，實(shí)際使用范圍較小，從而嚴(yán)重制約了二維條碼在我國的廣泛應(yīng)用。兩大顯卡公司 ATI 和 Nvidia 公司的部分顯示芯片 (GPU)也采用了同樣的技術(shù)。加之 Data Matrix 二維條碼具有很強(qiáng)的糾錯(cuò)能力，因此很適合應(yīng)用在條碼容易受損的場所，例如印在暴露于高熱、化學(xué)清潔劑、機(jī)械剝蝕等特殊環(huán)境的零件上。我國的二維條碼標(biāo)準(zhǔn)化工作起步較晚，但已取得了一定的進(jìn)展。目前，已完成 PDF417， QR Code， Maxi Code， Data Matrix等二維條碼碼制標(biāo)準(zhǔn)的制定，另有 Aztec Code 等碼制標(biāo)準(zhǔn)正在研究制定中。 接下來將從二維條碼的標(biāo)準(zhǔn)化，以及矩陣式和堆疊式這兩種二維條碼各自具有代表性的 Data Matrix 和 PDF417 的應(yīng)用現(xiàn)狀來詳細(xì)介紹二維條碼的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀。 我國對二維條碼技術(shù)的研究開始于 1993 年。此外，它還具有信息容量大、密度高、抗畸變、抗污損能力強(qiáng)等特點(diǎn)，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。每一個(gè) PDF417 符號可以表示高達(dá) 1108 個(gè)字節(jié)、或 1850 個(gè) ASCII 字符或 2710 個(gè)數(shù)字的信息。因?yàn)榻M成條碼的每一個(gè)條碼字符都是由 4 個(gè)條和 4 個(gè)空共 17 個(gè)模塊構(gòu)成，故稱為 PDF417 碼。符號四周有空白區(qū)包圍。 QR Code。 Maxi Code 碼。 Data Matrix 碼是一種矩陣式二維條碼，由美國國際資料公司的Dennis Priddy 和 Robert 發(fā)明，其發(fā)展的構(gòu)想是希望在較小的條碼標(biāo)簽上存入更多的資料量。圖12 給出了幾種常見的二維條碼。 矩陣式二維條碼是在一個(gè)矩形空間通過黑、白像素在矩陣中的不同分布進(jìn)行編碼。 堆疊式二維條碼形態(tài)上是由多行短截的一維條碼堆疊而成，其編碼原 理是建立在一維條碼基礎(chǔ)之上，按需要將一維條碼堆積成二行或多行。表 11 給出了二維條碼與一維條碼的比較。二維條碼的編碼范圍非常廣泛，它不僅可以像一維條碼那樣保存英文、數(shù)字等符號信息，還可以保存中文、圖片、聲音、指紋、簽字等多種數(shù)據(jù)類型 [14]。圖 11 給出了幾種常見的一維碼。世界上約有 225 種以上的一維條碼，每種一維條碼都有自己的一套編碼規(guī)格，規(guī)定每個(gè)字母 (可能是文字或數(shù)字或文數(shù)字 )是由幾個(gè)線條 (Bar)及幾個(gè)空白(Space)組成，以及字母的排列。 一維條碼簡介 一維條碼是由一組規(guī)則排列的條、空以及對應(yīng)的字符組成的標(biāo)記，這些條和空組成的數(shù)據(jù)表達(dá)一定的信息，并能夠用特定的設(shè)備識讀，轉(zhuǎn)換成與計(jì)算機(jī)兼容的二進(jìn)制和十進(jìn)制信息[11]。在沒有數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)的情況下，一維條碼的應(yīng)用受到了很大的限制有時(shí)甚至變得毫無意義。于是為了滿足人們的這種需求，編碼專家在 80 年代末發(fā)明